摘 要: 本文針對(duì)六面頂金剛石壓機(jī)的復(fù)雜工藝流程特點(diǎn)，設(shè)計(jì)研發(fā)了一套六面頂金剛石壓機(jī)計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要包括硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩部分。軟件部分主要解決了壓機(jī)的定位控制與同步調(diào)整問題，并給出了工藝曲線設(shè)定方法、控制算法及其主要運(yùn)行結(jié)果。該控制裝置與某超硬材料公司六面頂金剛石壓機(jī)及相關(guān)液壓系統(tǒng)配套組成金剛石全自動(dòng)生產(chǎn)裝置，實(shí)現(xiàn)了全視窗界面、觸摸屏操作，控制算法新穎，圖形界面良好，控制精度高，保證了合成金剛石的品級(jí)。 關(guān)鍵詞：人造金剛石;六面頂金剛石壓機(jī);監(jiān)控系統(tǒng) Abstract：The automatic control system of the cubic synthetic diamond press is developed in the paper aiming at the complex craftwork characteristic. The system main includes in the designs of hardware and the designs of software. The problems of orientation control and synchronous tuning of the press are solved successfully. The initialization of craftwork curve, control arithmetic and running results also are introduced in the paper. The control equipment combined hydraulic pressure system of the cubic synthetic diamond press to buildup the whole automatic control produce equipment which has realized the interface of full inspecting window, operation through touching screen, the novelty of control arithmetic, better graphical interfaces so as to ensure the grades of Synthetic diamond Key words: synthetic diamond; cubic synthetic diamond press; inspecting system 1.引言 　　金剛石俗稱鉆石，是碳的一種同素異形體，是人類發(fā)現(xiàn)最早的一種最硬的天然礦物。石墨可在高溫、高壓的環(huán)境中，在觸媒的催化作用下，其原子結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，從而合成人造金剛石。人造金剛石超硬材料的獨(dú)特性能使其在建材建筑工業(yè)、地質(zhì)鉆探、石油開采、機(jī)械加工、光學(xué)儀器等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。 　　六面頂金剛石合成壓機(jī)是我國超硬材料生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備。由于國內(nèi)人造金剛石的生產(chǎn)工藝還比較落后，現(xiàn)有的生產(chǎn)設(shè)備自動(dòng)化程度不高,相當(dāng)一部分還停留在人工操作階段,尤其是壓力與加熱控制現(xiàn)狀很難滿足金剛石生產(chǎn)工藝的要求,精度較低,致使生產(chǎn)出的金剛石多為中低品級(jí)產(chǎn)品。為此，作者設(shè)計(jì)開發(fā)了新型的六面頂金剛石壓機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)與某超硬材料公司六面頂金剛石壓機(jī)及相關(guān)液壓系統(tǒng)配套組成金剛石生產(chǎn)裝置。該監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了全視窗界面、觸摸屏操作，圖形界面良好，控制精度高，保證了合成金剛石的品級(jí)。 　　2. 六面頂金剛石壓機(jī)的生產(chǎn)流程 　　人造金剛石壓機(jī)的上、前、右、下、后、左六個(gè)油缸頂錘從分別六個(gè)方向向位于壓機(jī)中心的石墨葉臘石合成塊運(yùn)動(dòng)，從而構(gòu)成六面頂壓機(jī);液壓油泵輸出的液壓油，通過油路中各閥門的開、閉控制各油缸頂錘的前進(jìn)后退;人造金剛石合成中所需的超高壓的是通過增壓器實(shí)現(xiàn)的。 　　人造金剛石常用的生產(chǎn)工序是：放入待合成的石墨葉臘石合成塊至壓機(jī)中心，按下“空程前進(jìn)”按鈕，上、前、右三個(gè)活缸頂錘前進(jìn)至停錘位，與下、后、左三個(gè)死缸一起從六面輕壓石墨葉臘石合成塊;按下“加壓合成”按鈕，進(jìn)入“充液”工步，六缸頂錘同時(shí)向壓機(jī)中心前進(jìn)，將石墨葉臘石合成塊壓緊，隨即進(jìn)入“聯(lián)通超壓”工步，對(duì)石墨葉臘石合成塊施加高溫、超高壓，并使加熱功率、壓力跟蹤預(yù)先設(shè)定的工藝設(shè)定曲線，加熱和保壓時(shí)間到達(dá)后系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)入“卸壓”、“回程”工步，六缸頂錘回到起始位，完成一個(gè)工作循環(huán)。 3.金剛石壓機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 　　本系統(tǒng)由控制柜、手操器及現(xiàn)場(chǎng)儀表（元件）構(gòu)成?？刂乒駜?nèi)包括工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、觸摸屏顯示器、過程輸入輸出模板、閥用比例放大器、直流電源、可控硅及調(diào)功板、電量變送器和有關(guān)電氣控制部分。現(xiàn)場(chǎng)部分包括位移傳感器、壓力變送器、溫度傳感器、電流互感器及電液比例閥等。 　　控制系統(tǒng)I/O通道如圖1所示。該系統(tǒng)通過24路A/D接入六缸位移、油壓、電壓、電流、油溫、水溫等信號(hào)，通過64路開入點(diǎn)接入各種開關(guān)量輸入信號(hào)，通過12路D/A輸出各種電液比例控制信號(hào)及加熱功率控制信號(hào)，通過32路開出點(diǎn)輸出各種開關(guān)量輸出信號(hào)。 [align=center] 圖1 I/O通道[/align] 4.金剛石壓機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 　　六面頂金剛石壓機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)軟件由工控組態(tài)軟件與可視化編程語言相結(jié)合編制而成，其中工藝設(shè)定曲線由可視化編程語言編寫，幫助文件采用網(wǎng)頁HTML形式編制，調(diào)用IE瀏覽器瀏覽;其他全為使用工控組態(tài)軟件組態(tài)而成。通過 DDE 方式進(jìn)行工控組態(tài)軟件與可視化編程程序間的雙向動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換。壓機(jī)工藝流程及監(jiān)控系統(tǒng)主畫面和其他相關(guān)畫面可通過觸摸屏點(diǎn)擊相應(yīng)按鈕自由切換，可實(shí)現(xiàn)工藝流程動(dòng)態(tài)圖形顯示、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)棒形圖顯示、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)趨勢(shì)曲線顯示、參數(shù)越限報(bào)警以及實(shí)現(xiàn)壓力、功率工藝曲線的快速設(shè)定;實(shí)現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)記錄與追憶;在符合授權(quán)口令的前提下進(jìn)行各控制系統(tǒng)參數(shù)的在線整定。 　　4.1系統(tǒng)特點(diǎn)與控制功能 　　¨ 采用電液比例控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)液壓系統(tǒng)壓力、超高壓壓力及六缸位移的連續(xù)控制。 　　¨ 采用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)全視窗界面、觸摸屏操作，技術(shù)先進(jìn)、操作方便，控制可靠。 　　¨ 采用高精度位移傳感器及懸臂式位移檢測(cè)機(jī)構(gòu)測(cè)量六缸的位移，定位控制精度大幅提高;提出新型控制算法，利用六面頂金剛石壓機(jī)系統(tǒng)油缸的單向容量特性，精確實(shí)現(xiàn)無超調(diào)、無余差的六缸定位控制;采用新型的壓機(jī)充液同步調(diào)整控制方案，各缸可單獨(dú)調(diào)整，相互影響小，調(diào)整方便。 　　¨ 開發(fā)成功壓力、功率工藝曲線程序設(shè)定模塊，用戶可自由設(shè)定多達(dá)15段折線組成的程序升壓、升功率曲線，設(shè)定、修改、保存非常方便、直觀，并可預(yù)存大量的工藝設(shè)定曲線;通過 DDE 進(jìn)行工控組態(tài)軟件與工藝曲線程序設(shè)定模塊間的雙向動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)同步實(shí)時(shí)顯示。 　　¨ 聯(lián)通超壓階段精確跟蹤程序設(shè)定曲線，控制良好、保壓平穩(wěn)，波動(dòng)小，有利于金剛石的合成;采用自動(dòng)補(bǔ)償控制方法實(shí)現(xiàn)功率控制，有效地克服了電網(wǎng)電壓的波動(dòng)對(duì)合成的影響。 　　4.2 壓機(jī)的定位控制與同步調(diào)整設(shè)計(jì) 　　傳統(tǒng)的六面頂人造金剛石壓機(jī)六缸定位控制方法基本上采用的是位式控制方法，在“空程前進(jìn)”工步時(shí)由感應(yīng)式接近開關(guān)檢測(cè)三個(gè)活缸是否到達(dá)停錘位，一旦到達(dá)即切斷液壓油缸的供油;而在“充液”工步則不再控制六缸的定位。此方法的不足表現(xiàn)在：①“空程前進(jìn)”工步時(shí)停錘不準(zhǔn)，易產(chǎn)生壓不到葉臘石合成塊或壓碎葉臘石合成塊的情況;②停錘位的調(diào)整困難;③因無法控制充液位，易使六錘充液行程不同步，易產(chǎn)生擠錘、碰錘、放炮事故。 　　針對(duì)上述方法存在的缺陷，本系統(tǒng)提出一種用于六面頂人造金剛石壓機(jī)的無超調(diào)、無余差的六缸定位控制方法。采用六個(gè)電液比例閥分別控制進(jìn)入六個(gè)油缸的進(jìn)油量以控制各缸的前進(jìn)速度與停錘位置，對(duì)三個(gè)活缸與三個(gè)死缸的定位控制有不同的控制方法。其中活缸定位控制框圖如圖2 所示，框圖上部經(jīng)特定的“空程前進(jìn)算法”輸出三個(gè)活缸“空程前進(jìn)”工步的比例閥開度控制量，下部經(jīng)特定的“充液算法”輸出三個(gè)活缸“充液”工步的比例閥開度控制量。整定相應(yīng)的控制參數(shù)，可以在“空程前進(jìn)”工步時(shí)使三個(gè)活缸均停在行程為0mm處;在“充液”工步時(shí)使六缸均停在充液位設(shè)置值上。根據(jù)當(dāng)前實(shí)際工步由選擇器選擇相應(yīng)的比例閥開度控制量，經(jīng)限幅器、D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為模擬量后送閥用比例放大器、電液比例方向閥分別去控制三個(gè)活缸的“空程前進(jìn)”或“充液”工步行程。對(duì)于三個(gè)死缸，由于沒有“空程前進(jìn)”工步，其控制方法較三個(gè)活缸略有簡化。 [align=center] 圖2 活缸的定位控制[/align] 　　4.3工藝曲線設(shè)定畫面 　　由于工控組態(tài)軟件平臺(tái)中沒有合適的自由設(shè)定工藝曲線的工具，本系統(tǒng)采用可視化編程語言編程生成工藝曲線設(shè)定模塊。工藝曲線設(shè)定畫面見圖3。一幅工藝曲線設(shè)定畫面共有10個(gè)選項(xiàng)卡供選擇，用戶在每1個(gè)選項(xiàng)卡上可自由設(shè)定一組程序升壓、升功率曲線，每條曲線最多可由15段折線組成。該畫面的右邊為設(shè)定曲線各段折點(diǎn)座標(biāo)的設(shè)置按鈕，分別為時(shí)間—壓力組及時(shí)間—功率組，可用數(shù)字鍵盤輸入或鼠標(biāo)點(diǎn)擊增減按鈕以改變各段折點(diǎn)座標(biāo)的數(shù)值，與此同時(shí)，畫面中的設(shè)定曲線圖形便可所見即所得地自動(dòng)同步生成和變化。設(shè)置或選擇完成后，按“應(yīng)用”按鈕即可將該組設(shè)定曲線作為正式選定用于當(dāng)前運(yùn)行的程序設(shè)定曲線。 [align=center] 圖3 工藝曲線設(shè)定畫面[/align] 　　當(dāng)壓機(jī)聯(lián)通超壓時(shí)，被選定的程序設(shè)定曲線的數(shù)據(jù),通過DDE動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換方式傳送給工控組態(tài)軟件，作為壓力和功率自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)定值。 　　4.4主要參數(shù)顯示及調(diào)整畫面 　　系統(tǒng)主要參數(shù)顯示及調(diào)整畫面見圖4。該畫面的左上部顯示合成時(shí)間;右邊為趨勢(shì)記錄曲線;畫面中間為壓機(jī)參數(shù)調(diào)整按鈕，分別可調(diào)整三活缸起始位、空程前進(jìn)停錘位、充液停錘位及合成位;畫面左上部顯示六缸的位移棒圖，位移棒圖的下面為工步顯示;左下部是工藝參數(shù)的設(shè)定值、微調(diào)值、實(shí)時(shí)值;畫面底部一行顯示各泵、電磁閥的運(yùn)行狀態(tài)。 [align=center] 圖4 參數(shù)顯示及調(diào)整畫面[/align] 5.結(jié)論 　　本文作者創(chuàng)新點(diǎn): 1.采用電液比例控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)液壓系統(tǒng)壓力、超高壓壓力及六缸位移的連續(xù)控制;2.提出新型控制算法，利用六面頂金剛石壓機(jī)系統(tǒng)油缸的單向容量特性，精確實(shí)現(xiàn)無超調(diào)、無余差的六缸定位控制及充液同步控制;3.采用可視化編程語言編程生成工藝曲線設(shè)定模塊，每條曲線最多可由15段折線組成，設(shè)定曲線圖形所見即所得。 　　經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試及用戶長時(shí)間的使用表明，本系統(tǒng)人機(jī)界面良好，運(yùn)行數(shù)據(jù)顯示及圖形畫面豐富，操作監(jiān)控方便，各缸定位控制精度高，聯(lián)通超壓階段能精確跟蹤壓力、功率程序設(shè)定曲線，保證了合成金鋼石的品級(jí)并顯著降低了錘耗。根據(jù)河南某超硬金屬材料公司測(cè)算，使用本控制系統(tǒng)后，壓機(jī)頂錘的使用壽命由一般壓制合成塊3000余塊/錘·套延長至9000余塊/錘·套，每臺(tái)壓機(jī)每年可節(jié)省頂錘5～6套，節(jié)約成本約4萬元，一個(gè)擁有100臺(tái)壓機(jī)的中型人造金剛石生產(chǎn)企業(yè)每年可節(jié)約400萬元。 參考文獻(xiàn) 　　[1] 王玲,趙明光.纖維纏繞機(jī)的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]，微計(jì)算機(jī)信息，2006,11S: 126-127,108 　　[2] 莫金海,李海標(biāo).人造金剛石壓機(jī)智能化壓力測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)儀[J]. 儀器儀表學(xué)報(bào), 2006, 27（6）：493-495 　　[3] 姜榮華,鄭利敏.六面頂金剛石壓機(jī)加熱電源智能化研究[J]. 超硬材料工程, 2005, 17 （6）: 24-28 　　[4] 朱凌云,呂承康,何端陽.人造金剛石合成工藝的智能控制[J].工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置, 2005, 6: 27-29 　　[5] 路甬祥.電液比例控制技術(shù)[M].機(jī)械工業(yè)出版社，北京，1988 　　[6] 周車晨,趙國權(quán).金剛石合成工藝[M].機(jī)械工業(yè)出版社, 北京, 1998 　　[7] 孫世榮，袁啟昌. 一種人造金剛石壓機(jī)六缸定位控制方法[P]. 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