通用多功能卧式数控淬火设备的研制

　　目前，国际上汽车生产所采用的感应淬火设备正逐步向柔性化程度发展。通用淬火机床更加通用，功能更加完善。具有代表性的日本DKK、西班牙GH、德国 AEG、跨国公司的EFD产品应用十分广泛。它们的共同特点是，在一台淬火机床口可对不同性能要求的不同零件进行感应加热淬火，甚至同一零件多段变功变速也能达到；采用计算机控制技术监控并显示淬火过程和工艺参数， 全部加工过程，数控技术应用十分活跃并日渐成熟；计算机控制成为控制主流，主驱动采用交流伺服电机拖动，移动速度稳定均匀、定位准确、重复精度高；零件旋转采用变频调速，能适应多方面工艺要求；代表机械传动技术的滚珠丝杠和直线导轨等先进技术被大量采用；配套成龙的电源、淬火机床、冷却系统的感应加热淬火装置已屡见不鲜。

　　自改革外放以来，一汽集团公司虽然引进了多台感应淬火设备，但汽车生产中应用最多的通用试验设备仍是低层次的PLC控制的淬火机床。其效率低、功能差、难以保证淬火质量。

　　为了保证汽车新产品开发进度，弥补通用淬火机床功能不足，在消化理解国外先进技术的基础上，经过两年的刻苦攻关，集团公司采用数控和能量控制技术研制成功并直接应用于生产的通用多功能卧式数控淬火机床，技术性能国内领先、功能接近20世纪末期从GH公司引进没备水平。半年多运行表明，性能稳定、质量可靠。

　　一、卧式数控淬火设备组成

　　淬火设备有别于其他冷加工设备，由供电电源、淬火机床、冷却系统和淬火系统组成，缺一不可。卧式数控淬火设备组成如图1所示。

　　图1 卧式数控淬火设备组成

　　KGPS-400/4是中频电源，功率为400kw、频率为4kHz，它是产生零件加热所需要的能源。

　　BP、BPT分别通过管路组成淬火和冷却软化水系统。BP提供零件淬火时所需要的水源；BPT用于冷却变压器、电容器、感应器用电源等。

　　二、淬火机床结构特点

　　淬火机床采用悬挂结构。结构如图2所示。

　　1.顶尖 2.淬火变压器与电容器组成的并联谐振系统

　　3.坦克链 4.后顶尖 5.滚珠丝杠拖架 6.淬火水箱 7.床身

　　图2 卧式淬火机床结构简图

　　淬火机床为卧式全封闭结构。前后顶尖用于夹持零件，被零件旋转电机带动旋转；被加热零件、感应器、变压器组成谐振电路的电感支路，感应器接在变压器次级，变压器初级和电容器组成的并联谐振电路直接与中频电源相相连，共同组成电源的负载；电源与谐振回路的电缆连同冷却变压器、电容器的冷却水管放置在坦克链上，在伺服电机的带动下连同变压器、电容器一起前后移动，旋转电机由变频器控制，伺服电机由伺服驱动器驱动，中频电源输出能量的大小均由工控机控制，可完成手动、半自动操作。

　　手动操作包括：机械动作调整；冷规范工艺参数调整、热规范工艺参数调整。

　　半自动操作包括：在供电功率和频率允许的范围内，按被加工零件工艺要求编制的软件程序周而复始地实现感应加热淬火。

　　三、控制模式

　　很多资料介绍数控原理，在此不再赘述，下面只介绍能量控制原理。

　　1．能量控制原理

　　根据资料，当电压变化±5％，功率在±10％的范围内变动。工件所获得的能量Pt与淬硬层d的关系如图3所示。

　　图3 工件所获得的能量Pt与淬硬层d的关系

　　从图3可知：功率P在±10％变化时的S是极小部分并近似于直线。如果把加热能量控制在一定范围内，那么淬硬层的变化也是极小的。同样，只要Pg±△Pg 和tg±△tg构成的面积足够小，那么，tg±△tg和Wg±△Wg的面积也会足够小(见图4和图5)。这一点从数学分析也可以得到验证。因为 Pg=f(tg)，Wg=f(tg)的函数关系是一一对应的。工件加热过程中，由于某种原因瞬时功率变大时，根据某一规律加热时间减少；反之，时问加长。在控制系统中把累计近似能量积分值控制在EFGH偏差带内，就达到了控制能量的目的。当然，对于不同工件可以设置不同偏差带，或同一工件根据不同质量要求也可以设置不同偏差带，也就是说，设置的偏差带越小，获得的产品质量越高。

　　图4 Pg=f(tg)变化曲线

　　注：Pg——瞬时功率没定值，kW；

　　Pg±△Pg——瞬时功率变化偏差带，kW

　　tg——加热时间没定值，s；

　　tg±△tg——加热时间设定偏差带，s。

　　图5 Wg=f(tg)变化曲线

　　注：Wg——能量设定值，kW.s；

　　Wg=f(tg)——能量设定偏差带，kW.s。

　　2．硬件组成

　　本系统采用华中数控股份有限公司生产的HNC-2000工业控制机，由信号检测、开天元件、伺服功率驱动器、交流伺服电机、变频器、交流电机及工业控制机等组成。系统硬件组成如图6所示。

　　图6 系统硬件组成

　　(1)模数转换的电流、电压、频率模拟信号从品闸管中频电源引出，他们通过A/D转换摸板变成标准的0～10v电压信号，直接送人工控机。

　　(2)工艺参数诸如工件不同部位所需功率大小、加热淬火时间、零件转速多少、感应器所处准确位置等均以代码形式由工控机键盘设定。

　　(3)输入开关量信号通过多路控制输入模板进人工控机；工控机通过多路控制输出模板控制输出负载变化。

　　(4)拖架移动采用闭环控制。

　　四、软件组成

　　1．控制软件总体结构

　　控制软件总体结构如图7所示。

　　图7 控制软件总体结构

　　2．基本功能

　　(1)自动加工模块 从文件中读人加工代码，解释并执行代码。

　　(2)程序模块 加工代码的。

　　(3)能量控制模块 该模块主要负责能量的采集、显示及和能量模板偏差带进行比较的功能。在加工过程中，如果处于加热状态，则通过A/D转换采集电源的电压、电流和频率，并将采样值换算为功率值，并将该值和能量模板偏差带进行比较。

　　(4)模板功能 通过采集的能量数据曲线，可以上下偏差带，并将该偏差带作为模板，或者将已有的模板打开重新修改模板。

　　(5)手动控制模块 该模块实现状态显示及手动参数的修改。

　　(6)故障诊断模块 该模块实现故障的自诊断及故障原因的显示。

　　3．程序规定用代码

　　M50 零件正转

　　M51 零件正转停止

　　M52 加热启动

　　M53 加热停止

　　M54 淬火水开关合；G01HS

　　M55 淬火水开关闭

　　M56 外水套开关合

　　M57 外水套开关闭

　　M58 气阀开

　　M59 气阀闭

　　M30 程序结束

　　F 延时时间，单位：0.1s

　　H 输出功率控制代码，单位：kw

　　S 零件旋转速度，单位：r/min

　　五、数控卧式感应加热淬火机床外型

　　数控卧式感应加热淬火机床外型如图8所示。

　　图8 成套卧式感应加热淬火机床外型

　　六、设备创新点

　　(1)淬火机床全封闭结构，解决了溅水问题。

　　(2)电缆拖链的应用解决了变压器长距离移动问题。

　　(3)振荡电路中变压器电容器一体，节电显著。

　　(4)拖架伺服电机驱动，定位准确、速度平稳。

　　(5)淬火过程能量控制，淬火质量稳定。

　　(6)变功、变速．能够适应各种结构复杂零件淬火需要。

　　(7)指令少，编程容易，使用方便灵活。

　　(8)自诊断功能，为设备维修提供极大方便。

　　(9)机械结构初次采用了悬挂式运动机构。

　　七、应用

　　数控中频卧式淬火机床研制成功后，与中频电源、水冷系统、供电系统连机调试，2004年1月投人生产使用。截止到目前完成新产品试制、迂回生产汽车零件近百种。3月末前试制零件见下表。

　　数控中频卧式淬火机床感应加热试验与试制件清单

　　注：运行表明，使用性能稳定、淬火质量可靠。

　　八、经济效益与社会效益

　　1．经济效益

　　(1)将能量控制和数控高新技术结合控制零件淬火质量在国内首开先河，一方面提高淬火质量；另一方面在加热淬火过程中能够改变功率，可大大缩短新产品开发工作中工艺试验周期，保证试制进度，确保生产过程中淬火质量的稳定性。

　　(2)将淬火变压器与电热电容器一体连接且汇流排间隙缩短为2mm，节电明显，保守估算，提高效率8％～10％。

　　2．社会效益

　　将感应加热模拟量控制改为数字量控制，对电源技术、淬火机床控制技术都将产生质的飞跃，为赶上世界先进水平提供了可能。尤其是保证零件淬火质量创造了条件。这项技术用于通用淬火设备，如其中部分技术移植到专用淬火机床，将有广阔的发展空间。

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