單齒感應(yīng)淬火中的自動(dòng)控制技術(shù)

莊淑君

（洛陽理工學(xué)院 電氣工程與自動(dòng)化系，洛陽 471023）

0 引言

在機(jī)械加工的許多領(lǐng)域需要對(duì)各類大中型齒輪進(jìn)行單齒淬火，這就需要根據(jù)隨機(jī)齒數(shù)的特點(diǎn)，在圓周表面隨機(jī)自動(dòng)均勻分度，以實(shí)現(xiàn)對(duì)單齒齒部感應(yīng)淬火準(zhǔn)確定位。傳統(tǒng)的分度是采用定位卡盤和定位銷的機(jī)械構(gòu)件進(jìn)行分度定位，對(duì)不同型號(hào)工件，需多套與之配套的定位卡盤。隨著定位卡盤和定位銷使用次數(shù)的增加，存在著機(jī)械磨損，導(dǎo)致不能準(zhǔn)確均勻分度，造成無法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)對(duì)齒輪單齒感應(yīng)淬火。

實(shí)現(xiàn)單齒感應(yīng)淬火自動(dòng)控制的關(guān)鍵技術(shù)，是根據(jù)齒輪齒數(shù)不同，采用智能隨機(jī)自動(dòng)分度，實(shí)現(xiàn)圓周表面上對(duì)各齒的準(zhǔn)確定位。基于可編程序控制器PLC的智能隨機(jī)自動(dòng)分度，是利用其功能指令中脈沖輸出指令控制步進(jìn)電機(jī)；并通過軟件編程技巧消除均勻分度的累積誤差，從而可智能、隨機(jī)、精密、自動(dòng)分度，實(shí)現(xiàn)對(duì)各單齒的準(zhǔn)確定位控制，以滿足齒輪單齒感應(yīng)淬火自動(dòng)化、智能化的要求。

此智能自動(dòng)分度技術(shù)具有以下特點(diǎn):

1）根據(jù)齒輪齒數(shù)，在操作面板上直接通過三位撥碼開關(guān)輸入隨機(jī)分度位數(shù)（范圍在999個(gè)之內(nèi)）。

2）可編程序控制器PLC根據(jù)輸入的齒輪齒數(shù)形成的分度位數(shù)值，通過精確運(yùn)算處理，輸出一定的脈沖量，從而控制步進(jìn)電機(jī)準(zhǔn)確定位。若選取步進(jìn)電機(jī)的步距角為A°，步進(jìn)電機(jī)不加細(xì)分控制時(shí)，控制精度可達(dá)到A°/N；步進(jìn)電機(jī)加入細(xì)分控制時(shí),理論控制精度最高可達(dá)的A°/N／M。（其中N為傳動(dòng)裝置的傳動(dòng)比，M為細(xì)分值。）

3）對(duì)在分度運(yùn)算中存在余數(shù)造成的累積誤差，進(jìn)行軟件編程實(shí)現(xiàn)消除處理，確保均勻分度的精確控制。

1 單齒感應(yīng)淬火工藝程序

在機(jī)械加工領(lǐng)域，許多中大型齒輪需要單齒感應(yīng)淬火。風(fēng)力發(fā)電裝置中的回轉(zhuǎn)支撐零件外齒輪單齒感應(yīng)淬火，就是一個(gè)較為突出的例子。其感應(yīng)淬火過程是：零件放置在旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)上，然后對(duì)工作臺(tái)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)自動(dòng)均勻分度，接著感應(yīng)器進(jìn)給到對(duì)應(yīng)的單齒齒部，在感應(yīng)器上升中開始對(duì)齒部進(jìn)行加熱、噴液，從而完成一個(gè)齒部的淬火。整個(gè)齒輪感應(yīng)淬火工藝程序如圖1所示。

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

輸入點(diǎn)： X1：原點(diǎn)，X2：自動(dòng)，X3：手動(dòng)， X4：啟動(dòng)， X5：分度正反轉(zhuǎn)，X6：分度軸鎖緊與松開，X7：感應(yīng)器進(jìn)給，X8：感應(yīng)器后退，X9：感應(yīng)器上升，X10：感應(yīng)器下降，X11：加熱，X12：噴液。X20、X21、X22、X23：8421BCD撥碼開關(guān)第一組數(shù)字（100、101）輸入，X24、X25、X26、X27：8421BCD撥碼開關(guān)第二組數(shù)字（102）輸入。

圖1 工藝程序流程

輸出點(diǎn)：Y0：驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)， Y1：分度正反向，Y2：分度軸鎖緊，Y3：加熱， Y7：噴液，Y8：感應(yīng)器進(jìn)給，Y9：感應(yīng)器后退，Y10：感應(yīng)器上升，Y11：感應(yīng)器下降， Y4、Y5和Y6：8421BCD撥碼開關(guān)輸入控制。

針對(duì)風(fēng)力發(fā)電裝置中的回轉(zhuǎn)支撐零件外齒輪單齒感應(yīng)淬火工藝程序，根據(jù)設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)所需的輸入輸出點(diǎn)數(shù)，主控制單元采用日本三菱公司的FX1N-40MT可編程控制器，該P(yáng)LC體積小、功能強(qiáng)、性價(jià)比較高，且具有脈沖輸出及定位控制功能。其系統(tǒng)輸入，輸出點(diǎn)控制系統(tǒng)原理如圖2所示。

該控制系統(tǒng)是針對(duì)各種型號(hào)回轉(zhuǎn)支撐零件外齒輪單齒感應(yīng)淬火，其智能自動(dòng)分度位數(shù)根據(jù)齒輪齒數(shù)可在999個(gè)齒數(shù)范圍內(nèi)隨機(jī)選取，利用三位8421BCD撥碼開關(guān)實(shí)現(xiàn)分度位數(shù)（齒數(shù)）的輸入。撥碼開關(guān)輸入控制由PLC輸入點(diǎn)X20～X27及輸出點(diǎn)Y4、Y5和Y6協(xié)同實(shí)現(xiàn)。

由于回轉(zhuǎn)支撐零件外齒輪單齒感應(yīng)淬火僅需一個(gè)分度定位軸，因此可直接采用其高速脈沖輸出口控制驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，帶動(dòng)工作臺(tái)自動(dòng)均勻分度。其控制方法簡單、方便、成本低。FX1N-40MT可編程控制器，其輸出點(diǎn)Y0具有脈沖輸出功能，輸出脈沖頻率最高可達(dá)100kHz。

選取的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器采用高速單片機(jī)技術(shù)開發(fā)的細(xì)分驅(qū)動(dòng)器。其驅(qū)動(dòng)器運(yùn)用高頻脈寬調(diào)制技術(shù)，具有噪音低、效率高、電壓范圍寬、設(shè)置靈活、運(yùn)行平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)。步進(jìn)電機(jī)采用永磁感應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)，可根據(jù)精確分度的要求選擇其步距角。

其智能自動(dòng)分度硬件連接原理如圖2所示，PLC脈沖輸出端Y0、輸出端Y1的公共端COM0與PLC的24V地COM相連。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的輸入信號(hào)公共端OPTP與PLC的＋24V電源相連。PLC的脈沖輸出端Y0外接1.8K的限流電阻，連接至步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的脈沖輸入端CP，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按步旋轉(zhuǎn)，用于實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)均勻分度。PLC的輸出點(diǎn)Y1，外接1.8K的限流電阻，連接至步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的方向輸入端DIR，用于控制步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)分度方向。以此來實(shí)現(xiàn)智能、自動(dòng)、精確分度定位。

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)風(fēng)力發(fā)電裝置中的回轉(zhuǎn)支撐零件外齒輪單齒感應(yīng)淬火工藝程序，利用PLC進(jìn)行控制軟件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)智能、自動(dòng)的齒輪單齒感應(yīng)淬火。控制軟件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于如何實(shí)現(xiàn)精確分度。

3.1 運(yùn)用數(shù)字開關(guān)指令

數(shù)據(jù)撥碼開關(guān)是將十進(jìn)制自動(dòng)轉(zhuǎn)換為8421BCD碼的編碼電路模塊。按動(dòng)“+”或“-”按鈕，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)十進(jìn)制數(shù)加1或減1，同時(shí)在相應(yīng)的DCBA輸出端產(chǎn)生8421BCD碼。

在此控制系統(tǒng)中，采用三位撥碼開關(guān)，根據(jù)齒輪齒數(shù)由用戶直接輸入分度位數(shù)。軟件編程運(yùn)用FX1N系列PLC的數(shù)字開關(guān)指令FNC72，直接讀出撥碼開關(guān)所設(shè)置的數(shù)據(jù)。其指令示意圖如圖3所示。

圖3 數(shù)字開關(guān)指令

3.2 使用PLC脈沖輸出

FX1N系列PLC的功能指令FNC57和FNC59，分別為的脈沖輸出DPLSY指令和可調(diào)脈沖輸出DPLSR指令的32位指令。指令示意如圖4、圖5所示。

圖4 脈沖輸出指令

由圖4可知，運(yùn)行DPLSY指令可在PLC的輸出端Y0輸出設(shè)定數(shù)量和頻率的脈沖。操作數(shù)〔S1〕用來設(shè)定脈沖頻率，操作數(shù)〔S2〕用來設(shè)定輸出的脈沖個(gè)數(shù)。操作數(shù)〔D〕用來設(shè)定脈沖輸出元件，只可使用可編程序控制器的Y0或Y1。圖4中所示的指令是當(dāng)可編程序控制器PLC的輸入點(diǎn)X4處于ON時(shí)，輸出端Y0輸出頻率1000Hz的脈沖，輸出脈沖的總數(shù)存于通用數(shù)據(jù)寄存器D11、D10中，它是由實(shí)現(xiàn)均勻分度時(shí)，Y0所需輸出的脈沖總數(shù)(2×360°)÷(A°/N)確定。

當(dāng)要求步進(jìn)電機(jī)具有較高轉(zhuǎn)速時(shí)，可采用具有加減速功能的脈沖輸出指令DPLSR來實(shí)現(xiàn)。加減速功能的脈沖輸出指令DPLSR如圖5所示。

圖5 帶加減速脈沖輸出指令

3.3 分度控制軟件

實(shí)現(xiàn)智能自動(dòng)分度的工作過程是：從原點(diǎn)開始，完成一個(gè)分度位（一個(gè)齒部）的定位。這一齒部淬火完畢，使定位鎖緊電磁閥復(fù)位松開，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度，實(shí)現(xiàn)下一齒部分度定位；之后定位鎖緊電磁閥置位鎖緊，以便進(jìn)行當(dāng)前齒部的淬火。根據(jù)設(shè)定撥碼開關(guān)輸入的齒數(shù)，依次沿齒輪圓周精確完成均勻分布的所有齒部的感應(yīng)淬火。

根據(jù)智能自動(dòng)分度工作過程設(shè)計(jì)其軟件。主要是通過PLC定位控制及輸出脈沖實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)智能自動(dòng)分度，即對(duì)輸出口Y0的脈沖輸出功能進(jìn)行編程，同時(shí)利用技術(shù)的編程消除累積誤差。

若選用的步進(jìn)電機(jī)的步距角為A°，即可編程序控制器PLC的脈沖輸出口Y0每輸出一個(gè)脈沖數(shù)，步進(jìn)電機(jī)輸出軸就轉(zhuǎn)動(dòng)A°，當(dāng)傳動(dòng)裝置的傳動(dòng)比為N:1，其驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)A°/N角度。對(duì)于齒輪單齒淬火根據(jù)工藝要求需要跳齒(即間隔齒部)實(shí)現(xiàn)，因此Y0需要輸出的脈沖總數(shù)為(2×360°)÷(A°/N)。若均勻分度位數(shù)(齒輪齒數(shù))為n，則PLC的輸出口Y0需輸出[(2×360°)÷(A°/N)]÷n個(gè)脈沖，驅(qū)動(dòng)控制

3.4 信號(hào)分配的實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)有一特點(diǎn)：控制對(duì)象多，信號(hào)輸入量大；每次啟動(dòng)的對(duì)象不多，須處理信號(hào)較少。基于此，把信號(hào)需求進(jìn)行分配，僅把當(dāng)次需要信號(hào)自動(dòng)分配到指定地方，在減少了連線同時(shí)，又做到了模塊復(fù)用。信號(hào)分配由Alter公司的一片F(xiàn)PGA10K10實(shí)現(xiàn)。它有前級(jí)通信接口，以89C2051為核心，接收主機(jī)發(fā)出的選路信息，完成六位二進(jìn)制的碼轉(zhuǎn)換， 并且將轉(zhuǎn)換的二進(jìn)制碼由P1口并行輸出到FPGA的IO口上，F(xiàn)PGA根據(jù)IO口上的信號(hào)完成相應(yīng)的選路。FPGA程序由VHDL語言編寫Maxpull2編譯、仿真、下載調(diào)試、最后燒入程序芯片EPC1[5]。

4 結(jié)論

由于舞臺(tái)控制系統(tǒng)是非常復(fù)雜的控制系統(tǒng)，本文僅主要介紹了單片機(jī)舞臺(tái)控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)思想和基本實(shí)現(xiàn)方法。本套舞臺(tái)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)吊桿的智能控制，支持對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)合，選用不同的工作模式；具有良好的人機(jī)接口界面，吊桿運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控、實(shí)時(shí)顯示；且成本低，操作靈活、可靠。本智能舞臺(tái)控制系統(tǒng)以低端產(chǎn)品的價(jià)格，達(dá)到了國外高端產(chǎn)品性能，具有極高的性價(jià)比。

[1] 余永權(quán).ATMEL89系列Flash單片機(jī)原理及應(yīng)用[M].北京:電子工業(yè)出版社,2000.

[2] 李朝青.PC機(jī)及單片機(jī)數(shù)據(jù)通信技術(shù)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2001.

[3] 周航慈.單片機(jī)應(yīng)用程序設(shè)計(jì)技術(shù)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,1992.

[4] 候伯亨.VHDL硬件描述語言與數(shù)字邏輯電路設(shè)計(jì)[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,1999.

[5] 何立民.單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,1992.