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1、双工位感应淬火机床控制系统设计第1章 概述1.1感应加热基本原理用感应电流使工件局部加热的表面热处理工艺。这种热处理工艺常用于表面淬火，也可用于局部退火或回火，有时也用于整体淬火和回火。 基本原理: 将工件放入感应器(线圈)内,当感应器中通入一定频率的交变电流时，周围即产生交变磁场。交变磁场的电磁感应作用使工件内产生封闭的感应电流涡流。感应电流在工件截面上的分布很不均匀，工件表层电流密度很高，向内逐渐减小（沿工件截面的电流密度分布）,这种现象成为集肤效应。工件表层高密度电流的电能转变为热能，使表层的温度升高，即实现表面加热。电流频率越高，工件表层与内部的电流密度差则越大，加热层越薄。在加热层温
2、度超过钢的临界点温度后迅速冷却，即可实现表面淬火。1.2 感应加热分类根据交变电流的频率高低，可将感应加热热处理分为超高频、高频、超音频、中频、工频5类。（1）超高频感应加热热处理所用的电流频率高达27兆赫，加热层极薄，仅约0.15毫米，可用于圆盘锯等形状复杂工件的薄层表面淬火。（2）高频感应加热热处理所用的电流频率通常为200300千赫,加热层深度为0.52毫米,可用于齿轮、汽缸套、凸轮、轴等零件的表面淬火。（3）超音频感应加热热处理所用的电流频率一般为2030千赫，用超音频感应电流对小模数齿轮加热，加热层大致沿齿廓分布，粹火后使用性能较好。（4）中频感应加热热处理所用的电流频率一般为2.5
3、10千赫,加热层深度为28毫米，多用于大模数齿轮、直径较大的轴类和冷轧辊等工件的表面淬火。（5）工频感应加热热处理所用的电流频率为5060赫，加热层深度为1015毫米，可用于大型工件的表面淬火。1.3 感应加热特点与应用1.3.1特点感应加热的主要优点是：（1）不必整体加热，工件变形小，电能消耗小。（2）无公害。（3）加热速度快，工件表面氧化脱碳较轻。（4）表面淬硬层可根据需要进行调整，易于控制。（5）加热设备可以安装在机械加工生产线上，易于实现机械化和自动化，便于管理，且可减少运输，节约人力，提高生产效率。（6）淬硬层马氏体组织较细，硬度、强度、韧性都较高。（7）表面淬火后工件表层有较大压缩
4、内应力，工件抗疲劳破断能力较高。同时，感应热处理也存在一些不足：与火焰淬火相比，感应加热设备较复杂，而且适应性较差，对某些形状复杂的工件难以保证质量。1.3.2应用感应加热广泛用于齿轮、轴、曲轴、凸轮、轧辊等工件的表面淬火，目的是提高这些工件的耐磨性和抗疲劳破断的能力。汽车后半轴采用感应加热表面淬火，设计载荷下的疲劳循环次数比用调质处理约提高10倍。感应加热表面淬火的工件材料一般为中碳钢。为适应某些工件的特殊需要，已研制出供感应加热表面淬火专用的低淬透性钢。高碳钢和铸铁制造的工件也可采用感应加热表面淬火。淬冷介质常用水或高分子聚合物水溶液。1.4 淬火机床控制系统构成淬火机床数控系统的方案可以
5、有多种：以单片机为核心构成简易数控系统、以PC-Based计算机（如一体化工作站）为核心构成数控系统以及以PLC为核心构成的数控系统等。以PC-Based计算机为核心构成的数控系统更容易实现智能化和网络化；以PLC为核心构成的数控系统可靠性更高，若与HMI配合，也可以实现智能化和网络化。因此，本数控系统由HMI和PLC构成。（1）可编程序控制器（PLC）PLC 英文全称Programmable Logic Controller，中文全称为可编程逻辑控制器。定义是：一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作电子系统。它采用一种可编程的存储器，在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算
6、术运算等操作的指令，通过数字式或模拟式的输入输出来控制各种类型的机械设备或生产过程。 可编程控制器是计算机技术与自动化控制技术相结合而开发的一种适用工业环境的新型通用自动控制装置，是作为传统继电器的替换产品而出现的。随着微电子技术和计算机技术的迅猛发展，可编程控制器更多地具有了计算机的功能，不仅能实现逻辑控制，还具有了数据处理、通信、网络等功能。由于它可通过软件来改变控制过程，而且具有体积小、组装维护方便、编程简单、可靠性高、抗干扰能力强等特点，已广泛应用于工业控制的各个领域，大大推进了机电一体化的进程。 （2）数控系统（C）C英文全称puter numerical control，中文全称为
7、计算机数字控制系统。它是采用微处理器或专用微机的数控系统，由事先存放在存储器里系统程序（软件）来实现控制逻辑，实现部分或全部数控功能，并通过接口与外围设备进行联接，称为计算机数控，简称C系统。 数控机床是以数控系统为代表的新技术对传统机械制造产业的渗透形成的机电一体化产品；其技术范围覆盖很多领域：机械制造技术；信息处理、加工、传输技术；自动控制技术；伺服驱动技术；传感器技术；软件技术等。（3）工控PC主机是系统的核心图1-1是PCI-1751为48路TTL电平并行输入输出板，其中32路设置为输入，用于操作按钮输入，包括启动、暂停、急停按钮，三个工位手动加热、喷液、旋转、切换，转台快速正反转、慢
8、速正反转，三个工位工件快速上升下降、慢速上升下降等；16路设置为输出，用于转台及三个工位步进电机控制。PCL724为TTL电平输入板，用于对到位、缺料、缺水、顶尖异常等信号进行检测，由于板上无电平转换和信号隔离功能，而接近开关电平为24V，所以使用PCLD785作为输入电平转换和信号隔离电路；PCLD885为16路高功率继电器输出板，具有极强的输出驱动能力。图1-1 48路TTL电平并行输入输出板触点容量为交流220V5A；PCL720为64路开关量输入输出板，在这里主要与PCLD885一起，实现对旋转电机进行控制，同时控制各工位切换、加热、喷液、吹堵、回火（4）HMI和PLC 图1-2 中，
9、GP477R为带触摸屏的显示操作终端，用于系统参数、淬火过程工艺参数显示和输入；FX2N-128MR为三菱PLC，用于机床开关量输入输出控制、加热喷液定时控制等；FX2N-2AD用于加热电源实际输出电压和电流检测输入；FX2N-2DA用于工件转速和加热电源输出电压控制输出；FX2N-20GM用于工件或变压器等升降定位控制。因此，本数控系统由HMI和PLC构成。图1-2 数控系统1.5设备感应加热热处理的设备主要由电源设备、淬火机床和感应器组成。（1）电源设备的主要作用是输出频率适宜的交变电流。高频电流电源设备有电子管高频发生器和可控硅变频器两种8。中频电流电源设备是发电机组。一般电源设备只能输
10、出一种频率的电流,有些设备可以改变电流频率,也可以直接用50Hz的工频电流进行感应加热。电源设备的选择与工件要求的加热层深度有关。加热层深的工件，应使用电流频率较低的电源设备；加热层浅的工件，应使用电流频率较高的电源设备。选择电源设备的另一条件是设备功率。加热表面面积增大，需要的电源功率相应加大。当加热表面面积过大时或电源功率不足时，可采用连续加热的方法，使工件和感应器相对移动，前边加热，后边冷却。但最好还是对整个加热表面一次加热。这样可以利用工件心部余热使淬硬的表层回火，从而使工艺简化，还可节约电能。（2）感应加热淬火机床的主要作用是使工件定位并进行必要的运动。此外还应附有提供淬火介质的装置
11、。淬火机床可分为标准机床和专用机床，前者适用于一般工件，后者适用于大量生产的复杂工件。（3）感应器进行感应加热热处理时，为保证热处理质量和提高热效率，必须根据工件的形状和要求，设计制造结构适当的感应器。常用的感应器有外表面加热感应器、内孔加热感应器、平面加热感应器等（图1-5 常用的高频感应器）。对于变截面轴类零件,可采用半圈形感应器,利用横向磁场加热9。根据加热方法，感应器又可分为同时加热用感应器和连续加热用感应器。为了提高生产效率，对小型工件还可以设计能对多个工件同时加热的感应器。为了提高小孔和平面加热感应器的热效率和获得理想的加热轮廓，可在感应器上安装导磁体，以使电流分布合理。1.6内容
12、我本次的主要内容如下:（1）硬件的选型与设计:各种PLC的比较与选型;硬件图纸的设计,即包括伺服控制器的连接,I/O输入输出接口的连接,水循环系统,淬火液循环系统。（2）软件组态（HMI，组态）：主画面设计，参数输入画面设计，编程设计，零件管理画面设计，能量监控画面设计。（3）测试：定位测试，I/O输入输出测试。第2章 硬件选型与设计由于本次设计是基于个体小规模用户,综合考虑选择台达系列机型比较经济实用，即台达PLC，台达伺服电动机,台达HMI触摸屏,又考虑到变频器质量规格问题,我们选用三菱的变频器。2.1测控点分析我们本次设计需要用到的测控点如下表：表2-1 测控点点数各点名称开关量输入11
13、个24 自动/手动；启动，急停（带锁死）；零点（机械零点、电器零点）；伺服备妥、缺水信号、切换是否到位信号、切换允许；限位（正限位、负限位）；上升；下降；电源故障等。模拟量输入2个2能量监控(加热电源电压输入0-10v，电流输入0-10v)开关量输出9个18伺服上电，功率通道1,2,3,喷液（主喷液，辅助喷液）,加热信号,切换，旋转等模拟量输出2个2零件旋转速度，零件旋转由变频器控制，转速控制输出0-10v2.2 PLC选型2.2.1 PLC目前的主要品牌及特点美国AB，比利时ABB，松下，汇川，三菱，欧姆龙，台达，富士，施耐德，信捷 创研等。西门子PLC：西门子（SIEMENS）公司生产的在
14、我国的应用也相当广泛，在冶金、化工、印刷生产线等领域都有应用。西门子（SIEMENS）公司的PLC产品包括LOGO，S7-200，S7-300，S7-400，HMI人机界面，等。 西门子S7系列PLC体积小、速度快、标准化，具有网络通信能力，功能更强，可靠性更高。三菱PLC：结构灵活，不受环境的限制，有电即可组建网络，同时可以灵活扩展接入端口数量，使资源保持较高的利用率，在移动性方面可与WLAN媲美；传输质量高、速度快、带宽稳定；范围广；低成本；适用面广。台达PLC：、可靠性高，抗干扰能力强：、平均故障间隔时间长，故障修复时间（平均修复时间）短；、通用性强，控制程序可变，使用方便；、功能强，适
15、用面广；、编程简单，容易掌握；、减少了控制系统的设计及施工的工作量；、体积小，重量轻，功耗低，维护方便，成本低。因每种品牌配置不一样，所以它的选型方式也有所差异。一般来说，我们可以根据生产工艺要求，确定I/O点数和I/O点的类型（数字量、模拟量等），并列出I/O点清单。进行内存容量的估计，适当留有余量。根据经验，对于一般开关量控制系统，用户程序所需存储器的容量等于I/O总数乘以8；对于只有模拟量输入的控制系统，每路模拟量需要100个存储器字；对于既有模拟量输入又有模拟量输出的控制系统，每路模拟量需要200个存储器字10。确定机型时，还要结合市场情况，考察PLC生产厂家的产品及其售后服务、技术支持、网络通信等综合情况，选定性能价格比好一些的PLC机型。前面提到综合考虑多方面因素，我们选择台达PLC来进行本次设计。 2.2.2 PLC的选型我们本次设计是面向中小企业，基于对价格，经济多方面的考虑，我们最终选择实用台达(DVP-EH2)PLC,其原因如下：有两轴输出；两轴独立运行，不需要插补11；价格低廉。又本模块主要用于带伺服电机，用作脉冲输出，32足够，所以我们选用DVP-EH2型PLC，DVP06XA-H2模拟输入/输出混合
