非圓盤狀零件恒線速淬火機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

李廣宏，鄒 輝

（洛陽理工學(xué)院 工程訓(xùn)練中心，洛陽 471023）

0 引言

長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)的機(jī)械零件由于早期失效，使能源與材料的消耗十分驚人。許多機(jī)械零件的失效發(fā)生在表面，或者從表面開始。表面淬火技術(shù)既可以在工件表面獲得高強(qiáng)度、高硬度、高耐磨性能，同時(shí)可以保持心部原有良好韌性，常用于機(jī)床主軸、齒輪，發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸等[1]。為了適應(yīng)當(dāng)前國(guó)民經(jīng)濟(jì)和生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，節(jié)省能源和材料的消耗，提高產(chǎn)品質(zhì)量發(fā)揮積極作用，并且滿足中小機(jī)加工企業(yè)無法購(gòu)價(jià)格高昂的數(shù)控淬火設(shè)備這一現(xiàn)實(shí)情況，本文主要研究非圓盤狀零件（如凸輪）恒線速數(shù)控淬火機(jī)床，保證其外緣加熱淬火均勻，提高其抗疲勞、抗磨損能力，充分發(fā)揮材料的潛力，延長(zhǎng)其使用壽命，做了一些有益嘗試和探索。

1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 開放式數(shù)控系統(tǒng)

開放式數(shù)控系統(tǒng)是相對(duì)于傳統(tǒng)的封閉式的數(shù)控系統(tǒng)提出的。封閉式數(shù)控系統(tǒng)是廠商提供給用戶的用途單一的、成型的數(shù)控系統(tǒng)，用戶只能用作特定的生產(chǎn)模式，不可能進(jìn)行二次開發(fā)。而且，各個(gè)廠商之間的產(chǎn)品互不兼容，用戶對(duì)廠商的依賴度非常高。開放式數(shù)控系統(tǒng)是對(duì)傳統(tǒng)封閉式數(shù)控系統(tǒng)的巨大挑戰(zhàn)，但從他提出后十多年里，雖然西方各工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家投入了大量的人力和物力，但由于研究開發(fā)計(jì)劃龐大、所涉及的關(guān)系復(fù)雜、技術(shù)難度大等原因，至今仍沒有在市場(chǎng)上占據(jù)重要份額[2]。

本數(shù)控系統(tǒng)采用“PC+運(yùn)動(dòng)控制卡”這種模式。這種類型的數(shù)控系統(tǒng)開放性較好，便于用戶針對(duì)實(shí)際用途來開發(fā)自己的數(shù)控系統(tǒng)，而且開發(fā)周期較短，節(jié)約了時(shí)間成本。同時(shí)，該類型價(jià)格也比較低廉，特別適合中小型企業(yè)的開發(fā)應(yīng)用。

1.2 MC6212P運(yùn)動(dòng)控制卡

MC6212P運(yùn)動(dòng)控制卡為南京順康數(shù)碼科技有限公司的兩軸運(yùn)動(dòng)控制卡，具有圓弧插補(bǔ)、直線插補(bǔ)功能，插補(bǔ)過程自帶加減速，設(shè)定加減速參數(shù)。可驅(qū)動(dòng)步進(jìn)、伺服系統(tǒng)，可通過硬件實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械裝置的超限保護(hù)?，F(xiàn)在PC機(jī)上一般都使用Windows操作系統(tǒng)，雖然Windows系統(tǒng)屬于非實(shí)時(shí)系統(tǒng)，但是由于該運(yùn)動(dòng)控制卡采用高速的DSP芯片作為處理內(nèi)核，同時(shí)使用了雙口RAM芯片。DSP芯片運(yùn)算速度快，特別適合數(shù)據(jù)量大、計(jì)算復(fù)雜、實(shí)時(shí)性要求高的處理任務(wù)。雙口RAM具有兩套完全獨(dú)立的數(shù)據(jù)線、地址線和讀寫控制線，并允許兩個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)同時(shí)對(duì)該存儲(chǔ)器進(jìn)行隨機(jī)性的訪問，可用于提高RAM的吞吐率，適用于作于實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)緩存[3]?；谝陨蟽牲c(diǎn)，本數(shù)控系統(tǒng)可以保證實(shí)時(shí)控制，本數(shù)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

1.3 系統(tǒng)構(gòu)成

本數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)功能層次結(jié)構(gòu)分，可以分為：用戶層、控制系統(tǒng)層和伺服系統(tǒng)層[4]。

PC機(jī)作為用戶層，主要完成人機(jī)交互界面的管理、運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算、軌跡插補(bǔ)和控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控功能，如控制參數(shù)輸入、控制指令的發(fā)送、系統(tǒng)狀態(tài)的顯示、外部信號(hào)的監(jiān)控等。

MC6212P運(yùn)動(dòng)控制卡作為控制系統(tǒng)層，主要完成回轉(zhuǎn)工作臺(tái)（X軸）和直線工作臺(tái)（Y軸）運(yùn)動(dòng)控制，如脈沖信號(hào)和方向信號(hào)的輸出、升降速處理、伺服準(zhǔn)備信號(hào)、限位開關(guān)信號(hào)等的檢測(cè)，從而完成位置和速度控制。

伺服系統(tǒng)通過對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)器（帶光電編碼器）和伺服電機(jī)的控制，來實(shí)現(xiàn)對(duì)非圓盤狀零件的恒線速淬火。

轉(zhuǎn)接板是運(yùn)動(dòng)控制卡連接伺服驅(qū)動(dòng)器和外圍設(shè)備的橋梁。運(yùn)動(dòng)控制卡輸出X軸和Y軸的脈沖和方向信號(hào)，通過轉(zhuǎn)接板送到伺服驅(qū)動(dòng)器；I/O口輸出控制字，通過光電隔離控制中間繼電器通斷，從而接通斷開冷卻泵、勵(lì)磁電源等外圍設(shè)備。

2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 軟件設(shè)計(jì)流程

根據(jù)開放式數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)和軟件設(shè)計(jì)原則，軟件部分設(shè)計(jì)首先應(yīng)選擇軟件系統(tǒng)的操作平臺(tái)，然后選擇開發(fā)工具，以模塊化的思想設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)的功能模塊。在Windows系統(tǒng)中，利用Visual C++6.0這個(gè)編程工具，掌握運(yùn)動(dòng)控制卡API函數(shù)調(diào)用的方法，根據(jù)面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)原則和本數(shù)控淬火機(jī)床控制系統(tǒng)的工作流程，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)初始化、人機(jī)交互界面、運(yùn)動(dòng)控制模塊等個(gè)功能模塊的設(shè)計(jì)，軟件流程如圖2所示。

圖2 軟件流程

2.2 算法研究

要求對(duì)非圓盤狀零件進(jìn)行恒線速淬火，非圓盤狀零件裝夾在回轉(zhuǎn)工作臺(tái)上，感應(yīng)加熱頭安裝在直線工作臺(tái)上。盤狀零件作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，感應(yīng)加熱頭作直線運(yùn)動(dòng)，二者相對(duì)速度應(yīng)該始終保持不變，并與零件始終保持一定的距離不變，才能使零件外緣受熱均勻。為了實(shí)現(xiàn)此目的，就應(yīng)該建立合適的數(shù)學(xué)模型、設(shè)計(jì)合理的算法，保證動(dòng)作可靠的完成。

對(duì)于非圓盤狀零件，如圖3所示，可以分成若干等分，每一份的角度為δ。若δ越小，分的就越多，就可用AB這段直線去逼近AB這段圓弧，這段圓弧的弧長(zhǎng)近似等于ri·δ，根據(jù)設(shè)置的掃描速度，可以求出運(yùn)行這段弧長(zhǎng)所需要的時(shí)間t1。如果零件順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，要保持感應(yīng)加熱頭和零件的距離不變，那么直線工作臺(tái)就應(yīng)后退ri+1－ri的長(zhǎng)度。在同一個(gè)t1時(shí)間內(nèi)，回轉(zhuǎn)工作臺(tái)以設(shè)定的速度旋轉(zhuǎn)δ，直線工作臺(tái)后退了 Δr 。同理，在BC這段弧上，同樣可以求出若以設(shè)定速度運(yùn)行的時(shí)間t2，直線工作臺(tái)應(yīng)后退ri+2－ri+1的距離。因?yàn)樵谶\(yùn)動(dòng)控制卡提供的兩軸插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)函數(shù)中，不僅可以設(shè)置距離（即脈沖數(shù)），也可設(shè)置速度（即頻率的大小），已知t，求倒數(shù)就是脈沖頻率。依次類推，就可實(shí)現(xiàn)上述的恒線速淬火的要求[5]。

圖3 非圓盤狀零件

編程時(shí)，首先定義一個(gè)雙精度浮點(diǎn)數(shù)的數(shù)組用于存放偏心圓的極徑，使用循環(huán)語句依次讀取r[i]，r[i+1]，r[i+2]等，可以計(jì)算每一個(gè)微分角δ所對(duì)應(yīng)的弧長(zhǎng)以及極徑差 Δr 。微分角大小的選擇，可以通過其關(guān)聯(lián)的整型變量m_jiaodu的不同取值用switch語句來確定。

2.3 軟保護(hù)

通過軟件對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)起到保護(hù)作用，稱之為軟保護(hù)。對(duì)于數(shù)控系統(tǒng)來說，硬件上不僅有各種保護(hù)設(shè)備元件，還有軟件上的保護(hù)，這樣的系統(tǒng)才更加完善。

本操作界面可以對(duì)運(yùn)行參數(shù)、工件參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。通過軟件就可以把一些參數(shù)的取值范圍確定下來，在設(shè)置參數(shù)時(shí)，如果超限直接就有提示。為防止錯(cuò)按退出鍵造成工件和感應(yīng)加熱頭的損壞，而需要反復(fù)確認(rèn)方可退出。在控制面板上，還加有一個(gè)增大的急停按鈕，如遇緊急情況可以按下，使X軸和Y軸停止工作保護(hù)設(shè)備。

3 實(shí)驗(yàn)與誤差分析

通過PC機(jī)、運(yùn)動(dòng)控制卡、電氣控制裝置、交流伺服系統(tǒng)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等構(gòu)成了系統(tǒng)硬件框架。硬件平臺(tái)（如圖4所示）的搭建，為實(shí)驗(yàn)的開展奠定了基礎(chǔ)。通過偏心圓這一特殊的非圓零件進(jìn)圖4實(shí)驗(yàn)平臺(tái)行實(shí)驗(yàn)，來檢驗(yàn)非圓恒線速掃描算法的正確與否。通過改變影響運(yùn)動(dòng)的參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果實(shí)際線速度的相對(duì)誤差在2%以內(nèi)。分析產(chǎn)生誤差的主要原因有以下三點(diǎn)[6]：

圖4 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

1）運(yùn)行算法本身就是基于微分圓弧的一種近似，在微分角較小時(shí)，誤差值也相對(duì)較小，隨著微分角的增大，誤差也增大。

2）在非圓盤狀零件的極徑變化比較大的地方，直線工作臺(tái)運(yùn)行距離也越大，這會(huì)牽制回轉(zhuǎn)工作臺(tái)運(yùn)行的速度，誤差也相應(yīng)增加。

3）若偏心距增大，相當(dāng)于極徑變化也增大，這就帶來了誤差的增大。

4 結(jié)束語

實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明用簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)模型控制平面曲線零件的運(yùn)動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)恒速，從而驗(yàn)證了簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)模型應(yīng)用于實(shí)際是可行的。實(shí)驗(yàn)結(jié)果還是滿意的，整個(gè)數(shù)控系統(tǒng)運(yùn)行是可靠的，恒線速的運(yùn)行算法是可行。這就為更為一般的復(fù)雜曲線盤狀零件的恒線速淬火問題的討論，奠定了研究的基礎(chǔ)。

[1]姜江,彭其鳳.表面淬火技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2006.

[2]劉啟中,蔡德福.現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)及應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2002.

[3]朱小莉.基于DSP技術(shù)的運(yùn)動(dòng)控制卡的研究與開發(fā)[D].華中科技大學(xué).2007.

[4]徐志剛.非圓截面車削開放式數(shù)控系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[D].河北工業(yè)大學(xué).2006.

[5]吳銳,闞長(zhǎng)華.數(shù)控技術(shù)在設(shè)計(jì)感應(yīng)淬火機(jī)床中的應(yīng)用[J].機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新,2008,11(6)：185-186.

[6]吳銳,李廣宏.平面曲線零件恒速運(yùn)動(dòng)的測(cè)試及數(shù)據(jù)分析[J].煤礦機(jī)械,2011,9(9)：212-214.