单齿感应淬火中的自动控制技术

庄淑君

（洛阳理工学院 电气工程与自动化系，洛阳 471023）

0 引言

在机械加工的许多领域需要对各类大中型齿轮进行单齿淬火，这就需要根据随机齿数的特点，在圆周表面随机自动均匀分度，以实现对单齿齿部感应淬火准确定位。传统的分度是采用定位卡盘和定位销的机械构件进行分度定位，对不同型号工件，需多套与之配套的定位卡盘。随着定位卡盘和定位销使用次数的增加，存在着机械磨损，导致不能准确均匀分度，造成无法实现自动对齿轮单齿感应淬火。

实现单齿感应淬火自动控制的关键技术，是根据齿轮齿数不同，采用智能随机自动分度，实现圆周表面上对各齿的准确定位。基于可编程序控制器PLC的智能随机自动分度，是利用其功能指令中脉冲输出指令控制步进电机；并通过软件编程技巧消除均匀分度的累积误差，从而可智能、随机、精密、自动分度，实现对各单齿的准确定位控制，以满足齿轮单齿感应淬火自动化、智能化的要求。

此智能自动分度技术具有以下特点:

1）根据齿轮齿数，在操作面板上直接通过三位拨码开关输入随机分度位数（范围在999个之内）。

2）可编程序控制器PLC根据输入的齿轮齿数形成的分度位数值，通过精确运算处理，输出一定的脉冲量，从而控制步进电机准确定位。若选取步进电机的步距角为A°，步进电机不加细分控制时，控制精度可达到A°/N；步进电机加入细分控制时,理论控制精度最高可达的A°/N／M。（其中N为传动装置的传动比，M为细分值。）

3）对在分度运算中存在余数造成的累积误差，进行软件编程实现消除处理，确保均匀分度的精确控制。

1 单齿感应淬火工艺程序

在机械加工领域，许多中大型齿轮需要单齿感应淬火。风力发电装置中的回转支撑零件外齿轮单齿感应淬火，就是一个较为突出的例子。其感应淬火过程是：零件放置在旋转工作台上，然后对工作台进行旋转自动均匀分度，接着感应器进给到对应的单齿齿部，在感应器上升中开始对齿部进行加热、喷液，从而完成一个齿部的淬火。整个齿轮感应淬火工艺程序如图1所示。

2 控制系统硬件设计

输入点： X1：原点，X2：自动，X3：手动， X4：启动， X5：分度正反转，X6：分度轴锁紧与松开，X7：感应器进给，X8：感应器后退，X9：感应器上升，X10：感应器下降，X11：加热，X12：喷液。X20、X21、X22、X23：8421BCD拨码开关第一组数字（100、101）输入，X24、X25、X26、X27：8421BCD拨码开关第二组数字（102）输入。

图1 工艺程序流程

输出点：Y0：驱动步进电机， Y1：分度正反向，Y2：分度轴锁紧，Y3：加热， Y7：喷液，Y8：感应器进给，Y9：感应器后退，Y10：感应器上升，Y11：感应器下降， Y4、Y5和Y6：8421BCD拨码开关输入控制。

针对风力发电装置中的回转支撑零件外齿轮单齿感应淬火工艺程序，根据设计控制系统所需的输入输出点数，主控制单元采用日本三菱公司的FX1N-40MT可编程控制器，该PLC体积小、功能强、性价比较高，且具有脉冲输出及定位控制功能。其系统输入，输出点控制系统原理如图2所示。

该控制系统是针对各种型号回转支撑零件外齿轮单齿感应淬火，其智能自动分度位数根据齿轮齿数可在999个齿数范围内随机选取，利用三位8421BCD拨码开关实现分度位数（齿数）的输入。拨码开关输入控制由PLC输入点X20～X27及输出点Y4、Y5和Y6协同实现。

由于回转支撑零件外齿轮单齿感应淬火仅需一个分度定位轴，因此可直接采用其高速脉冲输出口控制驱动步进电机，带动工作台自动均匀分度。其控制方法简单、方便、成本低。FX1N-40MT可编程控制器，其输出点Y0具有脉冲输出功能，输出脉冲频率最高可达100kHz。

选取的步进电机驱动器采用高速单片机技术开发的细分驱动器。其驱动器运用高频脉宽调制技术，具有噪音低、效率高、电压范围宽、设置灵活、运行平稳等优点。步进电机采用永磁感应式步进电机，可根据精确分度的要求选择其步距角。

其智能自动分度硬件连接原理如图2所示，PLC脉冲输出端Y0、输出端Y1的公共端COM0与PLC的24V地COM相连。步进电机驱动器的输入信号公共端OPTP与PLC的＋24V电源相连。PLC的脉冲输出端Y0外接1.8K的限流电阻，连接至步进电机驱动器的脉冲输入端CP，驱动步进电机按步旋转，用于实现工作台均匀分度。PLC的输出点Y1，外接1.8K的限流电阻，连接至步进电机驱动器的方向输入端DIR，用于控制步进电机的旋转分度方向。以此来实现智能、自动、精确分度定位。

3 控制系统软件设计

根据风力发电装置中的回转支撑零件外齿轮单齿感应淬火工艺程序，利用PLC进行控制软件设计，实现智能、自动的齿轮单齿感应淬火。控制软件设计的关键在于如何实现精确分度。

3.1 运用数字开关指令

数据拨码开关是将十进制自动转换为8421BCD码的编码电路模块。按动“+”或“-”按钮，自动实现十进制数加1或减1，同时在相应的DCBA输出端产生8421BCD码。

在此控制系统中，采用三位拨码开关，根据齿轮齿数由用户直接输入分度位数。软件编程运用FX1N系列PLC的数字开关指令FNC72，直接读出拨码开关所设置的数据。其指令示意图如图3所示。

图3 数字开关指令

3.2 使用PLC脉冲输出

FX1N系列PLC的功能指令FNC57和FNC59，分别为的脉冲输出DPLSY指令和可调脉冲输出DPLSR指令的32位指令。指令示意如图4、图5所示。

图4 脉冲输出指令

由图4可知，运行DPLSY指令可在PLC的输出端Y0输出设定数量和频率的脉冲。操作数〔S1〕用来设定脉冲频率，操作数〔S2〕用来设定输出的脉冲个数。操作数〔D〕用来设定脉冲输出元件，只可使用可编程序控制器的Y0或Y1。图4中所示的指令是当可编程序控制器PLC的输入点X4处于ON时，输出端Y0输出频率1000Hz的脉冲，输出脉冲的总数存于通用数据寄存器D11、D10中，它是由实现均匀分度时，Y0所需输出的脉冲总数(2×360°)÷(A°/N)确定。

当要求步进电机具有较高转速时，可采用具有加减速功能的脉冲输出指令DPLSR来实现。加减速功能的脉冲输出指令DPLSR如图5所示。

图5 带加减速脉冲输出指令

3.3 分度控制软件

实现智能自动分度的工作过程是：从原点开始，完成一个分度位（一个齿部）的定位。这一齿部淬火完毕，使定位锁紧电磁阀复位松开，驱动步进电机带动工作台旋转一个角度，实现下一齿部分度定位；之后定位锁紧电磁阀置位锁紧，以便进行当前齿部的淬火。根据设定拨码开关输入的齿数，依次沿齿轮圆周精确完成均匀分布的所有齿部的感应淬火。

根据智能自动分度工作过程设计其软件。主要是通过PLC定位控制及输出脉冲实现驱动步进电机智能自动分度，即对输出口Y0的脉冲输出功能进行编程，同时利用技术的编程消除累积误差。

若选用的步进电机的步距角为A°，即可编程序控制器PLC的脉冲输出口Y0每输出一个脉冲数，步进电机输出轴就转动A°，当传动装置的传动比为N:1，其驱动工作台转动A°/N角度。对于齿轮单齿淬火根据工艺要求需要跳齿(即间隔齿部)实现，因此Y0需要输出的脉冲总数为(2×360°)÷(A°/N)。若均匀分度位数(齿轮齿数)为n，则PLC的输出口Y0需输出[(2×360°)÷(A°/N)]÷n个脉冲，驱动控制

3.4 信号分配的实现

本系统有一特点：控制对象多，信号输入量大；每次启动的对象不多，须处理信号较少。基于此，把信号需求进行分配，仅把当次需要信号自动分配到指定地方，在减少了连线同时，又做到了模块复用。信号分配由Alter公司的一片FPGA10K10实现。它有前级通信接口，以89C2051为核心，接收主机发出的选路信息，完成六位二进制的码转换， 并且将转换的二进制码由P1口并行输出到FPGA的IO口上，FPGA根据IO口上的信号完成相应的选路。FPGA程序由VHDL语言编写Maxpull2编译、仿真、下载调试、最后烧入程序芯片EPC1[5]。

4 结论

由于舞台控制系统是非常复杂的控制系统，本文仅主要介绍了单片机舞台控制系统的软硬件设计思想和基本实现方法。本套舞台控制系统实现了对吊杆的智能控制，支持对不同的应用场合，选用不同的工作模式；具有良好的人机接口界面，吊杆运行状态实时监控、实时显示；且成本低，操作灵活、可靠。本智能舞台控制系统以低端产品的价格，达到了国外高端产品性能，具有极高的性价比。

[1] 余永权.ATMEL89系列Flash单片机原理及应用[M].北京:电子工业出版社,2000.

[2] 李朝青.PC机及单片机数据通信技术[M].北京:北京航空航天大学出版社,2001.

[3] 周航慈.单片机应用程序设计技术[M].北京:北京航空航天大学出版社,1992.

[4] 候伯亨.VHDL硬件描述语言与数字逻辑电路设计[M].西安:西安电子科技大学出版社,1999.

[5] 何立民.单片机应用系统设计[M].北京:北京航空航天大学出版社,1992.