基于现场总线的感应淬火机床控制系统设计

作者：葛运旺 赵尊群 张宗杰 沈文杰

欢迎访问e展厅 展厅 3 热处理设备展厅 退火炉, 渗碳炉, 盐浴炉, 真空炉, 淬火炉, ... 摘要：介绍了基于以太网和现场总线(RS485)的感应淬火机床 控制系统的硬、软件设计，并简单叙述了远程修改淬火参数和线程技术应用。 关键词：以太网；RS485；数控系统；工控PC；线程 The design of a fieldbusbased induction heating treatment mac hine tool control system GE Yunwang1，ZHAO Zunqun1，ZHANG Zongjie2，SHEN Wen jie1 (Luo Yang Technology College,Henan Luoyang 471003,China) Abstract：This paper presents the fieldbusba sed induction heating treatment center,CNC system including hardware and softwar e,the method of remote parameter modification and the design method of multithre ad. Keywords：Ethernet;RS485;numerical control system;industrial co ntrol personal computer;multithread 0前言 近年来，随着计算机网络的发展，企业资源计划(ERP)的应用已日渐普及，制 造执行系统(MES)的研究和应用也得到业界的高度重视。感应热处理机床是一种清洁热处理 设备，符合现代化工业生产的3S标准(Sure—可靠，Safe—安全，Saving—节约)，又可以安 装在生产线上进行在线金属热处理，在国内外机械热处理行业已广泛应用，在制造多功能回 转式淬火机床时，笔者研制了支持现场总线的数控系统使机床支持工业以太网，进而可以与 车间级网络进行信息交换，并进行远程淬火参数设置。 1多功能回转式淬火机床简介 感应加热是利用电磁感应的方法对导体材料进行加热。其主要优点是 “效率 高、成本低、节能、易于实现自动控制。金属热处理的感应加热设备主要包括：加热电源、 感应热处理机床、感应器和淬火变压器。 多功能回转式淬火机床是一条具有完善保护功能的自动加工线，采用回转式结构，使上、下 料在同一个工位位置完成，操作方便；该机床可以同时加工同一种零件上的3个不同表面， 做到一个工件在一台淬火机床上一次完成淬火，且每个加工工位参数设置有一定的柔性冗余 ，可以实现各种淬火方式，如同时、连续、连续同时以及多段淬火等，主要应用在汽车、摩 托车制造行业，以满足其多品种、小零件的淬火处理。 1.1一体化设计 为了减少占地面积和安装周期，采用一体化设计，即将机床与淬火液循环系统、冷 却液循系统、加热电源和淬火变压器集成于一体，其层次结构如图1所示。 从图1可以看出，在高度方向上该机床结构分为3层，上支板以上为转盘、夹 具、淬火液回收槽等，上支板①与中支板②之间为运动部件，中支板②与底座③之间为执 行部 件(电机)和减速机。这种结构形式能有效地防止淬火剂对某些机(电)部件的不良影响，同时 便于部件的拆装维修。 1.2生产线化 多功能感应淬火机床采用9工位回转式结构，其中3个工位为加工工位，图2为工位 分布及流程示意图，图中A、B、C为3个上下料工位，A′、B′、C′ 为3个加工工位，可以对同一个工件的3个不同部位进行淬火(回火)，也可以对3个 不同的工件或3个相同的工件进行独立淬火(相当于3台机床)，转盘可以分度40°、80°、12 0°以适应不同工件的淬火要求。 2数控系统设计 多功能回转式感应淬火机床要求：①3个加工工位同时独立运行；②连续淬火 时速度连续变化不停顿；③具有3个工位下降不到位和转台不到位自纠正功能。常规的数控 系统无法满足这些功能，现自行研制的基于工控PC的数控系统，在Windows 2000下利用线程 技术实现了上述功能。 2.1硬件总体设计 图3给出了系统总体设计框图，3个工位的工件升降定位由步进电机控制，3个 工位的旋转由变频器控制，转台分度及定位由步进电机控制。 工控PC是系统的核心，一方面对机床各运动部件进行检测与控制，另一方面通过网卡与车间 级网络相连，使系统可以利用远程计算机输入淬火参数，也可以显示机床工作情况；PCI-1 240用于步进电机速度和定位控制，同时检测步进电机各种异常信号；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，3个工位手动加热、喷液、旋转、切换，转台快速正反转、慢速正反转，3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3个工位步进电机使能控制。PCL-724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 为24 V，所以使用PCLD－782作为输入电平转换和信号隔离电路；PCLD－885为16路高功率 继电器输出板，具有极强的输出驱动能力，触点容量为交流220V 5A；PCL720为64路开关量 输 入输出板，在这里主要与PCLD－885一起，控制各工位切换、加热、喷液、吹堵、回火。 PCI-1601为RS232转RS485接口板，主要用于与变频器FR-E500连接，控制工件旋转电机的 转速，并监视变频器的运行状态，其连接线路如图4所示。 图4中R为终端匹配电阻，阻值为100 Ω。由于传送速度和传送距离等原因， 有可能受到反射的影响，故设此电阻。 2.2软件设计 系统软件设计主要考虑软件的通用性、可靠性和易用性。为此着重考虑以下几个问 题：①3个工位独自使用加热电源以及3个工位共享加热电源时切换功能；②3个工位同时独 立运行软件设计，并具有同时、连续扫描、分段同时、分段连续扫描等多种淬火功能；③应 可以存储百个以上的工件淬火程序，工件管理、查询方便；④参数输入方便，无需编程，不 懂计算机的人可以完成工件参数的输入；⑤在线帮助功能，随时操作提示；⑥故障自诊断、 故障报警提示功能。 图5给出了系统软件设计总体框图。 进入主程序后，系统定时检查操作面板【自动／手动】、【启动】、【急停】等按钮状态， 并触发相应事件；自动状态下系统主要完成工件管理、淬火参数设置、转台参数设置、步进 电机加速度设置以及自动淬火功能；手动方式下，系统主要完成各工位手动 操作、转台手动操作、A B C 3工位及转台零位设置、自动回零位功能和手动参数设置。工 件 选择在工件管理画面中完成，选定工件以后，系统首先检查各工位参数文件是否存在，若不 存在，自动创建各工位参数文件名，并设置禁止运行标志同时给出提示。各工位淬火参数设 置完后，系统自动取消禁止运行标志。总体框图中没有画出程序退出部分，软件退出包括两 种退出方式，一种是返回Windows2000桌面，一种是直接退出操作系统即关机。 2.2.1工件参数动态分配 工件参数以数组形式传送给A B C各加工工位的执行程序，由于淬火程序步数无法确定，数 组 的下标也就无法确定，因此系统采用数组动态创建技术，使数组的下标跟随工件参数数据库 的记录数的变化而变化。 2.2.2线程技术 由于3个工位同时运行，系统设置4个线程，3个线程用于A、B、C 3个工位淬火，一个线程用 于各工位运行状态指标，转台分度由主程序完成；在淬火过程中，出现异常情况，系统立即 退出淬火程序，并进行报警，某个工位出现异常，不影响其它工位运行；若出现工位下降不 到位或转盘分度不到位的情况，系统自动找位。 2.2.3远程参数修改 考虑到成本的问题，程序没有采用C／S结构，也不支持远程ODBC，为了支持远程修改淬火参 数，可以在远端计算机上安装本软件，对参数文件修改后将参数文件复制到机床控制计算机 ，而后在机床控制计算机上退出应用程序并重新运行。 3结论 小型感应热处理中心是综合了国际上感应热处理机床的紧凑化、柔性化、多 轴化、生产线化、计算机化等方面的一些要点研制的9工位感应热处理中心，在国内已应用 于摩托车曲柄的淬火与回火，并于2001年9月通过了河南省科委主持的技术鉴定，经专家测 试，机床升降重复定位精度≤±0.03 mm，分度定位精度≤±0.02°，工件移动速度1～30 0 mm／s。与某厂进口的类似机床(一台电源带3台淬火机床)相比，小型感应热处理加工中心 在功能、价格、结构、占地面积、工人劳动强度、加工效率等方面明显优于进口同类机床， 在故障诊断与保护方面与进口同类机床相当。该机床样机在2001年10月份北京国际热处理展 览会上展出，得到了业内人士的一致好评。 参考文献 ［1］George E.Totten.Steel Heat Treatment Handbook［M］.Marc el Dekker.Inc,1997. ［2］葛运旺.小型感应热处理机床控制系统设计［J］.组合机床与自动化加工技 术，2000，(6)：35－37． ［3］刘国荣.计算机控制技术与应用［M］.北京：机械工业出版社，1999. ［4］梁志刚.C＋＋Builder 5开发人员指南［M］.北京：机械工 业出版社，2000.(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (11/22/2005)