基于IPC的感應淬火機床數控系統設計

背景介紹

近年來(lái)，隨著(zhù)計算機網(wǎng)絡(luò )的發(fā)展，企業(yè)資源計劃（ERP）的應用已日漸普及，制造執行系統（MES）的研究和應用也得到業(yè)界的高度重視。感應熱處理機床是一種清潔熱處理設備，符合現代化工業(yè)生產(chǎn)的3S標準（Sure—可靠，Safe—安全，Saving—節約），又可以安裝在生產(chǎn)線(xiàn)上進(jìn)行在線(xiàn)金屬熱處理，在國內外機械熱處理行業(yè)已廣泛應用，我們在制造多功能回轉式淬火機床時(shí)，研制了支持現場(chǎng)總線(xiàn)的數控系統使機床支持工業(yè)以太網(wǎng)，進(jìn)而可以與車(chē)間級網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行信息交換，并進(jìn)行遠程淬火參數設置。

多功能回轉式淬火機床簡(jiǎn)介

感應加熱是利用電磁感應的方法對導體材料進(jìn)行加熱。其主要優(yōu)點(diǎn)是：效率高、成本低、節能、易于實(shí)現自動(dòng)控制。金屬熱處理的感應加熱設備主要包括：加熱電源、感應熱處理機床、感應器和淬火變壓器。

多功能回轉式淬火機床實(shí)際上是一條具有完善保護功能的自動(dòng)加工線(xiàn)，采用回轉式結構，使上、下料在同一個(gè)工位位置完成，操作方便；該機床可以同時(shí)加工同一種零件上的三個(gè)不同表面，做到一個(gè)工件在一臺淬火機床上一次完成淬火，也可以同時(shí)對三個(gè)相同或不同的零件進(jìn)行淬火，且每個(gè)加工工位參數設置有一定的柔性冗余，可以實(shí)現各種淬火方式，如同時(shí)、連續、連續同時(shí)以及多段淬火等，主要應用在汽車(chē)、摩托車(chē)制造行業(yè)，以滿(mǎn)足其多品種、小零件的淬火處理。

1、一體化設計

為了減少占地面積和安裝周期，采用一體化設計，即將機床與淬火液循環(huán)系統、冷卻液循環(huán)系統、加熱電源和淬火變壓器集成于一體。

2、生產(chǎn)線(xiàn)化

數控系統設計

多功能回轉式感應淬火機床要求：① 三個(gè)加工工位同時(shí)獨立運行（相當于三臺機床）；② 連續淬火時(shí)速度連續變化不停頓；③ 具有三個(gè)工位下降不到位和轉臺不到位自糾正功能。常規的數控系統無(wú)法滿(mǎn)足這些功能，因此我們自行研制了基于工控PC的數控系統，在 Windows 2000 下利用線(xiàn)程技術(shù)實(shí)現了上述功能。

工控PC主機是系統的核心，一方面對機床各運動(dòng)部件進(jìn)行檢測與控制，另一方面通過(guò)網(wǎng)卡與車(chē)間級網(wǎng)絡(luò )相連，使系統可以利用遠程計算機輸入淬火參數，也可以顯示機床工作情況；PCI-1240用于步進(jìn)電機速度和定位控制，同時(shí)檢測步進(jìn)電機各種異常信號；PCI-1751為48路TTL電平并行輸入輸出板，其中32路設置為輸入，用于操作按鈕輸入，包括啟動(dòng)、暫停、急停按鈕，三個(gè)工位手動(dòng)加熱、噴液、旋轉、切換，轉臺快速正反轉、慢速正反轉，三個(gè)工位工件快速上升下降、慢速上升下降等；16路設置為輸出，用于轉臺及三個(gè)工位步進(jìn)電機使能控制。PCL－724為T(mén)TL電平輸入板，用于對到位、缺料、缺水、頂尖異常等信號進(jìn)行檢測，由于板上無(wú)電平轉換和信號隔離功能，而接近開(kāi)關(guān)電平為24V，所以使用PCLD－785作為輸入電平轉換和信號隔離電路；PCLD－885為16路高功率繼電器輸出板，具有極強的輸出驅動(dòng)能力，觸點(diǎn)容量為交流220V5A；PCL720為64路開(kāi)關(guān)量輸入輸出板，在這里主要與PCLD－885一起，控制各工位切換、加熱、噴液、吹堵、回火。

抗干擾設計

由于淬火機床是特殊的機床設備，淬火機床采用的高頻或中頻電源由于采用調制波輸出，其對電網(wǎng)和其它設備的輻射干擾特別嚴重，為此控制系統采用如下抗干擾措施。

軟件設計

系統軟件設計主要考慮軟件的通用性、可靠性和易用性。為此著(zhù)重考慮以下幾個(gè)問(wèn)題：①三個(gè)工位獨自使用加熱電源以及三個(gè)工位共享加熱電源時(shí)切換功能；②三個(gè)工位同時(shí)獨立運行軟件設計，并具有同時(shí)、連續掃描、分段同時(shí)、分段連續掃描等多種淬火功能；③應可以存儲百個(gè)以上的工件淬火程序，工件管理、查詢(xún)方便；④參數輸入方便，無(wú)需編程，不懂計算機的人可以完成工件參數的輸入；⑤在線(xiàn)幫助功能，隨時(shí)操作提示；⑥故障自診斷、故障報警提示功能。

圖6給出了系統軟件設計總體框圖，計算機上電后直接運行淬火程序，“系統初始化”包括各板卡初始化、調用上次運行的工件的運行參數等，并判別操作面板【自動(dòng)/手動(dòng)】按鈕位置，自動(dòng)切換到相應主畫(huà)面。

進(jìn)入主程序后，系統定時(shí)檢查操作面板【自動(dòng)/手動(dòng)】、【啟動(dòng)】、【急?！康劝粹o狀態(tài)，并觸發(fā)相應事件；自動(dòng)狀態(tài)下系統主要完成工件管理、淬火參數設置、轉臺參數設置、步進(jìn)電機加速度設置以及自動(dòng)淬火功能；手動(dòng)方式下，系統主要完成各工位手動(dòng)操作、轉臺手動(dòng)操作、ABC三工位及轉臺零位設置、自動(dòng)回零位功能和手動(dòng)參數設置。工件選擇在工件管理畫(huà)面中完成，選定工件以后，系統首先檢查各工位參數文件是否存在，若不存在，自動(dòng)創(chuàng )建各工位參數文件名，并設置禁止運行標志同時(shí)給出提示。各工位淬火參數設置完后，系統自動(dòng)取消禁止運行標志?？傮w框圖中沒(méi)有畫(huà)出程序退出部分，軟件退出包括兩種退出方式，一種是返回WINDOWS2000桌面，一種是直接退出操作系統即關(guān)機。

線(xiàn)程技術(shù)

由于三個(gè)工位同時(shí)運行，系統設置4個(gè)線(xiàn)程，三個(gè)線(xiàn)程用于A(yíng)、B、C三個(gè)工位淬火，一個(gè)線(xiàn)程用于各工位運行狀態(tài)指示，轉臺分度由主程序完成；在淬火過(guò)程中，出現異常情況，系統立即退出淬火程序，并進(jìn)行報警，某個(gè)工位出現異常，不影響其它工位運行；若出現工位下降不到位或轉盤(pán)分度不到位的情況，系統自動(dòng)找位。

遠程參數修改

考慮到成本的問(wèn)題，程序沒(méi)有采用C/S結構，也不支持遠程O(píng)DBC，為了支持遠程修改淬火參數，可以在遠端計算機上安裝本軟件，對參數文件修改后將參數文件復制到機床控制計算機，而后在機床控制計算機上退出應用程序并重新運行。

結論

小型感應熱處理中心是綜合了國際上感應熱處理機床的緊湊化、柔性化、多軸化、生產(chǎn)線(xiàn)化、計算機化等方面的一些要點(diǎn)研制的九工位感應熱處理中心，在國內已在洛陽(yáng)北方易初摩托車(chē)有限公司、錢(qián)江集團發(fā)動(dòng)機事業(yè)部熱處理廠(chǎng)等數個(gè)廠(chǎng)家應用于摩托車(chē)曲柄的淬火與回火，2000年9月獲科技部科技中小企業(yè)技術(shù)創(chuàng )新基金，立項代號：00C26224100631，于2001年9月通過(guò)了河南省科委主持的技術(shù)鑒定，經(jīng)專(zhuān)家測試，機床升降重復定位精度≤±0.03mm，分度定位精度≤±0.02°，工件移動(dòng)速度1～300mm/s。與某廠(chǎng)進(jìn)口的類(lèi)似機床（一臺電源帶三臺淬火機床）相比，小型感應熱處理加工中心在功能、價(jià)格、結構、占地面積、工人勞動(dòng)強度、加工效率等方面明顯優(yōu)于進(jìn)口同類(lèi)機床，在故障診斷與保護方面與進(jìn)口同類(lèi)機床相當。該機床樣機在2001年10月份北京國際熱處理展覽會(huì )上展出，得到了業(yè)內人士的一致好評。