盘类零件感应淬火机床控制系统设计

度：
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工 作 台 和 回 转 工 作 台运 动 ， 动 轴 联 接 的 电磁 感 与驱
应 式脉 冲 编 码 器 发 出脉 冲， 入 计数 器 板 ， 控机 计 送 工
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２１功 率 控 制模块 ．
淬 火过 程 中 的 加 热 功 率 ，直 接 影 响 到 淬 硬 层
深 度及 均 匀性 。工 控 机 根 据 加 工 程 序 中 的功 率 给
精 度 高 。机 床 的运 动 部分 由回转 工 作 台和 直线 移 动 工 作 台组 成 ， 回转 工作 台 的 中 心 在 直 线 移 动 工
务Ｉ 匐 化 造
盘 类 零 件 感 应 淬 火 机 床 控 制 系 统 设 计
Ｄｅｓｉ ｇｎ ｏｆ ｃｏｎｔ ｏｌ ｓｔ ｒ ｓｙ ｅｍ ｈｅ ｉ ｏｆ ｔ ｎｄｕｃｔｏｎ ｑｕｅｎｃｈｉ ｇ ｍ ａｃｈ ｎｅ ｔ ｉ ｎ ｉ ｏｏｌｆ ｈｅ ｄｉ ｏｒｔ ｓｈ ｐａｒ ｓ ｔ
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结 合 ，设计了数控感应淬 火机床 的控制系统。通过对复杂曲线进行简化 ，建立 了恒 速运 动数 学 模型 ，结合数控 系统的直线插 补功能 ，实现 了恒线速度控制 ，并通过 软件进行 了误差分析。 通过屏幕显示 ，可在线跟踪淬 火的全过 程 ，随时显示、记录 、打印淬火过程中的各种参数 。 关键词 ：感应淬火 ；数控技术 ；恒 线速度
通 过 比较 分 析 ， 床 的控 制 系统 采 用 工业 控 制 机
理 …。 对 于 表 面 存 在 曲线 形 状 的 盘 类 零 件 （ 凸 如 轮 ） ，需 要 设 计 专 用 的 淬 火 机 床 和 形 状 复 杂 的 感
应 器 ，常 存 在 定位 不 准确 和 速 度 不 稳 定 等 问 题 ，
图２ 平 面 凸 轮 感 应 淬 火 装 置 机 构 模 型 图
情 况 下 ，淬 火 速 度 直 接 影 响 淬 硬 层 深 度 。速 度 愈 快 ，淬 硬 层 深 度越 浅 ； 速 度 愈 慢 ，淬 硬 层 深 度 越
平 面 凸轮 实 际轮 廓 曲线 是 根 据 需 要 确 定 的 ， 很 难 用 特 定 的数 学 函数 来 表 示 ，通 常 用 极 坐 标 来 表 示 ，即 ： ｒ ＝ｆ（ ） ０ ，式 中 为 曲线轮 廓 对 应 的 向 径 ， 为 凸轮 转 角 。按 技 术 要 求 ，感 应 器 与 凸轮 轮 廓 应始 终 保 持 等 距 ， 所 以感 应 器 的移 动 量 ｄ ｘ等 于
中图分 类号 ：Ｔ ５ Ｇ６ ９ 文献标识码 ：Ａ 文章编 号 ：１ ０ －０ ３ （ ０ ２ ０ （ － １ ３ ３ ９ １ ４ ２ １ ） ５ 上） ０ １ －０ ０
Ｄｏ： ．９ ９ Ｊｉｓ ．０ ９ １ ４ ２ １ ．（ ｉ １ ３ ６ ／ ． Ｒ １ ０ －０ ３ ．０ ２ ５ 上） ３ ０ ｓ ．５
刘 玉飞 ，李 威 ，杨 雪锋
Ｌ Ｕ Ｙｕ ｆ ｉＬ ｅ ， ＡＮＧ ｅ ｆ ｇ ｌ —ｅ， Ｉ Ｗ ｉＹ Ｘｕ — ｅｎ
（ 中国矿业大学 机 电工程学 院，徐州 ２ １ ０ ） ２ ０ ８ 摘 要 ：针对具 有复 杂 平 面 曲 线 轮廓 的 盘 类 零件 的表面热 处理 问题 ，将感 应淬 火技术 与数控 技术相
【 水泵 【
一
源 ｌ
Leabharlann Baidu
控 制 系统 的 控 制 精 度 ，而 且 可 以 简 化 系 统 软 硬 件
设 计 ， 低 系统 费 用， 高 系统 的 性 能和 可 靠性 ，很 降 提 好 的解 决 了 具 有 曲 线 形状 的 盘 类 零 件 的 表 面 热 处
理 问题 。
图 １控 制 系统 的硬 件 组 成 框 图
系统 中供 液 装 置 和 中 频 电 源 独 立 完 成 启 动 过 程 ，其 他 均 由工 控 机 控 制 。其 中最 重 要 的是 功 率 控 制 、流量 控 制和 速度 控制 。 ’
１ 机床 的传动机构
为 确 保 定 位 精 度 和 热 处 理 质 量 ，通 过 对 国 外 先 进 淬 火 技 术 的分 析 与 设 计 计 算 ， 定选 用 低 摩 擦 确 的传 动 副 滚珠 丝杠 。采 用 微 机 控制 ， 由步 进 电机 、 滚 珠 丝杠 螺母 副 实现 工 作 台 的运 动 ， 动 准 确， 位 传 定
。
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算工 作 台的 速 度 ， 在ＣＲ 和数 字面 板 表 上 显 示， 作 Ｔ 并
为 反 馈 量 与给 定 值 比较 后 进 行 控 制 。将 速 度 值 对 时 间进 行 积分 ， 可算 出直线 移动 工 作 台 的位移 。
在 凸 轮 轮 廓 曲 线 上 任 取 一 段 长 度
编 程 时 需 要 建 立 平 面 复 杂 曲线 恒 速 运 动 的数 学 模
型 ，将 复 杂 曲线 简 化 成 折 线 ， 由于 数 控 系 统 具 有 很 强 的 直 线 插 补 功 能 ，在 简 化 后 的 凸 轮 轮 廓 的 任 条 折 线 上 ，按 直 线 插 补 编 程 便 可 实 现 恒 线 速 度
计 算 机 实 现 对 整 个 系统 的 自动 监 控 ，可 以保 证 主 机 系统 的可 靠 。其 控 制 系统框 图如图 １ Ｎ示 。 【 电ｊ
制 造 周期 较 长 ，生 产 成 本 高 ，当 批 量 较 小 时 ，经 济 性 差 ，不 适 应 高 效 率 生 产 的 要 求 。将 感 应 淬 火
一
范 围 内 和 ０ 可 以 看作 不 变 。 经速 度 分 析 ， 可 ３
得：
控 制 。 下 面 以在 实 际 中应 用 较 多 的典 型 盘 形 零 件
凸轮 为例 进 行 分析 。 平 面 凸轮 感 应 淬 火 传 动 装 置 的 工 作 状 态 与 对 心 移 动 从 动件 盘 形 凸轮 机 构 类似 ， 动 结 果基 本 相 运 同 ，可 以用 如 图２ 示 的对 心 移 动从 动 件 盘 形 凸轮 所 机 构 代 替 平 面 凸 轮 感 应 淬 火 装 置 的 机 构 模 型 。 回 转 工作 台带 动 凸轮 １ ０ 转 动 ，相 当于 直 线移 动工 以３
， 则
ｄ ｓ＝ｒ Ｏ＝ｆ（）ｄ ｄ ・ Ｏ。轮廓 的 线速 度 ：
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淬 火 加 热 时 间 是控 制 淬 火 温 度 的 重 要 参 数 ，
而 且 在 淬 火 过 程 中 ，要 保 证 感 应 器 与 工 件 之 间 的 间 隙 恒 定 。 因 此 ，为 了获 得 均 匀 淬 硬 层 和 操 作 安 全 ，必 须控 制 工 件 表 面 相 对 于 感 应 器 的 移 动 速 度 处 于 基 本 恒 定 的 状 态 ， 即恒 线 速 度 运 动 。这 是 平 面 非 圆 曲线 表 面 淬 火 处 理 的数 控 感 应 淬 火 系统 中 Ｌ （） ） ２
务ｌ 訇 似 生
２２ 流 量 控 制模 块 ． 淬 火 过 程 中 的 供 水 ， 包 括 淬 火 液 （ 乙 烯 聚
醇 ）和 设 备 冷 却 水 。工 控 机 根 据 加 工程 序 中 的流 量 给 定 值 ， 过 输 出接 口Ｄ／ 换 ，给 比例 阀指 令 ， 通 Ａ转 使 喷 头 工 作 。 利 用 流 量 传 感 器 测 量 ， 发 出的 脉 冲 经 信 号 处 理 给 计 数 器 ， 入 主机 进 行运 算 、显 示 和 送
技 术 与数 控 技 术 相 结 合 ， 利 用 工 控 机 对 整 个 淬 火 系统 进 行 自动 监 控 ，通 过 对 复 杂 曲 线 表 面 进 行 简 化 ，建 立 恒速 运动 数 学模 型 ，结 合基 于ＤＳ （ 字 Ｐ 数 信 号 处 理 ） 的 运 动控 制 卡 ， 可 以 有 效 地 提 高 运 动
位 置 ，对 应 极 径 ＯＡ 为 ｒ ｌ － ｉ 。由于 取 值 较 小 ， 在 ＋
的关 键 问题 ，也 是 保 证热 处理 质 量 的重 要 因素 。 通 过 编 制 相 应 程 序 ， 可 以 实 现 对 速 度 的 控 制 ， 但 是 由于 盘 类 零件 的 平 面 具 有 曲线 形 状 ， 在
反 馈信 号， 同时在ＣＲ 和 数 字面板 表上 显示 。 Ｔ
统 控 制 进 行 实 时插 补 ， 实 现 感 应 器 沿 工 件 轮 廓 表
收 稿 日期 ：２ １ —１—１ ０１ ０ ５ 基 金 项 目 ：江 苏 高校 优 势 学 科 建 设 工 程 资 助 项 目
作吉简介 ：刘玉飞 （９ ８ ，男，安徽毫州人 ，硕士研究生，研究方向为机械 电子工程 。 １８ 一） 第３ 卷 ４ 第５ 期 ２ １－０ （ ） ［ １ ］ ０ ２ ５ 上 １ ３
作 台 的 中心 线上 ，二 者 运 动 相互 独 立 ， 由 数 控 系
定 值 ， Ａ转 换 ，输 出控 制 中频 电源 的 输 出功 率 ， 经Ｄ／ 感 应 器 产 生 电磁 涡流 对 工 件 进 行加 热 。利 用 功 率 传 感 器 测 量， 信 号 处 理 后送 Ａ Ｄ转 换 、 采样 ， 为 经 ／ 作
控制。
作 台 的 移 动 杆 ２ 持 与 凸轮 轮 廓 间 等 距 ，并 以 保 移动 ，两 者之 间 的相 对速 度 Ⅳ即 为所 需 保证 的恒
线速 度 。
２３ 速 度控 制模 块 ．
由于 机 床 结构 设 计 的 限 制 ， 感 应 器 需 要 与 淬
火 变 压 器 固 连 在 一 起 ，无 法 实 现 绕 工 件 轮 廓 表 面 运动， 因此 ，淬 火 采 用 工 件 旋 转 的 方 式 ， 即旋 转 淬 火 。 在 中频 输 出功 率 、 间 隙 及 淬 火 介 质 等 固 定 的
０ 引言
在 机 械 零 件 的 加 工 工 艺 中 ，淬 火 是 一 道 重 要 的 工 艺 。 普 通 的 感 应 淬 火 机 床 ， 由于 结 构 的 限 制 ，通 常 只能 对 形 状 规 则 的 零 件 进 行 表 面 热 处
面 间相 对运 动 。
２ 控制 系统 的硬 件组成
深【０ ８ 】
工 控 机 根 据 加 工程 序 中的 速 度给 定值 ， 过 Ｄ／ 通 Ａ输 出接 口给 变 频 器 指 令 ， 频 器 控 制 电机 按 指 定 变 的 转 速 转 动 。通 过 减 速 机 构 和 驱 动 轴 使 直 线 移 动
凸 轮 向 径 的 变 化 量 ｄ ，即 ｄ ｒ ｘ＝ｄ ｒ。 感 应 器 的 速
、 和 三 者 之
式 （ ） 、 （ ） 建立 了 １ ２
间 的 关 系 ， 由理 论 力 学 分 析 可 知 ， 线 速 度 Ｈ是
和 Ｃ 的二元函数 ，即： Ｖ Ｏ ＝／（ ）。 ，
为 了 便 于 分 析 ，将 理 论 上 光 滑 的 凸 轮 轮 廓 曲 线 简 化 为 若 干 条 折 线 ，认 为 凸 轮 轮 廓 由很 多 条 折 线 组 成 。每 条折 线对 应 一 个 凸轮 转 角 ，设 为 ， 取 值 越 小 ， 简 化 后 的 轮 廓 越 接 近 实 际 凸 轮 轮 廓 。运 动过 程 中，取 任 意 区 间 ，设 Ａ点 为轮 廓 区 间 的 初 始 位 置 ，对 应 极 径 Ｏ Ａ为 ， ’ 为 终 点 点