1、I基于 PLC 的曲轴感应加热装置控制系统设计摘 要本设计通过触摸屏与 PLC 的结合实现对曲轴感应加热的控制，在设计的触摸屏上设置相应的操作按钮，这些操作按钮的存储器地址与 PLC 的地址相对应 6，触摸屏接收到操作指令后，通过 RS232 通信电缆可以将操作信号传送给PLC，PLC 接收到正确的操作指令后，将操作信号传送到对应的操作设备，即可实现触摸屏对曲轴的移动、旋转、加热、间隙、冷却等淬火工序的控制，完成曲轴感应淬火的特殊工艺的智能化监控，替代了复杂而繁琐的现场操作， 为曲轴感应淬火提供全自动控制。触摸屏与 PLC 的结合不仅实现了对曲轴感应加热设备的自动控制，还可以对曲轴整个淬火过程
2、进行智能化监控，便于查找操作过程中出现的故障。触摸屏的自动化、智能化，PLC 的强大的内存功能，二者的结合提高了曲轴的淬火质量，极大的增加了加热装置的应用性，提高了生产效率。关键词：曲轴，感应加热，淬火，PLC，触摸屏IIThe Control System Design of Crankshaft Induction Heating Device Based on PLCABSTRACTThis design through the combination of touch screen and PLC control system for the crankshaft induction
3、heating, set up the corresponding action button in the design of touch screen, because the memory address of the action buttons correspond to the address of the PLC and touch screen to receive instructions, through RS232 communication cable operation signals to PLC, PLC receives the correct operatio
4、n instruction, the operation signal to the corresponding equipment operation, touch screen for the movement of the crankshaft can be realized, rotating, cooling, heating, clearance control of quenching process, such as complete induction hardening crankshaft special process of intelligent monitoring
5、, replace the scene of the complicated and tedious operation, provide full automatic control for the induction hardening crankshaft.The combination of touch screen and PLC not only realized the automatic control of the crankshaft induction heating equipment, can also to the whole crankshaft quenchin
6、g process in intelligent monitoring, easy for operation in the process of failures.The automatic and intelligent touch screen, PLC powerful memory function, improve the quenching quality of the crankshaft, the combination of both greatly increased the applicability of heating device, improve the pro
7、duction efficiency.KEY WORDS: Crankshaft，Induction heating，Quenching，Delta PLC，Screen EditorIII目 录前 言 .1第 1 章 概述 .31.1 曲轴的简介.31.2 感应加热简介.31.2.1 感应加热分类 .31.2.2 感应加热基本原理 .4第 2 章 曲轴感应加热 .52.1 曲轴感应淬火工艺.52.1.1 曲轴感应淬火基本原理 .52.1.2 淬火工艺流程 .52.2 曲轴感应淬火装置设计方案.62.2.1 方案介绍 .62.2.2 方案分析 .7第 3 章 控制系统硬件设计与选型 .93.1
8、 系统总体框图.93.2 PLC 简介 .103.2.1 PLC 的种类及特点 .103.2.2 PLC 选型 .113.3 PLC 资源分配 .113.3.1 PLC 的 I/O 分配表 .123.3.2 PLC 的 I/O 分配图 .133.3.3 测控点分析 .143.4 台达 HMI 触摸屏 .153.4.1 HMI 产品组成及原理 .153.4.2 HMI 的选型 .163.5 变频器的选型.17第 4 章 控制系统的软件设计 .184.1 HMI 画面设计 .18IV4.1.1 登陆画面设计 .184.1.2 主画面设计 .194.1.3 配方的设计与管理 .204.1.4 电源参
9、数设定画面设计 .214.1.5 温度参数设定画面设计 .224.1.6 操作界面设计 .234.1.7 系统模拟画面设计 .244.1.8 报警显示画面设计 .254.1.9 系统目录画面设计 .264.2 PLC 程序控制器 .264.2.1 程序流程 .264.2.2 PLC 程序设计 .27第 5 章 程序调试及模拟 .315.1 HMI 模拟调试 .315.1.1 登录画面和主画面的模拟 .315.1.2 参数设置画面模拟 .325.1.3 操作画面模拟 .345.1.4 淬火画面模拟 .355.2 PLC 调试 .35结 论 .42谢 辞 .43参考文献 .44附 录 .45外文资
10、料翻译 .491前 言随着社会的发展和科技的不断进步，对很多工件尤其是齿轮类、轴类质量的要求越来越苛刻，这些零件在各类机械设备中起着非常重要的作用，这就要求我们对生产技术的要求也越来越高。很多大型机械设备的生产都会用到 PLC 对其生产进行控制，但是现场操作设备的复杂，增加了操作人员的负担，不仅需要他们在现场对其操作，而且还需要掌握很多的操作方式，这样即增加了误操作的概率，使设备在运行过程中出现故障，也对于操作人员的安全也是一种威胁，特别是在加工不同工件时，需要对 PLC 中的程序加以更改来适应不同工件的工艺要求，这样就使工作人员花费更多的脑力和体力劳动，比如编程，当工艺参数稍微有些差错就会造
11、成工件的报废，甚至导致多个工件达不到生产要求而产生不必要的浪费，对于生产效率的提高就产生了一种阻碍，当生产过程出现问题时也不容易查找问题所在，这就需要我们来设计出一种新型的感应加热技术。目前国内外对于通用感应加热淬火的研究都在朝着柔性化发展，即一台加热设备可以完成多种工件的不同工艺参数的淬火加工， 国外已经生产处很多先进的淬火机床，几乎全是自动化操作 19，优先的科学技术，先进的热处理技术，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一定的差距，我国研究的通用淬火机床方面，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
12、艺，它体现着今热处理行业的发展趋势。然而为了增加生产效率和提高产品的质量，更好的完成淬火流程，人们试着通过触摸屏来完成人机互换，利用触摸屏与 PLC 的结合来完成曲轴感应加热生产的控制，在触摸屏上设置相应的擦操作按钮，与 PLC 相连接，实现对操作设备的自动控制，这样可以减少 PLC 控制设备的面板按钮和其他部件的操作。在触摸屏界面上可以选择生产的工件型号，对生产过程中的一些参数进行设置，将写好的PLC 程序下载到 PLC 程序控制器 20，利用触摸屏的读取存储器地址与 PLC 内部寄存器地址相对应，可以实现触摸屏就可以控制生产操作过程。在触摸屏面控制面板上还可以设置一些非常便利有用的功能，比
13、如：登陆界面设置一些权限，防止非专业操作人员的误操作而发生生产事故；报警功能，系统自动检测设备运行2中产生的故障，并在运行不正常的时候通过报警通知操作人员排查故障，降低损失，淬火监控画面显示等功能。在这次设计中，我需要做的就是采用 PLC 和触摸屏实现曲轴感应加热装置工艺过程的控制 18。设计出合适的触摸屏和编写好正确的 PLC 程序，将二者之间通过 RS232 通讯电缆进行连接，然后进行模拟，通过查阅资料和向老师请教，解决设计过程中遇到的问题，使设计能够顺利的完成。3第 1 章 概述1.1 曲轴的简介曲轴是是发动机上的一个重要的机件，是飞机引擎的主要旋转机件，装上连杆后，可承接连杆的上下运动
14、变成循环运动。其材料是由碳素结构钢或球墨铸铁制成的，有两个重要部位：主轴颈，连杆颈。主轴颈被安装在缸体上，连杆颈与连杆大头孔连接，连杆小头孔与汽缸活塞连接，是一个典型的曲柄滑块机构。曲轴的旋转可以带动发动机的启动，也可以带动各种机械设备的旋转和工作。曲轴的构造如图 1-1 所示，正由于曲轴在发动机的重要作用和特殊的工作环境，决定了其制造工艺和制造设备的特殊性。工件的热处理和淬火过程对于曲轴的整体性能起着相当重要的作用。由于机械行业的发展十分迅速，对质量的要求也越来越高，传统的工艺面临着新的挑战，采用感应加热的方式对曲轴进行加热适合社会发展的需求。图 1-1 曲轴的构造1.2 感应加热简介1.2
15、.1 感应加热分类根据交变电流的频率高低的不同，感应加热表面淬火的加热方式有高频感应加热、中频感应加热、工频感应加热，其加热的频率如下介绍：1高频感应加热电流频率选择范围 25300 千赫，加热层极薄，仅约为 0.15 毫米，淬硬层深4度为 0.52.0 毫米，可用于齿轮、汽缸套、凸轮、轴等零件的表面淬火。2中频感应加热电流的频率范围 25008000 千赫，淬硬层深度 210 毫米, 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3工频感应加热电流频率为 50 赫兹，淬硬层深度可达 1015 毫米，适用于较大直径零件的穿透加热及大直径零件如轧轴，火车车轮的表
16、面淬火。1.2.2 感应加热基本原理 电流周围存在有磁场，当导体中通有电流时，在导体周围就会产生磁场。又因为变化着的电流产生变化的磁场，当向感应加热器线圈中加入变化的电流时，在线圈内部和周围就产生一个变化的磁场。在感应加热时，零件就会做切割磁感线运动，根据电法拉第电磁感应原理，变化着的磁场就会产生变化的电场，在闭合的导体中产生感应电动势，电动势在零件表面形成一个闭合的电流回路，这种电流称为涡流 1。涡流在加工器件内部产生热量，给工件进行加热。一般将工件放到感应器内，感应器一般是由输入中频或者高频的交流电组成的空心铜管。产生出的交变磁场在工件内部产生出同频率的感应电流，这种感应电流在工件内部的分
17、布是不均匀的，工件表层电流密度很高，向内逐渐减小，这种现象成为集肤效应 2。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。5第 2 章 曲轴感应加热2.1 曲轴感应淬火工艺2.1.1 曲轴感应淬火基本原理曲轴感应加热淬火原理图如图 2-1 所示，将曲轴放入感应线圈内,当感应线圈中通入一定频率的交流电时，在线圈周围即产生交变的磁场。交变磁场的电磁感应作用使工件内产生闭合的感应电流涡流。这种感应电流在曲轴表面上的分布是不均匀的，曲轴表层的电流密度很高，由外
18、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 3。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。当工件表面在感应圈内加热到相变温度时，立即喷水或者浸水冷却，实现曲轴表面淬火。图 2-1 感应加热表面淬火原理图2.1.2 淬火工艺流程曲轴的感应淬火生产线主要分成加热区、喷液区和冷却区 3 个部分，这三个部分分别受伺服电动机，移动电动机，旋转电动机控制。感应淬火工艺流程如下：1检测开关检测是否有工件进入，当有工件进入时伺服电动机启动，带
19、动6机械臂向上移动，上升到一定位置，触碰到限位开关，上升停止，移动电动机启动，滑行台带动曲轴前进。2滑行台前进到一定位置，将曲轴送入到加热位置，触碰到限位开关，前进停止，同时旋转电机启动。3旋转电机启动，带动曲轴旋转，加热淬火，延时一定时间，这样保证边旋转边加热淬火，使受热均匀，提高曲轴的淬火质量。4加热时间到后，伺服电动机启动，带动曲轴上升，上升到一定位置，延时一段时间，进行淬火冷却。5冷却完毕之后，移动电机启动，带动曲轴回到原来位置。6淬火完成，整个淬火过程在触摸屏上可以显示和控制。2.2 曲轴感应淬火装置设计方案2.2.1 方案介绍 淬火装置的数控系统的方案有很多：有以 PLC 为核心的
20、数控系统，还有以单片机为核心的数控系统，以及以计算机为核心的数控系统，以 PLC 为核心的数控系统比较可靠，与 HMI 结合，更容易实现智能化和自动化，所以本设计的数控系统有 HMI 和 PLC 构成 4。本设计采用 HMI 和 PLC 实现对曲轴感应加热装置的控制，图 2-2 所示为数控系统控制框图，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-20GM 用于工件或变压器等升降定位控制。
