快速成型技术（rapidprotyping，RP）是基于离散、堆积的原理采用不同方法堆积材料，更终完成零件成型与制造的技术。快速成型技术主要包括光固化立体印刷（SLA）、选区激光烧结（SLS）、分层实体造型（LOM）、三维打印（3DP）、熔融沉积造型（FDM）等，上述RP技术以激光或者电子束为热源，存在成型设备运营维护成本高、成型效率低等局限。
基于常规弧焊工艺直接金属成型技术，使用廉价的弧焊电源作为成型使用能源，以成熟的焊接工艺作为成型依托，结合数字控制技术与层叠制造原理，形成金属材料零件，是金属快速成形技术的研究热点和重要发展方向。等离子弧具有弧柱温度高、弧柱集束性好、热影响区小、加工柔性及成型精度高等优点，并且设备成本远低于激光金属成型方法，而成型效率明显高于激光直接成型。目前等离子熔覆加工受工件尺寸和形状限制，大部分情况下还需手动加工，不可避免地出现加工误差。本研究以等离子弧快速成型设备研制为目标，设计了基于PLC和触摸屏的控制系统，经过试验，证明此控制系统的可靠性及稳定性。
系统组成
等离子弧金属快速成型技术是以等离子弧为热源，熔化金属基体（或前层熔积金属）和金属填充材料，由计算机控制三维运动机构和变位机按照预先设定的层积路径提供运动轨迹扫描，控制等离子弧在层积路径形成移动的金属熔池，熔融金属经过快速凝固形成所需的金属功能零件。
等离子弧金属快速成型系统由快速成型控制系统、焊接电源、送丝机、水冷循环系统组成，其中快速成型控制系统包括欧姆龙CP1H-PLC、触摸屏和电源开关按钮等硬件系统以及对上述硬件系统进行控制的PLC程序和人机界面程序设计。系统组成原理如图1所示。
等离子快速成型设备的控制原理
2。1控制系统硬件设计
控制系统的输入信号包括：触摸屏和操作点上的电源开关按钮、控制按钮、设备急停按钮。控制系统的输出信号包括：控制中间继电器的信号，触摸屏和操作点上按钮、控制步进电机上升、停止以及变位机的启动、停止等信号。由于在等离子弧快速成型过程中参数调节较多，尤其对成型过程时序的控制比较复杂，选用CP1H型PLC作为控制核心，配有CP1W-CIF11通信模块及RS-485通信接口，实现PLC与触摸屏数据间的快速交换。PLC开关信号控制各个继电器线圈的通断，经过继电器线圈输出DC24V信号控制快速成型设备的各个单元，按照金属快速成型工艺的时间顺序开始工作。
设计了智能化操作控制的人机界面，采用威纶通MT6070iH3触摸屏，与PLC通过串口通信模块CP1W-CIF11进行RS-485总线通讯，可完成快速成型设备各工艺状态的设置与显示，并对生产过程中出现的各种故障进行报警和记录。
该金属快速成型设备控制系统主要由CP1H-PLC和控制设备动作的继电器两部分组成。当收到成型开始的程序信号时，PLC从开关量输出模块的端子输出24V直流电压信号，每个PLC的输出信号接一个中间继电器线圈，通过控制其触点动作来控制该成型设备的各个单元。PLC控制系统如图2所示。CP1H-PLC的I/O口的地址分配如表1所示。
2。2控制系统软件设计
控制系统软件设计包括PLC程序和人机界面程序，采用欧姆龙CX-Programmer与威纶通Easy
Builder8000组态软件进行编程。PLC控制单元作为系统核心，负责所有数据的运算处理，并向外围设备发出命令和接收由外围设备返回的信号。
图3程序流程
软件要完成的控制功能包括：实现金属快速成型设备各个单元按照金属快速成型工艺的时间顺序开始工作；完成RS-485总线通讯功能；工艺参数预置及掉电保存；系统故障及报警。其程序开发内容包括硬件组态、网络通信组态和程序设计。在CX-Programmer程序设计中，通过高速计数器0中断来完成对应设备不同的任务要求，即使用目标值一致中断，编制启动中断任务实现中断。
快速成型设备控制系统的人机界面采用威纶通MT6070iH3触摸屏，通过CP1W-CIF11通信模块与PLC相连，实现PLC与触摸屏之间的通讯。将设定的参数值发送至PLC控制器，采用可视化的人机交互系统，数据交换采用配方数据传输，成型工艺参数设置简单、迅速，成型过程显示直观，操作更为灵活。快速成型设备控制系统人机界面如图4、图5所示，有开机主画面、快速成型工艺参数设定和参数监控显示等。在满足快速成型要求的同时，用户可以手动调节成型工艺参数。该控制系统有自动和手动两种，调至自动时，整个快速成型过程根据PLC设定的程序依次进行。
画面设计了急停按钮与状态指示灯，可处理和监控紧急情况，当按下急停按钮时，画面里相对的急停状态指示灯变为红色。
快速成型实验和结果
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