【正文】 雙工位感應(yīng)淬火機(jī)床控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘 要感應(yīng)熱處理具有高效、節(jié)能、便于自動(dòng)化等許多優(yōu)點(diǎn)。50年代初,我國(guó)在機(jī)床制造及紡織機(jī)械工廠開始使用高頻及中頻電源進(jìn)行感應(yīng)淬火。30多年來(lái),我國(guó)感應(yīng)熱處理技術(shù)有了很大發(fā)展,表現(xiàn)在感應(yīng)熱處理零件能夠成倍增長(zhǎng),電源設(shè)備、淬火機(jī)床、感應(yīng)器不斷改進(jìn),新工藝陸續(xù)用于生產(chǎn),感應(yīng)熱處理技術(shù)不斷得到提高，但從客觀角度來(lái)看，我國(guó)現(xiàn)有的熱處理技術(shù)仍需改進(jìn)。淬火機(jī)床的工作原理，利用PLC實(shí)現(xiàn)了感應(yīng)淬火機(jī)床專用數(shù)控系統(tǒng)，并給出了系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，同時(shí)詳細(xì)介紹了位置控制、手動(dòng)操作、脈沖補(bǔ)償、參數(shù)設(shè)置與顯示、急停等程序設(shè)計(jì)。感應(yīng)熱處理是一種清潔熱處理方式，符合現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)的3S標(biāo)準(zhǔn)(Sure—可靠、Safe—安全、Saving—節(jié)約)，在國(guó)內(nèi)外機(jī)械熱處理行業(yè)已廣泛應(yīng)用。由于感應(yīng)熱處理機(jī)床控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與金屬熱處理工藝密切相關(guān)，傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)很難滿足需要，因此本設(shè)計(jì)主要是基于臺(tái)達(dá)PLC的雙工位感應(yīng)淬火機(jī)床控制系統(tǒng)。本文以感應(yīng)加熱原理為基礎(chǔ)，主要介紹熱處理的發(fā)展及基本原理，硬件的選型與設(shè)計(jì)，及HMI觸摸屏的程序設(shè)計(jì)。關(guān)鍵詞：感應(yīng)熱處理，感應(yīng)淬火機(jī)床，臺(tái)達(dá)PLC，HMI觸摸屏，程序設(shè)計(jì)Dual induction hardening machine control system designABSTRACTInduction heat treatment has the advantages of high efficiency, energy saving, convenient automation and many other advantages. At the beginning of 50 time, our country is in machine manufacture and textile machinery factory started using high frequency and medium frequency power supply for induction hardening. Over the past 30 years, our country of induction heat treatment technology has achieved great development, performance in induction heat treatment parts can grow exponentially, power equipment, quenching machine for continuous improvement, sensors, used in the production of new technology in succession, of induction heat treatment technology is constantly improving, but from objective angle of view, China39。s existing heat treatment technique needs improvement. Quenching machine principle of work, the use of PLC realize the induction quenching machine tool NC system, and gives the hardware design of the system, and introduces in detail the position control, manual operation, pulse pensation, parameter setting and display, stop and program design.Induction heat treatment is a clean way of heat treatment, with the modernization of industrial production of3S standard ( Sure , Safe , Saving reliable safety save ), As a result of induction heat treatment machine control system design and metal heat treatment process is closely related to, the traditional NC system is difficult to meet the need, so the design is mainly based on Delta PLC dual induction quenching machine tool control system. Based on the principle of induction heating as the basis, mainly introduces the development and basic principle of heat treatment, the selection of hardware and design, and HMI touch screen program design.KEY WORDS： induction heating, induction hardening machine, Delta PLC,HMI touch screen, programming design7目　錄前言 1第1章 概述 2 2 感應(yīng)加熱分類 2 感應(yīng)加熱特點(diǎn)與應(yīng)用 3 3 3 淬火機(jī)床控制系統(tǒng) 3 6 7第2章 硬件選型與設(shè)計(jì) 8 8 PLC選型 8 PLC目前的主要品牌及特點(diǎn) 8 PLC的選型 9 伺服電動(dòng)機(jī) 10 作用 10 優(yōu)點(diǎn) 10 變頻器 11 基本原理 11 變頻器的選型 11 臺(tái)達(dá)HMI觸摸屏 12 HMI產(chǎn)品組成及原理 12 HMI的選型 13 PLC資源分配 14 21第3章 程序設(shè)計(jì) 23 主畫面設(shè)計(jì) 23 自動(dòng)運(yùn)行畫面設(shè)計(jì) 24 手動(dòng)運(yùn)行畫面設(shè)計(jì) 24 系統(tǒng)參數(shù)畫面設(shè)計(jì) 26 淬火參數(shù)畫面設(shè)計(jì) 27 工件型號(hào)選擇畫面設(shè)計(jì) 28結(jié)論 30謝 辭 31參考文獻(xiàn) 32外文資料翻譯 33前言目前我國(guó)的熱處理生產(chǎn)技術(shù)仍很落后，生產(chǎn)設(shè)備與世界先進(jìn)水平有2030年之差距，專業(yè)化熱處理廠數(shù)目與世界發(fā)達(dá)國(guó)家如美國(guó)相比相差35倍，生產(chǎn)效率比美國(guó)低26倍，設(shè)備利用率僅為30%，電耗卻高于美國(guó)40%，其電耗平均每噸比日本和歐美要多23倍。且由熱處理帶來(lái)的環(huán)境污染問(wèn)題十分嚴(yán)重，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)我國(guó)熱處理業(yè)每年約有5000噸淬火油因蒸發(fā)或局部燃燒造成CH化合物，CO及煙塵；有約9000噸廢淬火油因排放不當(dāng)而污染水質(zhì)，為促進(jìn)我國(guó)熱處理技術(shù)的發(fā)展，我們應(yīng)大力發(fā)展先進(jìn)的熱處理新技術(shù)、新工藝、新材料、新設(shè)備，用高新技術(shù)改造傳統(tǒng)的熱處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)“優(yōu)質(zhì)、高效、節(jié)能、降耗、無(wú)污染、低成本、專業(yè)化生產(chǎn)”，目前來(lái)說(shuō)，我國(guó)應(yīng)大力發(fā)展感應(yīng)熱處理，感應(yīng)熱處理是一種清潔、高效、環(huán)保、低能耗的熱處理方式，是用感應(yīng)電流使工件局部加熱的表面熱處理工藝，它體現(xiàn)著今熱處理行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。感應(yīng)淬火加熱裝備包含感應(yīng)淬火機(jī)床，感應(yīng)加熱電源，淬火變壓器，感應(yīng)線圈，水循環(huán)系統(tǒng)等。本設(shè)計(jì)主要是基于臺(tái)達(dá)PLC的雙工位感應(yīng)淬火機(jī)床控制系統(tǒng)。本文主要介紹熱處理的發(fā)展及基本原理，硬件的選型與設(shè)計(jì)，和基于HMI觸摸屏的程序設(shè)計(jì)。 第1章 概述用感應(yīng)電流使工件局部加熱的表面熱處理工藝。這種熱處理工藝常用于表面淬火，也可用于局部退火或回火，有時(shí)也用于整體淬火和回火。 基本原理: 將工件放入感應(yīng)器(線圈)內(nèi),當(dāng)感應(yīng)器中通入一定頻率的交變電流時(shí)，周圍即產(chǎn)生交變磁場(chǎng)［１］。交變磁場(chǎng)的電磁感應(yīng)作用使工件內(nèi)產(chǎn)生封閉的感應(yīng)電流──渦流。感應(yīng)電流在工件截面上的分布很不均勻，工件表層電流密度很高，向內(nèi)逐漸減小（沿工件截面的電流密度分布）,這種現(xiàn)象成為集膚效應(yīng)［２］。工件表層高密度電流的電能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，使表層的溫度升高，即?shí)現(xiàn)表面加熱。電流頻率越高，工件表層與內(nèi)部的電流密度差則越大，加熱層越薄。在加熱層溫度超過(guò)鋼的臨界點(diǎn)溫度后迅速冷卻，即可實(shí)現(xiàn)表面淬火。 感應(yīng)加熱分類根據(jù)交變電流的頻率高低，可將感應(yīng)加熱熱處理分為超高頻、高頻、超音頻、中頻、工頻5類。（1）超高頻感應(yīng)加熱熱處理所用的電流頻率高達(dá)27兆赫，加熱層極薄，可用于圓盤鋸等形狀復(fù)雜工件的薄層表面淬火［３］。（2）高頻感應(yīng)加熱熱處理所用的電流頻率通常為200～300千赫,～2毫米,可用于齒輪、汽缸套、凸輪、軸等零件的表面淬火。（3）超音頻感應(yīng)加熱熱處理所用的電流頻率一般為20～30千赫，用超音頻感應(yīng)電流對(duì)小模數(shù)齒輪加熱，加熱層大致沿齒廓分布，粹火后使用性能較好。（4）～10千赫,加熱層深度為2～8毫米，多用于大模數(shù)齒輪、直徑較大的軸類和冷軋輥等工件的表面淬火［４］。（5）工頻感應(yīng)加熱熱處理所用的電流頻率為50～60赫，加熱層深度為10～15毫米，可用于大型工件的表面淬火。 感應(yīng)加熱特點(diǎn)與應(yīng)用感應(yīng)加熱的主要優(yōu)點(diǎn)是：（1）不必整體加熱，工件變形小，電能消耗小。（2）無(wú)公害。（3）加熱速度快，工件表面氧化脫碳較輕。（4）表面淬硬層可根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整，易于控制。（5）加熱設(shè)備可以安裝在機(jī)械加工生產(chǎn)線上，易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化，便于管理，且可減少運(yùn)輸，節(jié)約人力，提高生產(chǎn)效率。（6）淬硬層馬氏體組織［５］較細(xì)，硬度、強(qiáng)度、韌性都較高。（7）表面淬火后工件表層有較大壓縮內(nèi)應(yīng)力，工件抗疲勞破斷能力較高。同時(shí)，感應(yīng)熱處理也存在一些不足：與火焰淬火相比，感應(yīng)加熱設(shè)備較復(fù)雜，而且適應(yīng)性較差，對(duì)某些形狀復(fù)雜的工件難以保證質(zhì)量。感應(yīng)加熱廣泛用于齒輪、軸、曲軸、凸輪、軋輥等工件的表面淬火，目的是提高這些工件的耐磨性和抗疲勞破斷的能力。汽車后半軸采用感應(yīng)加熱表面淬火，設(shè)計(jì)載荷下的疲勞循環(huán)次數(shù)比用調(diào)質(zhì)處理約提高10倍。感應(yīng)加熱表面淬火的工件材料一般為中碳鋼。為適應(yīng)某些工件的特殊需要，已研制出供感應(yīng)加熱表面淬火專用的低淬透性鋼。高碳鋼和鑄鐵制造的工件也可采用感應(yīng)加熱表面淬火。淬冷介質(zhì)常用水或高分子聚合物水溶液。 淬火機(jī)床控制系統(tǒng)構(gòu)成淬火機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的方案可以有多種：以單片機(jī)為核心構(gòu)成簡(jiǎn)易數(shù)控系統(tǒng)、以PCBased計(jì)算機(jī)（如一體化工作站）為核心構(gòu)成數(shù)控系統(tǒng)以及以PLC為核心構(gòu)成的數(shù)控系統(tǒng)等。以PCBased計(jì)算機(jī)為核心構(gòu)成的數(shù)控系統(tǒng)更容易實(shí)現(xiàn)智能化和網(wǎng)絡(luò)化；以PLC為核心構(gòu)成的數(shù)控系統(tǒng)可靠性更高，若與HMI配合，也可以實(shí)現(xiàn)智能化和網(wǎng)絡(luò)化。因此，本數(shù)控系統(tǒng)由HMI和PLC構(gòu)成。（1）可編程序控制器（PLC）PLC 英文全稱Programmable Logic Controller，中文全稱為可編程邏輯控制器。定義是：一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算操作電子系統(tǒng)［７］。它采用一種可編程的存儲(chǔ)器，在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，通過(guò)數(shù)字式或模擬式的輸入輸出來(lái)控制各種類型的機(jī)械設(shè)備或生產(chǎn)過(guò)程。 可編程控制器是計(jì)算機(jī)技術(shù)與自動(dòng)化控制技術(shù)相結(jié)合而開發(fā)的一種適用工業(yè)環(huán)境的新型通用自動(dòng)控制裝置，是作為傳統(tǒng)繼電器的替換產(chǎn)品而出現(xiàn)的。隨著微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，可編程控制器更多地具有了計(jì)算機(jī)的功能，不僅能實(shí)現(xiàn)邏輯控制，還具有了數(shù)據(jù)處理、通信、網(wǎng)絡(luò)等功能。由于它可通過(guò)軟件來(lái)改變控制過(guò)程，而且具有體積小、組裝維護(hù)方便、編程簡(jiǎn)單、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制的各個(gè)領(lǐng)域，大大推進(jìn)了機(jī)電一體化的進(jìn)程。 （2）數(shù)控系統(tǒng)（CNC）CNC英文全稱Computer numerical control，中文全稱為計(jì)算機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)。它是采用微處理器或?qū)Ｓ梦C(jī)的數(shù)控系統(tǒng)，由事先存放在存儲(chǔ)器里系統(tǒng)程序（軟件）來(lái)實(shí)現(xiàn)控制邏輯，實(shí)現(xiàn)部分或全部數(shù)控功能，并通過(guò)接口與外圍設(shè)備進(jìn)行聯(lián)接，稱為計(jì)算機(jī)數(shù)控，簡(jiǎn)稱CNC系統(tǒng)。 數(shù)控機(jī)床是以數(shù)控系統(tǒng)為代表的新技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)機(jī)械制造產(chǎn)業(yè)的滲透形成的機(jī)電一體化產(chǎn)品；其技術(shù)范圍覆蓋很多領(lǐng)域：①機(jī)械制造技術(shù)；②信息處理、加工、傳輸技術(shù)；③自動(dòng)控制技術(shù)；④伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)；⑤傳感器技術(shù)；⑥軟件技術(shù)等。（3）工控PC主機(jī)是系統(tǒng)的核心圖11是PCI1751為48路TTL電平并行輸入輸出板，其中32路設(shè)置為輸入，用于操作按鈕輸入，包括啟動(dòng)、暫停、急停按鈕，三個(gè)工位手動(dòng)加熱、噴液、旋轉(zhuǎn)、切換，轉(zhuǎn)臺(tái)快速正反轉(zhuǎn)、慢速正反轉(zhuǎn)，三個(gè)工位工件快速上升下降、慢速上升下降等；16路設(shè)置為輸出，用于轉(zhuǎn)臺(tái)及三個(gè)工位步進(jìn)電機(jī)控制。PCL－724為TTL電平輸入板，用于對(duì)到位、缺料、缺水、頂尖異常等信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，由于板上無(wú)電平轉(zhuǎn)換和信號(hào)隔離功能，而接近開關(guān)電平為24V，所以使用PCLD－785作為輸入電平轉(zhuǎn)換和信號(hào)隔離電路；PCLD－885為16路高功率繼電器輸出板，具有極強(qiáng)的輸出驅(qū)動(dòng)能力。圖11 48路TTL電平并行輸入輸出板觸點(diǎn)容量為交流220V5A；PCL720為64路開關(guān)量輸入輸出板，在這里主要與PCLD－885一起，實(shí)現(xiàn)對(duì)旋轉(zhuǎn)電機(jī)進(jìn)行控制，同時(shí)控制各工位切換、加熱、噴液、吹堵、回火（4）HMI和PLC 圖12 中，GP477R為帶觸摸屏的顯示操作終端，用于系統(tǒng)參數(shù)、淬火過(guò)程工藝參數(shù)顯示和輸入；FX2N128MR為三菱PLC，用于機(jī)床開關(guān)量輸入輸出控制、加熱噴液定時(shí)控制等；FX2N2AD用于加熱電源實(shí)際輸出電壓和電流檢測(cè)輸入；FX2N2DA用于工件轉(zhuǎn)速和加熱電源輸出電壓控制輸出；FX2N20GM用于工件或變壓器等升降定位控制。因此，本數(shù)控系統(tǒng)由HMI和PLC構(gòu)成。圖12 數(shù)控系統(tǒng)感應(yīng)加熱熱處理的設(shè)備主要由