1、收稿日期:2022 10 14基金项目:湖南省自然科学基金项目(2022JJ60008)第一作者:陈庆(1980)，男，湖南株洲人，硕士，副教授，主要研究方向为自动化控制、自动化装置等。通信作者:黎丹(1991)，女，汉族，研究生，硕士，讲师，主要研究方向为工业自动化控制。E mail:li_danhntd163 com基于 PLC 控制的光学玻璃精密模压试验装置的研究陈庆1，张彦宇2，黎丹1(1 湖南铁道职业技术学院 轨道交通智能制造学院，湖南 株洲 412001;2 湖南石油化工职业技术学院 党政办公室，湖南 岳阳 414011)摘要:针对市面上购买的模压设备主要面向生产线且价格昂贵、获得
2、试验数据较少等问题。设计了一种精密的模压装置，该装置利用伺服电机与丝杠一体化模块提供模压动力，能够实时的监控模压过程中的参数。对模压装置的结构和工作原理、硬件参数及软件实现进行了描述，并成功研制了样机。最后对样机进行了性能测试，试验结果表明，模压装置的技术方案可以满足对光学玻璃模压过程进行监控，具有操作简单、实用等特点。该装置的设计为光学元件的精密模压关键技术的研究创造了条件。关键词:PLC 控制;伺服电机;精密模压装置;光学玻璃;模压动力;非球面光学玻璃透镜中图分类号:TH128文章编号:1000 0682(2023)02 0008 05文献标识码:ADOI:10 19950/j cnki
3、cn61 1121/th 2023 02 002esearch on precision molding test device of optical glass based on PLC controlCHEN Qing1，ZHANG Yanyu2，LI Dan1(1 Hunan ailway Professional Technology College，ail Transit Intelligent Manufacturing College，Hunan Zhuzhou 412001，China;2 Hunan Petrochemical Vocational and Technical
4、 college，Administrative Office of the Party Committee，Hunan Yueyang 414001，China)Abstract:According to the fact that the molding setup bought from company is mainly used for pro-duction in the factory which have some shortcoming such as expensive，less data etc A precision moldingtest device was desi
5、gned，which can monitor and control molding parameters and the power is provided byservo motor and screw integration module The structure and working principle of the device，operatingparameters and software working flow were introduced in the paper The device was made and the experi-ments were carrie
6、d out finally The test results show that the technical solution can meet the require-ments，which have the advantages such as simple operation，practicality etc The design of device crea-ted the conditions for research of the key technology of precision molding of the optical elementsKeywords:PLC cont
7、rol;servo motor;precision molding device;optical glass;molding power;aspheric optical glass lens0引言随着信息技术和光电通讯产业的迅速发展，微小非球面光学透镜产品中的需求不断增大，采用传统的加工方法(数控研磨成型、离子束抛光法等)已经不能适应市场的需要，采用模压成型的方法大批量生产微小非球面玻璃透镜已成为一种发展前景广阔的制造方法，与传统的加工方法相比，8工业仪表与自动化装置2023 年第 2 期非球面光学零件可以获得球面光学零件无可比拟的良好成像质量1 4，在光学系统中能够很好的矫正多种像差，改善
8、成像质量，提高系统鉴别能力;能以一个或几个非球面零件代替多个球面零件，从而简化仪器结构，降低成本并有效的减轻仪器重量5 6。非球面模压技术已成为非球面光学透镜批量生产的新技术，其分为加热、模压、冷却几个阶段，如图 1所示。图 1非球面透镜模压生产过程为了更好的掌握这项技术，近年国内外学者对其加热温度、冷却速度、模压力选择等工艺进行了一系列的研究，但由于实验条件的限制，大多数研究基于仿真的方法7 8。光学玻璃模压设备生产厂家大多出自国外的一些厂家，比较著名的有日本的东芝机械有限公司生产 GMP 211，GMP 315，GMP 415，GMP 417系列模压机床，国内主要有台湾 HGLMOD 系列
9、模压机床。目前为止世界上已基本掌握这项先进玻璃光学零件制造技术的大多是一些国外的公司，国内的相关技术与国外存有较大差距9 12。市面上能够购买的设备存在一些缺点:其一，价格昂贵，通常需要数百万元，而且主要面向生产，灵活性较差、维护成本高。其二，由于技术保密，能够得到的试验数据较少。设备的研制问题已成为制约着我国光学模压技术的发展的问题之一13 14。为适应日益增长的非球面光学玻璃透镜需求，更好地研究模压的相关技术，在比较、借鉴国内外模压设备的基础上，自主创新研究开发了一种光学玻璃精密模压实验装置及基于 PLC 的自动化模压控制系统，此设备具有成本低廉、控制方式多样，操作简单，功能强大，界面友好
10、直观等特点，采用该设备能够实时监控模压过程中数据，能够对模压工艺及模压过程中的相关关键技术进行深入研究。1总体方案设计及原理光学玻璃模压试验装置由模压力提供系统、加热系统、冷却系统、控制系统，人机界面子系统等部分组成。装置总体结构见图 2 所示。1 PID 温控仪;2 触摸屏;3 PLC;4 伺服驱动器;5 伺服电机;6 支架;7 电动缸;8 压力传感器;9 隔热部件;10 下冲头;11 下模具;12 玻璃;13 上模具;14 加热部件;15 上冲头;16 隔热材料;17 热电偶;18 锁紧螺母;19 上基板;20 水管 21 水箱;22 上冷却板(可移动);23 下冷却板(固定);位置三;位
11、置二;位置一图 2光学玻璃模压装置结构示意简图操作用户通过人机界面设定模压速度或模压力，控制系统根据设定的参数信息控制伺服电机的开启与关闭，实现对定模压闭环控制;并观察系统工作状态。装置主要的工作原理如下:在试验前，通过控制界面人机交互的手动操作模式，让冲头从初始位置上行到设置好的距离(位置一)，然后将未装入玻璃预制件的模具至于下冲头上，冲头上行到位置三，使模具完全位于加热炉腔内，然后通过旋转上冲头螺纹，使上冲头下行，从控制界面观察上冲头与模具的接触情况，一旦接触，由于下冲头上装有压力传感器，人机界面上显示的力将由零出现突变，此时用锁紧螺母锁紧上冲头，使其位置不再发生改变。控制下冲头至位置一，
12、将模具取出，装好玻璃预制件，然后下冲头上行至位置二进行加热，当温度达到模压温度，以人机界面设定的速度或压力进行模压，人机控制界面实时跟踪模具位置、模压力、模压速度等变化，当到达位置三时，上下模具恰好和模，玻璃预制件压制成非球面透镜，保温一段时间，冲头下行到位置一，取出模具置于冷却板上冷却到室温后脱模。用户操作模式分为手动与自动模式，手动模式主要针对试验或初次试验。针对不同的光学玻璃及不同尺寸的透镜等参数，首先通过手动方式获得上冲头的固定位置，玻璃预制件加热充分的时间及模压温度的确定，模压力或速度的初次确定，冷却时间确定，然后将初次试验的理想参数输入界面的参数设置菜单，就可以在自动模式下，进行批
13、量试验或生产。2各个模块的设计2 1模压推力及测试系统设计目前，通常市面上推力的提供有三种方式:气92023 年第 2 期工业仪表与自动化装置压系统，在工厂中大量使用，但空气具有可压缩性，不易实现准确的控制，通常不能实时监控数据，而且容易漏气。此种方式在工厂中使用较多，比如目前市面上能够买到的模压设备大多采用此种方式;液压系统，它能较好的控制速度与压力，但可能漏油，易燃烧，须注意防火问题，而且维护费用较高;采用伺服电机与丝杠一体化设计的模块化产品，即电动缸，它将伺服电机的旋转运动转换成直线运动，伺服电机采用电脉冲信号进行控制的，并将脉冲信号转变成相应的角位移或直线位移和角速度的执行元件。由于采
14、用 PLC 可以精确控制伺服电机转速、扭矩、位置控制转变成精确速度控制、推力及位置控制，无需增加定位模块，具有精度高，运动平稳，低噪音，维护成本低等优点。本项目选取第三种方式作为推力的提供系统，采用深圳市丹佛有限公司生产的的交流磁伺服电机，自带光栅编码器(脉冲数2500 P/，分辨率 10 000)，其驱动电压 220 V，功率为 0 75 kW，扭矩为 2 4 N M。采用昆山能驰机电有限公司生产的精密滚珠丝杆，型号 KXTE 50 200 D，丝杆导程 5 mm，行程大约为 500 mm，重复定位精度为 0 02 mm。施加扭矩时产生的推力，可以根据公式(1)获得:F=T 2 /I(1)其
15、中:F 为推力;为效率;I 为导程;假设 为0 85，则可得提供的推力可以达到 256 kN，对于在高温下软化的玻璃，模压力已足够。在电动缸的输出端安装触达柱形精密压力传感器，工作温度范围 20 +80，量程为 0 200 kN，精度为 0 5%，其主要负责模压过程中实时压力数据的采集与监控。试验中当压力传感器受力时输出 4 20 mA 的电信号，信号通过压力采集线传送至压力变送器，经过放大后，通过 PLC 模拟量输入接口输入，通过 PLC 程序编程实现监控功能。2 2温度控制与隔热设计模压用的光学玻璃在室温下玻璃质地硬且脆，不适合模压成型，通常是将玻璃加热到光学玻璃的转变温度高几十度的区间，
16、使其成为粘弹性体，然后进行模压。目前世界上研发的光学模压用材料的转变温度通常高于 550，鉴于此本装置设计的加热温度上限达到 1000 以上，选用定制的 380 V 高温圆形加热炉，功率为 10 kW。试验表明能够实现快速升温，20 分钟之内可以将炉腔内的温度由室温加热到 1000。为了防止冲头在高温下氧化、变形，冲头材料采用进口耐高温不变形不锈钢 310S，在安装时，上下冲头采用数显水平仪校核水平。炉子的周围采用陶瓷纤维隔热材料隔热，外面采用 304 不锈钢包围整个炉子。选用霍宇仪器仪表公司生产的 HYA7000 系列智能 PID 工业温控仪(分辨率为0 1)及 K 型螺钉热电偶(测温范围 0 1600)对炉内的温度监控与控制。工作时上下冲头位于炉腔内，温度通过冲头迅速上外传递，由于压力传感器装在下冲头下面，其温度一旦超过 80 将会影响其正常工作。本装置对上下冲头均采用了隔热设计:(1)在压力传感器与下冲头之间加上自行加工的齿形散热器。下冲头的上部为实心，下半部分加工成空心，其与齿形散热器之间再加一层隔热材料，试验表明当炉中温度到达1000，压力传感器的温度不超过 40。图 3下冲
