基于现场总线的感应淬火机床控制系统设计激光焊接机

基于现场总线的感应淬火机床控制系统设计

基于现场总线的感应淬火机床控制系统设计 2011年12月04日 来源： 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)

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