基于IPC的感應淬火機床數控系統(tǒng)設計

背景介紹

近年來，隨著計算機網絡的發(fā)展，企業(yè)資源計劃（ERP）的應用已日漸普及，制造執(zhí)行系統(tǒng)（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)生產的3S標準（Sure—可靠，Safe—安全，Saving—節(jié)約），又可以安裝在生產線上進行在線金屬熱處理，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，研制了支持現場總線的數控系統(tǒng)使機床支持工業(yè)以太網，進而可以與車間級網絡進行信息交換，并進行遠程淬火參數設置。

多功能回轉式淬火機床簡介

感應加熱是利用電磁感應的方法對導體材料進行加熱。其主要優(yōu)點是：效率高、成本低、節(jié)能、易于實現自動控制。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際上是一條具有完善保護功能的自動加工線，采用回轉式結構，使上、下料在同一個工位位置完成，操作方便；該機床可以同時加工同一種零件上的三個不同表面，做到一個工件在一臺淬火機床上一次完成淬火，也可以同時對三個相同或不同的零件進行淬火，且每個加工工位參數設置有一定的柔性冗余，可以實現各種淬火方式，如同時、連續(xù)、連續(xù)同時以及多段淬火等，主要應用在汽車、摩托車制造行業(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(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、生產線化

數控系統(tǒng)設計

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

工控PC主機是系統(tǒng)的核心，一方面對機床各運動部件進行檢測與控制，另一方面通過網卡與車間級網絡相連，使系統(tǒng)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用于步進電機速度和定位控制，同時檢測步進電機各種異常信號；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、暫停、急停按鈕，三個工位手動加熱、噴液、旋轉、切換，轉臺快速正反轉、慢速正反轉，三個工位工件快速上升下降、慢速上升下降等；16路設置為輸出，用于轉臺及三個工位步進電機使能控制。PCL－724為TTL電平輸入板，用于對到位、缺料、缺水、頂尖異常等信號進行檢測，由于板上無電平轉換和信號隔離功能，而接近開關電平為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能力，觸點容量為交流220V5A；PCL720為64路開關量輸入輸出板，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，其對電網和其它設備的輻射干擾特別嚴重，為此控制系統(tǒng)采用如下抗干擾措施。

軟件設計

系統(tǒng)軟件設計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問題：①三個工位獨自使用加熱電源以及三個工位共享加熱電源時切換功能；②三個工位同時獨立運行軟件設計，并具有同時、連續(xù)掃描、分段同時、分段連續(xù)掃描等多種淬火功能；③應可以存儲百個以上的工件淬火程序，工件管理、查詢方便；④參數輸入方便，無需編程，不懂計算機的人可以完成工件參數的輸入；⑤在線幫助功能，隨時操作提示；⑥故障自診斷、故障報警提示功能。

圖6給出了系統(tǒng)軟件設計總體框圖，計算機上電后直接運行淬火程序，“系統(tǒng)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/手動】按鈕位置，自動切換到相應主畫面。

進入主程序后，系統(tǒng)定時檢查操作面板【自動/手動】、【啟動】、【急?！康劝粹o狀態(tài)，并觸發(fā)相應事件；自動狀態(tài)下系統(tǒng)主要完成工件管理、淬火參數設置、轉臺參數設置、步進電機加速度設置以及自動淬火功能；手動方式下，系統(tǒng)主要完成各工位手動操作、轉臺手動操作、ABC三工位及轉臺零位設置、自動回零位功能和手動參數設置。工件選擇在工件管理畫面中完成，選定工件以后，系統(tǒng)首先檢查各工位參數文件是否存在，若不存在，自動創(chuàng)建各工位參數文件名，并設置禁止運行標志同時給出提示。各工位淬火參數設置完后，系統(tǒng)自動取消禁止運行標志?？傮w框圖中沒有畫出程序退出部分，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)即關機。

線程技術

由于三個工位同時運行，系統(tǒng)設置4個線程，三個線程用于A、B、C三個工位淬火，一個線程用于各工位運行狀態(tài)指示，轉臺分度由主程序完成；在淬火過程中，出現異常情況，系統(tǒng)立即退出淬火程序，并進行報警，某個工位出現異常，不影響其它工位運行；若出現工位下降不到位或轉盤分度不到位的情況，系統(tǒng)自動找位。

遠程參數修改

考慮到成本的問題，程序沒有采用C/S結構，也不支持遠程ODBC，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、生產線化、計算機化等方面的一些要點研制的九工位感應熱處理中心，在國內已在洛陽北方易初摩托車有限公司、錢江集團發(fā)動機事業(yè)部熱處理廠等數個廠家應用于摩托車曲柄的淬火與回火，2000年9月獲科技部科技中小企業(yè)技術創(chuàng)新基金，立項代號：00C26224100631，于2001年9月通過了河南省科委主持的技術鑒定，經專家測試，機床升降重復定位精度≤±0.03mm，分度定位精度≤±0.02°，工件移動速度1～300mm/s。與某廠進口的類似機床（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、價格、結構、占地面積、工人勞動強度、加工效率等方面明顯優(yōu)于進口同類機床，在故障診斷與保護方面與進口同類機床相當。該機床樣機在2001年10月份北京國際熱處理展覽會上展出，得到了業(yè)內人士的一致好評。