轉盤軸承套圈感應加熱間隙的自動跟蹤控制

周堅，董慶偉，梁良

(河南科技大學 機電工程學院，河南 洛陽 471003)

轉盤軸承是一種能同時承受較大軸向、徑向聯合載荷和傾覆力矩的大型軸承[1]，廣泛應用于船舶、冶金、風力發電等設備[2]。為保證轉盤軸承的使用壽命，其滾道表面必須具有較高的硬度以獲得高耐磨性。因其超大的體積和一定的精度要求，滾道表面采用電磁感應加熱淬火技術成為最佳選擇。

影響感應淬火質量的因素很多，但在確定淬火感應器的類型、電氣參數和運動參數后，感應加熱間隙(感應器與被加熱表面之間的距離)的變化成為影響淬火質量的重要因素。如何監控間隙的波動并使其始終保持在允許范圍內，一直是感應淬火設備制造廠商和用戶所關注和研究的問題。

1 感應加熱間隙影響淬火質量的成因分析

感應加熱表面淬火是利用電磁感應原理，將工件置于交變磁場中切割磁力線，使其表面快速加熱，所以感應加熱間隙的變化直接影響工件的加熱效率和淬火質量。由于大型轉盤軸承套圈直徑較大，一般采用感應器固定，工件在工作臺上定心轉動的掃描式加熱方法。加工時工作臺轉速恒定，工件單位表面的加熱時間相同，若感應加熱間隙過大，則使工件表面加熱功率不足，淬火硬化層深度不夠；反之，則使工件表面局部溫度過高，產生淬火過熱，甚至出現短路打火現象，造成工件表面燒傷。影響感應加熱間隙的因素很多，例如感應加熱淬火機床的精度，轉盤軸承較大的自重，工件在加熱時產生的熱變形等。

感應加熱間隙的變化對淬火質量的影響程度可通過建立簡化數學模型說明。如圖1所示，由于交變電流的集膚效應，零件在貼近感應器表面的一側會形成渦流，工件加熱處的截面正對渦流帶的截面，將渦流帶簡化為z軸上一根長度為a的細導線，電流方向為z軸方向，將零件加熱處簡化于x-z(寬度為b，高度為a，與z軸的距離為ρ)平面上,設ax,ay，az為坐標軸單位向量。

圖1 感應器電磁場示意圖

根據畢奧—薩法爾定律得

μ0=4π×10-7H/m，

式中：B為載有恒定電流I的導線在空間中某點所產生的磁通密度；dl為電流方向的導線線元矢量；r為由dl指向目標點的矢量；r為矢量距離；μ0為真空磁導率。

由于Idl=Idzaz,r=ρax-zaz，則有Idl×r=Iρdzay,從而得到

結果說明B只在ay方向有非零分量，而且當通電導線的長度a一定時，B的大小只和距離ρ有關。通過零件截面的磁通量為

例如，I=100 A，a=100 mm，b=50 mm，當加熱間隙ρ從2 mm變為4 mm時，計算可得磁通量減少了20.6%，零件表面加熱功率P減少了約37%，盡管感應加熱間隙僅變化了2 mm，但對工件加熱功率的影響顯著。

2 感應加熱間隙控制方法

近幾年國內感應加熱淬火設備發展迅速，制造廠商主要有洛陽三恒感應加熱科技有限公司、上海恒精機電設備有限公司、天津天豐中高頻感應淬火設備有限公司等。在控制感應加熱間隙方面，廣泛應用且最具代表性的感應器靠模裝置[3]如圖2所示，靠模(滾輪)與感應器、噴淋器等固連，通過直線導軌安裝在座體上。當工件隨工作臺旋轉時，若滾道徑向尺寸有所波動，在加壓彈簧的作用下，靠模始終緊貼工件滾道表面，從而保證了感應器與滾道表面的間隙一致。

1—套圈；2—感應器；3—噴淋器；4—直線導軌；5—加壓彈簧；6—底座；7—轉軸；8—靠模

國外感應加熱技術起步較早，目前工藝與裝備較為成熟[4]。在控制感應加熱間隙方面，較為先進的是德國艾洛特姆公司(SMS-Elotherm)采用的工件凈功率監控器技術[5-6]，其可將感應電路中各電感、電阻、頻率等信號分離，經運算后得到實際用于加熱工件的凈功率，根據數據變化實時監測并矯正感應器的位置。如圖3所示的平面掃描型感應器裝有2個電感傳感器，用來分別獲取計算感應器與工件底面和側面間隙變化所需的電子信號。

1—感應器支架；2—側面電感傳感器；3—感應器；4—底面電感傳感器；5—工件底面；6—工件側面；7—噴淋器

靠模裝置結構簡單，通用性較強，淬火效果較好，但只能對1個自由度進行有限微調，加工過程中無法實時監控和修正事先調整的靠模位置，一定程度上制約了靠模式感應加熱間隙測控技術向高精度、智能化發展。工件凈功率監控器技術能實時監控感應器加熱間隙的變化，但對于不同的感應器，需要將特制的電感傳感器安裝在合適位置，制作成本高，各種電子信號的提取和調試較為復雜。凈功率式感應加熱間隙測控技術目前尚未被國內感應淬火設備廠商采用。

3 感應加熱間隙自動跟蹤控制系統

針對目前國內外廠商在控制感應加熱間隙方面的不足，設計了一種基于非接觸測距的感應加熱間隙自動跟蹤控制系統，如圖4所示。通過人機界面輸入各項參數，由伺服運動系統控制感應器的空間位置，再由位移傳感器將感應加熱間隙誤差反饋給控制系統，實現閉環控制，從而保證感應加熱間隙的變化在允許的參數范圍內。

圖4 感應加熱間隙自動跟蹤控制系統

感應加熱間隙自動跟蹤控制系統具有以下優點：

(1)相比靠模裝置能夠實時監控及調整感應加熱間隙，并采集加工過程中的間隙數據，為數據分析及工件性能測試提供依據；

(2)當感應器由2個伺服電動機分別控制其橫軸和縱軸空間位置時，可采用雙傳感器分別測量感應器與工件端面和側面的間隙，組成雙軸自動控制系統，尤其在加工溝道表面時比靠模裝置的定位更加精確；

(3)采用非接觸式位移傳感器反饋信號，直接測量距離的變化，較工件凈功率監控技術所需的各種電路信號，在經濟和技術上都更適合推廣應用。

感應加熱間隙自動跟蹤控制系統在加工過程中僅實施感應器空間位置的微調，相對獨立于感應加熱淬火設備的數控系統，因此，增加此功能模塊可實現感應加熱淬火設備的技術升級。

3.1 檢測方法

一般情況下，感應加熱間隙很小(1～3 mm)，并且處于高溫、高濕、強磁的工作環境，因而需要將傳感器置于合適的位置，既保證測距的精度，又能盡量減少惡劣工作環境對傳感器的影響。檢測方法如圖5所示，非接觸式測距裝置(激光位移傳感器)與感應器一起通過直線導軌安裝在底座上，在感應加熱間隙自動跟蹤控制系統的控制下，由伺服電動機和滾珠絲杠調整感應加熱間隙。

1—套圈；2—激光位移傳感器；3—滾珠絲杠；4—伺服電動機；5—底座；6—直線導軌；7—噴淋器；8—感應器

通常在測距中會用到光柵尺、超聲波、激光等，考慮到感應加熱淬火的實際環境，激光測距較光柵尺和超聲波測距更為適用。按照測距原理，激光測距主要可分為脈沖式、相位式、干涉法和三角法，其中只有三角法激光測距比較適合設計構想[7],適用于較短距離測量微小位移，特別是光斑照射到粗糙表面時。

雖然傳感器與感應器相隔一段距離，但工件表面的高溫、感應器的強磁場及淬火液蒸汽仍可能對激光測距的精度產生較大影響。針對這種情況，可以考慮在傳感器及其數據線外加裝隔熱、磁場屏蔽及風扇等裝置。

通過傳感器所得距離的變化值。經計算后可得出感應器的間隙變化值，對轉盤軸承套圈等大型工件，其滾道曲率變化較為恒定，不會出現某一小段距離內曲率急劇變化的情況，其誤差應在允許范圍內。

3.2 誤差分析

假設工件加工面的半徑為R1，圓心處于坐標原點；感應器位于x軸上，與工件表面的距離為a；位移傳感器與x軸夾角斜率為k，與工件表面距離為b；在加工過程中出現偏差，使得工件表面整體沿x軸負方向位移ρ，則位移傳感器與零件表面的距離產生的變化為l，如圖6所示。

圖6 間隙變化示意圖

當發生位移，為求B點坐標，可得方程

取正根可得

根據圖形幾何關系可知

LBC=b+l=LAC-LAB=R1+b-LAB，

l=R1-LAB，

而A(ρ,0)，B(x,y)坐標已知，可得

從而得到ρ與l的關系為

當k=0，即測距點位于x軸上時，ρ=l，即測距點的距離變化l與感應器的距離變化ρ相同。當k>0時，通過對LAB求導可知LAB單調遞增，則l=R1-LAB<ρ,說明當測距點不在x軸上時，測距點的變化小于感應加熱間隙的變化，其差值φ為

例如，當套圈滾道半徑R1=2 m，測距點與感應器的夾角斜率k=0.1時，若感應加熱間隙發生變化ρ=±1 mm，可計算出測距點的位移l=±0.999 5 mm，即誤差值φ僅為±5×10-7m。這說明當工件的半徑較大時，其可近似看作對間隙的直接測距。根據加工經驗，若工件半徑小于0.5 m時，在加工過程中間隙的變化并不明顯，無需采用此自動跟蹤控制系統。

3.3 系統構架

感應加熱間隙自動跟蹤控制系統主要由PLC，HMI，伺服運動控制器和激光位移傳感器構成，以雙軸自動控制系統為例，系統構架如圖7所示。

圖7 系統構架示意圖

2個激光位移傳感器分別測量感應器工件端面和側面的間隙變化，輸出模擬信號，經過處理后輸入PLC進行反饋控制。目前較為成熟的激光位移傳感器配有相應的信號運算單元，通過設定高低閾值對其進行判斷并輸出結果，例如歐姆龍的ZX2系列產品。對于沒有配套的信號運算單元的位移傳感器，可采用A/D轉換裝置將模擬信號轉化為數字信號，由PLC進行信號判斷。

在工作臺帶動工件旋轉時，激光位移傳感器不斷將間隙變化的信號反饋至PLC。當需要調節間隙時，PLC輸出相應的控制信號至伺服運動控制系統，使感應加熱間隙保持在正常范圍內，實現對間隙的自動跟蹤控制。間隙變化及位置修正信號可通過HMI實時顯示并儲存，為數據分析及工件性能測試提供依據。

對于采用數控系統的感應淬火設備，可以添加此自動跟蹤控制系統，實現感應加熱淬火數控設備的技術升級，如圖8所示。

圖8 數控系統改造示意圖

在感應加熱淬火過程中，數控系統還對設備的各個部分實施控制，包括感應器的位置和工作臺的旋轉。在感應器開始加熱時，數控系統輸出啟動信號，并轉換至電子手輪控制模式，由PLC模擬電子手輪輸出脈沖信號至數控系統，進而調節感應器的位置；當感應器加熱結束后，再由數控系統輸出關閉信號至PLC，結束自動跟蹤控制。

3.4 信號處理

將測量到的距離數據與系統設定的標準距離值進行比較，可分為正常、調整及報警3個范圍，根據實際加工的要求設定相應的閾值,如圖9所示。當間隙變化在正常范圍內時，感應器的位置不做調整；當超出正常范圍而小于報警范圍時，可根據偏離的程度，以適當的回調速度修正感應器的位置；當達到報警范圍，則要立刻停止感應加熱并報警。

圖9 距離判斷示意圖

正常范圍的閾值不宜過小，否則可能引起感應加熱間隙不斷振蕩調整。當工件處于激光位移傳感器的檢測中，間隙的變化應處于正常和調整范圍內；若處于報警范圍，則可能出現工件表面有重大缺陷或有異物附著等情況，為了保證安全必須立刻停止感應加熱并報警。

由于感應加熱淬火設備的振動及激光測距重復定位精度等因素，傳感器輸出的模擬信號必然會有一定程度的振蕩。針對這種情況，在滿足系統響應速度要求的情況下，可將一小段時間內的測量值取平均值后，進行信號處理和判斷，從而減小信號振蕩對控制精度的影響。這可以由信號運算單元計算，或通過A/D轉換后由PLC進行取平均值的計算。

4 結束語

針對轉盤軸承套圈等大型零件設計了基于非接觸式測距的感應加熱間隙自動跟蹤控制系統，與現有技術相比，其優點在于結構易于實現，自動化程度較高，誤差相對較小；但仍需進一步提高自動跟蹤控制的精度，改善系統的抗干擾能力和響應速度等。