基于單片機(jī)的回轉(zhuǎn)支承感應(yīng)加熱間隙自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

盛青山 董慶偉 馮佩佩 李兵陽

(河南科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，河南 洛陽 471003)

基于單片機(jī)的回轉(zhuǎn)支承感應(yīng)加熱間隙自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

盛青山 董慶偉 馮佩佩 李兵陽

(河南科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，河南 洛陽 471003)

該設(shè)計(jì)針對(duì)目前在控制回轉(zhuǎn)支承感應(yīng)加熱間隙技術(shù)方面的不足之處，提出了一種新的控制方法。通過傳感器、單片機(jī)和伺服調(diào)節(jié)系統(tǒng)所組成的閉環(huán)回路，來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跟蹤控制。使數(shù)控淬火機(jī)床感應(yīng)加熱間隙的變化實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)跟蹤調(diào)節(jié)，從而使回轉(zhuǎn)支承表面強(qiáng)度達(dá)到最佳。為回轉(zhuǎn)支承感應(yīng)加熱系統(tǒng)控制提供一種新思路。

回轉(zhuǎn)支承；感應(yīng)加熱間隙；自動(dòng)跟蹤控制；單片機(jī)

回轉(zhuǎn)支承是一種能同時(shí)承受較大軸向、徑向聯(lián)合載荷和傾覆力矩的大型軸承[1]。在現(xiàn)實(shí)工業(yè)中應(yīng)用很廣泛，被人們稱為：“機(jī)器的關(guān)節(jié)”。作為大型工程機(jī)械的核心零件，其運(yùn)行的穩(wěn)定性和壽命及其重要，這對(duì)回轉(zhuǎn)支承的熱處理質(zhì)量提出了非常高的要求。而在影響熱處理的諸多因素中，感應(yīng)加熱間隙的變化成為影響淬火質(zhì)量的重要因素[2]。因此，研究如何控制感應(yīng)加熱間隙的變化，并使加熱間隙處在一個(gè)合理的范圍內(nèi)具有非常重要的意義。

1 目前控制感應(yīng)加熱間隙的方法及本設(shè)計(jì)的意義

在感應(yīng)淬火加熱這一領(lǐng)域，國外起步較早，目前擁有較為完善的間隙變化控制方法，其中比較典型的為德國艾洛特姆公司所采用的工件凈功率監(jiān)控器技術(shù)[3-4]。國內(nèi)比國外起步較晚，但發(fā)展迅速。目前在控制間隙變化方面，普遍采用的是感應(yīng)器靠模裝置來進(jìn)行控制[5]。

感應(yīng)器靠模裝置因其為傳統(tǒng)純機(jī)械裝置，具有性能穩(wěn)定，通用性強(qiáng)，淬火效果較好等一系列優(yōu)點(diǎn)，但其只能進(jìn)行一個(gè)自由度的微調(diào)，并且在加工過程中無法實(shí)時(shí)監(jiān)控和修正事先調(diào)整的靠模位置，一定程度上制約了該技術(shù)向高精度、智能化發(fā)展的可能性[5]。工件凈功率監(jiān)控器技術(shù)雖然克服了靠模裝置的缺點(diǎn)，能實(shí)現(xiàn)智能監(jiān)控感應(yīng)器加熱間隙的變化，但因?yàn)槠湓淼奶厥庑裕枰槍?duì)不同的感應(yīng)器在合適的位置安裝電感傳感器，這將使制作成本大大提高，并且各種電子信號(hào)的提取和調(diào)試也較為復(fù)雜。目前國內(nèi)很少有商家采用凈功率監(jiān)控技術(shù)。

本設(shè)計(jì)針對(duì)目前在控制回轉(zhuǎn)支承(工件)感應(yīng)加熱間隙技術(shù)方面的不足之處，提出了一種新的控制方法。該方法通過激光位移傳感器測得感應(yīng)器與工件表面之間感應(yīng)加熱間隙的變化，測量數(shù)據(jù)經(jīng)過單片機(jī)處理后，控制伺服電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)滾珠絲杠調(diào)整感應(yīng)加熱間隙，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跟蹤控制，從而使回轉(zhuǎn)支承表面強(qiáng)度達(dá)到最佳。

2 自動(dòng)跟蹤控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的自動(dòng)跟蹤控制系統(tǒng)主要由3部分組成，分別是檢測系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和執(zhí)行系統(tǒng)。其通過建立如下閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，精確檢測并反饋感應(yīng)加熱間隙的變化并對(duì)感應(yīng)器的位置進(jìn)行調(diào)整，使感應(yīng)加熱間隙始終保持在設(shè)定的參數(shù)值，最終成功實(shí)現(xiàn)對(duì)感應(yīng)加熱間隙的自動(dòng)跟蹤控制。總體系統(tǒng)如圖1所示。

2.1 檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

因大型回轉(zhuǎn)支承(工件)在淬火機(jī)床上進(jìn)行淬火加熱的過程中，其運(yùn)動(dòng)軌跡為跟隨工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。在運(yùn)動(dòng)過程中，無論是支承(工件)滾道的徑向波動(dòng)還是軸向波動(dòng)都將會(huì)引起淬火間隙的變化，當(dāng)變化超出一定范圍后，必然會(huì)導(dǎo)致最后淬火工件質(zhì)量不合格。因此，此次設(shè)計(jì)的檢測系統(tǒng)必須具備雙軸檢測的功能，能夠同時(shí)檢測和反饋工件的軸向和徑向感應(yīng)加熱間隙的變化，如圖2所示。

考慮到本設(shè)計(jì)中所需傳感器工作環(huán)境的特殊性，以及誤差范圍的精確性，所以在傳感器選擇方面，選用松下HL-G1系列激光位移傳感器來進(jìn)行位移測量。在對(duì)回轉(zhuǎn)支承(工件)滾道進(jìn)行感應(yīng)淬火加熱過程中，兩個(gè)激光位移傳感器分別檢測支承(工件)徑向和軸向的動(dòng)態(tài)坐標(biāo)位置，并實(shí)時(shí)傳輸給控制系統(tǒng)[6]。

2.2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)是該自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的核心，在進(jìn)行感應(yīng)加熱間隙自動(dòng)跟蹤控制時(shí)，由控制系統(tǒng)接收到檢測系統(tǒng)的反饋信號(hào)，然后對(duì)其進(jìn)行判斷，并根據(jù)判斷結(jié)果對(duì)感應(yīng)器的位置進(jìn)行控制調(diào)整。控制系統(tǒng)主要由主控芯片和伺服驅(qū)動(dòng)器組成。

主控芯片采用Freescale公司生產(chǎn)的32位單片機(jī)MK60DN512VLQ10。該單片機(jī)是基于ARM CORTEX M4的RISC內(nèi)核，外接50 MHz晶振，通過PLL超頻至200 MHz。MK60內(nèi)部含有兩個(gè)ADC模塊，最高采樣精度為16位。內(nèi)置8路16位PWM輸出，如圖3所示。

伺服驅(qū)動(dòng)器選擇臺(tái)達(dá)ASDA-B2系列伺服驅(qū)動(dòng)器和ECMA系列交流伺服電動(dòng)機(jī)。B2驅(qū)動(dòng)器具有位置、速度、轉(zhuǎn)矩控制模式，以及17-bit高解析編碼器，更具備強(qiáng)大的自動(dòng)共振抑制功能，能夠滿足機(jī)床設(shè)備高精度定位控制及平穩(wěn)低速運(yùn)轉(zhuǎn)的應(yīng)用要求。

2.3 執(zhí)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)

執(zhí)行系統(tǒng)示意圖如圖4所示，其主要由伺服電動(dòng)機(jī)、滾珠動(dòng)絲杠、感應(yīng)器和直線導(dǎo)軌組成。伺服電動(dòng)機(jī)接收來自伺服驅(qū)動(dòng)器的信號(hào)運(yùn)轉(zhuǎn)，并帶動(dòng)滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)。通過滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)安裝在滑臺(tái)上的感應(yīng)器沿直線導(dǎo)軌方向的平移，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)感應(yīng)器位置的微調(diào)?？紤]到工件表面的高溫、感應(yīng)器的強(qiáng)磁場及淬火液蒸汽仍可能對(duì)測距精度產(chǎn)生較大影響，因此可在傳感器及其數(shù)據(jù)線外加裝隔熱、電磁屏蔽及風(fēng)扇等裝置。

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件構(gòu)架設(shè)計(jì)

在回轉(zhuǎn)臺(tái)帶動(dòng)工件旋轉(zhuǎn)時(shí)，激光位移傳感器不斷將間隙變化的信號(hào)反饋至單片機(jī),當(dāng)需要調(diào)節(jié)間隙時(shí)，單片機(jī)則輸出相應(yīng)的控制信號(hào)至伺服運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，使感應(yīng)加熱間隙保持在正常范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)對(duì)間隙的自動(dòng)跟蹤控制[7]。間隙變化信號(hào)可通過液晶顯示器實(shí)時(shí)顯。圖5為系統(tǒng)構(gòu)架示意圖。

3.2 軟件程序設(shè)計(jì)

考慮到程序的調(diào)試以及移植的方便性，本設(shè)計(jì)程序采用模塊化的編程方法，將整個(gè)程序分為采集模塊、顯示模塊和自動(dòng)調(diào)控模塊。整個(gè)系統(tǒng)的程序流程圖如圖6所示。

其中，自動(dòng)調(diào)控模塊是所有模塊中最重要的部分，涉及多個(gè)工藝參數(shù)和控制流程，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)感應(yīng)加熱間隙的自動(dòng)跟蹤控制。該模塊的流程圖如圖7所示。在系統(tǒng)工作運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，采集模塊所用的兩個(gè)激光位移傳感器分別測量支承(工件)軸向和徑向的距離數(shù)值X1、Y1，并分別與設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)距離值X、Y進(jìn)行比較。如果X1、Y1在設(shè)定的允許范圍[X-a,X+a]、[Y-b,Y+b]，則通過對(duì)感應(yīng)器位置的調(diào)整使X1趨近于X，Y1趨近于Y。如果X1、Y1任一超出允許范圍，為了保證安全必須立刻報(bào)警。其中，X1、Y1兩個(gè)方向的檢測、反饋、判斷和對(duì)感應(yīng)器的位置調(diào)整是相互獨(dú)立的，在雙軸自動(dòng)跟蹤控制的共同作用下，使感應(yīng)器與工件滾道表面間隙保持在設(shè)定的參數(shù)范圍內(nèi)。

在編程參數(shù)設(shè)置過程中，正常范圍的閾值不宜過小，否則可能引起感應(yīng)加熱間隙不斷地振蕩調(diào)整。因此本設(shè)計(jì)徑向間隙誤差精確為1 mm，軸向間隙誤差精確為0.5 mm。當(dāng)自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，感應(yīng)加熱間隙的變化應(yīng)處于正常和調(diào)整范圍內(nèi)；若處于報(bào)警范圍，則可能出現(xiàn)工件表面有重大缺陷或有異物附著在工件表面上等情況，為了保證安全必須立刻停止感應(yīng)加熱并報(bào)警。程序如下：

void jdzhi()

{

//采集數(shù)據(jù)四舍五入精確到1mm

e=(a+0.05)*10;

d=(int)e;

c=d-b;

//間隙偏差取絕對(duì)值

if(c>0)

{

f=c;

zhengfan_1;

圖6也可以很清晰地反映初始固結(jié)應(yīng)力的影響。Ishihara[19]指出飽和砂土的抗液化強(qiáng)度可以通過循環(huán)剪應(yīng)力比Ccssr來表征。Seed等[8]認(rèn)為循環(huán)剪應(yīng)力比是波致海床液化的主要控制因素，循環(huán)剪應(yīng)力比可通過下式定義：

}

else

{

f=-c;

zhengfan_0;

}

}

另外，由于感應(yīng)加熱淬火機(jī)床的振動(dòng)及激光測距重復(fù)定位精度等因素，傳感器輸出的模擬信號(hào)必然會(huì)有一定程度的振蕩[2]。針對(duì)這種情況，在滿足系統(tǒng)響應(yīng)速度要求的情況下，在程序中ADC模塊設(shè)置時(shí)，設(shè)置為取4次測量所得數(shù)據(jù)的平均值，進(jìn)行信號(hào)處理和判斷，從而減少信號(hào)振蕩對(duì)于控制精度的影響。如下：

void adc_init(void)

adc_init_struct.ADC_Adcx = ADC0;

adc_init_struct.ADC_DiffMode = ADC_SE;

//單端采集

adc_init_struct.ADC_BitMode = SE_12BIT;

//單端8位精度

adc_init_struct.ADC_SampleTimeCfg=SAMTIME_SHORT;

//短采樣時(shí)間

adc_init_struct.ADC_HwAvgSel = HW_4AVG;

//4次硬件平均

adc_init_struct.ADC_CalEnable = TRUE;

//使能初始化校驗(yàn)

//初始化ADC

LPLD_ADC_Init(adc_init_struct);

LPLD_ADC_Chn_Enable(ADC0, AD9);

}

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

本設(shè)計(jì)的自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)試驗(yàn)的設(shè)定參數(shù)為：回轉(zhuǎn)支承(工件)轉(zhuǎn)速為0.5 r/min，直徑為1.5 m，計(jì)算得知支承表面的線速度大約為39 mm/s。另外兩個(gè)激光位移傳感器距離工件徑向和軸向的基準(zhǔn)距離分別為200 mm和120 mm，設(shè)置淬火間隙自動(dòng)調(diào)節(jié)偏差范圍為±10 mm，徑向間隙誤差精確為1 mm，軸向間隙誤差精確為0.5 mm。

通過實(shí)驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)圖顯示，得到如圖8所示的軸(徑)向間隙與采樣時(shí)間動(dòng)態(tài)坐標(biāo)圖。其中，橫軸代表采樣時(shí)間，縱軸代表工件軸(徑)向與感應(yīng)器之間設(shè)定距離的偏差值。

從圖8a可以看出，感應(yīng)器與工件徑向距離間隙與設(shè)定值處在±1 mm的設(shè)定范圍內(nèi)。當(dāng)間隙偏差超出設(shè)定范圍時(shí)，控制系統(tǒng)便能進(jìn)行微調(diào)，使其迅速回歸正常間隙值。在整個(gè)工作周期內(nèi)，控制系統(tǒng)將對(duì)感應(yīng)器的徑向距離進(jìn)行實(shí)時(shí)微調(diào)，使其始終保持在合理的間隙范圍，進(jìn)而確保工件的淬火質(zhì)量。同理，由圖8b也能反映出，控制系統(tǒng)對(duì)感應(yīng)器與工件軸向間隙的實(shí)時(shí)跟蹤并使其間隙與設(shè)定間隙偏差在±0.5 mm內(nèi)波動(dòng)。

在整個(gè)試驗(yàn)過程中，軸(徑)向伺服電動(dòng)機(jī)在單片機(jī)給出的控制信號(hào)下，帶動(dòng)滾珠絲杠頻繁地正反轉(zhuǎn)，進(jìn)而控制感應(yīng)器與工件之間的間隙在合理范圍內(nèi)。在這個(gè)過程中，伺服電動(dòng)機(jī)及滾珠絲杠的反轉(zhuǎn)間隙可能會(huì)對(duì)感應(yīng)加熱間隙的控制精度產(chǎn)生一定的影響，但該影響所產(chǎn)生的間隙誤差對(duì)整個(gè)淬火系統(tǒng)來說，在其允許的范圍內(nèi)，因此并不會(huì)對(duì)工件表面的淬火質(zhì)量產(chǎn)生較大影響，符合該設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)語

本設(shè)計(jì)的基于單片機(jī)的大型回轉(zhuǎn)支承(工件)感應(yīng)淬火距離的自動(dòng)跟蹤控制系統(tǒng)，可看做是將靠模裝置的滾輪替換為激光位移傳感器，將直線導(dǎo)軌和彈簧替換為伺服運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，其實(shí)質(zhì)上也是隨動(dòng)系統(tǒng)，在加工過程中根據(jù)傳感器反饋的信號(hào)實(shí)施調(diào)整感應(yīng)器的位置。其快速靈活、可靠性強(qiáng)、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，使得該系統(tǒng)具有較高的研究價(jià)值。

[1] 高學(xué)海,黃筱調(diào),王華.雙排四點(diǎn)接觸球轉(zhuǎn)盤軸承滾道接觸壓力分布[J].南京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2011(1):80-83.

[2]周海, 曾少鵬, 袁石根. 感應(yīng)加熱淬火技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用[J]. 熱處理技術(shù)與裝備, 2008，29(3): 9-15.

[3]Elotherm. Vorrichtung und verfahren zum induktiven erw?rmen von werkstücken:德國,EP 0 427 879 A1[P].

[4]Elotherm. Verfahren und vorrichtung zum h?rten von fl?chen an bauteilen:德國,DE 10034357 C1[P].

[5]上海恒精機(jī)電設(shè)備有限公司.大型回轉(zhuǎn)軸承圈滾道中頻淬火時(shí)保證間隙的靠模裝置.中國，ZL 200620049415[P].2006-12-22.

[6]靳碩，楊宏海. 激光位移傳感器高速數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 宇航計(jì)測技術(shù)，2010(6)：5-9.

[7]周堅(jiān)，董慶偉，梁良.轉(zhuǎn)盤軸承套圈感應(yīng)加熱間隙的自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)[J].軸承,2014(5):19-23.

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Design for rotary bearing clearance of inductive heating automatic tracking system based on microcomputer

SHENG Qingshan, DONG Qingwei, FENG Peipei, LI Bingyang

(School of Mechatronics Engineering, Henan University of Science and Technology, Luoyang 471003, CHN)

In view of the present deficiency in control rotary bearing clearance of inductive heating technology, a new control method was proposed in this paper. Through the sensor, microcontroller and the closed loop of the servo control system of circuit, to realize automatic tracking control. Make CNC induction heating quenching machine tool clearance changes dynamic tracking adjustment, so that the rotary bearing surface strength to achieve the best. For rotary bearing induction heating control system provides a new way of thinking.

rotary bearing; induction heating clearance; automatic tracking control; microcontroller

*河南省教育廳重點(diǎn)項(xiàng)目資助：回轉(zhuǎn)支承感應(yīng)淬火非接觸式測量及自動(dòng)跟蹤控制系統(tǒng)研究(13A460233)；河南省教育廳重點(diǎn)項(xiàng)目資助：基于NEI生物網(wǎng)絡(luò)模型的產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)創(chuàng)新方法研究(13A520232)。

TH-39

B

10.19287/j.cnki.1005-2402.2016.09.010

盛青山，男，1989年生，在讀碩士研究生，主要從事機(jī)械電子工程方面的研究。

?藝) (

2016-01-19)

160915