盘类零件感应淬火机床控制系统设计.pdf

务I 造 匐 化 盘类零件感应淬火机床控制系统设计 Desi gn of cont r ol sy st em of t he i nduct i on quenchi n g m ach i ne t ool f or t he di sh par t s 刘玉飞 ，李 威，杨雪锋 L l U Yu f e i ， L I W e i ， Y ANG Xu e f en g 中国矿业大学 机电工程学院，徐州 2 2 1 0 0 8 摘要 针对具有复杂平面曲线 轮廓 的盘类零件的表面热处理问题 ，将感应淬火技术与数控技术相 结合，设计了数控感应淬火机床的控制系统。通过对复杂曲线进行简化，建立了恒速运动数学 模型，结合数控系统的直线插补功能，实现了恒线速度控制 ，并通过 软件进行了误差分析。 通过屏幕显示，可在线跟踪淬火的全过程，随时显示、记录、打印淬火过程中的各种参数。 关键词 感应淬火；数控技术；恒线速度 中图分类号 T G6 5 9 文献标识码 A 文章编号1 0 0 9 -0 1 3 4 2 0 1 2 0 5 上 - 0 1 1 3 -0 3 Do i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ J ． i s s R ． 1 0 0 9 -0 1 3 4 ． 2 0 1 2 ． 5 上 ． 3 5 0 引言 在机 械零件的加工工艺 中，淬火 是一道重要 的工艺 。普通 的 感应 淬火 机床 ， 由于 结 构 的限 制 ，通 常 只能 对形 状 规则 的 零件 进 行表 面热 处 理⋯。对于表面存 在 曲线形状 的盘类零件 如凸 轮 ，需要设 计专用的淬火机床和形状复杂的感 应器 ，常存在 定位不 准确 和速度不稳定等问题 ， 制造 周期较 长 ，生产成本高 ，当批量较小时 ，经 济性差 ，不适 应高效率生产的要求。将 感应淬火 技 术与数控 技术相结合，利用工控机对整个淬火 系统进行 自动监控，通过 对复杂曲线表面进行简 化 ，建立恒速运动数学模型，结合基于DS P 数字 信号处理 的运动控 制卡，可以有效地提高运动 控制 系统 的控制精度 ，而且可以简化系统软硬件 设计， 降低系统费用， 提高系统的性能和可靠性 ，很 好 的解 决了具有曲线形状 的盘类零件的表面热处 理 问题 。 1 机床的传动机构 为确保 定位精度和热处理质量 ，通过 对国外 先进淬火技术的分析与设计计算， 确定选用低摩擦 的传动副滚珠 丝杠 。采用微机控制 ， 由步进 电机、 滚珠丝杠 螺母副实现工作台的运动， 传动准确， 定位 精度高 。机床的运动部分 由回转工作台和直线移 动工作 台组 成，回转 工作 台的中心在直线移动工 作 台的中心 线上 ，二者运 动相互 独立，由数控系 统控制进行 实时插 补，实现感应器沿工件轮廓表 面间相对运动。 2 控制系统的硬件组成 通过 比较分析， 机 床的控制 系统采用工业控制 计算机实现对整个 系统 的 自动监控 ，可 以保证主 机 系统的可靠 。其控制系统框 图如图1 N示 。 { 『 机f r _一 j 主1 l 型 卜 J 【 电 j 商 匿 _ I 计 数 器『． r ～] L一 1 A ／ D 厂 ] 源 l 【 水泵 【 一 一 船 图1控制 系统 的硬件组成框 图 系统 中供 液装置和中频电源独立完成启动过 程 ，其他均 由工控机控制 。其 中最重要 的是功率 控制、流量控制和速度控制 ’ 。 2 ． 1功率控制模块 淬 火过程 中的加热功率 ，直接影响到淬硬层 深 度及均 匀性 。工控机根据加工程序 中的功率给 定值， 经D／ A转换，输 出控制中频 电源的输出功率， 感应器产生 电磁 涡流对工件进 行加热 。利用功率 传感器测量， 经信号处理后送A ／ D转换、采样， 作为 反馈信号， 同时在CR T 和数字面板表上显示 。 收稿 日期 2 0 1 1 1 0 1 5 基金项 目江苏 高校 优势学科建设工程资助项 目 作吉简介刘玉飞 1 9 8 8 一 ，男，安徽毫州人，硕士研究生，研究方向为机械电子工程。 第3 4 卷第5 期2 0 1 2 -0 5 上 [ 1 1 3 ] ～ 式器 一 ～ 嚣一 一 轴～一 应码 一 器一一 感一～ 器 一 动一 羔 感编■ 一 大 1． ～ 传T～ 应 一 驱一 磁冲一 一 放 一 率一一 感一 J 电脉 ～ 功_ 】 圆 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 务l 生 訇 似 2 ． 2 流量控制模块 淬 火 过程 中 的供 水 ，包 括淬 火 液 聚 乙烯 醇 和设备 冷却水 。工控机根据加 工程 序 中的流 量给定值， 通过输 出接 口D／ A转换 ，给 比例 阀指令， 使喷头工作 。利用流量传感器 测量，发 出的脉冲 经信号处理给计数器， 送入主机 进行运算 、显示和 控 制 。 2 ． 3 速度控制模块 由于机床 结构设 计的限制 ，感应器需要 与淬 火变压 器固连在一起 ，无法 实现绕工件轮廓表面 运动， 因此 ，淬火采用工件旋转的方式，即旋 转淬 火 。在 中频输 出功率 、间隙及淬火介质等 固定的 情 况下 ，淬火速 度直接影响淬硬层深度 。速 度愈 快 ，淬硬层深 度越 浅；速度愈慢 ，淬硬层 深度越 深【 8 】 0 工控机根据加工程 序 中的速度给 定值 ， 通过D／ A输 出接 口给变频器 指令， 变频器控制 电机 按指定 的转速转动 。通过 减速机构和驱动轴使 直线移动 工作台和回转工作台运动 ， 与驱动轴联接 的电磁感 应式脉冲编码器发出脉 冲， 送入计数器板， 工控机计 算工作 台的速度， 在CR T 和数 字面板表上显示， 并作 为反馈量 与给 定值 比较后进行控制 。将速度值对 时间进行积分， 可算 出直线移动工作台的位移 。 淬火 加热时 间是控 制淬火温 度的重要参数 ， 而且在淬 火过程 中，要保证 感应器与工件之 间的 间隙恒定 。因此 ，为 了获得均 匀淬硬层和操作 安 全 ，必 须控 制工件表面相对 于感应器的移动速 度 处于基 本恒定的状 态，即恒 线速度运动 。这是 平 面 非圆 曲线表面淬火处理 的数 控感应淬火 系统 中 的关键问题 ，也是保证热处理质量的重要因素 。 通 过 编 制 相 应 程序 ，可 以实现 对 速 度 的 控 制 ，但是 由于盘类 零件 的平面具有 曲线形状 ，在 编程 时需要建立平面 复杂 曲线恒速运动 的数 学模 型 ，将复杂 曲线 简化成折线 ，由于数控 系统具有 很 强的直线插补 功能 ，在简化后 的凸轮轮廓的任 一 条折线上 ，按 直线插补编程便 可实现恒线速度 控制 。下面 以在 实际 中应用较 多的典 型盘形零件 凸轮为例进行分析 。 平面 凸轮 感应淬 火传动装置 的工作状态与对 心移动从动件 盘形 凸轮机构类似 ， 运 动结果基本相 同，可以用如 图2 所示 的对心移动从动件盘形凸轮 机构代替平面 凸轮感应淬火装置 的机构模型 。回 转工作 台带动凸轮 1 以 03转动 ，相当于直线移动工 【 1 1 4 J 第3 4 卷第5 期2 0 1 2 - 0 5 上 作台的移动 杆2 保 持与 凸轮轮 廓间等距 ，并 以 移动 ，两者之 间的相对速度 Ⅳ即为所需保证 的恒 线速 度 。 图2平 面凸轮感应淬火装置机 构模型图 平面 凸轮实 际轮 廓 曲线是根据需 要确定 的， 很 难用特定 的数学 函数 来表示 ，通常用极坐 标来 表示 ，即 r f 0 ，式 中 为 曲线轮廓对应的向 径， 为凸轮转 角。按技术要求 ，感应器与 凸轮轮 廓应始终保持等距，所以感应器 的移动量 d x等于 凸轮向径的变化量 d r，即 d xd r。感应器的速 度 ． ． ∞ 厂 ． 1 一 一 ， ’ f I ． t t J d t d 0 d t d 8 。 在 凸轮 轮 廓 曲线 上 任 取 一 段 长 度 ，则 d sr d Of d O。轮廓的线速度 V 厂 ． 2 ，l J ‘ L 。d t dt ’ 式 1 、 2 建立 了 、 和 三 者 之 间的关 系， 由理论 力学分析 可知 ，线速 度 H是 和C O 的二元函数，即V ／ ， 。 为了便于分析 ，将 理论上光滑 的凸轮轮 廓曲 线简化为若干条折线 ，认 为凸轮轮廓 由很 多条折 线组成 。每条折线对应一个凸轮转角，设为 ， 取 值 越小 ，简化 后 的轮 廓 越 接近 实 际 凸轮 轮 廓。运动过程 中，取任意 区间，设A点为轮 廓区 间的初始位 置 ，对应极径 O A为 ， ’ 点为终 点 位 置 ，对 应 极 径 OA - 为 r i l 。由于 取 值 较 小 ， 在 范围内 和 03 可以看作不变。经速度分析，可 得 回转工作台带动凸轮的旋转 角速度 3 x／ A r 。 0 直线移动工作 台带动感应器的移动速度 V Ar c o／ O 4 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 、l 匐 化 感应器与凸轮问的相对速度 恒速 ㈣ 淬火时 ，按工艺要求给 定凸轮与感应器之 间 的恒线速度 V Ⅳ，根据式 3 可以计算出回转工作台 的回转角速度 C O，根据式 4 可以计算 出直线移动 工作台的移动速度 。 对于模型 中的简化 ，以凸轮从动件为等速运 动规律和正弦加速度运动规律为例 ，用 ma t l a b软 件进行分析 ，旋转角度 值从1 ” 到 1 0 取值，得旋 转角 与平均误差之 间的关 系，如图3 所示。 0正弦误 差 点 ， 等速误 差 点 ‘ 等速误 差线 ／ 一 一 一 J ．， ‘ r ；／- ，j 二 一 一 一 ’ ． 5 6 7 8 9 1 0 旋转角度 e 度 图3旋转 角与平均 误差的关系图 由关系图可以看 出，当 角取值小于5 时，误 差在2 ％以内。当旋转角度取4 ” ～ 5 。 时 ，产生的误差 较小 ，对实际应用的影响极小 。因此 ，用简化数 学模型控制平面曲线 ，可实现恒速运动 。 通 过以上分析可知 ，将 凸轮轮廓 曲线进行简 化 后，用数 学模型进行数据处理 ，可得到需要保 证 的恒速 对应每个 区域 的 和 。结合牛 顿迭代法，按直线插补编程输入数控 系统 ，依次 分段执行程序 ，控制回转工作台和直线移动工作 台的运动，具有较高的控制精度 。 3 控制系统的软件功能【 1 0 ] 软件采用C 语言实现对整个控制系统程序的编 制及开关量 的逻辑控制，实时监测系统的执行情 况， 对整个系统进行全面管理 。 程 序 主菜 单 分 为 “ 编 写 工 艺 ” 、 “淬火 加 工 ” 、 “绘 制 曲 线 ” 、 “收 工 作 业 ”和 “退 出 ”。所 有操 作均 为 中文界 面， 采 用人 机对 话方 式 。 编写工艺即输入加工程序， 依据工艺卡逐项填 入并赋予工艺号， 编写过程中如有错误给 出提示。 淬火加工时， 工件装卡后， 输入工艺编号， 按启动 按扭， 系统对机床状态进行检查， 如未准备好， 给出 提示。检查通过后， 系统调用相应的工艺程序及各 控制 回路 的测控程序， 程序按工艺进行实时控制、 检测和显示， 同时记录执行结果， 生成数据文件 。加 工过程如有异常， 控制系统暂停并报警 ，此时界面 显示故障出处 。淬火加工主程序框图如图4 所示。 f 输 入 _11q ，编 1 l 状 李 【 1 - ． 常 j一 N ， P 、 、 厂 面 0 f ‘ 、、 已 存 一 I 执 品 储 l 、、 ，／ 执 行 加 工 、 显 ，J 、 存 储 主 序 、Y ＼ 一 图4 淬火加工主程序框图 绘制 曲线即对工件加工过程 中的各参数 进行 记录， 可依次绘制曲线， 随时提供查询或打印。 收工作业可 以对工件加工 的数 量、品种 、工 件编 号、工艺编号 、操作者等信息进行统计， 可随 时查询或打印， 便于生产和质量管理。 通过退出命令，结束程序 。 4 结束语 本文设计的感应淬火机床 ，与数 控技 术相结 合 ，并对复杂轮廓曲线建立简化的数 学模型 ，较 好的解决具有曲线形状的盘类零件的表面热处 理 问 题 。 根 据 工艺 需 要 ，可 随 时 编 程 或 修 改 工艺 参 数， 以满足不 同类型零件 的感应热处理 。通过屏幕 显示，可在线跟踪淬火的全过程 ，大大提高 了零 件 的淬火质量 。可以采用通用感 应器进行感应 淬 火 ，成本大大降低，具有较好的实际应用价值 。 参考文献 【 1 】 许旭东， 周大振 ． 领先 的感应加 热热 处理设备[ J J ． 国外金 属热处理， 2 0 0 0 ． 2 ， 2 1 1 3 3 3 7 ． 【 2 】 吴锐， 李广宏， 邹辉， 等． 平 面曲线零件恒速运动的测试 及 第3 4 卷第5 期2 0 1 2 0 5 上 I 1 1 5 1 ■ 编 艺程序 、 保存 调工艺编制程序 5 3 5 2 5 ， 5 0 3 2 1 O 一 屯 陋 一 堋 露 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 数据 分析【 J 1 ． 煤矿机械， 2 0 1 1 ． 9 ， 3 2 9 2 1 2 2 1 4 ． 【 3 】 周永喜， 施 群， 王小 椿． 基 于DS P 的运 动控制卡 的设计与 实现[ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 3 ， 3 8 6 8 7 ． 【 4 】 陈国民， 闫满刚． 对我国齿轮感应淬火技 术的评述 [ J 】 ． 金属 热处理 ，2 0 0 4 ， 2 9 1 3 2 3 9 ． 【 5 】 庄淑君 ， 沈庆通． 曲轴旋 转淬火机 床控 制 系统设 计 【 J 】 ． 金 属热处理 ， 1 9 9 8 ， 1 4 3 4 4 ． 【 6 】 葛运旺 ， 罗 尚民， 张宗杰 ， 等 ． 由P L C和HMI 构成 的感应 淬 火机床数控系统【 J 】 ． 热加工工艺， 2 0 0 5 ， 9 5 3 ． 5 5 ． 【 7 】 葛运旺， 赵尊群， 张宗杰， 等． 基于现场总线的感应淬火机 床控制系统设计[ J ] ． 工业仪表 与自动化装置，2 0 0 5 ， 5 3 2 3 4 ． [ 8 】 周海， 曾少鹏， 袁石 根． 感 应加热 淬火技 术的 发展及 应用 【 J 】 _ 热处理技 术与装备， 2 0 0 8 ． 0 6 ， 2 9 3 9 1 5 ， 2 1 ． 【 9 】 孙海洋， 范大鹏 ． CNC参数 曲线实 时插 补进给 速度控制 方法 [ J 1] ． 中国机械工程， 2 0 0 8 ． 9 ， 1 9 1 7 3 2 3 6 ． 【 1 0 】陈婵 娟， 闫永志， 蓝通 明． 开放 式数控 系统人 机界 面的设 计【 J J ． 组 合机床与 自动化加工 技术， 2 0 0 7 ， 2 4 2 4 5 ． { {缸{ { { { { {缸{ { { ． ． { { 囊‘． { { {盘‘ 蠡‘ { 曼‘ 蠢‘ 【 上 接第6 8 页 】 表2评价结果 缘 条 筋条 腹板 腹板孔 设备名称 粗 尺 粗 尺 粗 尺 粗 尺 质 工 负 糙 寸 权 糙 寸 权 糙 寸 权 糙 一 权 日 _ 里 时 荷 精 重 精 重 精 重 精 重 度 度 度 度 度 度 度 度 桥宝 V C M1 5 0 0 0 _ 3 0 0 ． 2 0 ． 8 0 ． 4 0 ． 7 0 _ 3 O 0 O 7 0 HF S P 7 0 HF S P 0 ． 6 0 O ． 8 0 ． 8 0 ． 6 0 _ 3 0 ． 6 0 0 0 2 6 M V2 - 2 5 0 0 B 0 ． 4 0 0 ． 5 0 ． 6 0 ． 5 0 ． 7 O ． 6 0 0 0 0 ． 0 ．5 0． 2 0． 1 0． 2 0 - 3 蓝宝迪 1 2 0 1 L 0 ． 6 0 ． 5 0 ． 6 0 ． 8 0 ． 6 0 ．4 0 - 3 0 ． 7 1 2 0 6 2 8 6 5 O ． VC5 VC5 0 3 0 0 0 ． 4 0 ．4 0 ． 5 O ． 6 0 ． 5 0 ． 8 0 ． 6 0 ． 8 O ． 6 l 0 0 2 5 和评 价敏捷性特 点，对 网络化协 同制 造 中机床的 选择与评价具有参考价值 。 参考文献 【 1 】李双跃 ， 龙红能， 殷 国富， 等． 基 于特征的制造工艺 资源建模 与检 索 方法研 究 【 J J ． 计 算机 集成 制造 系统， 2 0 0 7 ， 6 ， 1 3 6 1 0 6 2 ． 1 0 7 0 ． 【 2 】俞烽， 廖文和， 郭宇， 等． 面向工艺的扩散制造资源选择方法 研究 f J 1 ． 中国机械工程， 2 0 0 8 ， 1 0 ， 1 9 1 9 2 3 1 5 2 3 1 8 ． 【 1 1 6 1 第3 4 卷第5 期2 0 1 2 - 0 5 上 【 3 】王忠宾， 许娟， 张永忠， 等． 智能C AP P 系统及其加工资源动 态决策【 J 】 _ 中国矿 业大学学报， 2 0 0 6 ， 5 ， 3 5 3 3 1 7 3 2 2 ． 【 4 】CI UR A NA J ， CARCI A ROMEU M L， FE RRER I ， e t a 1 ． A mode l f or i nt eg r a t i ng pr oc es s pl a nni ng a nd pr oduc t i on p l a n n i n g a n d c o n t r o l i n ma c h i n i n g p r o c e s s e s[ J 】 ． Ro b o t i c s and C o mp u t e r - I n t e g r a t e d Manu f a c t u r i n g 2 4 2 0 0 8 5 3 2 _ 5 4 4 ． 【 5 】王忠 宾， 王宁生， 陈禹六． 工艺规划 和生产计划 与控 制集成 过 程 中 的 资 源 决 策 【 J】 ． 计 算 机 集 成 制 造 系 统， 2 0 0 4 ， 1 0 6 6 4 6 6 5 0 ． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m