畢業(yè)論文--電鑄過程plc控制程序設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　江海職業(yè)技術(shù)學(xué)院</b></p><p>　　畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)</p><p>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)題目： 電鑄過程PLC控制程序設(shè)計(jì) </p><p>　　姓 名學(xué) 號(hào) ： </p><p>　　所在系 （部）：

2、 </p><p>　　專 業(yè) 及班級(jí)： </p><p>　　指 導(dǎo) 教 師： </p><p>　　完 成 日 期：

3、 </p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電鑄技術(shù)能夠制備出某些用普通機(jī)械加工方法難以制造, 并且具有特殊形狀的金屬零件, 能夠極為準(zhǔn)確地復(fù)制出芯模的形狀,其適用范圍廣，電鑄制品的性能可以控制，投資少。</p><p>　　但在電鑄過程中，濃差極化增加，電流密度減小，電鑄時(shí)間增加，生產(chǎn)率也降低。當(dāng)

4、電鑄件表面是凹凸不平時(shí)，則在電鑄過程時(shí)其電場(chǎng)分布不均，其電鑄質(zhì)量大大的降低。另外由于電鑄液的成分、濃度、酸堿度、溫度等變化的不受控制會(huì)造成鑄件內(nèi)應(yīng)力過大，從而導(dǎo)致變形、起皺、開裂或剝落。</p><p>　　本文介紹了電鑄加工的特性以及原理，以及電鑄加工的基本設(shè)備，和具體的工藝流程及參數(shù)。著重介紹電鑄加工試驗(yàn)系統(tǒng)中的PLC控制試驗(yàn)，介紹了PLC的工作原理以及硬件構(gòu)造，再通過PLC對(duì)溫度、通電時(shí)間、攪拌工作與否的控

5、制以及對(duì)電源正負(fù)極的變換控制，從而間接的控制電源的工作狀態(tài)、電解液的濃度，使得克服其缺陷。并畫出其PLC控制接線圖，并運(yùn)用PLC編程軟件編制出控制程序以及梯形圖轉(zhuǎn)換。最后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)參數(shù)優(yōu)化，為其實(shí)際應(yīng)用建立工藝基礎(chǔ)。</p><p>　　關(guān)鍵詞：電鑄加工 PLC 控制原理 程序</p><p><b>　　目 錄</b></p><

6、;p>　　摘要........................................................... 1</p><p>　　目錄................................................................3</p><p>　　第一章 緒 論............................

7、.............................6</p><p>　　1.1電鑄過程（PLC）控制與實(shí)驗(yàn)控制.......................................6</p><p>　　1.1.1 概述...........................................................6</p><p

8、>　　1.1.2 電鑄加工的特點(diǎn)及應(yīng)用........................................6</p><p>　　1.2 特種加工內(nèi)容簡(jiǎn)述................................................7</p><p>　　1.2.1 電解研磨加工原理....................................

9、..........8</p><p>　　1.2.2 電鑄加工原理……..............................................9</p><p>　　1.3 課題研究目的及內(nèi)容............................................11</p><p>　　1.4 本章小結(jié)............

10、...........................................12</p><p>　　第二章 技術(shù)基礎(chǔ)....................................................13</p><p>　　2.1 電鑄技術(shù)的原理及特點(diǎn)..........................................13</p>

11、;<p>　　2.1.1 基本原理.....................................................13</p><p>　　2.1.2電鑄加工的特點(diǎn)...............................................15</p><p>　　2.2 電鑄的基本設(shè)備.......................

12、.........................16</p><p>　　2.3電鑄的分類（合金電鑄與復(fù)合電鑄）.............................18</p><p>　　2.3.1 合金電鑄技術(shù)................................................18</p><p>　　2.3.2 復(fù)合電鑄技術(shù)

13、................................................19</p><p>　　2.4 具體工藝流程及參數(shù)............................................19</p><p>　　2.4.1 鍍液配制.....................................................19

14、</p><p>　　2.4.2 模具涂覆流程................................................20</p><p>　　2.4.3 鑄造與脫?！?................................................20</p><p>　　2.4.4 鑄件檢視與品質(zhì)測(cè)試...........

15、...............................21</p><p>　　2.4.5 電鑄金屬質(zhì)量的計(jì)算..........................................22</p><p>　　2.4.6脈沖電源參數(shù)設(shè)置.............................................23</p><p>　

16、　2.5 本章小結(jié)......................................................23</p><p>　　第三章 PLC及程序..................................................24</p><p>　　3.1 PLC應(yīng)用基礎(chǔ)....................................

17、...............24</p><p>　　3.1.1 PLC的未來展望..............................................24</p><p>　　3.1.2 PLC的硬件構(gòu)成及工作原理...................................26</p><p>　　3.2實(shí)驗(yàn)中用到的PLC裝置..

18、.......................................30</p><p>　　3.2.1溫度測(cè)量及控制裝置.........................................30</p><p>　　3.2.2攪拌控制裝置................................................32</p><

19、;p>　　3.2.3電源控制裝置.................................................32</p><p>　　3.3 PLC接線圖、梯形圖、控制程序.................................33</p><p>　　3.3.1接線圖..........................................

20、.............33</p><p>　　3.3.2梯形圖.......................................................36</p><p>　　3.3.3控制程序.....................................................38</p><p>　　3.4 本章小

21、結(jié)......................................................39</p><p>　　第四章 電鑄實(shí)驗(yàn)....................................................40</p><p>　　4.1電鑄實(shí)驗(yàn)的過程.............................................

22、..40</p><p>　　4.2銅的電鑄工藝試驗(yàn).............................................40</p><p>　　4.3 本章小結(jié).....................................................43</p><p>　　第五章 總結(jié)....................

23、......................................44</p><p>　　致謝...................................................................45</p><p>　　參考文獻(xiàn)....................................................46</

24、p><p><b>　　第一章 緒 論</b></p><p>　　1.1電鑄過程（PLC）控制與試驗(yàn)介紹</p><p><b>　　1.1.1 概述</b></p><p>　　電鑄（electroforming）技術(shù)是一種利用電解沉積原理將原材料加工成所需工件的制造技術(shù)。應(yīng)用電解沉積的制造，包括

25、電鑄和電鍍。電鑄和電鍍二者最大的差異在電鍍制造的目的在于利用電解沉積形成工件表面的鍍膜，提升工件表面精度、抗腐蝕能力等性能。而電鑄制造在生產(chǎn)一個(gè)本身具備所需相關(guān)力學(xué)性能的工件。因此，電鑄制造技術(shù)，會(huì)更重視鑄件本身內(nèi)應(yīng)力、抗拉（抗壓）強(qiáng)度、硬度及材料的組織。由于電鑄技術(shù)制造的零件比任何其它方法具有更高的精度 ,能完全復(fù)制形狀復(fù)雜且具有不同粗糙度的表面 ,所以采用了電鑄技術(shù)制造表面粗糙度樣塊。與機(jī)械加工制造的表面粗糙度樣塊相比, 電鑄技術(shù)具

26、有加工精度高加工成本低并且更適合大批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)。</p><p>　　1.1.2 電鑄加工的特點(diǎn)及應(yīng)用</p><p>　?。?）電鑄加工的特點(diǎn)</p><p>　　電鑄技術(shù)能夠制備出某些用普通機(jī)械加工方法難以制造, 并且具有特殊形狀的金屬零件, 其最大的優(yōu)點(diǎn)是具有高度 “ 逼真性” , 能夠極為準(zhǔn)確地復(fù)制出芯模的形狀, 因此, 該工藝具有相當(dāng)高的復(fù)制精度; 另

27、外, 在電鑄過程中對(duì)芯模無任何損害而具有相當(dāng)高的重復(fù)精度。</p><p>　　適用范圍廣。電鑄可以使難以加工的內(nèi)型面變?yōu)橐子诩庸さ耐庑兔? 因而該工藝在具有精密和復(fù)雜內(nèi)表面零件的制造方面得到了較為廣泛地應(yīng)用; 另外, 電鑄還被用來制造某些具有超細(xì)、超薄結(jié)構(gòu), 以及無縫或中空的零件。</p><p>　　可以控制電鑄制品的性能。通過改變所沉積金屬的種類和工藝參數(shù), 或通過使用添加劑等工藝措

28、施, 即可使所制備零件的物理、機(jī)械性能在很大范圍內(nèi)變化, 以滿足實(shí)際應(yīng)用中的不同需求。</p><p>　　投資少。電鑄技術(shù)是一種“ 增材” 加工技術(shù), 設(shè)備投資較少, 而且其廢品還可以作為陽(yáng)極材料得到再利用。</p><p>　　正是由于電鑄技術(shù)具有上述諸多的優(yōu)點(diǎn), 尤其是其高度的逼真性和極強(qiáng)的適應(yīng)性, 在實(shí)際應(yīng)用中不僅能夠從物體表面制備精確的復(fù)制件, 而且還可以加工具有復(fù)雜形狀和特殊理

29、化性能的制品, 因而使其在許多領(lǐng)域得到愈來愈廣泛的應(yīng)用。</p><p>　?。?）電鑄制造的應(yīng)用</p><p>　　在光電、電子、微機(jī)電等產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，且強(qiáng)調(diào)輕薄短小、提升附加價(jià)值的今天，傳統(tǒng)的車、銑、刨、磨、鉆等機(jī)械加工方式，已無法滿足精密微結(jié)構(gòu)模具的制作，故精密電鑄制造的應(yīng)用勢(shì)必日益受到重視，其所使用的制造領(lǐng)域如下：</p><p>　　1、可復(fù)制精細(xì)的表面

30、輪廓花紋。如唱片模，工藝美術(shù)品模， 紙幣、證券、郵票的印刷版等； </p><p>　　2、可按制品復(fù)制注塑模具和玻璃模型腔，型腔耐腐蝕性好；</p><p>　　3、電鑄電火花型腔加工用的電極，導(dǎo)電性好；</p><p>　　4、可制造復(fù)雜、高精度的空心零件和薄壁零件。 如波導(dǎo)管等；</p><p>　　5、可制造表面粗糙度標(biāo)準(zhǔn)樣塊、

31、反光鏡、表盤、異型孔噴嘴等特殊零件。</p><p>　　微電鑄是一種高效率且精密的模成型技術(shù)，以前主要應(yīng)用于票據(jù)印制、低價(jià)模具復(fù)制，今日則廣泛應(yīng)用于光盤片、全像片及光學(xué)原模復(fù)制。在未來的光電、電子以及微機(jī)電產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展的帶動(dòng)下，精密電子制造技術(shù)及應(yīng)用皆具有極大的發(fā)展空間。</p><p>　　電鑄制造生產(chǎn)的產(chǎn)品及其衍生的產(chǎn)品充斥在日常的生活中。從光盤、手機(jī)、電腦標(biāo)志、汽車上的部分零件，都

32、可能經(jīng)過電鑄制造的處理。在微機(jī)電的制造領(lǐng)域，精密電鑄亦有舉足輕重的地位。下圖所示：</p><p>　　a.光盤 b.手機(jī) c.電腦標(biāo)志 d.汽車零件</p><p>　　1.2 特種加工內(nèi)容簡(jiǎn)述</p><p>　　隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、國(guó)防軍工和航空航天技術(shù)發(fā)展迅速， 與此

33、同時(shí)， 高度、高韌性、高強(qiáng)度和高脆性等難切削材料的應(yīng)用日益廣泛， 制造精密細(xì)小、形狀復(fù)雜和結(jié)構(gòu)特殊工件的求也在日益增加。社會(huì)需求與技術(shù)進(jìn)步的結(jié)合促使特種加工技術(shù)不斷進(jìn)步和快速發(fā)展。所謂特種加工，是一種利用化學(xué)能、電能、聲能、機(jī)械能以及光能和熱能對(duì)金屬或非金屬材料進(jìn)行加工的方法。其工作原理不同于傳統(tǒng)的機(jī)械切削方法， 即加工過程中工件與所用工具之間沒有明顯的切削力， 工具材料的硬度也可低于工件材料的硬度。特種加工技術(shù)在國(guó)內(nèi)外各行各業(yè)的應(yīng)用中

34、取得了巨大成效， 它們有著各自的特點(diǎn)， 特殊材料或特殊結(jié)構(gòu)工件的加工工藝性發(fā)生了根本變化，解決了傳統(tǒng)加工方法所遇到的各種問題，已經(jīng)成為現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域中不可缺少的重要加工手段和關(guān)鍵制造技術(shù)。特種加工與一般機(jī)械切削加工相比， 有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)， 在某種場(chǎng)合上， 它是一般機(jī)械切削加工的補(bǔ)充， 擴(kuò)大了機(jī)械加工的領(lǐng)域。它具有以下較為突出的特點(diǎn)。</p><p>　?。?） 不用機(jī)械能，與加工對(duì)象的機(jī)械性能無關(guān)，有些加工方法，如

35、激光加工、電火花加工、等離子弧加工、電化學(xué)加工等，是利用熱能、化學(xué)能、電化學(xué)能等，這些加工方法與工件的硬度強(qiáng)度等機(jī)械性能無關(guān)，故可加工各種硬、軟、脆、熱敏、耐腐蝕、高熔點(diǎn)、高強(qiáng)度、特殊性能的金屬和非金屬材料。</p><p>　?。?） 非接觸加工，不一定需要工具，有的雖使用工具，但與工件不接觸，因此， 工件不承受大的作用力，工具硬度可低于工件硬度， 故使剛性極低元件及彈性元件得以加工。</p>&

36、lt;p>　?。?） 微細(xì)加工，工件表面質(zhì)量高，有些特種加工，如超聲、電化學(xué)、水噴射、磨料流等，加工余量都是微細(xì)進(jìn)行，故不僅可加工尺寸微小的孔或狹縫，還能獲得高精度、極低粗糙度的加工表面。</p><p>　　（4） 不存在加工中的機(jī)械應(yīng)變或大面積的熱應(yīng)變，可獲得較低的表面粗糙度， 其熱應(yīng)力、殘余應(yīng)力、冷作硬化等均比較小，尺寸穩(wěn)定性好。</p><p>　?。?） 兩種或兩種以上的不

37、同類型的能量可相互組合形成新的復(fù)合加工， 其綜合加工效果明顯， 且便于推廣使用。</p><p>　　（6） 特種加工對(duì)簡(jiǎn)化加工工藝、變革新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)及零件結(jié)構(gòu)工藝性等產(chǎn)生積極的影響。本調(diào)研主要涉及的是電化學(xué)加工。</p><p>　　1.2.1電解研磨加工原理</p><p>　　電解磨削是電解作用與機(jī)械磨削相結(jié)合的一種特種加工，又稱電化學(xué)磨削，英文簡(jiǎn)稱ECG。電

38、解磨削是20世紀(jì)50年代初美國(guó)人研究發(fā)明的。原理是工件作為陽(yáng)極與直流電源的正極相連；導(dǎo)電磨輪作為陰極與直流電源的負(fù)極相連。磨削時(shí)，兩者之間保持一定的磨削壓力，凸出于磨輪表面的非導(dǎo)電性磨料使工件表面與磨輪導(dǎo)電基體之間形成一定的電解間隙(約0.02～0.05毫米)，同時(shí)向間隙中供給電解液。在直流電的作用下，工件表面金屬由于電解作用生成離子化合物和陽(yáng)極膜。這些電解產(chǎn)物不斷地被旋轉(zhuǎn)的磨輪所刮除，使新的金屬表面露出，繼續(xù)產(chǎn)生電解作用，工件材料便不

39、斷地被去除，從而達(dá)到磨削的目的。</p><p>　　電解液一般采用硝酸鈉﹑亞硝酸鈉和硝酸鉀等成分混合的水溶液，不同的工件材料所用電解液的成分也不同。導(dǎo)電磨輪由導(dǎo)電性基體(結(jié)合劑)與磨料結(jié)合而成，主要為金屬結(jié)合劑金剛石磨輪﹑電鍍金剛石磨輪﹑銅基樹脂結(jié)合劑磨輪﹑陶瓷滲銀磨輪和碳素結(jié)合劑磨輪等，按不同用途選用。</p><p>　　電解磨削適合于磨削各種高強(qiáng)度﹑高硬度﹑熱敏性﹑脆性等難磨削的金

40、屬材料，如硬質(zhì)合金﹑高速鋼﹑鈦合金﹑不銹鋼﹑鎳基合金和磁鋼等。用電解磨削可磨削各種硬質(zhì)合金刀具﹑塞規(guī)﹑軋輥﹑耐磨襯套﹑模具平面和不銹鋼注射針頭等。電解磨削的效率一般高于機(jī)械磨削，磨輪損耗較低，加工表面不產(chǎn)生磨削燒傷﹑裂紋﹑殘余應(yīng)力﹑加工變質(zhì)層和毛刺等，表面粗糙度一般為R 0.63～0.16微米，最高可達(dá)R 0.04～0.02微米。</p><p>　　采用適應(yīng)控制技術(shù)﹐可進(jìn)一步提高電解磨削的加工穩(wěn)定性和自動(dòng)化程度

41、。同時(shí)，為了提高加工精度，采用兼有純機(jī)械磨削能力的導(dǎo)電磨輪，粗加工時(shí)靠電解磨削的高效率完成大部分加工量，然后切斷電解電源，靠純機(jī)械磨削磨掉精加工余量，這樣能顯著提高加工精度。電解磨削方式已從平面磨削擴(kuò)大到內(nèi)圓磨削﹑外圓磨削和成形磨削。電解加工的原理也可與珩磨和超精加工結(jié)合起來，成為電解珩磨和電解超精加工。</p><p><b>　　電解研磨加工原理圖</b></p><

42、p>　　1.2.2 電鑄加工的原理 </p><p>　　電鑄（electroforming）技術(shù)是利用陽(yáng)極電解陰極沉積成型的加工方式，進(jìn)行模鑄的加工，其原理與電鍍相同。比較電鑄與電鍍的基本差異在于電鍍沉積層較薄且與基材緊密的結(jié)合，電鍍層成為工件的一部分。電鑄層較厚且需要與母模完全脫離成一獨(dú)立成品。電鑄的成品主要強(qiáng)調(diào)機(jī)能性，因此成品的硬度、抗拉強(qiáng)度等力學(xué)性質(zhì)受到重視。這與電鍍所得電鍍層注重光澤、平滑、耐磨及

43、耐腐蝕等，有明顯不同。因此二者電解液成分及操作條件均不同。</p><p><b>　　電鑄加工原理圖</b></p><p>　　電鑄加工原理圖如上所示，其加工原理為：用可導(dǎo)電的原模作陰極，電鑄材料作陽(yáng)極，電鑄材料的金屬鹽溶液作電鑄液，在直流電源的作用下，溶液中金屬離子在陰極上獲得電子成為金屬原子而沉積鍍覆在陰極原模表面，陽(yáng)極上的金屬原子交出電子成為正金屬離子進(jìn)入鍍

44、液，對(duì)金屬離子進(jìn)行補(bǔ)充，以保持其濃度基本不變。陽(yáng)極原模上電鑄層逐漸加厚，當(dāng)達(dá)到預(yù)定厚度時(shí)即可取出，設(shè)法與原模分離，即可獲得與原模型面凹凸相反的電鍍件。</p><p>　　電鑄成品的精度完全取決于母模設(shè)計(jì)的精度，只要模具設(shè)計(jì)得當(dāng)，其復(fù)制精度可達(dá)到次微米級(jí)。電鑄的基本加工工作原理，將鑄造的材料接在陽(yáng)極，模具接在陰極。當(dāng)電鑄加工開始時(shí)，陽(yáng)極發(fā)生電解作用，金屬材料電解成金屬陽(yáng)離子析出，被吸引至陰極獲得電子還原沉積于母模

45、上。</p><p>　　電化學(xué)加工是當(dāng)前迅速發(fā)展的一種特種加工方式，是利用電極在電解液中發(fā)生的電化學(xué)作用對(duì)金屬材料進(jìn)行成型加工，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在渦輪、齒輪、異型孔等復(fù)雜型面、型孔的加工以及炮管內(nèi)膛線加工和去毛刺等工藝過程。本設(shè)計(jì)用到了利用陰極金屬的沉積作用進(jìn)行鍍覆加工。這種加工技術(shù)又分電鍍、電鑄、涂鍍（刷鍍）、復(fù)合鍍及光電成形等。本設(shè)計(jì)主要涉及的是電鑄工藝。</p><p>　　1.3

46、課題研究的內(nèi)容及目的</p><p>　　1.3.1 研究?jī)?nèi)容</p><p>　　1、對(duì)電鑄工藝的研究</p><p>　　一般來講, 在電鑄加工的主要工藝過程中應(yīng)包括以下內(nèi)容: 原模表面處理；電鑄至規(guī)定厚度；襯背處理；脫模；清洗干燥；成品。</p><p>　　在電鑄過程中，如果電流密度過大，易使沉積金屬的結(jié)晶粗大，強(qiáng)度低，因此一般電鑄的

47、電流密度不會(huì)太大，生產(chǎn)率也較低。</p><p>　　在電鑄加工過程中，溶液必須連續(xù)過濾及攪拌。同時(shí)，為了使鍍層厚薄均勻，凸出部分有時(shí)要加屏蔽，在凹入部分加裝助陽(yáng)極。要嚴(yán)格控制電鑄液的成分、濃度、酸堿度、溫度、電流密度等。通常開始時(shí)電流不宜過大，以后逐漸增加，中間不宜停電，以免分層，是鑄件內(nèi)應(yīng)力過大而導(dǎo)致變形。脫模的方式視原模材料不同而異。</p><p>　　2、通過PLC對(duì)溫度、通電時(shí)

48、間、攪拌工作與否以及電源正負(fù)極的變換控制</p><p>　　1、對(duì)溫度的控制：溫度到一定值時(shí)熱電偶發(fā)出電信號(hào)，經(jīng)PLC控制停止加熱，保持在一定的溫度。</p><p>　　2、電源開關(guān)接入定時(shí)繼電器，接通時(shí)通電，計(jì)時(shí)器工作，到達(dá)預(yù)定時(shí)間后斷開，以保證工作時(shí)間，使實(shí)驗(yàn)的成品大小一致。</p><p>　　3、對(duì)攪拌工作的控制：當(dāng)實(shí)驗(yàn)的陰極原模為圓軸時(shí)，工作開始則攪拌

49、開始，工作結(jié)束則攪拌結(jié)束，中途可以控制可以使其暫停。</p><p>　　4、對(duì)電源正負(fù)極變換的控制：在電源線路上接繼電器接觸器主開關(guān)，再接入定時(shí)繼電器，當(dāng)?shù)竭_(dá)預(yù)定時(shí)間后，電源的正負(fù)極變換。</p><p>　　1.3.2 研究目的</p><p>　　隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電鑄技術(shù)能夠制備出某些用普通機(jī)械加工方法難以制造, 并且具有特殊形狀的金屬零件, 能夠極為準(zhǔn)確

50、地復(fù)制出芯模的形狀,其適用范圍廣，電鑄制品的性能可以控制，投資少。 </p><p>　　正是由于電鑄技術(shù)具有上述諸多的優(yōu)點(diǎn), 使其在模具制造中以揮主要作用， 因而使其在許多領(lǐng)域得到愈來愈廣泛的應(yīng)用。</p><p>　　本課題構(gòu)造電鑄加工試驗(yàn)系統(tǒng)，并進(jìn)行電鑄加工PLC控制試驗(yàn)，熟悉其加工特性以及原理，了解PLC的工作原理，熟悉PLC程序的編制以及梯形圖的變換，進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，為其實(shí)際應(yīng)用建

51、立工藝基礎(chǔ)。</p><p><b>　　1.4 本章小結(jié)</b></p><p>　　本章主要對(duì)所研究的課題進(jìn)行了介紹，對(duì)于特種加工技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了闡述，分析了電鑄技術(shù)的重要性，介紹了電鑄技術(shù)在生產(chǎn)制造業(yè)的廣泛應(yīng)用，同時(shí)闡述了課題來源，對(duì)電鑄原理及工藝進(jìn)行了分析最后介紹了本文的主要研究?jī)?nèi)容及目的。</p><p>　　第二章 技術(shù)

52、基礎(chǔ)</p><p>　　2.1 電鑄技術(shù)的基本原理及特點(diǎn)</p><p><b>　　2.1.1基本原理</b></p><p>　　電鑄加工是通過在陰極芯模上沉積金屬得到復(fù)制件, 制造出金屬零部件的電化學(xué)工藝, 具有極高的復(fù)制精度。1837年俄羅斯科學(xué)家Jacobi發(fā)明了電鑄銅工藝, 德國(guó)科學(xué)家伯特格爾教授又在1842年發(fā)明了鎳的電鑄工藝,

53、 俄羅斯的財(cái)政部1869年又發(fā)明了電鑄鐵, 俄國(guó)最早開展電鑄的應(yīng)用,但主要局限在印刷版的制作和精美的金屬工藝品的復(fù)制, 應(yīng)用范圍十分有限。電鑄在工業(yè)中廣泛應(yīng)用約始于20世紀(jì)50、60年代, 最廣泛使用的電鑄金屬是銅、鎳、鐵, 主要用來制取很難或無法用機(jī)械加工方法制造的零件。近年來, 電鑄制造各種精密復(fù)雜的微細(xì)金屬零部件及其各種相關(guān)模具, 受到了高度的重視。</p><p>　　如同上面提到的電鑄（electrof

54、orming）技術(shù)是利用陽(yáng)極電解陰極沉積成型的加工方式，驚喜模鑄的加工，其原理與電鍍相同。比較電鑄與電鍍的基本差異在于電鍍沉積層較薄且與基材緊密的結(jié)合，電鍍層成為工件的一部分。電鑄層較厚且需要與母模完全脫離成一獨(dú)立成品。電鑄的成品主要強(qiáng)調(diào)機(jī)能性，因此成品的硬度、抗拉強(qiáng)度等力學(xué)性質(zhì)受到重視。這與電鍍所得電鍍層注重光澤、平滑、耐磨及耐腐蝕等，有明顯不同。因此二者電解液成分及操作條件均不同。</p><p><b

55、>　　2.1 電鑄原理圖</b></p><p>　　電鑄成品的精度完全取決于母模設(shè)計(jì)的精度，只要模具設(shè)計(jì)得當(dāng)，其復(fù)制精度可達(dá)到次微米級(jí)。電鑄的基本加工工作原理，將鑄造的材料接在陽(yáng)極，模具接在陰極。當(dāng)電鑄加工開始時(shí)，陽(yáng)極發(fā)生電解作用，金屬材料電解成金屬陽(yáng)離子析出，被吸引至陰極獲得電子還原沉積于母模上。</p><p>　　整個(gè)電鑄加工系統(tǒng)圖是一個(gè)完整的配套系統(tǒng)（見圖2.2

56、），由機(jī)床、電源、輸液系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)四大部分組成。</p><p>　　圖2.2電解、電鑄加工系統(tǒng)圖</p><p>　　加工時(shí)工件（陽(yáng)極）接直流電源的正極，工具（陰極）接電源的負(fù)極，兩極之間保持較小的間隙（0.1~1mm），并通以5~24V、10~500A/mm2的低電壓、高電流密度的連續(xù)或脈沖直流電，同時(shí)有6~30m/s的高速電解液流過。電解液一般采用中性鹽的水溶液，常用的為NaCl

57、或NaNO3鹽。在上述條件下，工件即按工具陰極的形狀不斷溶解，直到工件的形狀和尺寸達(dá)到要求為止。此間，工具向工件以0.10~1.0mm/min速度緩慢進(jìn)給。 </p><p>　　電鑄加工成型原理圖如圖2.3所示，圖中的細(xì)豎線表示通過陰極與陽(yáng)極間的電流，豎線的疏密程度表示電流密度的大小。加工開始時(shí)（見圖2.3a），工件毛坯的形狀與做為陰極的工具形狀不一致，此時(shí)工件上各點(diǎn)與工具陰極表面的間隙不同，圖中所標(biāo)豎線疏密度

58、也不同，即陰極與陽(yáng)極距離較近的地方通過的電流密度較大，電解液的流速也常較高，陽(yáng)極溶解速度也就較快。隨著陰極不斷向陽(yáng)極推進(jìn)，兩者之間的間隙逐漸趨于均勻化（見圖2.3b）。當(dāng)加工到一定深度，各點(diǎn)間隙平衡，即工件表面形成與陰極工作面基本嚙合（見圖2.3c）。</p><p>　　2.3 電鑄加工成型圖</p><p>　　2.1.2 電鑄加工的特點(diǎn)</p><p>　　1

59、）復(fù)制精度高。可用制品作為母模，準(zhǔn)確地復(fù)制形狀復(fù)雜的成形表面和細(xì)微紋路，制件表面粗糙度小，用同一原模能生產(chǎn)多個(gè)電鑄件，復(fù)制品一致性好。 </p><p>　　2）設(shè)備簡(jiǎn)單、操作容易，成本低。 </p><p>　　3）電鑄速度慢；電鑄件厚度薄，壁厚不均勻；尺寸大而薄的鑄件容易變形。 </p><p>　　4) 適用制作塑料模型腔，耐腐蝕性好但不宜受沖擊。 &l

60、t;/p><p>　　5) 可把零件的內(nèi)表面加工轉(zhuǎn)為母模的外表面加工，制造機(jī)械加工無法加工的復(fù)雜形面。 </p><p>　　6) 通過電鑄加工可獲得高純度的電極，導(dǎo)電性好。 </p><p>　　7) 電鑄件有較好的機(jī)械強(qiáng)度，不需熱處理淬硬。</p><p>　　綜上所述，電鑄加工對(duì)難加工材料、復(fù)雜形狀零件的批量生產(chǎn)是一種高效、高表面質(zhì)量、經(jīng)

61、濟(jì)的工藝方法。目前在國(guó)內(nèi)外已廣泛地應(yīng)用于機(jī)械模具、槍炮、航空發(fā)動(dòng)機(jī)、火箭等制造業(yè)。近幾十年，在民用工業(yè)如汽車、拖拉機(jī)、煤氣的鍛模加工及去除毛刺中也得到了應(yīng)用。故在機(jī)械制造業(yè)中，成為一種不可缺少的加工方法。</p><p>　　（2）電鑄金屬及特性</p><p>　　電鑄技術(shù)的基本分類有金屬電鑄，如 Ni、Cu、Au、Ag、Pt等；合金電鑄，如 Ni-Co、Ni-Fe、Ni-M、Ni-W等

62、，及復(fù)合電鑄，如 Ni-SiC 、Ni-diamond等，雖然大部分金屬材料都可用在電鑄技術(shù)中，但在運(yùn)用上標(biāo)準(zhǔn)的電鑄材料是鎳，因鎳具有容易電鑄及抗腐蝕性佳的特性，但其質(zhì)軟，硬度只有（250—350Hv）固主要運(yùn)用于無磨耗問題的塑料結(jié)構(gòu)成型模仁。</p><p>　　2.2電鑄的基本設(shè)備</p><p>　　1)電鑄槽 由鉛板、橡膠或塑料等耐腐蝕的材料作為襯里，小型的電鑄槽的尺寸為800*

63、600*800，比較小因此電鑄槽可以采用全塑料結(jié)構(gòu)，我們采用國(guó)產(chǎn)的NPP（據(jù)丙烯）。</p><p>　　圖2.4 試驗(yàn)用電鑄槽</p><p><b>　　2) 脈沖電源</b></p><p>　　脈沖電鍍電源是近年來世界上發(fā)展起來的新型電源，理論和實(shí)踐都證明，它與傳統(tǒng)的直流電源相比，具有明顯的優(yōu)點(diǎn)：</p><p>

64、;　　1、能使鑄層得到細(xì)化、提高均勻密致度、減小孔隙率，大大提高抗腐蝕性。</p><p>　　2、增強(qiáng)鑄層的附著力，提高硬度、耐磨度、光亮度、導(dǎo)電率。</p><p>　　3、消除氫脆，改善鑄層的化學(xué)物理性能。</p><p>　　4、減少甚至不用添加劑。</p><p>　　5、提高鑄層的分散能力，使鑄層厚度均勻，減少邊緣效應(yīng)、節(jié)約金屬用

65、量。</p><p>　　6、加速電沉積、減少時(shí)間、提高生產(chǎn)率。</p><p>　　7、節(jié)約電能、提高電流效率。</p><p>　　圖2.5 試驗(yàn)用脈沖電源</p><p>　　3)攪拌和循環(huán)過濾系統(tǒng) </p><p>　　其作用為降低濃差極化，加大電流密度，提高電鑄質(zhì)量。攪拌的方式有空氣攪拌，機(jī)械攪拌及溶液循環(huán)

66、攪拌。實(shí)驗(yàn)室從經(jīng)濟(jì)，方便，高效等方面考慮選用空氣攪拌。這是最普通和最簡(jiǎn)單的一種方法，能十分均勻地?cái)嚢枞芤骸Ｑh(huán)過濾最簡(jiǎn)單的分離方法是自然過濾沉淀法，即靜置溶液，使懸浮物自然分離分層，將澄清的清溶液吸出使用。此方法效率低，溶液損失大，分離質(zhì)量差，已基本淘汰。其次是常壓過濾法，即在重力作用下，使溶液通過過濾紙或?yàn)V布等介質(zhì)而濾清。這種方法過濾質(zhì)量小，不浪費(fèi)溶液，但效率低，因此只適用于少量貴金屬電鍍?nèi)芤旱倪^濾。目前都采用加壓過濾法，即溶液在一定

67、壓力的作用下通過過濾介質(zhì)而得到澄清，過濾速以每小時(shí)能更換循環(huán)2～4次鍍液為宜。</p><p><b>　　圖2.6 攪拌器</b></p><p>　　4)加熱和冷卻裝置 </p><p>　　電鑄的時(shí)間較長(zhǎng)，為了使電鑄鍍液保持溫度基本不變，需有熱、冷卻和恒溫控制裝置。常用蒸氣或電熱加溫，用吹風(fēng)或自來水冷卻。</p><

68、p>　　電加熱槽的溫度自動(dòng)控制——感溫元件（如溫包，wxg型電接點(diǎn)式玻璃水銀溫度計(jì)或熱電偶等）在溶液溫度達(dá)到或低于指定值時(shí)，儀表自動(dòng)發(fā)出指令，經(jīng)中間續(xù)電器控制主回路接觸器使之?dāng)嚅_或閉合，從而使加熱器切斷或接通電源，達(dá)到自動(dòng)控制溫度的目的。</p><p>　　設(shè)備圖樣如下圖所示：</p><p>　　加熱槽（1）

69、加熱槽（2）</p><p>　　滾鍍槽 清洗槽</p><p>　　2.3 電鑄的分類（合金電鑄與復(fù)合電鑄）</p><p>　　2.3.1合金電鑄技術(shù)</p><p>　　合金電鑄件具有較高的耐沖擊和耐磨耗等物理特性。以合金電鑄開發(fā)的刀具或模具需求日益增加。合金電

70、鑄本身電解鑄的特性以及控制條件遠(yuǎn)較單一金屬電鑄液復(fù)雜，其關(guān)鍵問題有：</p><p><b>　　金屬液的穩(wěn)定性</b></p><p><b>　　鑄層缺陷</b></p><p>　　合金鑄層的成分比例控制</p><p>　　合金電鑄的電鑄液配方仍在實(shí)驗(yàn)發(fā)展階段，隨著在電鑄過程中，電鑄液中金屬

71、離子不斷減少，為保持陰極金屬能正常析出，應(yīng)隨時(shí)補(bǔ)充電鑄液中的金屬離子。合金電鑄中金屬離子的補(bǔ)充方法：</p><p>　　采用與合金電鑄層相同成分的合金陽(yáng)極；</p><p>　　使用不溶性陽(yáng)極（惰性陽(yáng)極）；</p><p><b>　　雙陽(yáng)極系統(tǒng)；</b></p><p>　　混合不同比例的二種金屬球或金屬粒，放置于陽(yáng)

72、極袋中。</p><p>　　2.3.2 復(fù)合電鑄技術(shù)</p><p>　　所謂復(fù)合電鑄技術(shù)是將一種或多種不溶性固體細(xì)微顆粒（微米至納米等級(jí)）均勻鑲埋于金屬中所形成的特殊鑄層，藉以改良因單一物質(zhì)無法滿足的功能。復(fù)合電鑄層的基本組成有兩個(gè)部分，首先是經(jīng)由點(diǎn)解-還原反應(yīng)的鎖形成的基質(zhì)金屬；再者為不溶性固體顆粒?；|(zhì)金屬與固體顆粒之間不起化學(xué)反應(yīng)及擴(kuò)散現(xiàn)象，所以電鑄層可以獲得二者的綜合性能。

73、 目前各種不同的復(fù)合電鑄層已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用在各領(lǐng)域中。如以鎳-碳化硅復(fù)合電鑄進(jìn)行汽機(jī)車氣缸與工具機(jī)軸的表面處理等。在微機(jī)電組件方面，微米級(jí)復(fù)合電鑄微結(jié)構(gòu)最大的困難點(diǎn)在于若電鑄液中添加的微粒太小，其相互間的吸引力極大，容易聚集形成團(tuán)狀結(jié)構(gòu)，是電鑄層內(nèi)固體顆粒分布不均勻，影響其性能。因此，必須使用界面活性劑使固體顆粒表面產(chǎn)生靜電排斥力或立體效應(yīng)，達(dá)到充分分散的效果，獲得均勻的符合電鑄層，提升復(fù)合電鑄微結(jié)構(gòu)的性能。</p>

74、<p>　　2.4 具體工藝流程及參數(shù)</p><p>　　2.4.1 鍍液配制</p><p>　　鍍液配方(酸性體系)</p><p>　　表2-1 實(shí)驗(yàn)工藝表</p><p>　?、?用天平和量筒將所需藥品稱量好（注意液體藥品用燒杯稱?。?lt;/p><p>　　② 用蒸餾水（加入熱水迅速溶解）溶解硫酸銅（

75、CuSO4 ?5H2O）→加入10mL/L的雙氧水，防止Cu+1的生成→加入1/3質(zhì)量硫酸攪拌→加入添加試劑攪拌→加入剩余2/3的硫酸→充分?jǐn)嚢柽^濾</p><p>　?、?注意鍍液“新鮮”，及時(shí)配制，按時(shí)使用。</p><p>　?、?硫酸的量要嚴(yán)格控制在（35～45）g/L，不能多加，pH值在0.8～1.5</p><p>　　2.4.2 模具涂覆流程</

76、p><p>　　將制備好的模具去毛刺 → 用熱堿液除盡表面油污 → 用純凈水洗凈→烘干待涂 → 用膠帶覆蓋不需要涂覆的地方（避免鍍出多余節(jié)瘤或毛刺）</p><p>　　用玻璃棒充分?jǐn)嚢鑼?dǎo)電涂料 → 用毛筆刷或噴槍 → 反復(fù)涂覆5-6次（每次間隔20-30min干燥，大約涂覆≥0.02mm）→注意檢查局部細(xì)微地方，必須保證都涂覆到，而且盡可能均勻（導(dǎo)電極接線位置安放合理）→用丙酮去除多余的圖層

77、，并用美工刀刮除和修復(fù)邊緣精度→大約1-2h后檢查整體和局部的導(dǎo)電性。</p><p>　　2.4.3 鑄造與脫模</p><p><b>　　1.鑄造</b></p><p>　　母模經(jīng)光蝕后形成具有三層結(jié)構(gòu)的光阻模板，最底部為非導(dǎo)電的硅晶圓、玻璃、陶瓷或塑料等基材，其次是作為電鑄起始層的導(dǎo)電金屬，最上層則為光蝕刻后的光阻圖案結(jié)構(gòu)。將電鑄材料

78、盛于鈦藍(lán)中作為陽(yáng)極，光阻模板作為陰極。陽(yáng)極以棉布或塑料纖維布包裹，以過濾陽(yáng)極金屬溶解時(shí)的不純物。電鑄過程中，外接的直流電壓使兩極間產(chǎn)生電壓，使陽(yáng)極金屬溶解于電解液中形成金屬離子，金屬離子于陰極獲得電子還原沉積于模板中。因?qū)щ娖鹗紝觾H有數(shù)千埃，故開始沉積時(shí)宜先以低電流密度進(jìn)行，待電鑄層增厚再加大電流密度，以避免在沉積層呈現(xiàn)焦黑。</p><p><b>　　2.脫模</b></p>

79、<p><b>　　機(jī)械脫模 </b></p><p>　　即用錘子敲擊、水壓機(jī)或千斤頂施加逐漸增加的靜壓力使電鑄件與芯模分離。</p><p><b>　　加熱與冷卻脫模 </b></p><p>　　當(dāng)芯模與電鑄金屬的熱膨脹系數(shù)相差比較大時(shí)，可用噴燈、熱油、烘箱加熱或在干冰、酒精溶液中冷卻，使電鑄件與

80、芯模因膨脹系數(shù)不同而形成間隙，進(jìn)行脫模。</p><p><b>　　熔化脫模 </b></p><p>　　由易熔合金、蠟等低熔點(diǎn)材料制成的芯模，用加熱使芯模熔化倒出。對(duì)于涂有蠟或鍍有鉛錫等低熔點(diǎn)金屬的永久性芯模，也可加熱使鍍層熔化，順利脫模。用熱塑性塑料制成的消耗性芯模，經(jīng)加熱軟化后可將大部分塑料除去，殘留在零件上的少許塑料在用適當(dāng)?shù)娜軇┣逑锤蓛簟?lt;/p&

81、gt;<p><b>　　化學(xué)溶解脫模 </b></p><p>　　一次性鋁合金芯?？稍?0%（體積）的鹽酸或30~50%的氫氧化鈉溶液中溶解脫模。</p><p>　　電鑄前待鑄件必須經(jīng)過水洗-脫脂-水洗-酸洗活化-水洗-（浸漬離型劑-水洗）處理。</p><p>　　2.4.4鑄件檢視與品質(zhì)測(cè)試</p>&l

82、t;p>　　電鑄件完成后，必須經(jīng)過嚴(yán)密的檢視與測(cè)試方能決定鑄件合格與否。鑄件處外觀尺寸外，其內(nèi)應(yīng)力及力學(xué)性質(zhì)都是電鑄件合格與否的關(guān)鍵。因此電鑄件的檢視與品質(zhì)測(cè)試的項(xiàng)目包括成分比例、力學(xué)性質(zhì)、表面特性以及復(fù)制精度等。各測(cè)試項(xiàng)目如下：</p><p>　　(1) 成分比例分析</p><p>　　鑄層成分分析以找出鑄層的組成部分、晶相組織、雜質(zhì)成分及分布。成分分析不僅在于了解鑄件的成分比

83、例，更著重在發(fā)現(xiàn)電鑄制造的問題，調(diào)整制造參數(shù)。</p><p><b>　　(2)力學(xué)性質(zhì)</b></p><p>　　電鑄件的力學(xué)性質(zhì)測(cè)試包括電鑄件的硬度、抗拉強(qiáng)度、破壞強(qiáng)度及內(nèi)應(yīng)力等。電鑄件的力學(xué)性質(zhì)與其制造息息相關(guān)，其中硬度可以直接由微硬度計(jì)測(cè)量。內(nèi)應(yīng)力可以由內(nèi)應(yīng)力儀測(cè)量。</p><p><b>　　(3)表面性質(zhì)</b

84、></p><p>　　表面性質(zhì)主要在于了解電鑄件的部門變形及針孔等缺陷。這些缺陷可利用光學(xué)顯微鏡或掃描式電子顯微鏡觀察量測(cè)。</p><p><b>　　(4)復(fù)制精確度</b></p><p>　　復(fù)制精確度除了考慮鑄件的尺寸公差外也探討鑄件中細(xì)微結(jié)構(gòu)的缺陷。當(dāng)鑄件表面的細(xì)微結(jié)構(gòu)發(fā)生傾缺陷時(shí)，多半導(dǎo)因于母模的設(shè)計(jì)不良及加工電流密度的不

85、均勻問題。</p><p>　　2.4.5電鑄金屬質(zhì)量的計(jì)算</p><p>　　電鑄屬于化學(xué)反應(yīng)，遵守法拉第電解定律。當(dāng)電流通過電解槽時(shí)，陽(yáng)極發(fā)生氧化反應(yīng)，金屬溶解；陰極發(fā)生還原反應(yīng)，金屬沉積；無論溶解或析出沉積物質(zhì)的質(zhì)量都可以通過法拉第定律及其變換式計(jì)算。電鑄制品出自陰極還原反應(yīng)，沉積金屬的質(zhì)量按式 (a)計(jì)算。</p><p>　　.

86、 m=kIt (a)</p><p>　　式中， m為陰極上析出物的質(zhì)量，g；k為電鑄金屬的質(zhì)量電化當(dāng)量，g/(A·h)；I為電鑄電流，A；t為電鑄時(shí)間，h。</p><p>　　電鑄時(shí)，通過陰極的電量為 </p><p>　　It=St

87、 (b)</p><p>　　式中, 為陰極電流密度（取平均值），A/dm2 ；S為陰極沉積面積，dm2</p><p>　　當(dāng)不考慮電流效率，即假定通過陰極的電流全部用于沉積金屬時(shí)，可以計(jì)算出電鑄沉積金屬質(zhì)量為</p><p>　　m=kSt (c)</p><p>　　實(shí)際上，除了采

88、用酸性硫酸銅溶液電鑄銅時(shí)電流效率接近100%的理想狀態(tài)外，多數(shù)情況下，電鑄過程通過陰極的電流都不會(huì)完全用于沉積金屬，部分電量消耗在副反應(yīng)中。副反應(yīng)主要有以下幾種形式：</p><p>　　1）水溶液中氫離子在陰極上還原為氫氣；</p><p>　　2）某些高價(jià)金屬離子還原為低價(jià)離子；</p><p>　　3）某些添加劑或雜質(zhì)在陰極上還原，或者非所需電鑄的金屬離子還原

89、共沉積。</p><p>　　其中以氫離子的還原為主要副反應(yīng)。</p><p>　　副反應(yīng)消耗了部分電量，所以電鑄中也提出了電流效率的概念，自然，此處更關(guān)注陰極電流效率：</p><p><b>　　= （d）</b></p><p><b>　　或者表達(dá)為：</b></p>&

90、lt;p>　　= （e） </p><p>　　考慮到電流效率，即通過陰極的電流只有部分用于沉積金屬時(shí)，電鑄沉積金屬的質(zhì)量為：</p><p>　　m=kSt （f） <

91、/p><p>　　2.4.6 脈沖電源參數(shù)設(shè)置</p><p>　　雙脈沖電源（型號(hào)：SMC-30S）電源 脈沖參數(shù)（指示比照值）如下：</p><p>　　電壓: U=(5.95～6.50)V</p><p>　　電流: I= (4～6) A/dm2</p><p>　　占空比（頻率）：f = 1000×4

92、0%=400Hz</p><p>　　通斷比：Ton/Toff = (600/100～800/100)</p><p><b>　　2.5本章小結(jié)</b></p><p>　　本章通過對(duì)電鑄技術(shù)的原理及特點(diǎn)的介紹，為研究本課題及實(shí)驗(yàn)做了充足的技術(shù)基礎(chǔ)，本章還介紹了電鑄的基本設(shè)備，對(duì)電鑄技術(shù)的分類進(jìn)行了闡述，包括合金電鑄和復(fù)合電鑄，可見電鑄技術(shù)的

93、發(fā)展成熟性，本章最主要介紹了電鑄的具體工藝流程及所需的參數(shù)，如渡液的配制，模具涂覆流程，鑄造與脫模，鑄件檢視與品質(zhì)測(cè)試，電鑄金屬質(zhì)量計(jì)算以及電源參數(shù)設(shè)置。通過對(duì)這些電鑄技術(shù)的了解，為本實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備提供了理論基礎(chǔ)，并在該基礎(chǔ)做了電鑄銅實(shí)驗(yàn)。</p><p>　　第三章 PLC及程序</p><p>　　3.1 PLC應(yīng)用基礎(chǔ)</p><p>　　隨著技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步

94、，現(xiàn)代生產(chǎn)設(shè)備和生產(chǎn)方式也在不斷的變化，例如采用自動(dòng)生產(chǎn)線成批量生產(chǎn)加工產(chǎn)品，構(gòu)建無人自動(dòng)化生產(chǎn)車間以及對(duì)設(shè)備實(shí)施遠(yuǎn)程監(jiān)控管理等，這些類型的生產(chǎn)方式使得設(shè)備自動(dòng)工作的復(fù)雜程度不斷加大，雖然采用繼電-接觸器控制系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)備自動(dòng)工作過程的控制，但在復(fù)雜工作要求的控制中，由于繼電-接觸器控制系統(tǒng)本身的特點(diǎn)，使得這種控制系統(tǒng)已不能滿足現(xiàn)代設(shè)備運(yùn)行要求。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展以及各種電氣元件和控制技術(shù)的出現(xiàn)，特別是可編程序控制器（PLC）的出

95、現(xiàn)和使用，使電氣傳動(dòng)控制技術(shù)出現(xiàn)了巨大的變化，PLC也成為控制系統(tǒng)中普遍使用的設(shè)備。</p><p>　　圖3.1典型PLC控制模塊</p><p>　　3.1.1 PLC的未來展望</p><p>　　21世紀(jì)，PLC會(huì)有更大的發(fā)展。從技術(shù)上看，計(jì)算機(jī)技術(shù)的新成果會(huì)更多地應(yīng)用于可編程控制器的設(shè)計(jì)和制造上，會(huì)有運(yùn)算速度更快、存儲(chǔ)容量更大、智能更強(qiáng)的品種出現(xiàn)；從產(chǎn)品

96、規(guī)模上看，會(huì)進(jìn)一步向超小型及超大型方向發(fā)展；從產(chǎn)品的配套性上看，產(chǎn)品的品種會(huì)更豐富、規(guī)格更齊全，完美的人機(jī)界面、完備的通信設(shè)備會(huì)更好地適應(yīng)各種工業(yè)控制場(chǎng)合的需求；從市場(chǎng)上看，各國(guó)各自生產(chǎn)多品種產(chǎn)品的情況會(huì)隨著國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)的加劇而打破，會(huì)出現(xiàn)少數(shù)幾個(gè)品牌壟斷國(guó)際市場(chǎng)的局面，會(huì)出現(xiàn)國(guó)際通用的編程語(yǔ)言；從網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展情況來看，可編程控制器和其它工業(yè)控制計(jì)算機(jī)組網(wǎng)構(gòu)成大型的控制系統(tǒng)是可編程控制器技術(shù)的發(fā)展方向。目前的計(jì)算機(jī)集散控制系統(tǒng)DCS中已有大量

97、的可編程控制器應(yīng)用。伴隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，可編程控制器作為自動(dòng)化控制網(wǎng)絡(luò)和國(guó)際通用網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，將在工業(yè)及工業(yè)以外的眾多領(lǐng)域發(fā)揮越來越大的作用。</p><p>　　PLC控制功能包括運(yùn)算、控制、通信、編程、診斷和處理速度等特性的功能。</p><p><b>　　運(yùn)算功能 </b></p><p>　　簡(jiǎn)單可編程邏輯控制器的運(yùn)算功能包

98、括邏輯運(yùn)算、計(jì)時(shí)和計(jì)數(shù)功能；普通可編程邏輯控制器的運(yùn)算功能還包括數(shù)據(jù)移位、比較等運(yùn)算功能；較復(fù)雜運(yùn)算功能有代數(shù)運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送等；大型可編程邏輯控制器中還有模擬量的PID運(yùn)算和其他高級(jí)運(yùn)算功能。隨著開放系統(tǒng)的出現(xiàn)，目前在可編程邏輯控制器中都已具有通信功能，有些產(chǎn)品具有與下位機(jī)的通信，有些產(chǎn)品具有與同位機(jī)或上位機(jī)的通信，有些產(chǎn)品還具有與工廠或企業(yè)網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的功能。設(shè)計(jì)選型時(shí)應(yīng)從實(shí)際應(yīng)用的要求出發(fā)，合理選用所需的運(yùn)算功能。大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合，

99、只需要邏輯運(yùn)算和計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)功能，有些應(yīng)用需要數(shù)據(jù)傳送和比較，當(dāng)用于模擬量檢測(cè)和控制時(shí)，才使用代數(shù)運(yùn)算，數(shù)值轉(zhuǎn)換和PID運(yùn)算等。要顯示數(shù)據(jù)時(shí)需要譯碼和編碼等運(yùn)算。 </p><p><b>　　控制功能 </b></p><p>　　控制功能包括PID控制運(yùn)算、前饋補(bǔ)償控制運(yùn)算、比值控制運(yùn)算等，應(yīng)根據(jù)控制要求確定?？删幊踢壿嬁刂破髦饕糜陧樞蜻壿嬁刂疲虼?，大多數(shù)場(chǎng)合常采

100、用單回路或多回路控制器解決模擬量的控制，有時(shí)也采用專用的智能輸入輸出單元完成所需的控制功能，提高可編程邏輯控制器的處理速度和節(jié)省存儲(chǔ)器容量。例如采用PID控制單元、高速計(jì)數(shù)器、帶速度補(bǔ)償?shù)哪M單元、ASC碼轉(zhuǎn)換單元等。 </p><p><b>　　通信功能 </b></p><p>　　大中型可編程邏輯控制器系統(tǒng)應(yīng)支持多種現(xiàn)場(chǎng)總線和標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議（如TCP/IP），需

101、要時(shí)應(yīng)能與工廠管理網(wǎng)（TCP/IP）相連接。通信協(xié)議應(yīng)符合ISO/IEEE通信標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)是開放的通信網(wǎng)絡(luò)。 </p><p>　　可編程邏輯控制器系統(tǒng)的通信接口應(yīng)包括串行和并行通信接口、RIO通信口、常用DCS接口等；大中型可編程邏輯控制器通信總線（含接口設(shè)備和電纜）應(yīng)1：1冗余配置，通信總線應(yīng)符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，通信距離應(yīng)滿足裝置實(shí)際要求。 </p><p>　　可編程邏輯控制器系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)中

102、，上級(jí)的網(wǎng)絡(luò)通信速率應(yīng)大于1Mbps，通信負(fù)荷不大于60%?？删幊踢壿嬁刂破飨到y(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)主要形式有下列幾種形式： </p><p>　　1）、PC為主站，多臺(tái)同型號(hào)可編程邏輯控制器為從站，組成簡(jiǎn)易可編程邏輯控制器網(wǎng)絡(luò)； </p><p>　　2）、1臺(tái)可編程邏輯控制器為主站，其他同型號(hào)可編程邏輯控制器為從站，構(gòu)成主從式可編程邏輯控制器網(wǎng)絡(luò)； </p><p>　　

103、3）、可編程邏輯控制器網(wǎng)絡(luò)通過特定網(wǎng)絡(luò)接口連接到大型DCS中作為DCS的子網(wǎng)； </p><p>　　4）、專用可編程邏輯控制器網(wǎng)絡(luò)（各廠商的專用可編程邏輯控制器通信網(wǎng)絡(luò)）。 </p><p>　　為減輕CPU通信任務(wù)，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)組成的實(shí)際需要，應(yīng)選擇具有不同通信功能的（如點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、現(xiàn)場(chǎng)總線、）通信處理器。 </p><p><b>　　編程功能 </b

104、></p><p>　　離線編程方式：可編程邏輯控制器和編程器公用一個(gè)CPU，編程器在編程模式時(shí)，CPU只為編程器提供服務(wù)，不對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行控制。完成編程后，編程器切換到運(yùn)行模式，CPU對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行控制，不能進(jìn)行編程。離線編程方式可降低系統(tǒng)成本，但使用和調(diào)試不方便。在線編程方式：CPU和編程器有各自的CPU，主機(jī)CPU負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)控制，并在一個(gè)掃描周期內(nèi)與編程器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，編程器把在線編制的程序或數(shù)據(jù)發(fā)送到

105、主機(jī)，下一掃描周期，主機(jī)就根據(jù)新收到的程序運(yùn)行。這種方式成本較高，但系統(tǒng)調(diào)試和操作方便，在大中型可編程邏輯控制器中常采用。 </p><p>　　五種標(biāo)準(zhǔn)化編程語(yǔ)言：順序功能圖（SFC）、梯形圖（LD）、功能模塊圖（FBD）三種圖形化語(yǔ)言和語(yǔ)句表（IL）、結(jié)構(gòu)文本（ST）兩種文本語(yǔ)言。選用的編程語(yǔ)言應(yīng)遵守其標(biāo)準(zhǔn)（IEC6113123），同時(shí)，還應(yīng)支持多種語(yǔ)言編程形式，如C，Basic等，以滿足特殊控制場(chǎng)合的控制要

106、求。 </p><p><b>　　診斷功能 </b></p><p>　　可編程邏輯控制器的診斷功能包括硬件和軟件的診斷。硬件診斷通過硬件的邏輯判斷確定硬件的故障位置，軟件診斷分內(nèi)診斷和外診斷。通過軟件對(duì)PLC內(nèi)部的性能和功能進(jìn)行診斷是內(nèi)診斷，通過軟件對(duì)可編程邏輯控制器的CPU與外部輸入輸出等部件信息交換功能進(jìn)行診斷是外診斷。 </p><p&g

107、t;　　可編程邏輯控制器的診斷功能的強(qiáng)弱，直接影響對(duì)操作和維護(hù)人員技術(shù)能力的要求，并影響平均維修時(shí)間。</p><p><b>　　6、處理速度 </b></p><p>　　可編程邏輯控制器采用掃描方式工作。從實(shí)時(shí)性要求來看，處理速度應(yīng)越快越好，如果信號(hào)持續(xù)時(shí)間小于掃描時(shí)間，則可編程邏輯控制器將掃描不到該信號(hào)，造成信號(hào)數(shù)據(jù)的丟失。 </p><p

108、>　　處理速度與用戶程序的長(zhǎng)度、CPU處理速度、軟件質(zhì)量等有關(guān)。目前，可編程邏輯控制器接點(diǎn)的響應(yīng)快、速度高，每條二進(jìn)制指令執(zhí)行時(shí)間約0.2～0.4Ls，因此能適應(yīng)控制要求高、相應(yīng)要求快的應(yīng)用需要。掃描周期（處理器掃描周期）應(yīng)滿足：小型可編程邏輯控制器的掃描時(shí)間不大于0.5ms/K；大中型可編程邏輯控制器的掃描時(shí)間不大于0.2ms/K。</p><p>　　3.1.2 可編程序控制器硬件構(gòu)成及工作原理<

109、/p><p>　　1、可編程序控制器硬件構(gòu)成</p><p>　　可編程序控制器的生產(chǎn)廠很多，產(chǎn)品型號(hào)也較多，但是其主要的基本組成結(jié)構(gòu)是相同的。它們包括：電源組件、微處理器（CPU）及存儲(chǔ)器組件、輸入/輸出組件。其系統(tǒng)構(gòu)成圖如下： </p><p>　　圖3.2 PLC硬件構(gòu)成示意圖</p><p><b>　?。?）、電源組件<

110、/b></p><p>　　可編程邏輯控制器的電源在整個(gè)系統(tǒng)中起著十分重要的作用。如果沒有一個(gè)良好的、可靠的電源系統(tǒng)是無法正常工作的，因此，可編程邏輯控制器的制造商對(duì)電源的設(shè)計(jì)和制造也十分重視。一般交流電壓波動(dòng)在+10%(+15%)范圍內(nèi)，可以不采取其它措施而將PLC直接連接到交流電網(wǎng)上去。</p><p>　?。?）、CPU及存儲(chǔ)器組件</p><p>　　

111、中央處理單元(CPU)是可編程邏輯控制器的控制中樞。它按照可編程邏輯控制器系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存儲(chǔ)從編程器鍵入的用戶程序和數(shù)據(jù)；檢查電源、存儲(chǔ)器、I/O以及警戒定時(shí)器的狀態(tài)，并能診斷用戶程序中的語(yǔ)法錯(cuò)誤。當(dāng)可編程邏輯控制器投入運(yùn)行時(shí)，首先它以掃描的方式接收現(xiàn)場(chǎng)各輸入裝置的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并分別存入I/O映象區(qū)，然后從用戶程序存儲(chǔ)器中逐條讀取用戶程序，經(jīng)過命令解釋后按指令的規(guī)定執(zhí)行邏輯或算數(shù)運(yùn)算的結(jié)果送入I/O映象區(qū)或數(shù)據(jù)寄存器內(nèi)。等所有