基于高頻感應加熱電源的熱裝配人機交互系統

郝 博，韓丹鋒，羅 宏

（重慶理工大學 機械工程學院，重慶 400054）

0 引言

高頻感應加熱技術不僅具有加熱速度快、熱效率高、無污染、占地面積小、容易實現自動化等優點[1,15]，而且還滿足智能化、綠色化的發展要求，因此，正逐步應用于汽車、摩托車曲軸箱孔的熱裝配。但是，就目前而言，由于缺少合理的熱裝配工藝參數，仍然需要依靠熟練有經驗的工人對加熱設備進行操作，憑經驗不斷的調整加熱頻率、加熱時間等參數[2]，更重要的是，加熱結束后，其溫度、變形量無法直觀的得知，操作工人不能準確判斷曲軸箱孔是否消除過盈量達到裝配要求，這成了迫切需要解決的問題。

曲軸箱孔在感應加熱裝配過程中涉及電、磁、熱、相變、力學等方面的綜合知識，以及磁導率、電導率等參數隨溫度變化[3,17]，使得憑經驗公式手動計算、測量得到的結果不能令人滿意。由此，陳利斯[4]利用APDL編寫出了一套基于ANSYS軟件的曲軸紅套的加熱過程的命令流，通過APDL對ANSYS進行二次開發，確定了一組合理的曲軸紅套加熱參數；于振環[5]對曲軸熱裝工藝進行了分析，設計了熱裝機系統，利用8051單片機實現了實時控制；J. Mucha[6]采用有限元法，利用高頻感應加熱設備，對薄壁環和輪轂的過盈配合進行了應力分析和變形分析，得到比傳統方法更全面、更準確的結果；G Gopal[7]利用CAD建立了曲軸、連桿模型并進行了裝配，通過ANSYS模擬分析了裝配后的變形及應力分布，得到了預期的效果。

因此，本文簡述了感應加熱裝配技術，運用APDL開發了一套曲軸箱孔從建模、網格劃分、載荷加載、求解、后處理的命令流程序，設計了基于VB的模塊化的熱裝配人機交互界面，用于熱裝配人機交互系統，采用USB接口技術實現與高頻感應加熱電源溫度控制模塊的通訊。通過VB借助APDL將ANSYS進行后臺封裝，自動調用ANSYS，模擬分析了曲軸箱孔在熱裝配過程中溫度、變形量的分布及變化，最后加以總結。

1 感應加熱裝配

感應加熱裝配是實現相關零部件之間過盈配合所使用的一種熱裝技術，首先，它由感應加熱電源產生交變的磁場，在電磁場的作用下產生感應電流，作用于孔的表面，將電能高效的轉換為熱能[8]；其次，待孔加熱到一定溫度，利用材料熱脹冷縮的特性，使孔內徑增大，產生裝配條件；最后，將軸套入到經加熱之后膨脹的孔中，受環境溫度的影響，孔溫度下降，縮緊套在軸上，進而完成孔的熱裝配。

曲軸箱孔在感應加熱裝配過程中必須要滿足如下要求：

1）要確定好曲軸箱孔的熱裝配溫度。曲軸箱孔加熱結束以后，孔內壁溫度需要分布均勻，從而確保其在受熱膨脹后仍保持為圓柱形，進而確保曲軸箱孔熱裝配的質量。

曲軸箱孔熱裝配溫度可由如下經驗公式計算[9]：

式中：t為加熱后的理論溫度（℃）；t0為加熱前的環境溫度（℃）；δ為過盈量（mm）；δ0為加熱后的間隙量，通常可取δ0=（1-2）δ（mm）；α為加熱時工件的線性膨脹系數；l為被加熱工件的內徑（mm）；T為實際加熱溫度（℃）。

2）要能夠暫時消除曲軸箱孔的過盈量。曲軸箱孔加熱以后，其受熱膨脹產生的變形量要大于其過盈量，確保曲軸箱孔達到裝配要求。

總而言之，變形量、熱裝配溫度在曲軸箱孔熱裝配過程中至關重要。

2 基于APDL語言的曲軸箱孔感應加熱裝配多場耦合有限元建模

2.1 APDL語言

APDL（ANSYS參數化設計語言），是一種用來完成有限元常規分析操作或通過參數化變量方式建立分析模型的腳本語言。其具有以下優點，首先可以執行一條命令、宏程序，同時也可以重復執行。其次APDL還有類似于C語言的選擇結構IF-THEN-ELSE、循環結DOLOOP等。最后還可以對ANSYS的有限元數據庫進行訪問可以通過參數化建模、參數化加載復雜載荷、參數化求解控制以及后處理的數據處理分析來達到想要達到的目的[10,11,16]，尤其適用于復雜模型的建立，以及模型需要修改進行多次分析的問題。

2.2 建立有限元模型及劃分網格

建模過程如下：首先設定工作名和工作標題；接著進入前處理模塊，定義電磁場單元solid236、溫度場單元solid90、結構場單元solid186。定義變量參數，主要是線圈和曲軸箱孔的尺寸參數、以及電流大小，頻率，加熱時間等。選擇MKS(米千克秒)作為單位。定義相對相對磁導率μ，電導率ρ，熱導系數K，彈性模量E，泊松比NUXY，熱膨脹系數α等參數 。除線圈相對磁導率μ=1、空氣相對磁導率μ=1、比熱容C=434J/kg·℃、密度DENS=7850kg/m3是一個定值外，其余參數隨溫度變化。最后根據尺寸建立曲軸箱孔、線圈和空氣模型并進行網格劃分。圖1為曲軸箱孔感應加熱裝配的實物模型，為了簡化模型，工程上常常將感應加熱線圈簡化成薄壁圓筒，其簡化模型如圖2所示，曲軸箱孔的簡化模型如圖3所示，空氣模型如圖4所示，曲軸箱孔感應加熱裝配有限元模型如圖5所示。

圖1 曲軸箱孔感應加熱裝配實物模型

圖2 感應加熱線圈簡化模型

曲軸箱孔在高頻感應加熱裝配時，在曲軸箱孔的表面存在“集膚效應”和相互滲透，為此，在靠近感應加熱線圈部分，網格劃分較密；靠近空氣部分，網格劃分較疏，所以，曲軸箱孔網格劃分如圖6所示，感應線圈、空氣網格劃分如圖7、圖8所示。

圖3 曲軸箱孔簡化模型

圖4 空氣模型

圖5 曲軸箱孔感應加熱裝配有限元模型

圖6 曲軸箱孔網格劃分

圖7 感應線圈網格劃分

圖8 空氣網格劃分

3 曲軸箱孔熱裝配人機交互系統

3.1 曲軸箱孔熱裝配人機交互界面設計

由于VB具有模塊性、封裝性、繼承性、可靠性等優勢[12,18]，為此，利用VB設計了曲軸箱孔熱裝配人機交互系統中最重要的一環：熱裝配人機交互界面。用戶只需在前臺界面的引導下輸入材料參數、載荷參數，結構參數等，即可自動調用ANSYS進行分析計算，最后將計算結果返回給用戶界面。

1）主界面設計

曲軸箱孔熱裝配人機交互界面下有6個菜單，分別為“文件”、“設置”、“參數設置”、“計算”、“結果”、“報告”，其中“文件”菜單下有“新建”子菜單，“設置”菜單下有“ANSYS設置”和“文件設置”子菜單，“結果”菜單下有“溫度計算結果”和“變形量計算結果”子菜單，每個菜單下都對應著各自的模塊部分。“ANSYS設置”對應著ANSYS版本及啟動程序定義模塊；“文件設置”對應著項目名稱和工作目錄定義模塊；“參數設置”對應著結構尺寸參數、材料屬性參數、載荷參數定義模塊；“計算”對應著ANSYS求解模塊；“結果”對應著溫度、變形量結果輸出模塊。模塊化的曲軸箱孔熱裝配人機交互界面的主界面如圖9所示。

2）ANSYS設置界面和文件設置界面設計

圖9 主界面

ANSYS設置界面下包括ANSYS版本及ANSYS啟動程序，“設置”控件是用來手動加載ANSYS啟動程序；文件設置界面下包括項目名稱及工作目錄，“設置”控件是用來手動設置工作目錄。ANSYS設置界面和文件設置界面如圖10、圖11所示。

圖10 ANSYS設置界面

圖11 文件設置界面

3）數據參數設置界面設計

數據參數包括：線圈結構尺寸參數、曲軸箱孔結構尺寸參數、材料屬性參數和載荷參數。數據參數設置界面如圖12所示。

4）ANSYS計算界面設計

ANSYS計算界面是曲軸箱孔熱裝配人機交互界面的核心，因為所有的分析計算都在這個界面中完成。ANSYS計算界面下包括：“一鍵轉換”控件和“曲軸箱孔熱裝計算”控件，其中 “一鍵轉換” 控件是將APDL代碼一鍵轉換成VB可用的代碼，其轉換后的代碼形式為：PrintLine(input,"……")；“曲軸箱孔熱裝配計算”控件是用VB實現ANSYS的后臺調用，即實現VB與ANSYS的接口連接，這需要用到SHELL函數，SHELL函數調用ANSYS主程序的關鍵代碼如下：

x = Shell(ANSYS設置Form.ANSYS啟動程序.Text& “ -p ane3 fl ds -dir “ & 文件設置Form.工作目錄.Text& “ -j “ & 文件設置Form.項目名稱.Text & “ -s read -l en-us -b -i “ & 文件設置Form.工作目錄.Text & “input.mac” & “ -o “ & 文件設置Form.工作目錄.Text &“output.mac”, 1, False, -1)。ANSYS計算界面如圖13所示。

圖12 數據參數設置界面

圖13 ANSYS計算界面

5）溫度計算結果界面設計和變形量計算結果界面設計

為了更直觀的將溫度、變形量計算結果反饋給用戶，需要將曲軸箱孔熱裝配結束后的溫度、變形量云圖；溫度、變形量與時間關系曲線；溫度、變形量數據顯示在界面上。為此，溫度、變形量計算結果界面如圖14、圖15所示。

6）生成報告界面設計

生成報告界面下包括報告名稱和報告位置，“設置”控件是用來手動設置報告文件位置。“生成報告”控件是實現VB與Microsoft Word的連接，用Word來生成曲軸箱孔熱裝配計算報告書，這需要用到Microsoft Word 14.0 Object Library、Microsoft Office 14.0 Object Library插件。生成報告界面如圖16所示。

ANSYS設置界面、文件設置界面、數據參數設置界面、ANSYS計算界面、溫度計算結果界面、變形量計算結果界面，生成報告界面的窗口切換，需用到的代碼為：[窗體對象].Show。用該人機交互界面完成曲軸箱孔熱裝配計算程序的具體流程如圖17所示。

圖14 溫度計算結果界面

圖15 變形量計算結果界面

圖16 生成報告界面

3.2 接口設計

為了實現曲軸箱孔熱裝配人機交互系統與外設高頻感應加熱電源溫度控制模塊的數據通訊，采用了USB接口技術，將溫度數據通過PC機高速的傳輸給溫度控制模塊DSP芯片中，用于實現其后續的溫度控制。

1）USB接口芯片

圖17 曲軸箱孔熱裝配計算程序流程圖

市場上USB接口芯片很多，使用較為廣泛的是CYPRESS公司的EZ-USB FX2LP系列的USB接口芯片CY7C68013A-56PVXC，特點是直接通過USB接口下載USB固件，無需二次編程器投入。同時，該芯片功耗低，可以減少資源的消耗，有利于更好的保護好器件，避免長期通電而遭到損壞[13]。

2）高頻感應加熱電源溫度控制模塊DSP芯片

高頻感應加熱電源溫度控制模塊采用TI公司的TMS320C28X系列的DSP芯片TMS320CF2812，TMS320CF2812是定點DSP芯片，它具有數字信號處理能力，又具有強大的事件管理能力和嵌入式控制能力，特別適用于大批量數據處理的測控場合，最高傳輸速度達到了150MHz。

3）溫度控制模塊DSP芯片與USB接口芯片的連接

在CY7C68013A-56PVXC芯片和TMS320CF2812芯片之間采用FIFO芯片連接，可以使USB接口芯片和DSP之間的最大數據交換速度超過USB總線的速度，從而使DSP和主機間的數據傳輸速度只受USB協議限制[14]。

由于CY7C68013A-56PVXC芯片內嵌8051處理器，所以使用FIFO芯片實現了從USB接口到DSP之間的通信。從CY7C68013A-56PVXC芯片傳輸的數據先保存在FIFO芯片中，然后再由高頻感應加熱電源溫度控制模塊的DSP芯片TMS320CF2812讀取，完成數據的高速傳輸。溫度控制模塊DSP芯片與USB接口芯片的連接如圖18所示。

圖18 溫度控制模塊DSP芯片與USB接口芯片的連接

4 曲軸箱孔熱裝配的可視化分析

材料參數，載荷參數，感應線圈、曲軸箱孔的結構尺寸參數如圖12所示，曲軸箱孔的過盈量為2絲，即0.02mm，由式(1)和式(2)知，熱裝配溫度范圍為114℃～156℃。在ANSYS計算界面上點擊“曲軸箱孔熱裝配計算”按鈕后，自動調用ANSYS完成計算，其溫度計算結果如圖19、圖20所示，變形量計算結果如圖21、圖22所示。

圖19 曲軸箱孔熱裝配溫度云圖顯示

圖20 曲軸箱孔熱裝配溫度曲線

由圖19知，曲軸箱孔在高頻感應加熱裝配過程中存在著“集膚效應”、“圓環效應”，并且橫向和縱向有著不同程度的滲透，但加熱結束后，曲軸箱孔中心溫度分布均勻，溫度在148℃～165℃之間，滿足曲軸箱孔的熱裝配溫度；圖20顯示了曲軸箱孔中心溫度隨時間的變化曲線以及在每個時間點所對應的溫度數據，其中，溫度數據將通過USB接口傳輸給高頻感應加熱電源溫度控制模塊中，為后續溫度控制提供數據支撐。

圖21 曲軸箱孔變形量云圖

圖22 曲軸箱孔變形量曲線

由圖21知，加熱結束后，曲軸箱孔的最小變形量位于孔中心，最小變形量為0.204×10-4m及0.0204mm，能夠暫時消除0.02mm的過盈量，滿足裝配條件；圖22顯示了曲軸箱孔中心變形量隨時間的變化曲線以及在每個時間點所對應的變形數據，可供現場操作人員判斷是否暫時消除過盈量，達到現場裝配要求。

由圖20和圖22綜合可以得到，在相同過盈量下通過式(1)、式(2)理論計算得到的曲軸箱孔熱裝配溫度和ANSYS模擬得到的熱裝配溫度對比如圖23所示。從圖中可以看出通過ANSYS模擬得出的曲軸箱孔熱裝配溫度與理論計算值幾乎一致，從另一方面也驗證了計算值和ANSYS模擬值的正確性，可以按照理論計算和ANSYS模擬分析的結果進行曲軸箱孔熱裝配工藝參數的選擇，同時， 更進一步的說明了ANSYS模擬分析出的曲軸箱孔熱裝配溫度數據可以用于高頻感應加熱電源溫度控制模塊中。

圖23 過盈量與曲軸箱孔熱裝配溫度關系對比圖

綜上所述，在曲軸箱孔熱裝配人機交互界面上輸入如下熱裝配工藝參數：電流：225A、頻率：34000Hz、加熱時間：6s，在加熱結束后，曲軸箱孔中心溫度分布均勻，其溫度值為148℃～165℃之間，達到了曲軸箱孔的熱裝配溫度；最小變形量位于曲軸箱孔中心，其值為0.0204mm，能夠暫時消除0.02mm的過盈量，滿足現場裝配要求；在該熱裝配工藝參數下，通過ANSYS模擬得出的曲軸箱孔熱裝配溫度與理論計算值幾乎一致，不僅驗證了計算值和ANSYS模擬值的正確性，還說明了ANSYS模擬分析出的曲軸箱孔熱裝配溫度數據用于高頻感應加熱電源溫度控制口模塊的合理性。

5 結束語

采用參數化設計語言APDL，開發了一套基于高頻感應加熱電源曲軸箱孔熱裝配的電磁-熱-結構耦合命令流程序，利用可視化語言VB，設計了基于VB的模塊化的人機交互界面，用于曲軸箱孔熱裝配人機交互系統，運用USB接口技術，實現了該系統與高頻感應加熱電源溫度控制模塊的通信。結果表明，用戶只需要在該系統界面上輸入或修改參數，便可以自動調用ANSYS，模擬分析出曲軸箱孔在熱裝配過程中溫度、變形量的分布及變化，并直觀地將計算結果顯示在界面上供用戶參考判斷，使人機交互效果得到了明顯提升，這不僅能夠減少大量的人工試驗調試及手動計算工作，還可以確定出合理的曲軸箱孔熱裝配工藝參數（電流：225A、頻率：34000Hz、加熱時間：6s），為曲軸箱孔的熱裝配提供了數據指導，從而提高了熱裝配效率，保證了裝配質量，為實現曲軸箱孔熱裝配的自動化甚至智能化提供了技術手段。