基于IPC的感應(yīng)淬火機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

背景介紹

近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，企業(yè)資源計(jì)劃（ERP）的應(yīng)用已日漸普及，制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）的研究和應(yīng)用也得到業(yè)界的高度重視。感應(yīng)熱處理機(jī)床是一種清潔熱處理設(shè)備，符合現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)的3S標(biāo)準(zhǔn)（Sure—可靠，Safe—安全，Saving—節(jié)約），又可以安裝在生產(chǎn)線上進(jìn)行在線金屬熱處理，在國(guó)內(nèi)外機(jī)械熱處理行業(yè)已廣泛應(yīng)用，我們?cè)谥圃於喙δ芑剞D(zhuǎn)式淬火機(jī)床時(shí)，研制了支持現(xiàn)場(chǎng)總線的數(shù)控系統(tǒng)使機(jī)床支持工業(yè)以太網(wǎng)，進(jìn)而可以與車(chē)間級(jí)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息交換，并進(jìn)行遠(yuǎn)程淬火參數(shù)設(shè)置。

多功能回轉(zhuǎn)式淬火機(jī)床簡(jiǎn)介

感應(yīng)加熱是利用電磁感應(yīng)的方法對(duì)導(dǎo)體材料進(jìn)行加熱。其主要優(yōu)點(diǎn)是：效率高、成本低、節(jié)能、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。金屬熱處理的感應(yīng)加熱設(shè)備主要包括：加熱電源、感應(yīng)熱處理機(jī)床、感應(yīng)器和淬火變壓器。

多功能回轉(zhuǎn)式淬火機(jī)床實(shí)際上是一條具有完善保護(hù)功能的自動(dòng)加工線，采用回轉(zhuǎn)式結(jié)構(gòu)，使上、下料在同一個(gè)工位位置完成，操作方便；該機(jī)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(tái)淬火機(jī)床上一次完成淬火，也可以同時(shí)對(duì)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(shù)設(shè)置有一定的柔性冗余，可以實(shí)現(xiàn)各種淬火方式，如同時(shí)、連續(xù)、連續(xù)同時(shí)以及多段淬火等，主要應(yīng)用在汽車(chē)、摩托車(chē)制造行業(yè)，以滿足其多品種、小零件的淬火處理。

1、一體化設(shè)計(jì)

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

2、生產(chǎn)線化

數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

多功能回轉(zhuǎn)式感應(yīng)淬火機(jī)床要求：① 三個(gè)加工工位同時(shí)獨(dú)立運(yùn)行（相當(dāng)于三臺(tái)機(jī)床）；② 連續(xù)淬火時(shí)速度連續(xù)變化不停頓；③ 具有三個(gè)工位下降不到位和轉(zhuǎn)臺(tái)不到位自糾正功能。常規(guī)的數(shù)控系統(tǒng)無(wú)法滿足這些功能，因此我們自行研制了基于工控PC的數(shù)控系統(tǒng)，在 Windows 2000 下利用線程技術(shù)實(shí)現(xiàn)了上述功能。

工控PC主機(jī)是系統(tǒng)的核心，一方面對(duì)機(jī)床各運(yùn)動(dòng)部件進(jìn)行檢測(cè)與控制，另一方面通過(guò)網(wǎng)卡與車(chē)間級(jí)網(wǎng)絡(luò)相連，使系統(tǒng)可以利用遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)輸入淬火參數(shù)，也可以顯示機(jī)床工作情況；PCI-1240用于步進(jìn)電機(jī)速度和定位控制，同時(shí)檢測(cè)步進(jìn)電機(jī)各種異常信號(hào)；PCI-1751為48路TTL電平并行輸入輸出板，其中32路設(shè)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(zhuǎn)、切換，轉(zhuǎn)臺(tái)快速正反轉(zhuǎn)、慢速正反轉(zhuǎn)，三個(gè)工位工件快速上升下降、慢速上升下降等；16路設(shè)置為輸出，用于轉(zhuǎn)臺(tái)及三個(gè)工位步進(jìn)電機(jī)使能控制。PCL－724為T(mén)TL電平輸入板，用于對(duì)到位、缺料、缺水、頂尖異常等信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，由于板上無(wú)電平轉(zhuǎn)換和信號(hào)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(zhuǎn)換和信號(hào)隔離電路；PCLD－885為16路高功率繼電器輸出板，具有極強(qiáng)的輸出驅(qū)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(shè)計(jì)

由于淬火機(jī)床是特殊的機(jī)床設(shè)備，淬火機(jī)床采用的高頻或中頻電源由于采用調(diào)制波輸出，其對(duì)電網(wǎng)和其它設(shè)備的輻射干擾特別嚴(yán)重，為此控制系統(tǒng)采用如下抗干擾措施。

軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要考慮軟件的通用性、可靠性和易用性。為此著重考慮以下幾個(gè)問(wèn)題：①三個(gè)工位獨(dú)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(dú)立運(yùn)行軟件設(shè)計(jì)，并具有同時(shí)、連續(xù)掃描、分段同時(shí)、分段連續(xù)掃描等多種淬火功能；③應(yīng)可以存儲(chǔ)百個(gè)以上的工件淬火程序，工件管理、查詢方便；④參數(shù)輸入方便，無(wú)需編程，不懂計(jì)算機(jī)的人可以完成工件參數(shù)的輸入；⑤在線幫助功能，隨時(shí)操作提示；⑥故障自診斷、故障報(bào)警提示功能。

圖6給出了系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)總體框圖，計(jì)算機(jī)上電后直接運(yùn)行淬火程序，“系統(tǒng)初始化”包括各板卡初始化、調(diào)用上次運(yùn)行的工件的運(yùn)行參數(shù)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(yīng)主畫(huà)面。

進(jìn)入主程序后，系統(tǒng)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(yīng)事件；自動(dòng)狀態(tài)下系統(tǒng)主要完成工件管理、淬火參數(shù)設(shè)置、轉(zhuǎn)臺(tái)參數(shù)設(shè)置、步進(jìn)電機(jī)加速度設(shè)置以及自動(dòng)淬火功能；手動(dòng)方式下，系統(tǒng)主要完成各工位手動(dòng)操作、轉(zhuǎn)臺(tái)手動(dòng)操作、ABC三工位及轉(zhuǎn)臺(tái)零位設(shè)置、自動(dòng)回零位功能和手動(dòng)參數(shù)設(shè)置。工件選擇在工件管理畫(huà)面中完成，選定工件以后，系統(tǒng)首先檢查各工位參數(shù)文件是否存在，若不存在，自動(dòng)創(chuàng)建各工位參數(shù)文件名，并設(shè)置禁止運(yùn)行標(biāo)志同時(shí)給出提示。各工位淬火參數(shù)設(shè)置完后，系統(tǒng)自動(dòng)取消禁止運(yùn)行標(biāo)志。總體框圖中沒(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(tǒng)即關(guān)機(jī)。

線程技術(shù)

由于三個(gè)工位同時(shí)運(yùn)行，系統(tǒng)設(shè)置4個(gè)線程，三個(gè)線程用于A、B、C三個(gè)工位淬火，一個(gè)線程用于各工位運(yùn)行狀態(tài)指示，轉(zhuǎn)臺(tái)分度由主程序完成；在淬火過(guò)程中，出現(xiàn)異常情況，系統(tǒng)立即退出淬火程序，并進(jìn)行報(bào)警，某個(gè)工位出現(xiàn)異常，不影響其它工位運(yùn)行；若出現(xiàn)工位下降不到位或轉(zhuǎn)盤(pán)分度不到位的情況，系統(tǒng)自動(dòng)找位。

遠(yuǎn)程參數(shù)修改

考慮到成本的問(wèn)題，程序沒(méi)有采用C/S結(jié)構(gòu)，也不支持遠(yuǎn)程O(píng)DBC，為了支持遠(yuǎn)程修改淬火參數(shù)，可以在遠(yuǎn)端計(jì)算機(jī)上安裝本軟件，對(duì)參數(shù)文件修改后將參數(shù)文件復(fù)制到機(jī)床控制計(jì)算機(jī)，而后在機(jī)床控制計(jì)算機(jī)上退出應(yīng)用程序并重新運(yùn)行。

結(jié)論

小型感應(yīng)熱處理中心是綜合了國(guó)際上感應(yīng)熱處理機(jī)床的緊湊化、柔性化、多軸化、生產(chǎn)線化、計(jì)算機(jī)化等方面的一些要點(diǎn)研制的九工位感應(yīng)熱處理中心，在國(guó)內(nèi)已在洛陽(yáng)北方易初摩托車(chē)有限公司、錢(qián)江集團(tuán)發(fā)動(dòng)機(jī)事業(yè)部熱處理廠等數(shù)個(gè)廠家應(yīng)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(xiàng)代號(hào)：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(cè)試，機(jī)床升降重復(fù)定位精度≤±0.03mm，分度定位精度≤±0.02°，工件移動(dòng)速度1～300mm/s。與某廠進(jìn)口的類(lèi)似機(jī)床（一臺(tái)電源帶三臺(tái)淬火機(jī)床）相比，小型感應(yīng)熱處理加工中心在功能、價(jià)格、結(jié)構(gòu)、占地面積、工人勞動(dòng)強(qiáng)度、加工效率等方面明顯優(yōu)于進(jìn)口同類(lèi)機(jī)床，在故障診斷與保護(hù)方面與進(jìn)口同類(lèi)機(jī)床相當(dāng)。該機(jī)床樣機(jī)在2001年10月份北京國(guó)際熱處理展覽會(huì)上展出，得到了業(yè)內(nèi)人士的一致好評(píng)。