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2 0 1 4年 1 月 第 4 2卷 第 2期 机床与液压 MAC HI NE T OOL HYDRAUL I CS J a n ． 2 0 1 4 Ve 1 ． 4 2 No ． 2 DO l 1 0 ， 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 4 ． 0 2 ． 0 3 2 基于 F A N U C ． 1 8 I 控制系统的弧面凸轮高频淬火机床 P MC设计 曹凯 日E ， 西安工业大学电信学院，陕西西安 7 1 0 0 2 1 摘要根据弧面凸轮淬火工艺对控制系统的要求 ，在分析机床各坐标进给顺序的基础上，选用 F A N U C 一 1 8 I 系统作为弧 面凸轮淬火机床的控制系统，进行了I ／ O口的地址分配，并根据P MC的工作原理针对机床 轴淬火感应器的旋转跟踪运动 进行了程序设计。 关键词弧面凸轮；高频淬火；F A N U C 一 1 8 1 系统 ；P MC 中图分类号T H 1 2 2 文献标识码B 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 4 2 0 9 4 3 P MC D e s i g n f o r t h e R o l l e r Ge a r C a m Hi g h - f r e q u e n c y Qu e n c h i n g M a c hi ne wi t h FANUC． 1 8 1 Co nt r o l S y s t e m CAO Ka i C o l l e g e o f E l e c t r o n i c a n d I n f o r m a t i o n E n g i n e e r i n g ，X i ’ a n T e c h n o l o g i c a l U n i v e r s i t y ， X i ’ a n S h a a n x i 7 1 0 0 2 1 。C h i n a Ab s t r a c t A c c o r d i n g t o t h e r o l l e r g e a r e a rn h i g h f r e q u e n c y ma c h i n e’ S s p e c i f i c r e q u i r e me n t ，F ANUC一 1 8 1 wa s u s e d a s t h e c o n t r o l s y s t e m，a l s o t h e I ／O i n t e r f a c e s we r e a l l o c a t e d b a s e d o n a n a l y z i n g ma c h i n e s t r u c t u r e a n d f e e d c o o r d i n a t e s ．F i n a l l y a c c o r d i n g t o P MC p r i n c i p l e ，p r o g r a m f o r t h e f e e d mo v e me n t o f B a x i s o f t h e r o l l e r g e a r e a rn h i g h - f r e q u e n c y q u e n c h i n g ma c h i n e wa s d e s i g n e d ． Ke y wo r d s Ro l l e r g e a r e a rn ； Hi g h f r e q u e n c y q u e n c h i n g ；F ANUC 一 1 8 1 s y s t e m ；P MC 弧面凸轮机构已成为许多高速、高效 、高精度自 动机和生产线中不可缺少的关键部件。随着现代工业 技术的高速发展，对凸轮工作廓面的硬度、耐磨性以 及耐冲击载荷等性能指标有了更高的要求。实践证明 只有通过淬火才能满足这样 的需求 。 目前对 弧面凸轮 工作廓面进行热处理较为先进的方法是高频曲面跟踪 淬火⋯。实现弧面凸轮高频曲面跟踪淬火须使用多轴 联动高频数控淬火机床，该机床对数控系统有很高的 要求。文中主要研究多轴淬火机床的控制系统选型和 P MC设计 。 1 机床各进给坐标运动分析及 系统选型 弧面凸轮高频淬火机床是在 N T ． X K 5 0 0 1 数控铣 床的基础上拓展设计的。由于弧面凸轮空间结构复杂 性 ，淬火过程需要 7个坐标轴共同作用才能满足淬火 工艺要求，其 中 、y 、z、 四个 直线坐标轴主要 完成 凸轮 和淬火感应 器的定位 ， 、 、P三个旋 转坐 标轴主要用于凸轮曲线廓面跟踪。如图 1 所示， 轴 的前端是淬火 感应器 ，呈悬 臂状，依靠 轴 实现 6 0 。 的回转 ；P轴在淬火过程 中按照凸轮曲线压力 角的变化实现淬火感应器的回转，对凸轮曲面实现跟 踪淬火。每当淬火感应器运动到动程段时，P轴根据 凸轮曲线压力角的变化旋转相应的角度 ，以保证淬火 感应器随着凸轮曲线廓面变化 ，并与凸轮廓面保持 2 1 T U l I 距离，从而保证凸轮的淬火质量 。当弧面凸轮 装夹完毕 ，启动加工程序，机床会根据弧面凸轮的相 关参数进行自动调整，进行高频感应加热和冷却 ，直 到完成凸轮廓面单侧淬火 ，之后经过参数调整，再进 行另一侧 面淬火 。 轮 图 1 弧面凸轮淬火机床结构和各坐标传动关系示意图 收稿 日期 2 0 1 21 2 2 9 作者简介曹凯 1 9 8 4 一 ，男，硕士，讲师，研究方向为自动化控制。Em a i l m a o m a o 一 1 2 6 ． e o m。 第 2期 曹凯 基于 F A N U C 一 1 8 I 控制系统的弧面凸轮高频淬火机床 P MC设计 9 5 1 ． 1 C N C控 制 系统选 型 在控制系统选型过程中，为了满足弧面凸轮廓面 淬火的工艺要求 ，保证系统具有较强的稳定性 、适应 性、通用性和扩展性 ，采用 F A N U C ． 1 8 I 系统作为 控制系统。该数控系统属于 1 6 I 系列，相比于与其他 的 F A N U C数控系统，F A N U C ． 1 8 I 系统产生以纳米为 单位的指令发送到数字伺服控制器 ，再与高精度的伺 服控制部分配合 ，能够很好地实现凸轮廓面跟踪淬 火。F A N U C ． 1 8 I 系统在加工过程中可实现四轴联动控 制，适用于弧面凸轮淬火工艺的多轴加工需求 ，相比 于其他控制系统具有稳定性好、性价比高 、维修方便 等特点 ，所 以采用 F A N U C - 1 8 I 系统作为弧面凸轮高 频淬火机床的控制系统。图2为弧面凸轮高频淬火机 床控制系统的组成示意图。 位 置检 测信 号 PM C 开 关 阀 S V驱 动 常 规 电 气控制 X轴驱动 l ， 轴驱动 z轴驱动 ， 嘴自 驱动 轴驱动 置轴驱动 轴驱动 图 2 弧面凸轮高频淬火机床控制系统组成示意图 采用 F A N U C ． 1 8 1 作为控制系统 ，实现 了弧面凸 轮高频淬火加工过程的四轴联动 、A、B 、P四轴 联动 。以往弧面凸轮热处理主要是氮化处理，与其 相比该设计能够对弧面凸轮廓面实现高频淬火感应器 跟踪淬火，同时对凸轮廓面的跟踪进给速度实现高精 度控制，最终达到提高弧面凸轮各性能指标的设计 目 标 。 2 P MC的软件设计 P M C P r o g r a m m a b l e M a c h i n e C o n t r o l l e r 是 可 编 程序机床控制器，是一种专用的数字运算操作的电子 系统 ，是专为工业机床应用而设计的控制软件 ，它采 用可编程序的存储器 ，用来在 内部存储执行逻辑运 算 、顺序控制 、定 时、计数和算术运算等操 作的指 令，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种 类型的机床生产过程。强调 P M C用软件方式实现的 “ 可编程”与传统控制装置中通过硬件或硬接线的变 更来改变程序有本质区别。简单地说 ，F A N U C系统 可以分为两部分 控制伺服电动机和主轴电动机动作 的系统部分和控制辅助电气部分的 P MC 。 2 ． 1 弧面凸轮 淬火机床 中P MC工作原理 弧面凸轮高频 淬火机床 在工作 时，只要启 动 C N C程序 ，P MC程序与之同步运行，并时刻扫描机 床或机床操作者的输入信号和强电柜控制信号的执行 结果。图3为该机床的P M C工作原理图。其中 G 、F 是 P M C与 C N C之间的交换信号，G信号及时将弧面 凸轮淬火机床的运行状态传输给 C N C系统，G信号 中有些是系统软件的一部分 ，如淬火机床的急停、自 动淬火程序的启动、工作方式的选择等信号。F信号 是对机床 运行状态 的反 映，其 中一 些信号是 反映 C N C系统的运行状态 ，如淬火机床处于报警状态和 淬火进给中，G信号可对功能指令进行处理。P MC 接收来自I ／ O端机床侧 x信号，并通过 Y信号驱动 负载和开启高频电源。 图3 弧面凸轮高频淬火机床 P M C 工作原理图 2 ． 2 弧 面凸轮淬火机床进给 P MC图 对于 F A N U C 一 1 8 I 系统 P MC程序的编写，如表 1 所示首先对输入地址进行分配。在这里，对弧面凸轮 淬火机床输入的 x信号进行 P M C设计 ，并设计 出弧 面凸轮高频淬火机床主轴进给的 P MC图。 表 1 输入信号地址分配 信号 使用 I ／ O地址 自定义信号 各轴测量位置到达信号 各轴参考点返回信号 手轮信号 X0一X 3 X 4 ． 0～X 4 ． 7 X8 ． 5～x9 ． 7 X1 2～X1 4 2 ． 3 机床 自动运行情况下的典型 P MC程序设计 在弧面凸轮高频淬火机床上进行高频淬火需 自动 运行，实现其 自动跟踪淬火功能 ，在此编写弧面凸轮 高频淬火 机床 自动 运行 的 P MC程序 ，将 信号 s T G 7 ． 2 置 “ 1 ”后再置 “ 0 ” ，系统便能识别 自动淬 火方式，根据输入的淬火加工程序，机床便可以进行 自动淬 火加 工，系 统将 运 行 自动 启 动 信 号 S T L F 0 ． 5 信号。在弧面 凸轮淬火机床 P M C设计 中， 当按下自动运行按钮 X 1 ． 6 ，同时又在 F 3 ． 5状态下则 一 一 ～ 一 一 一 9 6 机床与液压 第4 2卷 s T置 ⋯ 1’ ，当松开 X I ． 6信号 s T置 “ 0 ” ，F A N U C系 统为自动淬火状态 ，同时 自动淬火信号置 “ 1 ” ，则 自动运行 L E D信 号 Y 0 ． 5置 “ 1 ” 。 当系统处于 自动淬火状态时，如果将信号 S P G 8 ． 5 置为 “ 0 ” ，机床将会处 于暂停状态 ，此时 S T L F 0 ． 5 信号置 “ 0 ”而 自动运行暂停信号 S P L F 0 ． 4 置 “ 1 ” 。此时只有将信号 G 7 ． 2置 “ 1 ”后 再置 “ 0 ” ，系统 才能重 新进入 自动 运行 状态 。设计 中自动暂停信 号 X 2 ． 0 ，启 停 ％S P G 8 ． 5 信号 ， 同时系统通过 F 0 ． 4信号启停 Y 0 ． 4自动启停 L E D信 号。如图 4所示为弧面凸轮高频淬火机床 自动淬火 P MC 图4 弧面凸轮高频淬火机床 自动淬火 P MC 为满足凸轮工作廓面的硬度、耐磨性以及耐冲击 载荷等性能指标，在弧面凸轮淬火加工过程中应对A 坐标的进给速率进行 P MC控制 ，从而提高凸轮工作 廓面的淬火质量。通过在 轴安装架上，安装一个 电感测头测量弧面凸轮在高频淬火过程中凸轮廓面的 曲线热变形量 ，由测量 出的变形量 和弧面 凸轮 的变形 规律来确定 A坐标的转速，即确定高频感应线圈的 进给速度。结合实际需要对弧面凸轮直径 D1 0 0 3 0 0 m m的弧面凸轮进行高频淬火实验 ，实验中采用 的电源频率2 0 0 k H z 、功率2 5 k W、电流 2 ． 5 A，其中 冷却介质为质量分数 5 ％ ～1 0 ％含有聚乙烯醇水的乳 化液。在保证淬火深度和变形小的前提下进行实验， 针对机床进给速率和凸轮淬火深度建立模型 ，分析出 当弧面凸轮淬火机床的进给速率为2 5 0～ 3 0 0 m m ／ m i n 时，凸轮廓面变形最小，弧面凸轮 的抗疲劳、耐磨 性、抗冲击力、硬度等性能指标明显提高。所以在弧 面凸轮淬火机床进行 自动淬火时还需进行速度倍率的 设定 ，以免人为疏忽在淬火过程中出现次品。实际机 床在 自动淬火过程中进给速度为指令速度乘以信号选 择倍率值，为8 位二进制代码，根据倍率公式算出实 际进给速度 ，并设置相应 P MC轴参数，实现最优进 给速度下进给。 3总结 在分析了机床各坐标进给顺序的基础上，针对弧 面凸轮工作廓面淬火的工艺要求，选用 F A N U C 一 1 8 I 为控制系统 ，对机床 A轴淬火感应器的旋转跟踪淬 火 自动运行 P MC程序进行设计 ，提出了最优淬火进 给速度 ，并介 绍了相应 的解 决办法。所设 计的系统能 够满足弧面凸轮曲面高频淬火中的廓面跟踪 、感应加 热和冷却的要求 ，具有一定的工业实用价值。 参考文献 【 1 】 刘昌祺 ， 牧野洋 ， 曹西京． 凸轮机构设计 [ M] ． 北京 机械 工业 出版社 ， 2 0 0 5 ． 【 2 】 刘兴 国． 加工高精度蜗形凸轮的 C N C专用机床研制 [ D] ． 咸阳 西北轻工业学院， 1 9 9 3 ． 【 3 】王润孝． 数控机床原理与系统[ M] ． 西安 西北工业大学 出版社 ， 1 9 8 9 ． 上接 第9 3页 速度 。 和最高速度 设为变量。 为使小车快速、稳定地行驶 ，主控模块采用 P I D 控制算法实现电机闭环控制用 M K 6 0 N 5 1 2自带的 L P T M R脉冲计数功能，每场提取一次光电编码器发 出的脉冲数，采用增量式 P I D调节脉冲数，使智能车 根据当前的路况做出最快最准确的反应。 试验结果表明小车能够在赛道上平稳行驶 ，遇 到弯道提前减速 ，通过弯道立即加速，遇见小 s弯道 不减速直行通过 ，控制效果 良好 。 5 总结 设计一种基于 MK 6 0 N 5 1 2单片机的智能小车，小 车能准确识别赛道信息 ，采用 P I D算法实现速度闭环 控制，有效提高小车运行的稳定性。最终小车能够以 2 ． 5 m／ s 的速度实现智能循迹 ，证明小车设计的正确 性与合理性 。 参考文献 【 1 】段颖康． 基于 M C 9 S 1 2 X S 1 2 8 单片机的智能循迹小车的 硬件设计[ J ] ． 新特器件应用， 2 0 1 0 ， 1 2 1 3 3 3 5 【 2 】周立功， 陈明计． A R M嵌入式系统基础教程[ M] ． 北京 北京航空航天大学出版社 ， 2 0 0 8 ， 【 3 】王宜怀， 吴瑾． 嵌入式系统原理与实践 A R M C o r t e x M 4 K i n e t i s 微控制器[ M] ． 北京 电子工业出版社 ， 2 0 1 2 ． 【 4 】郭天祥． 新概念 5 1 单 片机 C语言教程 入门、 提高、 开 发、 拓展全攻略[ M] ． 北京 电子工业出版社， 2 0 1 2 ． 【 5 】王慧琴． 数字图像处理 [ M] ． 北京 北京邮电大学出版 社 ， 2 0 0 6 ． 【 6 】卢亚平． 基于 c语言的数字 P I D控制算法及实现 [ J ] ． 科技创新导报， 2 0 1 0 3 0 2 3 2 5 ． 【 7 】师树恒， 孙明， 师素娟． 基于 M C 9 S 1 2 X S 1 2 8的智能循迹 小车设计[ J ] ． 自动化与仪表 ， 2 0 1 2 4 5 0 5 2 ．
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