大链轨节感应淬火生产线控制系统设计

蒋建虎 葛运旺 布 挺 张 刚

(洛阳理工学院电气工程与自动化系，河南洛阳 471023)

大链轨节感应淬火生产线用于履带零部件链轨节轨面的加热回火处理，可以满足190、216节距链轨节的踏面热处理生产。轨面感应淬火的目的是使链轨节获得足够深的硬化层和表面硬度，提高链轨节的抗磨性和使用寿命。特别是在满足链轨节强度要求以后，轨面的抗磨性直接决定链轨节的使用寿命［1－2］。由于感应热处理具有加热速度快、生产效率高、节省能源、不氧化脱碳、不污染环境、可控性好及易于实现机械化和自动化等优点，在金属热处理方面具有广泛应用［3－4］。本文主要介绍了大链轨节感应淬火生产线的控制方案和控制系统硬件、软件的实现。

1 控制方案设计

1.1 淬火生产线结构及淬火工艺流程

大链轨节感应淬火生产线主要分成加热区、喷液区和回火区3个部分，加热区主要包括淬火端传输组件、淬火区输送链、感应器支撑组件、辊轮传输组件等设备;喷液区主要包括工件升降喷水组件、辊轮电动机、升降气缸、定位气缸等设备;回火区主要包括回火起始端支架、回火炉、回火端喷液等设备。

感应淬火工艺流程如下:

(1)缺料检测开关判断是否有料，如果有料，伺服电动机启动，带动淬火区输送链将工件传到淬火工位，两组气动夹将工件夹紧(每个气动夹2个气缸，共4个气缸)，电源启动开始加热，工件加热完毕，伺服电动机启动将工件传输至辊轮上，同时将另一个工件输送到淬火位置。

(2)辊轮传输组件电动机启动(装备启动后一直转动，中间不停)，定位气缸伸出，辊轮电动机启动将工件传至定位板，辊轮电动机停转，定位气缸缩回，升降气缸下降，带动工件进入水箱，喷水，喷水完毕，气缸升起。

(3)上电后工件拖动组件，气缸一直处于伸出状态，通过气缸动作将工件拖至回火炉口，工件推动组件气缸伸出，将工件推到回火炉口与另一个工件靠近，气缸恢复原位，等待下一工件。

(4)回火端传输组件伺服电动机旋转带动工件进入回火炉。

(5)喷水圈冷却工件。

1.2 控制方案

生产周期要求:190型链轨节为52 s/对(加热有效时间45 s/对，辅助时间7 s/对);216型链轨节为60 s/对(加热有效时间53 s/对，辅助时间7 s/对)。可以看出辅助时间只有7 s时间，包括喷液和回火，工艺流程时间远远超过这个时间。因此将整个淬火过程分为3个阶段:淬火、喷液、回火，3个区域同时独立运行。

生产过程要求控制系统对机床运行状况进行监视、保护。对感应加热过程的热处理参数进行实时监控，包括:加热电源输出电压、电流、功率、加热时间等，以及冷却水温度、流量、流速等。工件移动采用伺服驱动，PLC控制，同时控制电源启动与停止、加热时间、喷液时间，设置触摸屏，具有工艺编程及记忆功能。

2 控制系统硬件设计

控制系统包含常规的开关量输入输出、位置控制、模拟量输入输出等功能。本控制系统中PLC采用台达DVP32EH00T2，扩展模块采用DVP48HP，常规模拟量输入模块采用DVP06XA－H2，温度输入模块采用DVP04PT－H2，触摸屏采用DOP－B10S615，伺服控制器和伺服电动机采用台达B系列产品，系统总体框图如图1所示。

控制系统硬件设计主要包括生产线供电电路、PLC主机外部接线、PLC扩展模块外部接线、PLC模拟量输入模块外部接线、温度检测电路、水循环及淬火液循环电气控制系统、PLC与伺服控制器连接电路等。其中，PLC与伺服控制器连接电路最复杂和重要，连接电路如图2所示。

3 控制系统软件设计

控制系统软件设计包括HMI画面组态和PLC程序设计两个部分。HMI主要功能是程序管理、手动操作、参数输入和运行监视，控制程序在PLC中，即便没有HMI，整个系统依然可以自动运行。

3.1 HMI画面组态

HMI画面组态采用Screen Editor画面编辑软件，该软件具有功能强大、使用方便的优点。HMI画面主要包括自动监视、状态监视、手动操作、程序参数输入等，系统上电后，默认进入自动监视界面，此时系统在自动方式下运行。

自动监视画面是HMI的主画面，该画面设有3个区域:数据显示区、电源功率曲线显示区和操作区，通过操作按键进入其他界面。自动与手动切换由HMI控制，按下自动监视键，系统进入自动状态，按下手动监视键，进入手动状态，同时产生控制命令将系统转为手动。

程序参数设置画面用于设置和保存不同零件的淬火参数，考虑到有不同种类的零件加工，系统专门利用配方制作零件参数管理画面。由于零件数不多，配方数据表格设置为20×20，共可以存放20个零件，每个零件20个字，前10个字为零件名称，后10个字分别为加热和回火伺服电动机位移、速度、加热时间、喷液时间、电源输出电压等。参数存放在HMI中，调出后通过写入按键写入到PLC数据寄存器D2000开始的连续20个字中。

3.2 PLC程序设计

PLC程序设计主要包括输入输出转换模块、数据采集模块、伺服电动机控制模块、启动与自动停止功能模块、加热控制模块、喷液控制模块、回火控制模块等。

伺服控制模块包括点动、连续、相对定位和绝对定位。为了避免出现故障，伺服电动机驱动模块采用顺序控制方式。自动方式下进行绝对或相对位置定位，因此需要给定位置(位移)和速度，手动状态下进行点动和连续运行，所以只需要给定速度。加热(X轴)伺服电动机部分驱动程序如图3所示

启动与自动停止模块包括启动自锁、单次运行、循环运行、自动停止等功能。启动与自动停止模块程序如图4所示。当按下确定按钮(点动型)，图中M240上电，通过M30自锁，此时加热、喷液和回火程序块相继启动，一个循环之后自动停止并解除自锁。如果通过HMI自动监视界面设置为循环运行模式，在不缺料的情况下，M1有效，此时一个循环之后继续下一个循环。考虑到回火模块可能需要电动机一直运行，因此当无零件时无法自动停止。因此，系统专门设计了自动停止程序。图中程序第一行，如果出现3个区同时缺料的情况，系统自动延时一个循环的时间(60 s)，停止循环运行。如果暂停键按下，系统自动进入单步状态。

数据采集包括加热电源，回火电源电压、电流，淬火液温度、流量，循环水温度、流量等数据的采集和计算，程序中没有使用浮点数运算，因此无需设置其系数。其他具体程序不再列出。

4 结语

在对整个大链轨节淬火生产线淬火工艺分析的基础上，提出了三段式同步控制方案，利用台达触摸屏(HMI)、PLC和伺服系统完成了整个生产线监视与控制，编制了PLC控制程序，实现了全自动循环运行、单次运行、单步运行和手动控制，完成了HMI画面组态，利用配方实现了多种进机零件参数的输入和保存。该生产线已经在长沙三一重工公司投产，设备运行良好。

［1］田子欣，霍苏萍.KC－TZ118型链轨节数控钻镗组合机床的研制［J］.机床与液压，2011，39(2):62 －64.

［2］唐华，李志宏.超低Cr含量的40Mn2钢履带链轨节热处理工艺改进［J］.热加工工艺，2008，37(24):106 －108.

［3］葛运旺，罗尚民，张宗杰，等.PLC和HMI构成的感应淬火机床数控系统［J］.热加工工艺，2005(9):53－55.

［4］王盛军.感应热处理技术及工艺装备的开发与应用［J］.热处理，2007，22(1):19 －23.