双工位感应淬火机床控制系统设计.docx
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双工位感应淬火机床控制系统设计
双工位感应淬火机床控制系统设计
摘要
感应热处理具有高效、节能、便于自动化等许多优点。
50年代初,我国在机床制造及纺织机械工厂开始使用高频及中频电源进行感应淬火。
30多年来,我国感应热处理技术有了很大发展,表现在感应热处理零件能够成倍增长,电源设备、淬火机床、感应器不断改进,新工艺陆续用于生产,感应热处理技术不断得到提高，但从客观角度来看，我国现有的热处理技术仍需改进。
淬火机床的工作原理，利用PLC实现了感应淬火机床专用数控系统，并给出了系统的硬件设计，同时详细介绍了位置控制、手动操作、脉冲补偿、参数设置与显示、急停等程序设计。
感应热处理是一种清洁热处理方式，符合现代化工业生产的3S标准（Sure—可靠、Safe—安全、Saving—节约），在国内外机械热处理行业已广泛应用。
由于感应热处理机床控制系统设计与金属热处理工艺密切相关，传统的数控系统很难满足需要，因此本设计主要是基于台达PLC的双工位感应淬火机床控制系统。
本文以感应加热原理为基础，主要介绍热处理的发展及基本原理，硬件的选型与设计，及HMI触摸屏的程序设计。
关键词：
感应热处理，感应淬火机床，台达PLC，HMI触摸屏，程序设计
Dualinductionhardeningmachinecontrolsystemdesign
ABSTRACT
Inductionheattreatmenthastheadvantagesofhighefficiency,energysaving,convenientautomationandmanyotheradvantages.Atthebeginningof50time,ourcountryisinmachinemanufactureandtextilemachineryfactorystartedusinghighfrequencyandmediumfrequencypowersupplyforinductionhardening.Overthepast30years,ourcountryofinductionheattreatmenttechnologyhasachievedgreatdevelopment,performanceininductionheattreatmentpartscangrowexponentially,powerequipment,quenchingmachineforcontinuousimprovement,sensors,usedintheproductionofnewtechnologyinsuccession,ofinductionheattreatmenttechnologyisconstantlyimproving,butfromobjectiveangleofview,China'sexistingheattreatmenttechniqueneedsimprovement.Quenchingmachineprincipleofwork,theuseofPLCrealizetheinductionquenchingmachinetoolNCsystem,andgivesthehardwaredesignofthesystem,andintroducesindetailthepositioncontrol,manualoperation,pulsecompensation,parametersettinganddisplay,stopandprogramdesign.
Inductionheattreatmentisacleanwayofheattreatment,withthemodernizationofindustrialproductionof3Sstandard（Sure-,Safe-,Savingreliablesafety-save）,Asaresultofinductionheattreatmentmachinecontrolsystemdesignandmetalheattreatmentprocessiscloselyrelatedto,thetraditionalNCsystemisdifficulttomeettheneed,sothedesignismainlybasedonDeltaPLCdualinductionquenchingmachinetoolcontrolsystem.Basedontheprincipleofinductionheatingasthebasis,mainlyintroducesthedevelopmentandbasicprincipleofheattreatment,theselectionofhardwareanddesign,andHMItouchscreenprogramdesign.
KEYWORDS：
inductionheating,inductionhardeningmachine,DeltaPLC,HMItouchscreen,programmingdesign
目 录
前言
目前我国的热处理生产技术仍很落后，生产设备与世界先进水平有20-30年之差距，专业化热处理厂数目与世界发达国家如美国相比相差35倍，生产效率比美国低26倍，设备利用率仅为30%，电耗却高于美国40%，其电耗平均每吨比日本和欧美要多2-3倍。
且由热处理带来的环境污染问题十分严重，据不完全统计我国热处理业每年约有5000吨淬火油因蒸发或局部燃烧造成CH化合物，CO及烟尘；有约9000吨废淬火油因排放不当而污染水质，为促进我国热处理技术的发展，我们应大力发展先进的热处理新技术、新工艺、新材料、新设备，用高新技术改造传统的热处理技术，实现“优质、高效、节能、降耗、无污染、低成本、专业化生产”，目前来说，我国应大力发展感应热处理，感应热处理是一种清洁、高效、环保、低能耗的热处理方式，是用感应电流使工件局部加热的表面热处理工艺，它体现着今热处理行业的发展趋势。
感应淬火加热装备包含感应淬火机床，感应加热电源，淬火变压器，感应线圈，水循环系统等。
本设计主要是基于台达PLC的双工位感应淬火机床控制系统。
本文主要介绍热处理的发展及基本原理，硬件的选型与设计，和基于HMI触摸屏的程序设计。
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［１］。
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［２］。
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［３］。
（2）高频感应加热热处理所用的电流频率通常为200～300千赫,加热层深度为0.5～2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20～30千赫，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2.5～10千赫,加热层深度为2～8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［４］。
（5）工频感应加热热处理所用的电流频率为50～60赫，加热层深度为10～15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［５］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ProgrammableLogicController，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［７］。
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（CNC）
CNC英文全称Computernumericalcontrol，中文全称为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CNC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：
①机械制造技术；②信息处理、加工、传输技术；③自动控制技术；④伺服驱动技术；⑤传感器技术；⑥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。
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，而接近开关电平为24V，所以使用PCLD－785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。
图1-148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PCLD－885一起，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，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。
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论文内容
我本次毕业设计的主要内容如下:
（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0-10v
2.2PLC选型
2.2.1PLC目前的主要品牌及特点
美国AB，比利时ABB，松下，西门子，汇川，三菱，欧姆龙，台达，富士，施耐德，信捷创研等。
西门子PLC：
德国西门子（SIEMENS）公司生产的可编程序控制器在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，工业网络，HMI人机界面，工业软件等。
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：
①、可靠性高，抗干扰能力强：
②、平均故障间隔时间长，故障修复时间（平均修复时间）短；③、通用性强，控制程序可变，使用方便；④、功能强，适用面广；⑤、编程简单，容易掌握；⑥、减少了控制系统的设计及施工的工作量；⑦、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。
2.2.2PLC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/输出混合模块包含可接受外部4点模拟信号输入（电压或电流皆可），将其转换成12位的数字信号。
及模拟信号输出部分接受来自PLC主机的2组12位数字数据，再将数字数据转换为2点模拟信号输出（电压或电流皆可）模块内具有49个CR（ControlledRegister）寄存器［12］，每个寄存器有16bits。
通过DVP-EH2系列主机程式以指令FROM/TO来读写模块内的数据。
又根据点数和实现要求，台达PLC分经济型（DVP-ES系列），DVP-SS超小型，（当然也是很便宜的），DVP-EH，三大系列［13］。
一般应用选DVP-ES或者SS就行了。
如果模拟量多，或者热电阻、电偶，要选DVP-SS系列，如果功能强，选择DVP-EH系列。
EH作浮点运算，PID运算，时钟功能，高速计数和脉冲输出，定位控制很不错的。
台达还有仿MODICON的中大型PLC。
替代西门子S7300，或者三菱Qns，ANS，都是不错的选择。
2.3伺服电动机
根据工艺要求，本次设计我们选择电动机只需满足定位精度高，运行速度快，低速运行平稳的基本要求，而这些要求伺服电动机都能达到，所以我们选择伺服电机进行本次设计。
另外，考虑转速要达到2000r，功率2000W，扭矩等因素，最终我们选定A系列伺服电机。
2.3.1作用
伺服电机在封闭的环里面使用，就是说它随时把信号传给系统，同时把系统给出的信号来修正自己的运转[14]。
伺服电机也可用单片机控制。
2.3.2优点
首先我们了解到伺服电机和其他电机（如步进电机）相比的优点：
（1）精度：
实现了位置，速度和力矩的闭环控制；克服了步进电机失步的问题；
（2）转速：
高速性能好，一般额定转速能达到2000～3000转；
（3）适应性：
抗过载能力强，能承受三倍于额定转矩的负载，对有瞬间负载波动和要求快速起动的场合特别适用；
（4）稳定：
低速运行平稳，低速运行时不会产生类似于步进电机的步进运行现象。
适用于有高速响应要求的场合；
（5）及时性：
电机加减速的动态相应时间短，一般在几十毫秒之内；
（6）舒适性：
发热和噪音明显降低。
简单点说就是，平常我们用的那种普通的电机，断电后它还会因为自身的惯性再转一会儿，然后停下。
而伺服电机和步进电机是说停就停，说走就走，反应极快。
但步进电机存在失步现象。
2.4变频器
变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置，在本次设计中零件旋转设计我们用变频器控制，变频器控制需要满足0～10V。
2.4.1基本原理
我们现在使用的变频器主要采用交—直—交方式（VVVF变频或矢量控制变频），先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。
变频器的电路一般由整流、中间直流环节、逆变和控制4个部分组成。
整流部分为三相桥式不可控整流器，逆变部分为IGBT三相桥式逆变器，且输出为PWM波形，中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率。
2.4.2变频器的选型
变频器选型时要确定以下几点：
（1）采用变频的目的，恒压控制或恒流控制等。
（2）变频器的负载类型，如叶片泵或容积泵等，特别注意负载的性能曲线，性能曲线决定了应用时的方式方法。
（3）变频器与负载的匹配问题：
电压匹配，变频器的额定电压与负载的额定电压相符；电流匹配，普通的离心泵，变频器的额定电流与电机的额定电流相符，对于特殊的负载如深水泵等则需要参考电机性能参数，以最大电流确定变频器电流和过载能力；转矩匹配；这种情况在恒转矩负载或有减速装置时有可能发生。
（4）在使用变频器驱动高速电机时，由于高速电机的电抗小，高次谐波增加导致输出电流值增大。
因此用于高速电机的变频器的选型，其容量要稍大于普通电机的选型。
（5）变频器如果要长电缆运行时，此时要采取措施抑制长电缆对地耦合电容的影响，避免变频器出力不足，所以在这样情况下，变频器容量要放大一档或者在变频器的输出端安装输出电抗器。
（6）对于一些特殊的应用场合，如高温，高海拔，此时会引起变频器的降容，变频器容量要放大一挡。
2.5台达HMI触摸屏
2.5.1HMI产品组成及原理
人机界面产品由硬件和软件两部分组成，硬件部分包括处理器、显示单元、输入单元、通讯接口、数据存储单元等，其中处理器的性能决定了HMI产品的性能高低，是HMI的核心单元。
图2-1人机界面软件构成
根据HMI的产品等级不同，处理器可分别选用8位、16位、32位的处理器。
HMI软件一般分为两部分，即运行于HMI硬件中的系统软件和运行于PC机Windows操作系统下的画面组态软件（如JB－HMI画面组态软件）。
使用者都必须先使用HMI的画面组态软件制作“工程文件”，再通过PC机和HMI产品的串行通讯口，把编制好的“工程文件”下载到HMI的处理器中运行。
图2-2人机界面硬件构成
2.5.2HMI的选型
（1）基本功能：
设备工作状
升级会员 