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基于现场总线的感应淬火机床控制系统设计

发布者:admin 浏览次数:872 发布日期:2011-4-20 21:46:37

摘要:介绍了基于以太网和现场总线(RS485)的感应淬火机床 控制系统的硬、软件设计,并简单叙述了远程修改淬火参数和线程技术应用。
关键词:以太网;RS485;数控系统;工控PC;线程

The design of a fieldbusbased induction heating treatment mac hine tool control system
GE Yunwang1,ZHAO Zunqun1,ZHANG Zongjie2,SHEN Wen jie1
(Luo Yang Technology College,Henan Luoyang 471003,China)
Abstract:This paper presents the fieldbusba sed induction heating treatment center,CNC system including hardware and softwar e,the method of remote parameter modification and the design method of multithre ad.
Keywords:Ethernet;RS485;numerical control system;industrial co ntrol personal computer;multithread

0前言

近年来,随着计算机网络的发展,企业资源计划(ERP)的应用已日渐普及,制 造执行系统(MES)的研究和应用也得到业界的高度重视。感应热处理机床是一种清洁热处理 设备,符合现代化工业生产的3S标准(Sure—可靠,Safe—安全,Saving—节约),又可以安 装在生产线上进行在线金属热处理,在国内外机械热处理行业已广泛应用,在制造多功能回 转式淬火机床时,笔者研制了支持现场总线的数控系统使机床支持工业以太网,进而可以与 车间级网络进行信息交换,并进行远程淬火参数设置。

1多功能回转式淬火机床简介

感应加热是利用电磁感应的方法对导体材料进行加热。其主要优点是 “效率 高、成本低、节能、易于实现自动控制。金属热处理的感应加热设备主要包括:加热电源、 感应热处理机床、感应器和淬火变压器。

多功能回转式淬火机床是一条具有完善保护功能的自动加工线,采用回转式结构,使上、下 料在同一个工位位置完成,操作方便;该机床可以同时加工同一种零件上的3个不同表面, 做到一个工件在一台淬火机床上一次完成淬火,且每个加工工位参数设置有一定的柔性冗余 ,可以实现各种淬火方式,如同时、连续、连续同时以及多段淬火等,主要应用在汽车、摩 托车制造行业,以满足其多品种、小零件的淬火处理。

1.1一体化设计

为了减少占地面积和安装周期,采用一体化设计,即将机床与淬火液循环系统、冷 却液循系统、加热电源和淬火变压器集成于一体,其层次结构如图1所示。

从图1可以看出,在高度方向上该机床结构分为3层,上支板以上为转盘、夹 具、淬火液回收槽等,上支板①与中支板②之间为运动部件,中支板②与底座③之间为执 行部 件(电机)和减速机。这种结构形式能有效地防止淬火剂对某些机(电)部件的不良影响,同时 便于部件的拆装维修。

1.2生产线化

多功能感应淬火机床采用9工位回转式结构,其中3个工位为加工工位,图2为工位 分布及流程示意图,图中A、B、C为3个上下料工位,A′、B′、C′ 为3个加工工位,可以对同一个工件的3个不同部位进行淬火(回火),也可以对3个 不同的工件或3个相同的工件进行独立淬火(相当于3台机床),转盘可以分度40°、80°、12 0°以适应不同工件的淬火要求。

2数控系统设计

多功能回转式感应淬火机床要求:①3个加工工位同时独立运行;②连续淬火 时速度连续变化不停顿;③具有3个工位下降不到位和转台不到位自纠正功能。常规的数控 系统无法满足这些功能,现自行研制的基于工控PC的数控系统,在Windows 2000下利用线程 技术实现了上述功能。

2.1硬件总体设计

图3给出了系统总体设计框图,3个工位的工件升降定位由步进电机控制,3个 工位的旋转由变频器控制,转台分度及定位由步进电机控制。

工控PC是系统的核心,一方面对机床各运动部件进行检测与控制,另一方面通过网卡与车间 级网络相连,使系统可以利用远程计算机输入淬火参数,也可以显示机床工作情况;PCI-1 240用于步进电机速度和定位控制,同时检测步进电机各种异常信号;PCI-1751为48路TTL 电平并行输入输出板,其中32路设置为输入,用于操作按钮输入,包括启动、暂停、急停按 钮,3个工位手动加热、喷液、旋转、切换,转台快速正反转、慢速正反转,3个工位工件快 速上升下降、慢速上升下降等;16路设置 为输出,用于转台及3个工位步进电机使能控制。PCL-724为TTL电平输入板,用于对到位、 缺料、缺水、顶尖异常等信号进行检测,由于板上无电平转换和信号隔离功能,而接近开关 为24 V,所以使用PCLD-782作为输入电平转换和信号隔离电路;PCLD-885为16路高功率 继电器输出板,具有极强的输出驱动能力,触点容量为交流220V 5A;PCL720为64路开关量 输 入输出板,在这里主要与PCLD-885一起,控制各工位切换、加热、喷液、吹堵、回火。

PCI-1601为RS232转RS485接口板,主要用于与变频器FR-E500连接,控制工件旋转电机的 转速,并监视变频器的运行状态,其连接线路如图4所示。

图4中R为终端匹配电阻,阻值为100 Ω。由于传送速度和传送距离等原因, 有可能受到反射的影响,故设此电阻。

2.2软件设计

系统软件设计主要考虑软件的通用性、可靠性和易用性。为此着重考虑以下几个问 题:①3个工位独自使用加热电源以及3个工位共享加热电源时切换功能;②3个工位同时独 立运行软件设计,并具有同时、连续扫描、分段同时、分段连续扫描等多种淬火功能;③应 可以存储百个以上的工件淬火程序,工件管理、查询方便;④参数输入方便,无需编程,不 懂计算机的人可以完成工件参数的输入;⑤在线帮助功能,随时操作提示;⑥故障自诊断、 故障报警提示功能。
图5给出了系统软件设计总体框图。

进入主程序后,系统定时检查操作面板【自动/手动】、【启动】、【急停】等按钮状态, 并触发相应事件;自动状态下系统主要完成工件管理、淬火参数设置、转台参数设置、步进 电机加速度设置以及自动淬火功能;手动方式下,系统主要完成各工位手动 操作、转台手动操作、A B C 3工位及转台零位设置、自动回零位功能和手动参数设置。工 件 选择在工件管理画面中完成,选定工件以后,系统首先检查各工位参数文件是否存在,若不 存在,自动创建各工位参数文件名,并设置禁止运行标志同时给出提示。各工位淬火参数设 置完后,系统自动取消禁止运行标志。总体框图中没有画出程序退出部分,软件退出包括两 种退出方式,一种是返回Windows2000桌面,一种是直接退出操作系统即关机。

2.2.1工件参数动态分配

工件参数以数组形式传送给A B C各加工工位的执行程序,由于淬火程序步数无法确定,数 组 的下标也就无法确定,因此系统采用数组动态创建技术,使数组的下标跟随工件参数数据库 的记录数的变化而变化。

2.2.2线程技术

由于3个工位同时运行,系统设置4个线程,3个线程用于A、B、C 3个工位淬火,一个线程用 于各工位运行状态指标,转台分度由主程序完成;在淬火过程中,出现异常情况,系统立即 退出淬火程序,并进行报警,某个工位出现异常,不影响其它工位运行;若出现工位下降不 到位或转盘分度不到位的情况,系统自动找位。

2.2.3远程参数修改

考虑到成本的问题,程序没有采用C/S结构,也不支持远程ODBC,为了支持远程修改淬火参 数,可以在远端计算机上安装本软件,对参数文件修改后将参数文件复制到机床控制计算机 ,而后在机床控制计算机上退出应用程序并重新运行。

3结论

小型感应热处理中心是综合了国际上感应热处理机床的紧凑化、柔性化、多 轴化、生产线化、计算机化等方面的一些要点研制的9工位感应热处理中心,在国内已应用 于摩托车曲柄的淬火与回火,并于2001年9月通过了河南省科委主持的技术鉴定,经专家测 试,机床升降重复定位精度≤±0.03 mm,分度定位精度≤±0.02°,工件移动速度1~30 0 mm/s。与某厂进口的类似机床(一台电源带3台淬火机床)相比,小型感应热处理加工中心 在功能、价格、结构、占地面积、工人劳动强度、加工效率等方面明显优于进口同类机床, 在故障诊断与保护方面与进口同类机床相当。该机床样机在2001年10月份北京国际热处理展 览会上展出,得到了业内人士的一致好评。

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