大鏈軌節感應淬火生產線控制系統設計

蔣建虎 葛運旺 布 挺 張 剛

(洛陽理工學院電氣工程與自動化系，河南洛陽 471023)

大鏈軌節感應淬火生產線用于履帶零部件鏈軌節軌面的加熱回火處理，可以滿足190、216節距鏈軌節的踏面熱處理生產。軌面感應淬火的目的是使鏈軌節獲得足夠深的硬化層和表面硬度，提高鏈軌節的抗磨性和使用壽命。特別是在滿足鏈軌節強度要求以后，軌面的抗磨性直接決定鏈軌節的使用壽命［1－2］。由于感應熱處理具有加熱速度快、生產效率高、節省能源、不氧化脫碳、不污染環境、可控性好及易于實現機械化和自動化等優點，在金屬熱處理方面具有廣泛應用［3－4］。本文主要介紹了大鏈軌節感應淬火生產線的控制方案和控制系統硬件、軟件的實現。

1 控制方案設計

1.1 淬火生產線結構及淬火工藝流程

大鏈軌節感應淬火生產線主要分成加熱區、噴液區和回火區3個部分，加熱區主要包括淬火端傳輸組件、淬火區輸送鏈、感應器支撐組件、輥輪傳輸組件等設備;噴液區主要包括工件升降噴水組件、輥輪電動機、升降氣缸、定位氣缸等設備;回火區主要包括回火起始端支架、回火爐、回火端噴液等設備。

感應淬火工藝流程如下:

(1)缺料檢測開關判斷是否有料，如果有料，伺服電動機啟動，帶動淬火區輸送鏈將工件傳到淬火工位，兩組氣動夾將工件夾緊(每個氣動夾2個氣缸，共4個氣缸)，電源啟動開始加熱，工件加熱完畢，伺服電動機啟動將工件傳輸至輥輪上，同時將另一個工件輸送到淬火位置。

(2)輥輪傳輸組件電動機啟動(裝備啟動后一直轉動，中間不停)，定位氣缸伸出，輥輪電動機啟動將工件傳至定位板，輥輪電動機停轉，定位氣缸縮回，升降氣缸下降，帶動工件進入水箱，噴水，噴水完畢，氣缸升起。

(3)上電后工件拖動組件，氣缸一直處于伸出狀態，通過氣缸動作將工件拖至回火爐口，工件推動組件氣缸伸出，將工件推到回火爐口與另一個工件靠近，氣缸恢復原位，等待下一工件。

(4)回火端傳輸組件伺服電動機旋轉帶動工件進入回火爐。

(5)噴水圈冷卻工件。

1.2 控制方案

生產周期要求:190型鏈軌節為52 s/對(加熱有效時間45 s/對，輔助時間7 s/對);216型鏈軌節為60 s/對(加熱有效時間53 s/對，輔助時間7 s/對)。可以看出輔助時間只有7 s時間，包括噴液和回火，工藝流程時間遠遠超過這個時間。因此將整個淬火過程分為3個階段:淬火、噴液、回火，3個區域同時獨立運行。

生產過程要求控制系統對機床運行狀況進行監視、保護。對感應加熱過程的熱處理參數進行實時監控，包括:加熱電源輸出電壓、電流、功率、加熱時間等，以及冷卻水溫度、流量、流速等。工件移動采用伺服驅動，PLC控制，同時控制電源啟動與停止、加熱時間、噴液時間，設置觸摸屏，具有工藝編程及記憶功能。

2 控制系統硬件設計

控制系統包含常規的開關量輸入輸出、位置控制、模擬量輸入輸出等功能。本控制系統中PLC采用臺達DVP32EH00T2，擴展模塊采用DVP48HP，常規模擬量輸入模塊采用DVP06XA－H2，溫度輸入模塊采用DVP04PT－H2，觸摸屏采用DOP－B10S615，伺服控制器和伺服電動機采用臺達B系列產品，系統總體框圖如圖1所示。

控制系統硬件設計主要包括生產線供電電路、PLC主機外部接線、PLC擴展模塊外部接線、PLC模擬量輸入模塊外部接線、溫度檢測電路、水循環及淬火液循環電氣控制系統、PLC與伺服控制器連接電路等。其中，PLC與伺服控制器連接電路最復雜和重要，連接電路如圖2所示。

3 控制系統軟件設計

控制系統軟件設計包括HMI畫面組態和PLC程序設計兩個部分。HMI主要功能是程序管理、手動操作、參數輸入和運行監視，控制程序在PLC中，即便沒有HMI，整個系統依然可以自動運行。

3.1 HMI畫面組態

HMI畫面組態采用Screen Editor畫面編輯軟件，該軟件具有功能強大、使用方便的優點。HMI畫面主要包括自動監視、狀態監視、手動操作、程序參數輸入等，系統上電后，默認進入自動監視界面，此時系統在自動方式下運行。

自動監視畫面是HMI的主畫面，該畫面設有3個區域:數據顯示區、電源功率曲線顯示區和操作區，通過操作按鍵進入其他界面。自動與手動切換由HMI控制，按下自動監視鍵，系統進入自動狀態，按下手動監視鍵，進入手動狀態，同時產生控制命令將系統轉為手動。

程序參數設置畫面用于設置和保存不同零件的淬火參數，考慮到有不同種類的零件加工，系統專門利用配方制作零件參數管理畫面。由于零件數不多，配方數據表格設置為20×20，共可以存放20個零件，每個零件20個字，前10個字為零件名稱，后10個字分別為加熱和回火伺服電動機位移、速度、加熱時間、噴液時間、電源輸出電壓等。參數存放在HMI中，調出后通過寫入按鍵寫入到PLC數據寄存器D2000開始的連續20個字中。

3.2 PLC程序設計

PLC程序設計主要包括輸入輸出轉換模塊、數據采集模塊、伺服電動機控制模塊、啟動與自動停止功能模塊、加熱控制模塊、噴液控制模塊、回火控制模塊等。

伺服控制模塊包括點動、連續、相對定位和絕對定位。為了避免出現故障，伺服電動機驅動模塊采用順序控制方式。自動方式下進行絕對或相對位置定位，因此需要給定位置(位移)和速度，手動狀態下進行點動和連續運行，所以只需要給定速度。加熱(X軸)伺服電動機部分驅動程序如圖3所示

啟動與自動停止模塊包括啟動自鎖、單次運行、循環運行、自動停止等功能。啟動與自動停止模塊程序如圖4所示。當按下確定按鈕(點動型)，圖中M240上電，通過M30自鎖，此時加熱、噴液和回火程序塊相繼啟動，一個循環之后自動停止并解除自鎖。如果通過HMI自動監視界面設置為循環運行模式，在不缺料的情況下，M1有效，此時一個循環之后繼續下一個循環。考慮到回火模塊可能需要電動機一直運行，因此當無零件時無法自動停止。因此，系統專門設計了自動停止程序。圖中程序第一行，如果出現3個區同時缺料的情況，系統自動延時一個循環的時間(60 s)，停止循環運行。如果暫停鍵按下，系統自動進入單步狀態。

數據采集包括加熱電源，回火電源電壓、電流，淬火液溫度、流量，循環水溫度、流量等數據的采集和計算，程序中沒有使用浮點數運算，因此無需設置其系數。其他具體程序不再列出。

4 結語

在對整個大鏈軌節淬火生產線淬火工藝分析的基礎上，提出了三段式同步控制方案，利用臺達觸摸屏(HMI)、PLC和伺服系統完成了整個生產線監視與控制，編制了PLC控制程序，實現了全自動循環運行、單次運行、單步運行和手動控制，完成了HMI畫面組態，利用配方實現了多種進機零件參數的輸入和保存。該生產線已經在長沙三一重工公司投產，設備運行良好。

［1］田子欣，霍蘇萍.KC－TZ118型鏈軌節數控鉆鏜組合機床的研制［J］.機床與液壓，2011，39(2):62 －64.

［2］唐華，李志宏.超低Cr含量的40Mn2鋼履帶鏈軌節熱處理工藝改進［J］.熱加工工藝，2008，37(24):106 －108.

［3］葛運旺，羅尚民，張宗杰，等.PLC和HMI構成的感應淬火機床數控系統［J］.熱加工工藝，2005(9):53－55.

［4］王盛軍.感應熱處理技術及工藝裝備的開發與應用［J］.熱處理，2007，22(1):19 －23.