喷射成形锭坯设备控制系统设计

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喷射成形技术是在传统快速凝固，粉末冶金(RSM)技术基础上，制备出新型金属近终成形技术。技术制备沉积坯件具有组织均匀细化、致密度高、氧化程度型无宏观便析，且喷射成形工艺流程短、成本低、沉积效率高等特点n习。利用喷射成形技术制备产品在工业发达国家广泛应用于航空、航天、汽车、电子、兵器、交通等各领域。在国外，欧美等工业发达国家对喷射成形装置的控制系统主要采有半自动控制模式和 MTS智能控制模式 。国内对喷射成形 自动控制及实时监控与智能控制方面的研究已经展开 ，目前研究面临的主要问题是如何保证工艺参数的稳定及克服恶劣的工作环境。

针对以上问题，提出基于 PLC、触摸屏为控制系统的核心，开发了喷射成形锭坯设备系统 ，不仅降低设备费用，还保证获得尺寸精度高，组织性能好的沉积坯体。

2锭坯设备结构及工作原理喷射成形锭坯设备装置结构，如图1所示。采用喷嘴往复扫描执行机构和基底旋转 、升降执行机构，喷嘴运动机构由漏包、喷嘴、滚珠丝杆、导板和步进电机组成，漏包和喷嘴两者固定在运动导板上，由步进电机驱动滚珠丝杆带动导板滑动来控制其运动的速度和方向，用来在喷射过程中喷嘴能够实现准确进给运动；基底升降、旋转运动机构包括控制器和链轮传动机构，用来控制基底升降高度、速度和沉积坯旋转速度。其工作原理：漏包中的金属熔体流人到喷嘴中，此时利用高压气体( )将其雾化成锥状的喷射流，沉积基底 9作匀速旋转和升降运动，雾化锥状的液莲喷射沉积在基底上，经过多次雾状液粒往复扫描沉积，最终获得锭坯。

3控制系统硬件结构控制系统硬件结构，如图 2所示，将主要包括以下部分：(1)控制器。采用三菱 FX3U-32MR PLC，具有 16个数字量输入点和 16个数字量输 点，应用继电器输出，能满足系统的开关量输入与输出的控制要求。

(2)模拟量扩展拈。FX2N-4AD用来实时检测沉积室压力，FX2N-4AD-PT用来实时测量沉积室温度。

来稿日期：2012-4)9-14作者简介：涂建平，(1986-)，男，江两南昌人.硕士研究牛，主要研究方向：机电-体化技术；史先传，(1972-) 男，安微合肥人，博士，副教授，主要研究方向：特种加工、机电控制的研究78 涂建平等：喷射成形锭坯设备控制系统设计 第7期1、3左 i接近升天 2.复化开关 4.漏包 5.唢嘴 6.步进电机 7.沉积室8.激光测距仪 9.沉积基底 l0、13.JF限位开关 Il l 2 下接近开关14.传动链 1 5.旋转变频电机 16.升降变频电机 17.蝶阀图 1喷射成形锭坯设备装置结构Fig.1 Scheme of Structure fi，r Spray Forming Billet Equipment图 2控制系统结构罔Fig.2 Diagram 1)f Control System Structure(3)参数设定 、 示及监控。触摸屏作为人机界面，实现对设备状态的 示、系统的参数设定及修改和整个加T过程的监控(4)喷嘴往复扫描运动控制. 采用 FX2N-IOGM定位过单元与 Stt-32206步进驱动器l卡I连，如图 3所示。利用 10GM定位单元1的 FP发 脉冲信号给驱动 CW-接口来调节步进电动机的转速，RP发出方向信号给驱动器 CCW-接口来控制步进电机的转向，从而带动执行机构实现 复进给运动，其中脱机信号在本系统中没有接入。在喷嘴进给运动时，运用了驱动器细分技术对步进角进行细分，进-步提高喷嘴进给精度。

r]图 3 FX2N～10GM与步进 功器接F1接线图Fig.3 Wil ing Diagram of FX2N-1 0GM and Stepper Drive(5)沉积基底高度位置控制。沉积基底高度控制是喷射沉积T：艺中关键参数之 ，保证了喷射时沉积坯在竖直方向上直径大小保持相同及坯体喷射高度保持在相对同-高度。采用激光测距仪来时实检测喷嘴与基底沉积坯件之间高度，来实现对沉积基底高度位置控制。

4控制系统软件设计4.1 PLC程序设计PLC程序设计采用三菱GX Developer编程软件，该软件具有使用简单、功能强大特点，能够在线编程，方便控制系统调试与故障诊断 。为了提高程序运行速度和便于系统的维护，将控制系统软件设计划分若干个子拈，其主要包括 FX2N-IOGM位置控制和沉积基底高度控制程序等。

4.1.1 FX2N-10GM位置控制程序FX2N-10GM位置控制程序包括 PLC控制程序和 10GM的定位程序，来实现喷嘴的往复扫描运动。在 PLC控制程序中，位置单元的初始参数设置和数据传输采用 PLC与位置单元通信程序来实现，应用 PLC的 FROM指令可以把 10GM的BFM中存储的内容读到PLC中，应用 TO指令把 1OGM的基本参数值写入到BFM中。而 IOGM的定位程序中，应用专用 cod指令来编制。

为了确保沉积坯形成柱状而非锥状，首先通过微元法分析得出喷嘴扫描速度与喷射该点距锭坯圆盘中心距离成反比，进而便于程序上的控制。假设将锭坯图蕊的半径R被等分为n份，每- 段记为 △r，如图 4所乐.则第 i段的半径为 riAr，对应的周长为CF2riAr。设金属流体的速度 为常量，喷嘴在第 i段的速度为变化量，但在该段内 视为恒定量，因此喷嘴存第i段内的停留时间是 At，Ar/V ，喷嘴喷 的金属流体的流量 Q 为：QF △ △r/对应的线密度为p/C产 /(2 )则 ViV/(2"ip)，若P为恒定值，得f .与i成反比，故在第i段内 与 成反比，依次类推第 1段内 .与r，Ar成反比。

坯圃盘基底△r图 4喷嘴扣描速度 锭坯圆盘半径关系图Fig.4 Diagram of Nozzle scanning Speed and Billet Disc Radius利用上述推导的结论，将喷嘴扫描半径分成( -1)段。使用TO指令写入位置单元基本参数的程序，指令如下：DTOK2KI100D318KI；设置喷嘴在X轴起点位置D FO K2 K1000 D1000 KI：设置喷嘴向起点移动时，步进电机的转速DTOK2K1040D1040K1；设置喷嘴住负x轴的第 i段内时.步进电机的转速Dr0 K2 K1038 D1038 K1：设置喷嘴在负x轴的第 i-l段内时，步进电机的转速DTOK2K1002D1002KI：没置喷嘴在负 x轴的第 1段内时 ，步进No.7July.2013 机械 设 计 与制 造 79电机的转速DTOK2KIO02D1002KI：设置喷嘴在正x轴的第 1段内时，步进电机的转速DTOK2K1038 D1038K1：设置喷嘴在正X轴的第 i-1段内时，步进电机的转速DTOK2K1040 D1040K1；设置喷嘴在正 x轴的第 i段内时，步进电机的转速DTO K2 K990 D334 K1；设置步进电机沿着 X轴正向移动时，每段的长度所对应的脉冲数DTO K2 K992 D332 K1；设置步进电机沿着 X轴负向移动时，每段的长度所对应的脉冲数4.1.2沉积基底高度位置控制程序利用激光测距仪测得高度值，通过FX3U-232-BD通信扩展板传送给 FX3UPLC进行分析处理。当 PLC获得实时高度信号 H后 ，同设定基准高度 风 进行比较 ，再调用预先编好的程序进行对变频器驱动交流电动机加减速判断，从而达到所需要沉积基底高度控制，程序流程图，如图5所示。

图5沉积基底高度位置控制流程图Fig.5 Control Flow Chart of Height Position for Deposition Basement4.2 MCGS组态设计采用北京昆仑昆态的 TPC1561Il作为人机交互设备，选择其对应的昆仑组态 MCGS软件进行组态设计。在组态设计过程中，首先要创建用户T程.选择相对应的外部通讯设备构件，定义变量并建立实时数据库，然后进行组态界面设计及其相关的属性设置，最后进行组态程序下载。当测试成功后，将组态T程可下载到触摸屏中。

4.2.1通讯参数设置要实现触摸屏和PLC之间的通信数据交换，必须对其通讯参数进行设置。利用 GX Developer对 FX3UPLC的通讯参数设置 ：协议为无协议通信 、波特牢为 9600、数据位 7位，停止位 1位、数据检验为偶校验；在组态工程中，采用某FX系列编程口为通讯驱动设备，其设备地址为0。

4.2.2组态界面设计根据系统控制要求，整个组态界面由用户登录界面、手动操作界面、自动操作界面、参数设置界面、报警记录界面。

以自动操作界面为例，通过画面可以进行 自动回零、开始加工、终止加工、惰性气体阀门的开启和关闭等操作，并且可以显示锭坯旋转速度 、锭坯升降速度 、锭坯当前位置 、惰性气体阀门的开/关状态、沉积室温度和压力 、托盘或锭坯到激光测距仪的距离，如图6所示。为了在触摸屏上显示喷嘴当前位置，根据喷嘴移动方向、行程开关状态 ，使用 MCGS的脚步语言计算出喷嘴位置，并用进度条的游标位置来表示喷嘴位置。

图6自动操作界面Fig.6 Automatic Operation lnterthce5结论利用PLC作为控制器，具有抗干扰强、稳定性高特点；结合MCGS组态软件为开发平台，实现了喷射成形锭坯设备的人机交互控制系统，大大地缩短开发周期，降低了研发的成本。调试结果表明，该系统稳定可靠、操作方便，能满足控制要求。