單齒感應淬火中的自動控制技術

莊淑君

（洛陽理工學院 電氣工程與自動化系，洛陽 471023）

0 引言

在機械加工的許多領域需要對各類大中型齒輪進行單齒淬火，這就需要根據隨機齒數的特點，在圓周表面隨機自動均勻分度，以實現對單齒齒部感應淬火準確定位。傳統的分度是采用定位卡盤和定位銷的機械構件進行分度定位，對不同型號工件，需多套與之配套的定位卡盤。隨著定位卡盤和定位銷使用次數的增加，存在著機械磨損，導致不能準確均勻分度，造成無法實現自動對齒輪單齒感應淬火。

實現單齒感應淬火自動控制的關鍵技術，是根據齒輪齒數不同，采用智能隨機自動分度，實現圓周表面上對各齒的準確定位。基于可編程序控制器PLC的智能隨機自動分度，是利用其功能指令中脈沖輸出指令控制步進電機；并通過軟件編程技巧消除均勻分度的累積誤差，從而可智能、隨機、精密、自動分度，實現對各單齒的準確定位控制，以滿足齒輪單齒感應淬火自動化、智能化的要求。

此智能自動分度技術具有以下特點:

1）根據齒輪齒數，在操作面板上直接通過三位撥碼開關輸入隨機分度位數（范圍在999個之內）。

2）可編程序控制器PLC根據輸入的齒輪齒數形成的分度位數值，通過精確運算處理，輸出一定的脈沖量，從而控制步進電機準確定位。若選取步進電機的步距角為A°，步進電機不加細分控制時，控制精度可達到A°/N；步進電機加入細分控制時,理論控制精度最高可達的A°/N／M。（其中N為傳動裝置的傳動比，M為細分值。）

3）對在分度運算中存在余數造成的累積誤差，進行軟件編程實現消除處理，確保均勻分度的精確控制。

1 單齒感應淬火工藝程序

在機械加工領域，許多中大型齒輪需要單齒感應淬火。風力發電裝置中的回轉支撐零件外齒輪單齒感應淬火，就是一個較為突出的例子。其感應淬火過程是：零件放置在旋轉工作臺上，然后對工作臺進行旋轉自動均勻分度，接著感應器進給到對應的單齒齒部，在感應器上升中開始對齒部進行加熱、噴液，從而完成一個齒部的淬火。整個齒輪感應淬火工藝程序如圖1所示。

2 控制系統硬件設計

輸入點： X1：原點，X2：自動，X3：手動， X4：啟動， X5：分度正反轉，X6：分度軸鎖緊與松開，X7：感應器進給，X8：感應器后退，X9：感應器上升，X10：感應器下降，X11：加熱，X12：噴液。X20、X21、X22、X23：8421BCD撥碼開關第一組數字（100、101）輸入，X24、X25、X26、X27：8421BCD撥碼開關第二組數字（102）輸入。

圖1 工藝程序流程

輸出點：Y0：驅動步進電機， Y1：分度正反向，Y2：分度軸鎖緊，Y3：加熱， Y7：噴液，Y8：感應器進給，Y9：感應器后退，Y10：感應器上升，Y11：感應器下降， Y4、Y5和Y6：8421BCD撥碼開關輸入控制。

針對風力發電裝置中的回轉支撐零件外齒輪單齒感應淬火工藝程序，根據設計控制系統所需的輸入輸出點數，主控制單元采用日本三菱公司的FX1N-40MT可編程控制器，該PLC體積小、功能強、性價比較高，且具有脈沖輸出及定位控制功能。其系統輸入，輸出點控制系統原理如圖2所示。

該控制系統是針對各種型號回轉支撐零件外齒輪單齒感應淬火，其智能自動分度位數根據齒輪齒數可在999個齒數范圍內隨機選取，利用三位8421BCD撥碼開關實現分度位數（齒數）的輸入。撥碼開關輸入控制由PLC輸入點X20～X27及輸出點Y4、Y5和Y6協同實現。

由于回轉支撐零件外齒輪單齒感應淬火僅需一個分度定位軸，因此可直接采用其高速脈沖輸出口控制驅動步進電機，帶動工作臺自動均勻分度。其控制方法簡單、方便、成本低。FX1N-40MT可編程控制器，其輸出點Y0具有脈沖輸出功能，輸出脈沖頻率最高可達100kHz。

選取的步進電機驅動器采用高速單片機技術開發的細分驅動器。其驅動器運用高頻脈寬調制技術，具有噪音低、效率高、電壓范圍寬、設置靈活、運行平穩等優點。步進電機采用永磁感應式步進電機，可根據精確分度的要求選擇其步距角。

其智能自動分度硬件連接原理如圖2所示，PLC脈沖輸出端Y0、輸出端Y1的公共端COM0與PLC的24V地COM相連。步進電機驅動器的輸入信號公共端OPTP與PLC的＋24V電源相連。PLC的脈沖輸出端Y0外接1.8K的限流電阻，連接至步進電機驅動器的脈沖輸入端CP，驅動步進電機按步旋轉，用于實現工作臺均勻分度。PLC的輸出點Y1，外接1.8K的限流電阻，連接至步進電機驅動器的方向輸入端DIR，用于控制步進電機的旋轉分度方向。以此來實現智能、自動、精確分度定位。

3 控制系統軟件設計

根據風力發電裝置中的回轉支撐零件外齒輪單齒感應淬火工藝程序，利用PLC進行控制軟件設計，實現智能、自動的齒輪單齒感應淬火。控制軟件設計的關鍵在于如何實現精確分度。

3.1 運用數字開關指令

數據撥碼開關是將十進制自動轉換為8421BCD碼的編碼電路模塊。按動“+”或“-”按鈕，自動實現十進制數加1或減1，同時在相應的DCBA輸出端產生8421BCD碼。

在此控制系統中，采用三位撥碼開關，根據齒輪齒數由用戶直接輸入分度位數。軟件編程運用FX1N系列PLC的數字開關指令FNC72，直接讀出撥碼開關所設置的數據。其指令示意圖如圖3所示。

圖3 數字開關指令

3.2 使用PLC脈沖輸出

FX1N系列PLC的功能指令FNC57和FNC59，分別為的脈沖輸出DPLSY指令和可調脈沖輸出DPLSR指令的32位指令。指令示意如圖4、圖5所示。

圖4 脈沖輸出指令

由圖4可知，運行DPLSY指令可在PLC的輸出端Y0輸出設定數量和頻率的脈沖。操作數〔S1〕用來設定脈沖頻率，操作數〔S2〕用來設定輸出的脈沖個數。操作數〔D〕用來設定脈沖輸出元件，只可使用可編程序控制器的Y0或Y1。圖4中所示的指令是當可編程序控制器PLC的輸入點X4處于ON時，輸出端Y0輸出頻率1000Hz的脈沖，輸出脈沖的總數存于通用數據寄存器D11、D10中，它是由實現均勻分度時，Y0所需輸出的脈沖總數(2×360°)÷(A°/N)確定。

當要求步進電機具有較高轉速時，可采用具有加減速功能的脈沖輸出指令DPLSR來實現。加減速功能的脈沖輸出指令DPLSR如圖5所示。

圖5 帶加減速脈沖輸出指令

3.3 分度控制軟件

實現智能自動分度的工作過程是：從原點開始，完成一個分度位（一個齒部）的定位。這一齒部淬火完畢，使定位鎖緊電磁閥復位松開，驅動步進電機帶動工作臺旋轉一個角度，實現下一齒部分度定位；之后定位鎖緊電磁閥置位鎖緊，以便進行當前齒部的淬火。根據設定撥碼開關輸入的齒數，依次沿齒輪圓周精確完成均勻分布的所有齒部的感應淬火。

根據智能自動分度工作過程設計其軟件。主要是通過PLC定位控制及輸出脈沖實現驅動步進電機智能自動分度，即對輸出口Y0的脈沖輸出功能進行編程，同時利用技術的編程消除累積誤差。

若選用的步進電機的步距角為A°，即可編程序控制器PLC的脈沖輸出口Y0每輸出一個脈沖數，步進電機輸出軸就轉動A°，當傳動裝置的傳動比為N:1，其驅動工作臺轉動A°/N角度。對于齒輪單齒淬火根據工藝要求需要跳齒(即間隔齒部)實現，因此Y0需要輸出的脈沖總數為(2×360°)÷(A°/N)。若均勻分度位數(齒輪齒數)為n，則PLC的輸出口Y0需輸出[(2×360°)÷(A°/N)]÷n個脈沖，驅動控制

3.4 信號分配的實現

本系統有一特點：控制對象多，信號輸入量大；每次啟動的對象不多，須處理信號較少。基于此，把信號需求進行分配，僅把當次需要信號自動分配到指定地方，在減少了連線同時，又做到了模塊復用。信號分配由Alter公司的一片FPGA10K10實現。它有前級通信接口，以89C2051為核心，接收主機發出的選路信息，完成六位二進制的碼轉換， 并且將轉換的二進制碼由P1口并行輸出到FPGA的IO口上，FPGA根據IO口上的信號完成相應的選路。FPGA程序由VHDL語言編寫Maxpull2編譯、仿真、下載調試、最后燒入程序芯片EPC1[5]。

4 結論

由于舞臺控制系統是非常復雜的控制系統，本文僅主要介紹了單片機舞臺控制系統的軟硬件設計思想和基本實現方法。本套舞臺控制系統實現了對吊桿的智能控制，支持對不同的應用場合，選用不同的工作模式；具有良好的人機接口界面，吊桿運行狀態實時監控、實時顯示；且成本低，操作靈活、可靠。本智能舞臺控制系統以低端產品的價格，達到了國外高端產品性能，具有極高的性價比。

[1] 余永權.ATMEL89系列Flash單片機原理及應用[M].北京:電子工業出版社,2000.

[2] 李朝青.PC機及單片機數據通信技術[M].北京:北京航空航天大學出版社,2001.

[3] 周航慈.單片機應用程序設計技術[M].北京:北京航空航天大學出版社,1992.

[4] 候伯亨.VHDL硬件描述語言與數字邏輯電路設計[M].西安:西安電子科技大學出版社,1999.

[5] 何立民.單片機應用系統設計[M].北京:北京航空航天大學出版社,1992.