劉玉飛，李 威，楊雪鋒

LIU Yu-fei, LI Wei, YANG Xue-feng

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，徐州 221008）

0 引言

在機(jī)械零件的加工工藝中，淬火是一道重要的工藝。普通的感應(yīng)淬火機(jī)床，由于結(jié)構(gòu)的限制，通常只能對(duì)形狀規(guī)則的零件進(jìn)行表面熱處理[1]。對(duì)于表面存在曲線形狀的盤(pán)類零件（如凸輪），需要設(shè)計(jì)專用的淬火機(jī)床和形狀復(fù)雜的感應(yīng)器，常存在定位不準(zhǔn)確和速度不穩(wěn)定等問(wèn)題，制造周期較長(zhǎng)，生產(chǎn)成本高，當(dāng)批量較小時(shí)，經(jīng)濟(jì)性差，不適應(yīng)高效率生產(chǎn)的要求。將感應(yīng)淬火技術(shù)與數(shù)控技術(shù)相結(jié)合，利用工控機(jī)對(duì)整個(gè)淬火系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)控，通過(guò)對(duì)復(fù)雜曲線表面進(jìn)行簡(jiǎn)化，建立恒速運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型，結(jié)合基于DSP（數(shù)字信號(hào)處理）的運(yùn)動(dòng)控制卡，可以有效地提高運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的控制精度，而且可以簡(jiǎn)化系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì),降低系統(tǒng)費(fèi)用,提高系統(tǒng)的性能和可靠性，很好的解決了具有曲線形狀的盤(pán)類零件的表面熱處理問(wèn)題[2,3]。

1 機(jī)床的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

為確保定位精度和熱處理質(zhì)量，通過(guò)對(duì)國(guó)外先進(jìn)淬火技術(shù)的分析與設(shè)計(jì)計(jì)算,確定選用低摩擦的傳動(dòng)副滾珠絲杠。采用微機(jī)控制,由步進(jìn)電機(jī)、滾珠絲杠螺母副實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng),傳動(dòng)準(zhǔn)確,定位精度高[4]。機(jī)床的運(yùn)動(dòng)部分由回轉(zhuǎn)工作臺(tái)和直線移動(dòng)工作臺(tái)組成，回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的中心在直線移動(dòng)工作臺(tái)的中心線上，二者運(yùn)動(dòng)相互獨(dú)立，由數(shù)控系統(tǒng)控制進(jìn)行實(shí)時(shí)插補(bǔ)，實(shí)現(xiàn)感應(yīng)器沿工件輪廓表面間相對(duì)運(yùn)動(dòng)。

2 控制系統(tǒng)的硬件組成

通過(guò)比較分析,機(jī)床的控制系統(tǒng)采用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的自動(dòng)監(jiān)控，可以保證主機(jī)系統(tǒng)的可靠[3,5]。其控制系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)的硬件組成框圖

系統(tǒng)中供液裝置和中頻電源獨(dú)立完成啟動(dòng)過(guò)程，其他均由工控機(jī)控制。其中最重要的是功率控制、流量控制和速度控制[6,7]。

2.1 功率控制模塊

淬火過(guò)程中的加熱功率，直接影響到淬硬層深度及均勻性。工控機(jī)根據(jù)加工程序中的功率給定值,經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換，輸出控制中頻電源的輸出功率,感應(yīng)器產(chǎn)生電磁渦流對(duì)工件進(jìn)行加熱。利用功率傳感器測(cè)量,經(jīng)信號(hào)處理后送A/D轉(zhuǎn)換、采樣,作為反饋信號(hào),同時(shí)在CRT和數(shù)字面板表上顯示。

2.2 流量控制模塊

淬火過(guò)程中的供水，包括淬火液（聚乙烯醇）和設(shè)備冷卻水。工控機(jī)根據(jù)加工程序中的流量給定值,通過(guò)輸出接口D/A轉(zhuǎn)換，給比例閥指令,使噴頭工作。利用流量傳感器測(cè)量，發(fā)出的脈沖經(jīng)信號(hào)處理給計(jì)數(shù)器,送入主機(jī)進(jìn)行運(yùn)算、顯示和控制。

2.3 速度控制模塊

由于機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的限制，感應(yīng)器需要與淬火變壓器固連在一起，無(wú)法實(shí)現(xiàn)繞工件輪廓表面運(yùn)動(dòng),因此，淬火采用工件旋轉(zhuǎn)的方式，即旋轉(zhuǎn)淬火。在中頻輸出功率、間隙及淬火介質(zhì)等固定的情況下，淬火速度直接影響淬硬層深度。速度愈快，淬硬層深度越淺；速度愈慢，淬硬層深度越深[8]。

工控機(jī)根據(jù)加工程序中的速度給定值,通過(guò)D/A輸出接口給變頻器指令,變頻器控制電機(jī)按指定的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)。通過(guò)減速機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)軸使直線移動(dòng)工作臺(tái)和回轉(zhuǎn)工作臺(tái)運(yùn)動(dòng),與驅(qū)動(dòng)軸聯(lián)接的電磁感應(yīng)式脈沖編碼器發(fā)出脈沖,送入計(jì)數(shù)器板,工控機(jī)計(jì)算工作臺(tái)的速度,在CRT和數(shù)字面板表上顯示,并作為反饋量與給定值比較后進(jìn)行控制。將速度值對(duì)時(shí)間進(jìn)行積分,可算出直線移動(dòng)工作臺(tái)的位移。

淬火加熱時(shí)間是控制淬火溫度的重要參數(shù)，而且在淬火過(guò)程中，要保證感應(yīng)器與工件之間的間隙恒定。因此，為了獲得均勻淬硬層和操作安全，必須控制工件表面相對(duì)于感應(yīng)器的移動(dòng)速度處于基本恒定的狀態(tài)，即恒線速度運(yùn)動(dòng)。這是平面非圓曲線表面淬火處理的數(shù)控感應(yīng)淬火系統(tǒng)中的關(guān)鍵問(wèn)題，也是保證熱處理質(zhì)量的重要因素。

通過(guò)編制相應(yīng)程序，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)速度的控制，但是由于盤(pán)類零件的平面具有曲線形狀，在編程時(shí)需要建立平面復(fù)雜曲線恒速運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)模型，將復(fù)雜曲線簡(jiǎn)化成折線，由于數(shù)控系統(tǒng)具有很強(qiáng)的直線插補(bǔ)功能，在簡(jiǎn)化后的凸輪輪廓的任一條折線上，按直線插補(bǔ)編程便可實(shí)現(xiàn)恒線速度控制。下面以在實(shí)際中應(yīng)用較多的典型盤(pán)形零件凸輪為例進(jìn)行分析。

平面凸輪感應(yīng)淬火傳動(dòng)裝置的工作狀態(tài)與對(duì)心移動(dòng)從動(dòng)件盤(pán)形凸輪機(jī)構(gòu)類似,運(yùn)動(dòng)結(jié)果基本相同，可以用如圖2所示的對(duì)心移動(dòng)從動(dòng)件盤(pán)形凸輪機(jī)構(gòu)代替平面凸輪感應(yīng)淬火裝置的機(jī)構(gòu)模型?；剞D(zhuǎn)工作臺(tái)帶動(dòng)凸輪1以ω轉(zhuǎn)動(dòng)，相當(dāng)于直線移動(dòng)工作臺(tái)的移動(dòng)桿2保持與凸輪輪廓間等距，并以νx移動(dòng)，兩者之間的相對(duì)速度νH即為所需保證的恒線速度。

圖2 平面凸輪感應(yīng)淬火裝置機(jī)構(gòu)模型圖

平面凸輪實(shí)際輪廓曲線是根據(jù)需要確定的，很難用特定的數(shù)學(xué)函數(shù)來(lái)表示，通常用極坐標(biāo)來(lái)表示，即： r= f(θ)，式中r為曲線輪廓對(duì)應(yīng)的向徑,θ為凸輪轉(zhuǎn)角。按技術(shù)要求，感應(yīng)器與凸輪輪廓應(yīng)始終保持等距，所以感應(yīng)器的移動(dòng)量dx等于凸輪向徑的變化量dr ，即dx =dr。感應(yīng)器的速度：

在凸輪輪廓曲線上任取一段長(zhǎng)度ds ，則ds =rdθ = f(θ)·dθ。輪廓的線速度：

式（1）、（2）建立了νH、νx和ω三者之間的關(guān)系，由理論力學(xué)分析可知，線速度νH是νx和ω的二元函數(shù)，即：νH=f(ω ,νx)。

為了便于分析，將理論上光滑的凸輪輪廓曲線簡(jiǎn)化為若干條折線，認(rèn)為凸輪輪廓由很多條折線組成[2]。每條折線對(duì)應(yīng)一個(gè)凸輪轉(zhuǎn)角，設(shè)為θ，θ取值越小，簡(jiǎn)化后的輪廓越接近實(shí)際凸輪輪廓。運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，取任意θ區(qū)間，設(shè)A點(diǎn)為輪廓區(qū)間的初始位置，對(duì)應(yīng)極徑OA 為ri，A'點(diǎn)為終點(diǎn)位置，對(duì)應(yīng)極徑OA'為ri+1。由于θ取值較小，在θ范圍內(nèi)νx和ω可以看作不變。經(jīng)速度分析，可得：

回轉(zhuǎn)工作臺(tái)帶動(dòng)凸輪的旋轉(zhuǎn)角速度：

直線移動(dòng)工作臺(tái)帶動(dòng)感應(yīng)器的移動(dòng)速度：

感應(yīng)器與凸輪間的相對(duì)速度（恒速）：

淬火時(shí)，按工藝要求給定凸輪與感應(yīng)器之間的恒線速度νH，根據(jù)式(3)可以計(jì)算出回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的回轉(zhuǎn)角速度ω，根據(jù)式(4)可以計(jì)算出直線移動(dòng)工作臺(tái)的移動(dòng)速度νx。

對(duì)于模型中的簡(jiǎn)化，以凸輪從動(dòng)件為等速運(yùn)動(dòng)規(guī)律和正弦加速度運(yùn)動(dòng)規(guī)律為例，用matlab 軟件進(jìn)行分析，旋轉(zhuǎn)角度θ值從10到100取值，得旋轉(zhuǎn)角θ與平均誤差之間的關(guān)系，如圖3所示。

圖3 旋轉(zhuǎn)角與平均誤差的關(guān)系圖

由關(guān)系圖可以看出，當(dāng)θ角取值小于50時(shí)，誤差在2%以內(nèi)。當(dāng)旋轉(zhuǎn)角度取40～50時(shí)，產(chǎn)生的誤差較小，對(duì)實(shí)際應(yīng)用的影響極小。因此，用簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)模型控制平面曲線，可實(shí)現(xiàn)恒速運(yùn)動(dòng)[2]。

通過(guò)以上分析可知，將凸輪輪廓曲線進(jìn)行簡(jiǎn)化后，用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，可得到需要保證的恒速νH對(duì)應(yīng)每個(gè)θ區(qū)域的ω和νx。結(jié)合牛頓迭代法，按直線插補(bǔ)編程輸入數(shù)控系統(tǒng)，依次分段執(zhí)行程序，控制回轉(zhuǎn)工作臺(tái)和直線移動(dòng)工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)，具有較高的控制精度[3,9]。

3 控制系統(tǒng)的軟件功能[10]

軟件采用C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)程序的編制及開(kāi)關(guān)量的邏輯控制，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的執(zhí)行情況,對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行全面管理。

程序主菜單分為“編寫(xiě)工藝”、“淬火加工”、“繪制曲線”、“收工作業(yè)”和“退出”。所有操作均為中文界面,采用人機(jī)對(duì)話方式。

編寫(xiě)工藝即輸入加工程序,依據(jù)工藝卡逐項(xiàng)填入并賦予工藝號(hào),編寫(xiě)過(guò)程中如有錯(cuò)誤給出提示。

淬火加工時(shí),工件裝卡后,輸入工藝編號(hào),按啟動(dòng)按扭,系統(tǒng)對(duì)機(jī)床狀態(tài)進(jìn)行檢查, 如未準(zhǔn)備好,給出提示。檢查通過(guò)后,系統(tǒng)調(diào)用相應(yīng)的工藝程序及各控制回路的測(cè)控程序,程序按工藝進(jìn)行實(shí)時(shí)控制、檢測(cè)和顯示,同時(shí)記錄執(zhí)行結(jié)果,生成數(shù)據(jù)文件。加工過(guò)程如有異常,控制系統(tǒng)暫停并報(bào)警，此時(shí)界面顯示故障出處。淬火加工主程序框圖如圖4所示。

圖4 淬火加工主程序框圖

繪制曲線即對(duì)工件加工過(guò)程中的各參數(shù)進(jìn)行記錄,可依次繪制曲線,隨時(shí)提供查詢或打印。

收工作業(yè)可以對(duì)工件加工的數(shù)量、品種、工件編號(hào)、工藝編號(hào)、操作者等信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì),可隨時(shí)查詢或打印,便于生產(chǎn)和質(zhì)量管理。

通過(guò)退出命令，結(jié)束程序。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的感應(yīng)淬火機(jī)床，與數(shù)控技術(shù)相結(jié)合，并對(duì)復(fù)雜輪廓曲線建立簡(jiǎn)化的數(shù)學(xué)模型，較好的解決具有曲線形狀的盤(pán)類零件的表面熱處理問(wèn)題。根據(jù)工藝需要，可隨時(shí)編程或修改工藝參數(shù),以滿足不同類型零件的感應(yīng)熱處理。通過(guò)屏幕顯示，可在線跟蹤淬火的全過(guò)程，大大提高了零件的淬火質(zhì)量?？梢圆捎猛ㄓ酶袘?yīng)器進(jìn)行感應(yīng)淬火，成本大大降低，具有較好的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

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