基于IPC的感应淬火机床数控系统设计

背景介绍

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，我们在制造多功能回转式淬火机床时，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。

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实际上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三个不同表面，做到一个工件在一台淬火机床上一次完成淬火，也可以同时对三个相同或不同的零件进行淬火，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、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、冷却液循环系统、加热电源和淬火变压器集成于一体。

2、生产线化

数控系统设计

多功能回转式感应淬火机床要求：① 三个加工工位同时独立运行（相当于三台机床）；② 连续淬火时速度连续变化不停顿；③ 具有三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，因此我们自行研制了基于工控PC的数控系统，在 Windows 2000 下利用线程技术实现了上述功能。

工控PC主机是系统的核心，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-1240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，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，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，控制各工位切换、加热、喷液、吹堵、回火。

抗干扰设计

由于淬火机床是特殊的机床设备，淬火机床采用的高频或中频电源由于采用调制波输出，其对电网和其它设备的辐射干扰特别严重，为此控制系统采用如下抗干扰措施。

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：①三个工位独自使用加热电源以及三个工位共享加热电源时切换功能；②三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6给出了系统软件设计总体框图，计算机上电后直接运行淬火程序，“系统初始化”包括各板卡初始化、调用上次运行的工件的运行参数等，并判别操作面板【自动/手动】按钮位置，自动切换到相应主画面。

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、ABC三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。

线程技术

由于三个工位同时运行，系统设置4个线程，三个线程用于A、B、C三个工位淬火，一个线程用于各工位运行状态指示，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。

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。

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九工位感应热处理中心，在国内已在洛阳北方易初摩托车有限公司、钱江集团发动机事业部热处理厂等数个厂家应用于摩托车曲柄的淬火与回火，2000年9月获科技部科技中小企业技术创新基金，立项代号：00C26224100631，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≤±0.03mm，分度定位精度≤±0.02°，工件移动速度1～300mm/s。与某厂进口的类似机床（一台电源带三台淬火机床）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。