中小模数齿轮高频淬火生产线自动控制系统及控制方法

摘要

中小模数齿轮高频淬火生产线自动控制系统及控制方法，由可编程序控制器PLC主机，AD及DA功能模块和触摸屏组成，PLC主机输入端子及AD模块采集来自生产线中的各信号并进行处理后，通过输出端子及DA功能模块对生产线中的各环节进行控制，以实现对生产线的实时控制。本发明具有手动控制与自动运行两种模式，设置触摸屏进行实时监控同时可方便调整加工工艺参数，能够统计当班次及累计产量，记录生产情况，显示报警信息。该装置生产自动化程度较高，能够精确控制齿轮淬火温度，显著提高产品的质量与产量，同时也改善了劳动环境，减轻工人的劳动强度，降低了生产成本，尤其适用于大批量的生产场合。

说明书

(一)技术领域

本发明涉及中小模数齿轮高频淬火生产线自动控制系统及控制方法，属齿轮高频淬火加工技术领域。

(二)背景技术

我国齿轮感应淬火作为硬齿面热处理工艺曾经有过一段辉煌的历史，大量的机床齿轮、汽车拖拉机齿轮、矿山机器齿轮及通用减速器齿轮都采用感应淬火，相应的高频电源及各类淬火机床也比较配套，九十年代后期又研制出了固态高频感应加热电源并能够实现淬火机床的数控化。目前国内已有几家高频设备公司随其主导产品固态高频感应加热电源配套供应感应淬火机床，并提供联机技术服务，所采用的加工方法是：淬火机床大多由PLC控制，齿轮表面淬火工艺参数以程序形式储存在PLC中，一般采用定时加热方式，没有红外测温系统，不能精确控制淬火温度。另外，其生产线主要依靠人工装卸料，工人劳动强度大，工作效率低，工作环境恶劣(淬火液挥发有毒物质)，有损人体健康，自动化程度低，产品质量难以控制。

(三)发明内容

为弥补现有技术的缺陷与不足，将齿轮高频淬火的加工过程进行全自动控制，本发明提供一种中小模数齿轮高频淬火生产线自动控制系统及控制方法。

一种中小模数齿轮高频淬火生产线自动控制系统，包括可编程序控制器PLC主机、AD及DA功能模块和触摸屏，其特征在于，PLC主机输入端子分别与生产线中的物位检测光电开关、气动机械手和淬火机床的控制按钮及限位开关、高频电源故障信号输出端及操作面板选择开关等相连接，可采集所述生产线中各开关量信号；输出端子分别与生产线中梯形上料机构的交流接触器相连接以实现自动上料控制，与生产线中物料传送机构(传送带1和传送带2)的变频器相连接以实现按程序设定的速度运料，与生产线中气动机械手的电磁阀相连接以实现上下、左右、夹紧松开、左右旋转运动控制，与生产线中淬火机床的电磁阀与变频器相连接以实现主轴上升与下降、按程序设定的速度旋转及淬火喷液，与生产线中高频电源的控制继电器及主电源的控制继电器相连接，以控制高频电源的工作状态，输出端子还接有故障报警灯等信号指示装置；PLC主机I/O扩展端口连接1块4路AD功能模块，用来采集红外测温仪和冷却水传感器的数据，预留两路输入通道以备扩展用；AD功能模块的总线端口连接1块DA功能模块，控制高频电源的输出功率；触摸屏连接在PLC主机RS-422编程口，以实现工艺参数设置与监控功能。

本发明所需控制的生产线由全固态高频感应加热电源、淬火机床、非接触测量红外测温仪、3自由度气动机械手以及阶梯式上料机构、物料传送机构组成一个成套装置，集中由可编程序控制器PLC主机、AD及DA功能模块所控制。

所述生产线中物料传送机构(传送带1和传送带2)及淬火机床的变频器按PLC程序设定的速度运行，并通过触摸屏监控画面可方便修改。

所述生产线中高频电源的输出功率由PLC程序设定，并通过触摸屏监控画面可方便修改。

所述冷却水温传感器由集成传感器及其变送电路组成，采用0-10V电压输出方式。

本发明自动控制系统的自动控制工作过程如下：

首先启动水泵给高频电源输送循环冷却水，水压正常后由PLC输出控制阶梯式上料机构往传送带1输送待淬火的齿轮，第一个料到达光电检测传感器位置时，停止上料及传送带1，气动机械手将料抓起按设定路径送入淬火机床主轴夹具中，主轴上下由液压装置驱动，先下降到达加热工位，主轴旋转并启动高频电源按设定工艺参数加热，红外测温仪对目标区测温并把数据传送给PLC，到温后停止加热，主轴下降，到淬火工位按工艺要求再旋转、喷淋淬火液或浸入油中淬火，设定时间到主轴停转并上升至原位，机械手将料抓起按设定路径送往传送带2，传送带2将料送入下一道工序，机械手回原位进入下一个周期的循环。

控制系统通过触摸屏能统计当班次及累计产量，可方便调整加工工艺参数，显示当前温度值，同时也具有实时监控功能。

本发明中小模数齿轮高频淬火生产线自动控制系统的控制方法包括手动和自动运行两种模式，配置触摸屏监控画面可以实现工艺参数设置与监控功能，其中PLC主控制部分流程如图2所示，步骤如下：

a PLC开机系统初始化。

b参数设置、A/D、D/A设定及采样。

c询问系统正常与否。

d运行模式状态初始化。

e系统故障报警。

f工作方式选择控制，包括：

f1单个操作；

f2原点复位；

f3自动运行，其中自动运行方式包括：

f31步进；

f32单周期运行；

f33连续运行。

g手动程序，包括两个子程序：

g1单个操作程序；

g2原点复位程序。

h自动程序。

所述控制方法中，b参数设置包括加热温度的设定值，高频电源输出功率、冷却水温报警设定值，传送带1及淬火机床驱动主轴变频器的转速设定值；A/D、D/A设定包括FX2N-4AD、FX2N-4DA的模块识别、通道输入状态(电压或电流)、平均采样次数、错误状态标志等。

所述控制方法中d运行模式状态初始化程序即应用初始化状态指令FNC60(IST)对于手动或自动运作模式中的初始状态继电器或特殊辅助继电器实施自动控制的一整套命令，模式输入要分配连续号码。

手动运行方式包括单个操作和原点复位两个子程序，由与PLC输入端相连接的转换开关来决定执行哪一个子程序。选择单步操作方式时，由状态继电器S0引导单个操作程序。单个操作程序主要利用操作面板中设置的按钮进行单个动作的控制，如梯形上料机构、传送带1、2的起动，机械手的各种单个动作，淬火机床的各种运动控制等，主要用于设备调试和维修。原点复位程序由操作面板上原点复位按钮起动，由状态继电器S1引导原点复位程序，其动作包括机械手松开、左旋并回到左、上位和淬火机床主轴升到上限工位(即机械手抓、放料位)。

自动运行方式包括步进、单周期运行和连续运行三种方式，由转换开关与起动按钮来决定执行哪种方式的程序。

本发明控制方法的自动运行的控制部分，步骤如下：

【1】、状态继电器S2；

【2】、特殊辅助继电器M8041常开接点，移行开始信号；

【3】、特殊辅助继电器M8044常开接点，原点条件信号；

【4】、使传送机构上料、传送带1变频器BP1按设定值驱动电机正转、接通高频控制电源和主电源；

【5】、光电开关检测信号；

【6】、停止上料和传送带1、机械手下降；

【7】、机械手下限位信号；

【8】、机械手抓料；

【9】、机械手夹紧限位信号；

【10】、机械手上升；

【11】、机械手上限位信号；

【12】、机械手右行；

【13】、机械手右限位信号；

【14】、机械手下降；

【15】、机械手下限位信号；

【16】、淬火机床主轴上限工位到达信号；

【17】、机械手松开并延时1秒；

【18】、延时时间到信号；

【19】、淬火机床主轴下降；

【20】、到达加热工位信号；

【21】、使淬火机床变频器BP1按设定值驱动机床主轴正转、高频电源加热、工件当前温度值与设定值比较；

【22】、温度大于或等于设定值使能辅助继电器接点；

【23】、使淬火机床主轴下降；

【24】、到达喷淋淬火工位信号；

【25】、喷淋淬火并延时8秒、计数进行产量统计，

【26】、延时时间到信号；

【27】、淬火机床主轴停转并上升；

【28】、淬火机床主轴到达上限工位；

【29】、机械手抓料；

【30】、机械手夹紧限位信号；

【31】、机械手上升；

【32】、机械手上限位信号；

【33】、机械手右旋；

【34】、机械手右旋限位信号；

【35】、机械手下降；

【36】、机械手下限位信号；

【37】、机械手松开并延时1秒；

【38】、延时时间到信号；

【39】、机械手上升；

【40】、机械手上限位信号；

【41】、机械手左旋；

【42】、机械手左旋限位信号；

【43】、机械手左行；

【44】、机械手左限位信号。

当选择连续运行方式并按下起动按钮时，由状态继电器S2引导自动程序，特殊辅助继电器M8041移行开始信号和特殊辅助继电器M8044原点条件信号相与，逻辑结果为真时决定下一步的执行：传送机构上料、传送带1变频器BP1按设定值驱动电机正转、接通高频装置控制电源和主电源；当光电开关检测到工件时，停止上料和传送带1的运转同时机械手下降，当机械手到下限位时，开始抓料直至夹紧限位开关动作，接着机械手上升，到上限位开关时，机械手右行，到右限位开关时，机械手下降，到下限位开关时，下限位开关信号和淬火机床主轴上限工位到达信号相与，逻辑结果为真时决定下一步的执行：机械手松开并延时1秒，延时时间到，淬火机床主轴下降，到达加热工位后，使淬火机床变频器BP1按设定值驱动机床主轴正转、高频电源加热，当工件温度大于或等于设定值时相应辅助继电器常开接点闭合，接着使淬火机床主轴下降，当到达喷淋淬火工位后开始喷淋淬火并延时8秒、同时计数进行产量统计，延时时间一到，淬火机床主轴停转并上升，到达上限工位时，机械手抓料，夹紧限位开关动作后，机械手上升，到上限位开关，机械手开始右旋，到右旋限位开关后，机械手下降，到达下限位开关后，机械手松开并延时1秒，延时时间到后，机械手开始上升，到上限位后，机械手左旋，到达左旋限位开关，机械手左行，到达左限位开关时，回到原点，接着执行下一周期的动作。连续运行时当按下停止按钮后工步继续执行，直至运转到原点，才停止动作，无论哪种工作方式，若按下紧急停止按钮，马上中止当前动作。

所述控制方法中，触摸屏监控画面包括工艺参数设定与显示画面、生产监控画面等，由触摸按钮来切换。

本发明有益效果是：生产自动化程度较高，能够精确控制齿轮淬火温度，具有实时控制功能；另外还可方便调整加工工艺参数，实时显示各项工艺参数及报警信息，能够统计当班次及累计产量，记录生产情况。该装置具有占地面积小、生产效率高、一次安装调试容易等优点，可以提高产品的质量与产量，改善劳动环境，减轻劳动强度，降低生产成本，尤其适用于大批量的生产场合。

(四)附图说明

图1为本发明控制系统框图。

其中：1、PLC主机，2、AD功能模块，3、DA功能模块，4、触摸屏，5、RS-422电缆，6、生产线中物位检测光电开关、气动机械手和淬火机床的控制按钮和限位开关、高频电源故障信号输出端及操作面板选择开关等，7、梯形上料机构的交流接触器，物料传送机构(传送带1和传送带2)的变频器，气动机械手的电磁阀，淬火机床的电磁阀与变频器，高频电源的控制继电器，故障报警灯等信号指示装置等，8、红外测温仪，9、测温半导体集成传感器，10、高频电源。

图2为本发明控制方法PLC主程序控制流程框图。

其中：11、系统初始化，12、参数设置、A/D、D/A设定及采样程序，13、询问系统正常与否，14、运行模式状态初始化，15、系统故障报警，16、单个操作控制方式，17、S0，18、单个操作程序，19、原点复位方式，20、状态继电器S1，21、原点复位程序，22、步进方式，23、单周期运行方式，24、连续运行方式，25、状态继电器S2，26、自动程序。

图3为自动运行的控制程序框图。

其中：25、状态继电器S2，27、特殊辅助继电器M8041常开接点，移行开始信号，28、特殊辅助继电器M8044常开接点，原点条件信号，29、使传送机构上料、传送带1变频器BP1按设定值驱动电机正转、接通高频控制电源和主电源，30、光电开关检测信号，31、停止上料和传送带1、机械手下降，32、机械手下限位信号，33、机械手抓料、34、机械手夹紧限位信号，35、机械手上升，36、机械手上限位信号，37、机械手右行，38、机械手右限位信号，39、机械手下降，40、机械手下限位信号，41、淬火机床主轴上限工位到达信号，42、机械手松开并延时1秒，43、延时时间到信号，44、淬火机床主轴下降，45、到达加热工位信号，46、使淬火机床变频器BP1按设定值驱动机床主轴正转、高频电源加热、工件当前温度值与设定值比较，47、温度大于或等于设定值使能辅助继电器接点，48、使淬火机床主轴下降，49、到达喷淋淬火工位信号，50、喷淋淬火并延时8秒、计数进行产量统计，51、延时时间到信号，52、淬火机床主轴停转并上升，53、淬火机床主轴到达上限工位，54、机械手抓料，55、机械手夹紧限位信号，56、机械手上升，57、机械手上限位信号，58、机械手右旋，59、机械手右旋限位信号，60、机械手下降，61、机械手下限位信号，62、机械手松开并延时1秒，63、延时时间到信号，64、机械手上升，65、机械手上限位信号，66、机械手左旋，67、机械手左旋限位信号，68、机械手左行，69、机械手左限位信号。

(五)具体实施方式

实施例：

本发明自动控制系统实施例如图1所示，包括可编程序控制器PLC主机1、AD功能模块2及DA功能模块3和触摸屏4，其特征在于PLC主机1选用三菱FX_2N-80MR，输入端子分别与生产线中的物位检测光电开关、气动机械手和淬火机床的控制按钮及限位开关、高频电源故障信号输出端及操作面板选择开关6相连接，可采集所述生产线中各开关量信号；输出端子分别与生产线中梯形上料机构的交流接触器相连接以实现自动上料控制，与生产线中物料传送机构(传送带1和传送带2)的变频器相连接以实现按程序设定的速度运料，与生产线中气动机械手的电磁阀相连接以实现上下、左右、夹紧松开、左右旋转运动控制，与生产线中淬火机床的电磁阀与变频器相连接以实现主轴上升与下降、按程序设定的速度旋转及淬火喷液，与生产线中高频电源控制与主电源的控制继电器相连接，以控制高频电源的工作状态。输出端子还接有故障报警灯等信号指示装置7。PLC主机1的I/O扩展端口连接1块4路AD功能模块2，型号为FX_2N-4AD，用来采集红外测温仪8和冷却水传感器9的数据，预留两路输入通道以备扩展用。红外测温仪8采用标准4-20mA电流输出方式，冷却水温传感器9由集成传感器及其变送电路组成，采用0-10V电压输出方式，它们用带屏蔽的双绞线连接。AD功能模块2的总线端口连接1块DA功能模块，型号为FX_2N-4DA，控制高频电源10的输出功率，也采用标准4-20mA电流输出方式。触摸屏4用RS-422电缆5连接在PLC主机1的编程口上，以实现其对工艺参数设置与监控功能，触摸屏4采用24V直流稳压电源供电。

PLC主机1及其AD、DA功能模块2、3安装在35mm宽DIN导轨上，布置在电控柜中，柜门上部设置了触摸屏4，下部为操作面板，系统工作方式设为手动和自动两种运行模式，由设置在操作面板的转换开关来执行。

生产线高频电源10选用IGBT高频感应加热电源，它采用DSP+IGBT的技术以及ZVS电路实现高频低损耗IGBT逆变，效率高、损耗低、控制精确，具有很高的可靠性。能在线连续调节输出电压和输出电流，能突破上下最大值限制，实现0-100％输出功率连续可调，并根据负载情况自动跟踪输出频率。装置的用户接口包括隔离的数字量输入输出接口、继电器接点输出接口，隔离的模拟量输入接口、RS485通讯接口。装置对外的报警和故障信号由继电器接点信号输出。

淬火机床选用齿轮感应淬火专用机床，零件淬火直径范围＜600毫米，淬火最大高度为200毫米，该设备采用液压传动，机械联动，可被PLC主机1控制(按用户要求，主轴可用变频器驱动，PLC可选)，自动化程度高，可靠性强，操作方便。

红外测温仪8选用高性能集成型红外测温仪，对小物体和远距离物体具有高分辨率，可实时监测中高温的物体。该产品温度范围300-1400℃，距离系数80∶1，响应时间1毫秒，精度为测量值的+0.3％，具有透镜瞄准或激光瞄准，双向RS-485通讯，模拟和数字同时输出功能。

气动机械手选用旋臂式机械手另加装专用手爪改装而成，具有3个自由度，手臂为单截式，主臂上下行程700mm，旋出角度55～90°，全气压驱动。

本发明控制方法的PLC主控制程序部分如图2所示，步骤如下：

11PLC开机系统初始化；

12参数设置、A/D、D/A设定及采样程序；

13询问系统正常与否；

14运行模式状态初始化程序；

15系统故障报警；

16单个操作控制方式；

17状态继电器S0；

18单个操作程序；

19原点复位方式；

20状态继电器S1；

21原点复位程序；

22步进方式；

23单周期运行方式；

24连续运行方式；

25状态继电器S2；

26自动程序。

所述控制方法中，步骤12参数设置包括加热温度的设定值，高频电源输出功率、冷却水温报警设定值，传送带1及淬火机床驱动主轴变频器的转速设定值；A/D、D/A设定包括FX2N-4AD、FX2N-4DA的模块识别、通道输入状态(电压或电流)、平均采样次数、错误状态标志等。步骤14运行模式状态初始化程序即应用初始化状态指令FNC60(IST)对于手动或自动运作模式中的初始状态继电器或特殊辅助继电器实施自动控制的一整套命令，模式输入要分配连续号码。

所述控制方法中，手动运行方式包括单个操作和原点复位两个子程序，由与PLC输入端相连接的转换开关来决定执行哪一个子程序。选择单步操作方式时，由状态继电器S0引导单个操作程序。原点复位程序由操作面板上原点复位按钮起动，由状态继电器S1引导原点复位程序。

所述控制方法中，自动运行方式由状态继电器S2引导自动程序。自动程序包括步进、单周期运行和连续运行三种方式，由转换开关与起动按钮来决定执行哪种方式的程序。

本发明控制方法的自动运行的控制部分如图3所示，步骤如下：

25、状态继电器S2；

27、特殊辅助继电器M8041常开接点，移行开始信号；

28、特殊辅助继电器M8044常开接点，原点条件信号；

29、使传送机构上料、传送带1变频器BP1按设定值驱动电机正转、接通高频控制电源和主电源；

30、光电开关检测信号；

31、停止上料和传送带1、机械手下降；

32、机械手下限位信号；

33、机械手抓料；

34、机械手夹紧限位信号；

35、机械手上升；

36、机械手上限位信号；

37、机械手右行；

38、机械手右限位信号；

39、机械手下降；

40、机械手下限位信号；

41、淬火机床主轴上限工位到达信号；

42、机械手松开并延时1秒；

43、延时时间到信号；

44、淬火机床主轴下降；

45、到达加热工位信号；

46、使淬火机床变频器BP1按设定值驱动机床主轴正转、高频电源加热、工件当前温度值与设定值比较；

47、温度大于或等于设定值使能辅助继电器接点；

48、使淬火机床主轴下降；

49、到达喷淋淬火工位信号；

50、喷淋淬火并延时8秒、计数进行产量统计，

51、延时时间到信号；

52、淬火机床主轴停转并上升；

53、淬火机床主轴到达上限工位；

54、机械手抓料；

55、机械手夹紧限位信号；

56、机械手上升；

57、机械手上限位信号；

58、机械手右旋；

59、机械手右旋限位信号；

60、机械手下降；

61、机械手下限位信号；

62、机械手松开并延时1秒；

63、延时时间到信号；

64、机械手上升；

65、机械手上限位信号；

66、机械手左旋；

67、机械手左旋限位信号；

68、机械手左行；

69、机械手左限位信号。

PLC程序为采用三菱电机GX-Developer编程软件编制的梯形图程序，触摸屏监控画面采用三菱电机GT-Designer GOT画面制作软件设计，包括工艺参数设定与显示画面、生产监控画面等，由触摸按钮来切换。

开机时通过调用触摸屏的监控画面设置相应的工艺参数，执行PLC内存中的控制程序即可实现生产过程全自动控制。