1、I双工位感应淬火机床控制系统设计摘 要感应热处理具有高效、节能、便于自动化等许多优点。50 年代初,我国在机床制造及纺织机械工厂开始使用高频及中频电源进行感应淬火。30 多年来,我国感应热处理技术有了很大发展,表现在感应热处理零件能够成倍增长,电源设备、淬火机床、感应器不断改进,新工艺陆续用于生产,感应热处理技术不断得到提高，但从客观角度来看，我国现有的热处理技术仍需改进。淬火机床的工作原理，利用 PLC 实现了感应淬火机床专用数控系统，并给出了系统的硬件设计，同时详细介绍了位置控制、手动操作、脉冲补偿、参数设置与显示、急停等程序设计。感应热处理是一种清洁热处理方式，符合现代化工业生产的 3S
2、 标准(Sure 可靠、Safe安全、Saving 节约) ，在国内外机械热处理行业已广泛应用。由于感应热处理机床控制系统设计与金属热处理工艺密切相关，传统的数控系统很难满足需要，因此本设计主要是基于台达 PLC 的双工位感应淬火机床控制系统。本文以感应加热原理为基础，主要介绍热处理的发展及基本原理，硬件的选型与设计，及 HMI 触摸屏的程序设计。关键词：感应热处理，感应淬火机床，台达 PLC，HMI 触摸屏，程序设计IIDual induction hardening machine control system designABSTRACTInduction heat treatment
3、has the advantages of high efficiency, energy saving, convenient automation and many other advantages. At the beginning of 50 time, our country is in machine manufacture and textile machinery factory started using high frequency and medium frequency power supply for induction hardening. Over the pas
4、t 30 years, our country of induction heat treatment technology has achieved great development, performance in induction heat treatment parts can grow exponentially, power equipment, quenching machine for continuous improvement, sensors, used in the production of new technology in succession, of indu
5、ction heat treatment technology is constantly improving, but from objective angle of view, Chinas existing heat treatment technique needs improvement. Quenching machine principle of work, the use of PLC realize the induction quenching machine tool NC system, and gives the hardware design of the syst
6、em, and introduces in detail the position control, manual operation, pulse compensation, parameter setting and display, stop and program design.Induction heat treatment is a clean way of heat treatment, with the modernization of industrial production of3S standard ( Sure -, Safe -, Saving reliable s
7、afety - save ), As a result of induction heat treatment machine control system design and metal heat treatment process is closely related to, the traditional NC system is difficult to meet the need, so the design is mainly based on Delta PLC dual induction quenching machine tool control system. Base
8、d on the principle of induction heating as the basis, mainly introduces the development and basic principle of heat treatment, the selection of hardware and design, and HMI touch screen program design.KEY WORDS： induction heating, induction hardening machine, Delta PLC,HMI touch screen, programming
9、designIII目 录前言 .1第 1 章 概述 .21.1 感应加热基本原理 .21.2 感应加热分类 .21.3 感应加热特点与应用 .31.3.1 特点 .31.3.2 应用 .31.4 淬火机床控制系统 .31.5 设备 .61.6 论文内容 .7第 2 章 硬件选型与设计 .82.1 测控点分析 .82.2 PLC 选型 .82.2.1 PLC 目前的主要品牌及特点 .82.2.2 PLC 的选型 .92.3 伺服电动机 .102.3.1 作用 .102.3.2 优点 .102.4 变频器 .112.4.1 基本原理 .112.4.2 变频器的选型 .112.5 台达 HMI 触摸
10、屏 .122.5.1 HMI 产品组成及原理 .122.5.2 HMI 的选型 .132.6 PLC 资源分配 .142.7 系统框图 .21第 3 章 程序设计 .233.1 主画面设计 .23IV3.2 自动运行画面设计 .243.3 手动运行画面设计 .243.4 系统参数画面设计 .263.5 淬火参数画面设计 .273.6 工件型号选择画面设计 .28结论 .30谢 辞 .31参考文献 .32外文资料翻译 .331前言目前我国的热处理生产技术仍很落后，生产设备与世界先进水平有 20-30 年之差距，专业化热处理厂数目与世界发达国家如美国相比相差 35 倍，生产效率比美国低 26 倍，
11、设备利用率仅为 30%，电耗却高于美国 40%，其电耗平均每吨比日本和欧美要多 2-3 倍。且由热处理带来的环境污染问题十分严重，据不完全统计我国热处理业每年约有 5000 吨淬火油因蒸发或局部燃烧造成 CH 化合物，CO 及烟尘；有约 9000 吨废淬火油因排放不当而污染水质，为促进我国热处理技术的发展，我们应大力发展先进的热处理新技术、新工艺、新材料、新设备，用高新技术改造传统的热处理技术，实现“优质、高效、节能、降耗、无污染、低成本、专业化生产” ，目前来说，我国应大力发展感应热处理，感应热处理是一种清洁、高效、环保、低能耗的热处理方式，是用感应电流使工件局部加热的表面热处理工艺，它体现
12、着今热处理行业的发展趋势。感应淬火加热装备包含感应淬火机床，感应加热电源，淬火变压器，感应线圈，水循环系统等。本设计主要是基于台达 PLC 的双工位感应淬火机床控制系统。本文主要介绍热处理的发展及基本原理，硬件的选型与设计，和基于 HMI 触摸屏的程序设计。2第 1 章 概述1.1 感应加热基本原理用感应电流使工件局部加热的表面热处理工艺。这种热处理工艺常用于表面淬火，也可用于局部退火或回火，有时也用于整体淬火和回火。 基本原理: 将工件放入感应器(线圈) 内,当感应器中通入一定频率的交变电流时，周围即产生交变磁场 。交变磁场的电磁感应作用使工件内产生封闭的感应电流涡流。感应电流在工件截面上的
13、分布很不均匀，工件表层电流密度很高，向内逐渐减小（沿工件截面的电流密度分布）,这种现象成为集肤效应 。工件表层高密度电流的电能转变为热能，使表层的温度升高，即实现表面加热。电流频率越高，工件表层与内部的电流密度差则越大，加热层越薄。在加热层温度超过钢的临界点温度后迅速冷却，即可实现表面淬火。1.2 感应加热分类根据交变电流的频率高低，可将感应加热热处理分为超高频、高频、超音频、中频、工频 5 类。（1）超高频感应加热热处理所用的电流频率高达 27 兆赫，加热层极薄，仅约 0.15 毫米，可用于圆盘锯等形状复杂工件的薄层表面淬火 。（2）高频感应加热热处理所用的电流频率通常为 200300 千赫
14、,加热层深度为 0.52 毫米,可用于齿轮、汽缸套、凸轮、轴等零件的表面淬火。（3）超音频感应加热热处理所用的电流频率一般为 2030 千赫，用超音频感应电流对小模数齿轮加热，加热层大致沿齿廓分布，粹火后使用性能较好。（4）中频感应加热热处理所用的电流频率一般为 2.510 千赫,加热层深度为 28 毫米，多用于大模数齿轮、直径较大的轴类和冷轧辊等工件的表面淬火 。（5）工频感应加热热处理所用的电流频率为 5060 赫，加热层深度为31015 毫米，可用于大型工件的表面淬火。1.3 感应加热特点与应用1.3.1 特点感应加热的主要优点是：（1）不必整体加热，工件变形小，电能消耗小。（2）无公害
15、。（3）加热速度快，工件表面氧化脱碳较轻。（4）表面淬硬层可根据需要进行调整，易于控制。（5）加热设备可以安装在机械加工生产线上，易于实现机械化和自动化，便于管理，且可减少运输，节约人力，提高生产效率。（6）淬硬层马氏体组织 较细，硬度、强度、韧性都较高。（7）表面淬火后工件表层有较大压缩内应力，工件抗疲劳破断能力较高。同时，感应热处理也存在一些不足：与火焰淬火相比，感应加热设备较复杂，而且适应性较差，对某些形状复杂的工件难以保证质量。1.3.2 应用感应加热广泛用于齿轮、轴、曲轴、凸轮、轧辊等工件的表面淬火，目的是提高这些工件的耐磨性和抗疲劳破断的能力。汽车后半轴采用感应加热表面淬火，设计载
16、荷下的疲劳循环次数比用调质处理约提高 10 倍。感应加热表面淬火的工件材料一般为中碳钢。为适应某些工件的特殊需要，已研制出供感应加热表面淬火专用的低淬透性钢。高碳钢和铸铁制造的工件也可采用感应加热表面淬火。淬冷介质常用水或高分子聚合物水溶液。1.4 淬火机床控制系统构成淬火机床数控系统的方案可以有多种：以单片机为核心构成简易数控系统、以 PC-Based 计算机（如一体化工作站）为核心构成数控系统以及以 PLC 为核心构成的数控系统等。以 PC-Based 计算机为核心构成的数控系统更容易实现4智能化和网络化；以 PLC 为核心构成的数控系统可靠性更高，若与 HMI 配合，也可以实现智能化和网
17、络化。因此，本数控系统由 HMI 和 PLC 构成。（1）可编程序控制器（PLC）PLC 英文全称 Programmable Logic Controller，中文全称为可编程逻辑控制器。定义是：一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作电子系统 。它采用一种可编程的存储器，在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，通过数字式或模拟式的输入输出来控制各种类型的机械设备或生产过程。 可编程控制器是计算机技术与自动化控制技术相结合而开发的一种适用工业环境的新型通用自动控制装置，是作为传统继电器的替换产品而出现的。随着微电子技术和计算机技术的迅猛发展，可编程控制器更多
18、地具有了计算机的功能，不仅能实现逻辑控制，还具有了数据处理、通信、网络等功能。由于它可通过软件来改变控制过程，而且具有体积小、组装维护方便、编程简单、可靠性高、抗干扰能力强等特点，已广泛应用于工业控制的各个领域，大大推进了机电一体化的进程。 （2）数控系统（CNC ）CNC 英文全称 Computer numerical control，中文全称为计算机数字控制系统。它是采用微处理器或专用微机的数控系统，由事先存放在存储器里系统程序（软件）来实现控制逻辑，实现部分或全部数控功能，并通过接口与外围设备进行联接，称为计算机数控，简称 CNC 系统。 数控机床是以数控系统为代表的新技术对传统机械制造
19、产业的渗透形成的机电一体化产品；其技术范围覆盖很多领域：机械制造技术；信息处理、加工、传输技术；自动控制技术；伺服驱动技术；传感器技术；软件技术等。（3）工控 PC 主机是系统的核心图 1-1 是 PCI-1751 为 48 路 TTL 电平并行输入输出板，其中 32 路设置为输入，用于操作按钮输入，包括启动、暂停、急停按钮，三个工位手动加热、喷液、旋转、切换，转台快速正反转、慢速正反转，三个工位工件快速上升下降、慢速上升下降等；16 路设置为输出，用于转台及三个工位步进电机控制。PCL724为 TTL 电平输入板，用于对到位、缺料、缺水、顶尖异常等信号进行检测，由于板上无电平转换和信号隔离功
20、能，而接近开关电平为 24V，所以使用 PCLD785作为输入电平转换和信号隔离电路；PCLD885 为 16 路高功率继电器输出板，5具有极强的输出驱动能力。图键盘显示器显示及键盘接口切换 ， 加热 ， 喷液 ， 制动 ， 报警等继电器P C L D - 7 8 5 输入信号电平转换及光电隔离转台及三个工位步进电机操作按钮输入变频器P C I - 1 7 5 1 开关量输入输出板P C I - 1 2 4 0 位置控制板到位 ， 缺料 ，缺水 ， 顶尖 ，异常等接近开关旋转电机P C L D - 8 8 5 继电器输出板P C L - 7 2 0 开关量输入输出板工控 P C 主机P C L
21、 -7 2 4 T T L 电平输入板1-1 48 路 TTL 电平并行输入 输出板触点容量为交流 220V5A；PCL720 为 64 路开关量输入输出板，在这里主要与 PCLD885 一起，实现对旋转电机进行控制，同时控制各工位切换、加热、喷液、吹堵、回火（4）HMI 和 PLC 图 1-2 中，GP477R 为带触摸屏的显示操作终端，用于系统参数、淬火过程工艺参数显示和输入；FX2N-128MR 为三菱 PLC，用于机床开关量输入输出控制、加热喷液定时控制等；FX2N-2AD 用于加热电源实际输出电压和电流检测输入；FX2N-2DA 用于工件转速和加热电源输出电压控制输出； FX2N-2
22、0GM 用于工件或变压器等升降定位控制。因此，本数控系统由 HMI 和 PLC 构成。6G P 4 7 7 RF X 2 N - 1 2 8 M RF X 2 N -2 A DF X 2 N -2 D AF X 2 N -2 0 G M按钮 、限位等输入加热 、喷液等输出加热电源电压和电流旋转速度 、 电源功率工件或变压器移动伺服电机R S 2 3 2图 1-2 数控系统1.5 设备感应加热热处理的设备主要由电源设备、淬火机床和感应器组成。（1）电源设备的主要作用是输出频率适宜的交变电流。高频电流电源设备有电子管高频发生器和可控硅变频器两种 8。中频电流电源设备是发电机组。一般电源设备只能输出
23、一种频率的电流,有些设备可以改变电流频率,也可以直接用50Hz 的工频电流进行感应加热。电源设备的选择与工件要求的加热层深度有关。加热层深的工件，应使用电流频率较低的电源设备；加热层浅的工件，应使用电流频率较高的电源设备。选择电源设备的另一条件是设备功率。加热表面面积增大，需要的电源功率相应加大。当加热表面面积过大时或电源功率不足时，可采用连续加热的方法，使工件和感应器相对移动，前边加热，后边冷却。但最好还是对整个加热表面一次加热。这样可以利用工件心部余热使淬硬的表层回火，从而使工艺简化，还可节约电能。（2）感应加热淬火机床的主要作用是使工件定位并进行必要的运动。此外还应附有提供淬火介质的装置。淬火机床可分为标准机床和专用机床，前者适用于一般工件，后者适用于大量生产的复杂工件。（3）感应器进行感应加热热处理时，为保证热处理质量和提高热效率，必须根据工件的形状和要求，设计制造结构适当的感应器。常用的感应器有外表面
