非圓盤狀零件恒線速淬火機床數控系統的研究與設計

李廣宏，鄒 輝

（洛陽理工學院 工程訓練中心，洛陽 471023）

0 引言

長期運轉的機械零件由于早期失效，使能源與材料的消耗十分驚人。許多機械零件的失效發生在表面，或者從表面開始。表面淬火技術既可以在工件表面獲得高強度、高硬度、高耐磨性能，同時可以保持心部原有良好韌性，常用于機床主軸、齒輪，發動機的曲軸等[1]。為了適應當前國民經濟和生產技術的發展，節省能源和材料的消耗，提高產品質量發揮積極作用，并且滿足中小機加工企業無法購價格高昂的數控淬火設備這一現實情況，本文主要研究非圓盤狀零件（如凸輪）恒線速數控淬火機床，保證其外緣加熱淬火均勻，提高其抗疲勞、抗磨損能力，充分發揮材料的潛力，延長其使用壽命，做了一些有益嘗試和探索。

1 硬件系統設計

1.1 開放式數控系統

開放式數控系統是相對于傳統的封閉式的數控系統提出的。封閉式數控系統是廠商提供給用戶的用途單一的、成型的數控系統，用戶只能用作特定的生產模式，不可能進行二次開發。而且，各個廠商之間的產品互不兼容，用戶對廠商的依賴度非常高。開放式數控系統是對傳統封閉式數控系統的巨大挑戰，但從他提出后十多年里，雖然西方各工業發達國家投入了大量的人力和物力，但由于研究開發計劃龐大、所涉及的關系復雜、技術難度大等原因，至今仍沒有在市場上占據重要份額[2]。

本數控系統采用“PC+運動控制卡”這種模式。這種類型的數控系統開放性較好，便于用戶針對實際用途來開發自己的數控系統，而且開發周期較短，節約了時間成本。同時，該類型價格也比較低廉，特別適合中小型企業的開發應用。

1.2 MC6212P運動控制卡

MC6212P運動控制卡為南京順康數碼科技有限公司的兩軸運動控制卡，具有圓弧插補、直線插補功能，插補過程自帶加減速，設定加減速參數。可驅動步進、伺服系統，可通過硬件實現對機械裝置的超限保護。現在PC機上一般都使用Windows操作系統，雖然Windows系統屬于非實時系統，但是由于該運動控制卡采用高速的DSP芯片作為處理內核，同時使用了雙口RAM芯片。DSP芯片運算速度快，特別適合數據量大、計算復雜、實時性要求高的處理任務。雙口RAM具有兩套完全獨立的數據線、地址線和讀寫控制線，并允許兩個獨立的系統同時對該存儲器進行隨機性的訪問，可用于提高RAM的吞吐率，適用于作于實時的數據緩存[3]。基于以上兩點，本數控系統可以保證實時控制，本數控系統的結構如圖1所示。

圖1 系統總體結構

1.3 系統構成

本數控系統根據功能層次結構分，可以分為：用戶層、控制系統層和伺服系統層[4]。

PC機作為用戶層，主要完成人機交互界面的管理、運動學計算、軌跡插補和控制系統的實時監控功能，如控制參數輸入、控制指令的發送、系統狀態的顯示、外部信號的監控等。

MC6212P運動控制卡作為控制系統層，主要完成回轉工作臺（X軸）和直線工作臺（Y軸）運動控制，如脈沖信號和方向信號的輸出、升降速處理、伺服準備信號、限位開關信號等的檢測，從而完成位置和速度控制。

伺服系統通過對伺服驅動器（帶光電編碼器）和伺服電機的控制，來實現對非圓盤狀零件的恒線速淬火。

轉接板是運動控制卡連接伺服驅動器和外圍設備的橋梁。運動控制卡輸出X軸和Y軸的脈沖和方向信號，通過轉接板送到伺服驅動器；I/O口輸出控制字，通過光電隔離控制中間繼電器通斷，從而接通斷開冷卻泵、勵磁電源等外圍設備。

2 軟件系統設計

2.1 軟件設計流程

根據開放式數控系統的發展趨勢和軟件設計原則，軟件部分設計首先應選擇軟件系統的操作平臺，然后選擇開發工具，以模塊化的思想設計軟件系統的功能模塊。在Windows系統中，利用Visual C++6.0這個編程工具，掌握運動控制卡API函數調用的方法，根據面向對象的設計原則和本數控淬火機床控制系統的工作流程，實現系統初始化、人機交互界面、運動控制模塊等個功能模塊的設計，軟件流程如圖2所示。

圖2 軟件流程

2.2 算法研究

要求對非圓盤狀零件進行恒線速淬火，非圓盤狀零件裝夾在回轉工作臺上，感應加熱頭安裝在直線工作臺上。盤狀零件作回轉運動，感應加熱頭作直線運動，二者相對速度應該始終保持不變，并與零件始終保持一定的距離不變，才能使零件外緣受熱均勻。為了實現此目的，就應該建立合適的數學模型、設計合理的算法，保證動作可靠的完成。

對于非圓盤狀零件，如圖3所示，可以分成若干等分，每一份的角度為δ。若δ越小，分的就越多，就可用AB這段直線去逼近AB這段圓弧，這段圓弧的弧長近似等于ri·δ，根據設置的掃描速度，可以求出運行這段弧長所需要的時間t1。如果零件順時針旋轉，要保持感應加熱頭和零件的距離不變，那么直線工作臺就應后退ri+1－ri的長度。在同一個t1時間內，回轉工作臺以設定的速度旋轉δ，直線工作臺后退了 Δr 。同理，在BC這段弧上，同樣可以求出若以設定速度運行的時間t2，直線工作臺應后退ri+2－ri+1的距離。因為在運動控制卡提供的兩軸插補運動函數中，不僅可以設置距離（即脈沖數），也可設置速度（即頻率的大小），已知t，求倒數就是脈沖頻率。依次類推，就可實現上述的恒線速淬火的要求[5]。

圖3 非圓盤狀零件

編程時，首先定義一個雙精度浮點數的數組用于存放偏心圓的極徑，使用循環語句依次讀取r[i]，r[i+1]，r[i+2]等，可以計算每一個微分角δ所對應的弧長以及極徑差 Δr 。微分角大小的選擇，可以通過其關聯的整型變量m_jiaodu的不同取值用switch語句來確定。

2.3 軟保護

通過軟件對整個控制系統起到保護作用，稱之為軟保護。對于數控系統來說，硬件上不僅有各種保護設備元件，還有軟件上的保護，這樣的系統才更加完善。

本操作界面可以對運行參數、工件參數進行設置。通過軟件就可以把一些參數的取值范圍確定下來，在設置參數時，如果超限直接就有提示。為防止錯按退出鍵造成工件和感應加熱頭的損壞，而需要反復確認方可退出。在控制面板上，還加有一個增大的急停按鈕，如遇緊急情況可以按下，使X軸和Y軸停止工作保護設備。

3 實驗與誤差分析

通過PC機、運動控制卡、電氣控制裝置、交流伺服系統、執行機構等構成了系統硬件框架。硬件平臺（如圖4所示）的搭建，為實驗的開展奠定了基礎。通過偏心圓這一特殊的非圓零件進圖4實驗平臺行實驗，來檢驗非圓恒線速掃描算法的正確與否。通過改變影響運動的參數進行測試，測試結果實際線速度的相對誤差在2%以內。分析產生誤差的主要原因有以下三點[6]：

圖4 實驗平臺

1）運行算法本身就是基于微分圓弧的一種近似，在微分角較小時，誤差值也相對較小，隨著微分角的增大，誤差也增大。

2）在非圓盤狀零件的極徑變化比較大的地方，直線工作臺運行距離也越大，這會牽制回轉工作臺運行的速度，誤差也相應增加。

3）若偏心距增大，相當于極徑變化也增大，這就帶來了誤差的增大。

4 結束語

實驗結果說明用簡化數學模型控制平面曲線零件的運動可以實現恒速，從而驗證了簡化數學模型應用于實際是可行的。實驗結果還是滿意的，整個數控系統運行是可靠的，恒線速的運行算法是可行。這就為更為一般的復雜曲線盤狀零件的恒線速淬火問題的討論，奠定了研究的基礎。

[1]姜江,彭其鳳.表面淬火技術[M].北京：化學工業出版社,2006.

[2]劉啟中,蔡德福.現代數控技術及應用[M].北京：機械工業出版社,2002.

[3]朱小莉.基于DSP技術的運動控制卡的研究與開發[D].華中科技大學.2007.

[4]徐志剛.非圓截面車削開放式數控系統的研究與設計[D].河北工業大學.2006.

[5]吳銳,闞長華.數控技術在設計感應淬火機床中的應用[J].機電產品開發與創新,2008,11(6)：185-186.

[6]吳銳,李廣宏.平面曲線零件恒速運動的測試及數據分析[J].煤礦機械,2011,9(9)：212-214.