大鏈軌節(jié)感應(yīng)淬火生產(chǎn)線控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

蔣建虎 葛運(yùn)旺 布 挺 張 剛

(洛陽理工學(xué)院電氣工程與自動(dòng)化系，河南洛陽 471023)

大鏈軌節(jié)感應(yīng)淬火生產(chǎn)線用于履帶零部件鏈軌節(jié)軌面的加熱回火處理，可以滿足190、216節(jié)距鏈軌節(jié)的踏面熱處理生產(chǎn)。軌面感應(yīng)淬火的目的是使鏈軌節(jié)獲得足夠深的硬化層和表面硬度，提高鏈軌節(jié)的抗磨性和使用壽命。特別是在滿足鏈軌節(jié)強(qiáng)度要求以后，軌面的抗磨性直接決定鏈軌節(jié)的使用壽命［1－2］。由于感應(yīng)熱處理具有加熱速度快、生產(chǎn)效率高、節(jié)省能源、不氧化脫碳、不污染環(huán)境、可控性好及易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，在金屬熱處理方面具有廣泛應(yīng)用［3－4］。本文主要介紹了大鏈軌節(jié)感應(yīng)淬火生產(chǎn)線的控制方案和控制系統(tǒng)硬件、軟件的實(shí)現(xiàn)。

1 控制方案設(shè)計(jì)

1.1 淬火生產(chǎn)線結(jié)構(gòu)及淬火工藝流程

大鏈軌節(jié)感應(yīng)淬火生產(chǎn)線主要分成加熱區(qū)、噴液區(qū)和回火區(qū)3個(gè)部分，加熱區(qū)主要包括淬火端傳輸組件、淬火區(qū)輸送鏈、感應(yīng)器支撐組件、輥輪傳輸組件等設(shè)備;噴液區(qū)主要包括工件升降噴水組件、輥輪電動(dòng)機(jī)、升降氣缸、定位氣缸等設(shè)備;回火區(qū)主要包括回火起始端支架、回火爐、回火端噴液等設(shè)備。

感應(yīng)淬火工藝流程如下:

(1)缺料檢測開關(guān)判斷是否有料，如果有料，伺服電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，帶動(dòng)淬火區(qū)輸送鏈將工件傳到淬火工位，兩組氣動(dòng)夾將工件夾緊(每個(gè)氣動(dòng)夾2個(gè)氣缸，共4個(gè)氣缸)，電源啟動(dòng)開始加熱，工件加熱完畢，伺服電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)將工件傳輸至輥輪上，同時(shí)將另一個(gè)工件輸送到淬火位置。

(2)輥輪傳輸組件電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)(裝備啟動(dòng)后一直轉(zhuǎn)動(dòng)，中間不停)，定位氣缸伸出，輥輪電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)將工件傳至定位板，輥輪電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)，定位氣缸縮回，升降氣缸下降，帶動(dòng)工件進(jìn)入水箱，噴水，噴水完畢，氣缸升起。

(3)上電后工件拖動(dòng)組件，氣缸一直處于伸出狀態(tài)，通過氣缸動(dòng)作將工件拖至回火爐口，工件推動(dòng)組件氣缸伸出，將工件推到回火爐口與另一個(gè)工件靠近，氣缸恢復(fù)原位，等待下一工件。

(4)回火端傳輸組件伺服電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)工件進(jìn)入回火爐。

(5)噴水圈冷卻工件。

1.2 控制方案

生產(chǎn)周期要求:190型鏈軌節(jié)為52 s/對(加熱有效時(shí)間45 s/對，輔助時(shí)間7 s/對);216型鏈軌節(jié)為60 s/對(加熱有效時(shí)間53 s/對，輔助時(shí)間7 s/對)?？梢钥闯鲚o助時(shí)間只有7 s時(shí)間，包括噴液和回火，工藝流程時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過這個(gè)時(shí)間。因此將整個(gè)淬火過程分為3個(gè)階段:淬火、噴液、回火，3個(gè)區(qū)域同時(shí)獨(dú)立運(yùn)行。

生產(chǎn)過程要求控制系統(tǒng)對機(jī)床運(yùn)行狀況進(jìn)行監(jiān)視、保護(hù)。對感應(yīng)加熱過程的熱處理參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，包括:加熱電源輸出電壓、電流、功率、加熱時(shí)間等，以及冷卻水溫度、流量、流速等。工件移動(dòng)采用伺服驅(qū)動(dòng)，PLC控制，同時(shí)控制電源啟動(dòng)與停止、加熱時(shí)間、噴液時(shí)間，設(shè)置觸摸屏，具有工藝編程及記憶功能。

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)包含常規(guī)的開關(guān)量輸入輸出、位置控制、模擬量輸入輸出等功能。本控制系統(tǒng)中PLC采用臺達(dá)DVP32EH00T2，擴(kuò)展模塊采用DVP48HP，常規(guī)模擬量輸入模塊采用DVP06XA－H2，溫度輸入模塊采用DVP04PT－H2，觸摸屏采用DOP－B10S615，伺服控制器和伺服電動(dòng)機(jī)采用臺達(dá)B系列產(chǎn)品，系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)主要包括生產(chǎn)線供電電路、PLC主機(jī)外部接線、PLC擴(kuò)展模塊外部接線、PLC模擬量輸入模塊外部接線、溫度檢測電路、水循環(huán)及淬火液循環(huán)電氣控制系統(tǒng)、PLC與伺服控制器連接電路等。其中，PLC與伺服控制器連接電路最復(fù)雜和重要，連接電路如圖2所示。

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括HMI畫面組態(tài)和PLC程序設(shè)計(jì)兩個(gè)部分。HMI主要功能是程序管理、手動(dòng)操作、參數(shù)輸入和運(yùn)行監(jiān)視，控制程序在PLC中，即便沒有HMI，整個(gè)系統(tǒng)依然可以自動(dòng)運(yùn)行。

3.1 HMI畫面組態(tài)

HMI畫面組態(tài)采用Screen Editor畫面編輯軟件，該軟件具有功能強(qiáng)大、使用方便的優(yōu)點(diǎn)。HMI畫面主要包括自動(dòng)監(jiān)視、狀態(tài)監(jiān)視、手動(dòng)操作、程序參數(shù)輸入等，系統(tǒng)上電后，默認(rèn)進(jìn)入自動(dòng)監(jiān)視界面，此時(shí)系統(tǒng)在自動(dòng)方式下運(yùn)行。

自動(dòng)監(jiān)視畫面是HMI的主畫面，該畫面設(shè)有3個(gè)區(qū)域:數(shù)據(jù)顯示區(qū)、電源功率曲線顯示區(qū)和操作區(qū)，通過操作按鍵進(jìn)入其他界面。自動(dòng)與手動(dòng)切換由HMI控制，按下自動(dòng)監(jiān)視鍵，系統(tǒng)進(jìn)入自動(dòng)狀態(tài)，按下手動(dòng)監(jiān)視鍵，進(jìn)入手動(dòng)狀態(tài)，同時(shí)產(chǎn)生控制命令將系統(tǒng)轉(zhuǎn)為手動(dòng)。

程序參數(shù)設(shè)置畫面用于設(shè)置和保存不同零件的淬火參數(shù)，考慮到有不同種類的零件加工，系統(tǒng)專門利用配方制作零件參數(shù)管理畫面。由于零件數(shù)不多，配方數(shù)據(jù)表格設(shè)置為20×20，共可以存放20個(gè)零件，每個(gè)零件20個(gè)字，前10個(gè)字為零件名稱，后10個(gè)字分別為加熱和回火伺服電動(dòng)機(jī)位移、速度、加熱時(shí)間、噴液時(shí)間、電源輸出電壓等。參數(shù)存放在HMI中，調(diào)出后通過寫入按鍵寫入到PLC數(shù)據(jù)寄存器D2000開始的連續(xù)20個(gè)字中。

3.2 PLC程序設(shè)計(jì)

PLC程序設(shè)計(jì)主要包括輸入輸出轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、伺服電動(dòng)機(jī)控制模塊、啟動(dòng)與自動(dòng)停止功能模塊、加熱控制模塊、噴液控制模塊、回火控制模塊等。

伺服控制模塊包括點(diǎn)動(dòng)、連續(xù)、相對定位和絕對定位。為了避免出現(xiàn)故障，伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊采用順序控制方式。自動(dòng)方式下進(jìn)行絕對或相對位置定位，因此需要給定位置(位移)和速度，手動(dòng)狀態(tài)下進(jìn)行點(diǎn)動(dòng)和連續(xù)運(yùn)行，所以只需要給定速度。加熱(X軸)伺服電動(dòng)機(jī)部分驅(qū)動(dòng)程序如圖3所示

啟動(dòng)與自動(dòng)停止模塊包括啟動(dòng)自鎖、單次運(yùn)行、循環(huán)運(yùn)行、自動(dòng)停止等功能。啟動(dòng)與自動(dòng)停止模塊程序如圖4所示。當(dāng)按下確定按鈕(點(diǎn)動(dòng)型)，圖中M240上電，通過M30自鎖，此時(shí)加熱、噴液和回火程序塊相繼啟動(dòng)，一個(gè)循環(huán)之后自動(dòng)停止并解除自鎖。如果通過HMI自動(dòng)監(jiān)視界面設(shè)置為循環(huán)運(yùn)行模式，在不缺料的情況下，M1有效，此時(shí)一個(gè)循環(huán)之后繼續(xù)下一個(gè)循環(huán)?？紤]到回火模塊可能需要電動(dòng)機(jī)一直運(yùn)行，因此當(dāng)無零件時(shí)無法自動(dòng)停止。因此，系統(tǒng)專門設(shè)計(jì)了自動(dòng)停止程序。圖中程序第一行，如果出現(xiàn)3個(gè)區(qū)同時(shí)缺料的情況，系統(tǒng)自動(dòng)延時(shí)一個(gè)循環(huán)的時(shí)間(60 s)，停止循環(huán)運(yùn)行。如果暫停鍵按下，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入單步狀態(tài)。

數(shù)據(jù)采集包括加熱電源，回火電源電壓、電流，淬火液溫度、流量，循環(huán)水溫度、流量等數(shù)據(jù)的采集和計(jì)算，程序中沒有使用浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算，因此無需設(shè)置其系數(shù)。其他具體程序不再列出。

4 結(jié)語

在對整個(gè)大鏈軌節(jié)淬火生產(chǎn)線淬火工藝分析的基礎(chǔ)上，提出了三段式同步控制方案，利用臺達(dá)觸摸屏(HMI)、PLC和伺服系統(tǒng)完成了整個(gè)生產(chǎn)線監(jiān)視與控制，編制了PLC控制程序，實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)循環(huán)運(yùn)行、單次運(yùn)行、單步運(yùn)行和手動(dòng)控制，完成了HMI畫面組態(tài)，利用配方實(shí)現(xiàn)了多種進(jìn)機(jī)零件參數(shù)的輸入和保存。該生產(chǎn)線已經(jīng)在長沙三一重工公司投產(chǎn)，設(shè)備運(yùn)行良好。

［1］田子欣，霍蘇萍.KC－TZ118型鏈軌節(jié)數(shù)控鉆鏜組合機(jī)床的研制［J］.機(jī)床與液壓，2011，39(2):62 －64.

［2］唐華，李志宏.超低Cr含量的40Mn2鋼履帶鏈軌節(jié)熱處理工藝改進(jìn)［J］.熱加工工藝，2008，37(24):106 －108.

［3］葛運(yùn)旺，羅尚民，張宗杰，等.PLC和HMI構(gòu)成的感應(yīng)淬火機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)［J］.熱加工工藝，2005(9):53－55.

［4］王盛軍.感應(yīng)熱處理技術(shù)及工藝裝備的開發(fā)與應(yīng)用［J］.熱處理，2007，22(1):19 －23.