【正文】 數(shù)據(jù)存儲單元[9]等，其中處理器的性能決定了HMI產(chǎn)品的性能高低，是HMI的核心單元，其軟件構(gòu)成如圖34所示：圖34 人機(jī)界面軟件構(gòu)成根據(jù)HMI的產(chǎn)品等級不同，處理器可分別選用8位、16位、32位的處理器。表31 M點(diǎn)定義對應(yīng)M點(diǎn)定義備注M0啟動M1機(jī)械臂第一次上升M2滑行臺前進(jìn)M3機(jī)械臂下降M4加熱淬火并旋轉(zhuǎn)M5機(jī)械臂第二次上升M6噴液并旋轉(zhuǎn)M7行車倒退2．I/O分配表：輸入信號為各控制按鈕和行程開關(guān)，輸出信號為驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)動的線圈和相應(yīng)的指示燈。機(jī)床運(yùn)動軸3個，其中第1軸為機(jī)械臂移動軸，第2軸為工件旋轉(zhuǎn)軸，第3軸為感應(yīng)器的前后運(yùn)動軸 控制要求：按下SB1,機(jī)械臂上升，碰到SQ5時(shí)上升停止，同時(shí)M2接通，行車前進(jìn)，前進(jìn)到SQ1處時(shí)，前進(jìn)停止，同時(shí)M3接通，機(jī)械臂下降，下降到SQ6時(shí)，下降停止,旋軸旋轉(zhuǎn)，T0開始計(jì)時(shí)，加熱淬火200s,T0定時(shí)到，M5接通，機(jī)械臂上升，上升到SQ5處時(shí)，上升停止，旋軸旋轉(zhuǎn)，T1開始計(jì)時(shí)，工件停留100s, 噴液機(jī)噴液，T1時(shí)間到，M7接通，行車倒退，工件冷卻。EH作浮點(diǎn)運(yùn)算，PID運(yùn)算[8]，時(shí)鐘功能，高速計(jì)數(shù)和脈沖輸出，定位控制很不錯的。一般應(yīng)用選DVPES 或者SS就行了。通過DVPEH2系列主機(jī)程式以指令FROM/TO來讀寫模塊內(nèi)的數(shù)據(jù)。又本模塊主要用于帶伺服電機(jī)[17]，用作脈沖輸出，32足夠，所以我們選用DVPEH2型PLC，DVP06XAH2模擬輸入/輸出混合模塊包含可接受外部4點(diǎn)模擬信號輸入（電壓或電流皆可），將其轉(zhuǎn)換成12位的數(shù)字信號。前面提到綜合考慮多方面因素，我們選擇臺達(dá)PLC來進(jìn)行本次設(shè)計(jì)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，對于一般開關(guān)量控制系統(tǒng)，用戶程序所需存儲器的容量等于I/O總數(shù)乘以8；對于只有模擬量輸入的控制系統(tǒng)[16]，每路模擬量需要100個存儲器字；對于既有模擬量輸入又有模擬量輸出的控制系統(tǒng)，每路模擬量需要200個存儲器字。一般來說，我們可以根據(jù)生產(chǎn)工藝要求，確定I/O點(diǎn)數(shù)和I/O點(diǎn)的類型（數(shù)字量、模擬量等），并列出I/O點(diǎn)清單。臺達(dá)PLC：可靠性強(qiáng)、抗干擾能力強(qiáng)；平均故障間隔時(shí)間長，故障修復(fù)時(shí)間短；適用性強(qiáng)，控制程序可變，減少了控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及施工的工作量[4]。西門子PLC：德國西門子公司生產(chǎn)的可編程程序控制器，在我國的應(yīng)用相當(dāng)廣泛，在冶金、化工、印刷生產(chǎn)線等領(lǐng)域都有應(yīng)用，西門子公司的PLC產(chǎn)品包括LOGO,S7200，S7300，S7400，工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，HMI人機(jī)界面，工業(yè)軟件等。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定采用一個25個腳的DB25連接器，對連接器的每個引腳的信號內(nèi)容加以規(guī)定，還對各種信號的電平加以規(guī)定，隨著設(shè)備的不斷改進(jìn)，出現(xiàn)了代替DB25的DB9接口，并且RXD接收數(shù)據(jù)，TXD發(fā)送數(shù)據(jù)，SG信號地，外圍接線圖如圖32所示。圖31 系統(tǒng)總體框圖其中PLC和HMI通過RS232通信線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸[15]。 系統(tǒng)總體框圖基于三菱PLC的感應(yīng)淬火[5]控制系統(tǒng)的總體框圖如下圖31所示，控制系統(tǒng)包含常規(guī)的開關(guān)量輸入輸出、模擬量輸入輸出、位置控制等功能。工件移動采用伺服電動機(jī)[5]驅(qū)動，PLC控制，同時(shí)控制電源啟動與停止、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，因此整個淬火過程分為3個階段：淬火、噴液、冷卻，3個區(qū)域同時(shí)獨(dú)立運(yùn)行。圖23 設(shè)計(jì)原理圖 方案分析本設(shè)計(jì)要求在生產(chǎn)過程對工件的淬火加熱通過觸摸屏進(jìn)行顯示與控制，并對運(yùn)行狀況進(jìn)行監(jiān)視、保護(hù)。 本設(shè)計(jì)采用HMI和PLC實(shí)現(xiàn)對曲軸感應(yīng)加熱裝置的控制，圖22所示為數(shù)控系統(tǒng)控制框圖，GP477R為帶觸摸屏的顯示操作終端，用于系統(tǒng)參數(shù)、淬火過程工藝參數(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。6．淬火完成，整個淬火過程在觸摸屏上可以顯示和控制。4．加熱時(shí)間到后，伺服電動機(jī)啟動，帶動曲軸上升，上升到一定位置，延時(shí)一段時(shí)間，進(jìn)行淬火冷卻。2．滑行臺前進(jìn)到一定位置，將曲軸送入到加熱位置，觸碰到限位開關(guān)，前進(jìn)停止，同時(shí)旋轉(zhuǎn)電機(jī)啟動。圖21 感應(yīng)加熱表面淬火原理圖 淬火工藝流程曲軸的感應(yīng)淬火生產(chǎn)線主要分成加熱區(qū)、噴液區(qū)和冷卻區(qū)3個部分，這三個部分分別受伺服電動機(jī)，移動電動機(jī)，旋轉(zhuǎn)電動機(jī)控制。在加熱層溫度超過鋼的臨界點(diǎn)溫度后迅速冷卻，即可實(shí)現(xiàn)表面淬火。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。交變磁場的電磁感應(yīng)作用使工件內(nèi)產(chǎn)生閉合的感應(yīng)電流──渦流。在加熱層溫度超過鋼的臨界點(diǎn)溫度后迅速冷卻，即可實(shí)現(xiàn)表面淬火。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。一般將工件放到感應(yīng)器內(nèi)，感應(yīng)器一般是由輸入中頻或者高頻的交流電組成的空心銅管。在感應(yīng)加熱時(shí)，零件就會做切割磁感線運(yùn)動，根據(jù)電法拉第電磁感應(yīng)原理，變化著的磁場就會產(chǎn)生變化的電場，在閉合的導(dǎo)體中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，電動勢在零件表面形成一個閉合的電流回路，這種電流稱為渦流[1]。 感應(yīng)加熱基本原理 電流周圍存在有磁場，當(dāng)導(dǎo)體中通有電流時(shí)，在導(dǎo)體周圍就會產(chǎn)生磁場。圖11 曲軸的構(gòu)造 感應(yīng)加熱簡介 感應(yīng)加熱分類根據(jù)交變電流的頻率高低的不同，感應(yīng)加熱表面淬火的加熱方式有高頻感應(yīng)加熱、中頻感應(yīng)加熱、工頻感應(yīng)加熱，其加熱的頻率如下介紹：1．高頻感應(yīng)加熱電流頻率選擇范圍25~300千赫，加熱層極薄，~，可用于齒輪、汽缸套、凸輪、軸等零件的表面淬火。工件的熱處理和淬火過程對于曲軸的整體性能起著相當(dāng)重要的作用。曲軸的旋轉(zhuǎn)可以帶動發(fā)動機(jī)的啟動，也可以帶動各種機(jī)械設(shè)備的旋轉(zhuǎn)和工作。其材料是由碳素結(jié)構(gòu)鋼或球墨鑄鐵制成的，有兩個重要部位：主軸頸，連桿頸。設(shè)計(jì)出合適的觸摸屏和編寫好正確的PLC程序，將二者之間通過RS232通訊電纜進(jìn)行連接，然后進(jìn)行模擬，通過查閱資料和向老師請教，解決設(shè)計(jì)過程中遇到的問題，使設(shè)計(jì)能夠順利的完成。在觸摸屏面控制面板上還可以設(shè)置一些非常便利有用的功能，比如：登陸界面設(shè)置一些權(quán)限，防止非專業(yè)操作人員的誤操作而發(fā)生生產(chǎn)事故；報(bào)警功能，系統(tǒng)自動檢測設(shè)備運(yùn)行中產(chǎn)生的故障，并在運(yùn)行不正常的時(shí)候通過報(bào)警通知操作人員排查故障，降低損失，淬火監(jiān)控畫面顯示等功能。然而為了增加生產(chǎn)效率和提高產(chǎn)品的質(zhì)量，更好的完成淬火流程，人們試著通過觸摸屏來完成人機(jī)互換，利用觸摸屏與PLC的結(jié)合來完成曲軸感應(yīng)加熱生產(chǎn)的控制，在觸摸屏上設(shè)置相應(yīng)的擦操作按鈕，與PLC相連接，實(shí)現(xiàn)對操作設(shè)備的自動控制，這樣可以減少PLC控制設(shè)備的面板按鈕和其他部件的操作。很多大型機(jī)械設(shè)備的生產(chǎn)都會用到PLC對其生產(chǎn)進(jìn)行控制，但是現(xiàn)場操作設(shè)備的復(fù)雜，增加了操作人員的負(fù)擔(dān)，不僅需要他們在現(xiàn)場對其操作，而且還需要掌握很多的操作方式，這樣即增加了誤操作的概率，使設(shè)備在運(yùn)行過程中出現(xiàn)故障，也對于操作人員的安全也是一種威脅，特別是在加工不同工件時(shí)，需要對PLC中的程序加以更改來適應(yīng)不同工件的工藝要求，這樣就使工作人員花費(fèi)更多的腦力和體力勞動，比如編程，當(dāng)工藝參數(shù)稍微有些差錯就會造成工件的報(bào)廢，甚至導(dǎo)致多個工件達(dá)不到生產(chǎn)要求而產(chǎn)生不必要的浪費(fèi)，對于生產(chǎn)效率的提高就產(chǎn)生了一種阻礙，當(dāng)生產(chǎn)過程出現(xiàn)問題時(shí)也不容易查找問題所在，這就需要我們來設(shè)計(jì)出一種新型的感應(yīng)加熱技術(shù)。觸摸屏的自動化、智能化，PLC的強(qiáng)大的內(nèi)存功能，二者的結(jié)合提高了曲軸的淬火質(zhì)量，極大的增加了加熱裝置的應(yīng)用性，提高了生產(chǎn)效率?；赑LC的曲軸感應(yīng)加熱裝置控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘 要本設(shè)計(jì)通過觸摸屏與PLC的結(jié)合實(shí)現(xiàn)對曲軸感應(yīng)加熱的控制，在設(shè)計(jì)的觸摸屏上設(shè)置相應(yīng)的操作按鈕，這些操作按鈕的存儲器地址與PLC的地址相對應(yīng)[6]，觸摸屏接收到操作指令后，通過RS232通信電纜可以將操作信號傳送給PLC，PLC接收到正確的操作指令后，將操作信號傳送到對應(yīng)的操作設(shè)備，即可實(shí)現(xiàn)觸摸屏對曲軸的移動、旋轉(zhuǎn)、加熱、間隙、冷卻等淬火工序的控制，完成曲軸感應(yīng)淬火的特殊工藝的智能化監(jiān)控，替代了復(fù)雜而繁瑣的現(xiàn)場操作， 為曲軸感應(yīng)淬火提供全自動控制。觸摸屏與PLC的結(jié)合不僅實(shí)現(xiàn)了對曲軸感應(yīng)加熱設(shè)備的自動控制，還可以對曲軸整個淬火過程進(jìn)行智能化監(jiān)控，便于查找操作過程中出現(xiàn)的故障。關(guān)鍵詞：曲軸，感應(yīng)加熱，淬火，PLC，觸摸屏 The Control System Design of Crankshaft Induction Heating Device Based on PLCABSTRACTThis design through the bination of touch screen and PLC control system for the crankshaft induction heating, set up the corresponding action button in the design of touch screen, because the memory address of the action buttons correspond to the address of the PLC and touch screen to receive instructions, through RS232 munication cable operation signals to PLC, PLC receives the correct operation instruction, the operation signal to the corresponding equipment operation, touch screen for the movement of the crankshaft can be realized, rotating, cooling, heating, clearance control of quenching process, such as plete induction hardening crankshaft special process of intelligent monitoring, replace the scene of the plicated and tedious operation, provide full automatic control for the induction hardening bination of touch screen and PLC not only realized the automatic control of the crankshaft induction heating equipment, can also to the whole crankshaft quenching process in intelligent monitoring, easy for operation in the process of failures.The automatic and intelligent touch screen, PLC powerful memory function, improve the quenching quality of the crankshaft, the bination of both greatly increased the applicability of heating device, improve the production efficiency.KEY WORDS: Crankshaft，Induction heating，Quenching，Delta PLC，Screen Editor5目　錄前 言 1第1章 概述 3 曲軸的簡介 3 感應(yīng)加熱簡介 3 感應(yīng)加熱分類 3 感應(yīng)加熱基本原理 4第2章 曲軸感應(yīng)加熱 5 曲軸感應(yīng)淬火工藝 5 曲軸感應(yīng)淬火基本原理 5 淬火工藝流程 5 曲軸感應(yīng)淬火裝置設(shè)計(jì)方案 6 方案介紹 6 方案分析 7第3章 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與選型 9 系統(tǒng)總體框圖 9 PLC簡介 10 PLC的種類及特點(diǎn) 10 PLC選型 11 PLC資源分配 11 PLC的I/O分配表 12 PLC的I/O分配圖 13 測控點(diǎn)分析 14 臺達(dá)HMI觸摸屏 15 HMI產(chǎn)品組成及原理 15 HMI的選型 16 變頻器的選型 17第4章 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 18 HMI畫面設(shè)計(jì) 18 登陸畫面設(shè)計(jì) 18 主畫面設(shè)計(jì) 19 配方的設(shè)計(jì)與管理 20 電源參數(shù)設(shè)定畫面設(shè)計(jì) 21 溫度參數(shù)設(shè)定畫面設(shè)計(jì) 22 操作界面設(shè)計(jì) 23 系統(tǒng)模擬畫面設(shè)計(jì) 24 報(bào)警顯示畫面設(shè)計(jì) 25 系統(tǒng)目錄畫面設(shè)計(jì) 26 PLC程序控制器 26 程序流程 26 PLC程序設(shè)計(jì) 27第5章 程序調(diào)試及模擬 31 HMI模擬調(diào)試 31 登錄畫面和主畫面的模擬 31 參數(shù)設(shè)置畫面模擬 32 操作畫面模擬 34 淬火畫面模擬 35 PLC調(diào)試 35結(jié) 論 42謝 辭 43參考文獻(xiàn) 44附 錄 45外文資料翻譯 49前 言隨著社會的發(fā)展和科技的不斷進(jìn)步，對很多工件尤其是齒輪類、軸類質(zhì)量的要求越來越苛刻，這些零件在各類機(jī)械設(shè)備中起著非常重要的作用，這就要求我們對生產(chǎn)技術(shù)的要求也越來越高。目前國內(nèi)外對于通用感應(yīng)加熱淬火的研究都在朝著柔性化發(fā)展，即一臺加熱設(shè)備可以完成多種工件的不同工藝參數(shù)的淬火加工， 國外已經(jīng)生產(chǎn)處很多先進(jìn)的淬火機(jī)床，幾乎全是自動化操作[19]，優(yōu)先的科學(xué)技術(shù)，先進(jìn)的熱處理技術(shù)，我國的熱處理生產(chǎn)技術(shù)仍很落后生產(chǎn)設(shè)備與世界先