基于SINUMERIK 802C的通用数控淬火机床控制系统

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具有优质、高效、节能和环保等诸多优点的感应热处理技术，符合现代机械行业的生产需要，在汽车、工程机械、农业机械和机床等行业得到了广泛的应用。诸如半轴、传动轴和凸轮轴等各种轴类零件，以及齿轮类、环类、平面类零件与汽车CVJ等关键零部件都需要进行表面感应淬火。以往这些零件感应淬火大多采用传统的控制方式进行生产，而现在运用通用数控淬火机床取代传统的控制方式，自动化程度得到大大提高，工艺适应性更强，为感应热处理生产带来了极大的便利。
自动化控制系统是实现数控淬火机床各种功能的关键，因此我们开发的通用数控淬火机床的控制系统主要基于数控系统(CNC)，包括变频调速、可编程序控制(PLC)、中间继电器逻辑及检测传感等技术，结合显示器及全功能键盘为人机界面，并进行有机整合，使得系统接口协调、抗干扰能力强，尤其是对中高频电源的强磁场具有较强的抗干扰能力，可以在工业环境下稳定工作，保证了产品加工的自动化、优质化和高效率。
1.通用数控淬火机床的功能要求
通用数控淬火机床一般采用立式结构，主机由床身、滑板、上顶尖座调整滑动机构、上下顶尖总成、滑板移动及传动系统、主轴带动工件旋转及传动系统等部分组成。通过双轴伺服数控系统可实现零件的升降移动和变压器的进退移动，以满足各类机械产品零件在通用数控淬火机床上的应用，并保证淬火机床加工的主要运动功能和移动位置精度，从而保证加工质量要求。
在加工过程中，工件可双向旋转，通过变频器调节可实现零件转速的平滑调整。采用双组顶尖结构，使零件加工生产率明显提高。
9 F, V: {" N5 w9 T* f; k6 k# T为适应不同长度工件的加工，上顶尖高度位置采取电动调整。
: U, Y  N* ^+ S2 W通过控制系统提供的对电源不同输出通道的自动控制，可实现加工过程中的变功率控制功能。通过键盘编程，用户可随时调用相应的淬火程序，从而实现连续淬火、分段连续淬火、分段同时淬火及同时淬火等工艺程序的自动控制。
* O5 ?4 d& f( c% C( H& v" M配有与机床一体化的淬火液循环冷却系统及辅助喷液系统。
由于感应加热采用的是中高频电源，加工环境具有高电压、大电流和强磁场等特点，加之整个淬火过程的水汽、雾气及冷加工所产生的毛刺，因此感应淬火过程现场环境十分复杂，给自动控制带来更加复杂的要求。
控制系统的重点是满足上述各种综合功能，使控制系统更为先进可靠，机床操作更为方便。
2.数控系统
) V8 h0 G9 C% N8 _' _1 l; V基于立式通用数控淬火机床的结构特点及控制要求，经过大量的调研分析比较，我们确定采用性价比较为理想的西门子SINUMERIK 802C双轴数控系统为控制核心。
8 }+ H8 e9 o$ nSINUMERIK 802C是专门为中国数控机床市场开发的经济型CNC控制系统。SINUMERIK 802C base line系统的主控单元由数字控制CNC和可编程逻辑控制PLC组成，集成了所有的CNC、PLC、HMI和I/O于一身。
6 H. q9 Z+ Q# X% K数字控制CNC可以同时控制2～3个交流伺服电机进给轴和一个交流伺服主轴。交流伺服电机带有位置反馈和速度反馈，构成半闭环控制系统。交流伺服电机输出端后面的机械执行机构所产生的机械误差是固定的，通过数控系统的参数设定，例如各轴的间隙补偿量进行补偿，可确保控制精度的可靠实现。速度反馈使低速特性得到提高，速度波动和转矩波动降到最低，使加工质量稳定可靠。操作面板和机床面板通过专用电缆与数控系统相连，可完成各参数的设定及各工作方式下的各种操作。数控系统还可通过隔离接口与其他控制系统的计算机通信，完成联网控制，达到生产线乃至生产车间的全自动控制。
可编程逻辑控制PLC通过输入输出接口，与机床上的机床控制面板、驱动继电器、电磁阀、行程开关、保护开关相连，可靠地完成机床的各种加工动作。数字控制CNC和可编程逻辑控制PLC之间有专门的地址用于相互传递信息。
SINUMERIK 802C base line控制软件已经存储在数控部分的Flash-EPROM(闪存)上，Toolbox软件工具(调整所用的软件工具)包含在标准的供货范围内；系统不再需要电池，免维护设计；采用电容防止掉电引起的数据丢失、程序的变化和新程序软件存储。
3.数控系统的开发应用
" g! a$ Z2 q& ~  P  x9 L# d根据立式通用数控淬火机床的结构特点，以及西门子的SINUMERIK 802C系统的性能，设计立式通用数控淬火机床的控制系统。其控制结构简图如图1所示。
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0 P" j2 h$ t8 q. S! g) ?  A此机床的零件升降运动、变压器的进退运动分别采用伺服电机驱动，通过滚珠丝杠传动，实现滑板带动工件的升降运动和变压器/感应器的进退运动。升降速度可按工艺要求设定，从而完成轻快传动、高精度导向和准确定位。变压器/感应器的进退运动可满足内外滚道类零件的淬火功能要求。
# d. `1 ^8 e" v- Z零件旋转采用异步减速电动机驱动，通过传动轴带动主轴旋转。采用变频调速技术，可实现工件转速根据工艺要求在操作面板上的直接调节，也可根据工艺要求进行程序设定。
采用异步减速电动机驱动，通过丝杠传动实现上顶尖座位置的电动调整，满足不同长度工件的装夹。
, g6 i8 _1 T2 h' A6 j0 q( ]机床可向电源发出三种加热信号，即控制电源的不同输出通道，实现根据加热工艺的变功率自动控制。
数控系统可存储50种淬火工艺程序，自动实现连续淬火、分段连续淬火、分段同时淬火及同时淬火等工作。通过人机界面的数控键盘可对各种程序进行编程存储，以备用户随时调用。
采用可编程控制器(PLC)，实现整个淬火过程的逻辑动作控制，包括加热功率的选择，以及与感应加热电源、冷却水循环系统、淬火液循环系统联机控制。检测并控制淬火液温度与流量、冷却水温度与流量，配合能量监控，检测工件加热总和能量，保证工件加热程度。设置失电保护、越位保护、感应器与工件短路保护、电源门保护和缺水保护等功能，使接口具有较高的安全可靠性。
立式通用数控淬火机床电气控制系统主要完成五个运行方式的控制，即点动、参考点、自动、单段和编程运行方式。
点动(JOG)：手动调整方式。
7 ], Z4 x3 u- A# o0 ]; `) a! `参考点：回参考点运行方式。
/ I  c  n; ?) U- P; e& H自动(AUTO)：按加工程序自动运行。
( ?( l/ Y# A1 h' s7 `单段(SBL)：设定单段方式程序，按单段运行的调整方式。
编程(MDA)：手动编写程序然后自动执行。
根据控制系统设计，其系统软件程序的结构如图2所示。

本机床的软件程序主要包括两部分：实现工件移动精度控制的数控程序CNC和实现机床动作的顺序逻辑程序PLC，它们之间通过专门的地址相互传送信息。
助于系统中的典型程序，结合立式通用数控淬火机床的动作要求、工艺特点进行相应的整合设计，着重在I/O控制程序上进行针对性的设计，完成系统控制软件的设计。
, `- P5 e9 m+ p对外部输入采样(按钮、接近开关、保护开关和传感器输出等)及输出执行(驱动继电器、电磁阀、淬火液循环系统和冷却水循环系统等)，主要是由PLC控制完成，由专门的地址提供与CNC的信息交换。
- w! J) D, C' }1 g% J9 J4 T% x- K, \4.结语
- [/ ]. B9 H1 Q利用经济型数控系统，突出其性价比的优势，解决了通用数控淬火机床的自动化控制。此数控系统的开发设计周期短，控制性能可靠，工作性能稳定，尤其对于感应加热过程的复杂环境，易于实现抗干扰的措施。由于此控制系统具备完善的检测控制点，几乎包括了目前淬火工艺过程中所需的各种条件要求，各种异常情况的报警信号设置较为齐全，因此针对各类淬火机床选择此控制系统，可根据需要选择其中适合的控制点，将其余控制点屏蔽，仅需使用该控制系统部分或全部功能就能满足淬火机床要求。此控制系统已推广运用于生产实践，且经历实践考验，使用效果良好。
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