基于單片機的回轉支承感應加熱間隙自動跟蹤系統設計*

盛青山 董慶偉 馮佩佩 李兵陽

(河南科技大學機電工程學院，河南 洛陽 471003)

基于單片機的回轉支承感應加熱間隙自動跟蹤系統設計*

盛青山 董慶偉 馮佩佩 李兵陽

(河南科技大學機電工程學院，河南 洛陽 471003)

該設計針對目前在控制回轉支承感應加熱間隙技術方面的不足之處，提出了一種新的控制方法。通過傳感器、單片機和伺服調節系統所組成的閉環回路，來實現自動跟蹤控制。使數控淬火機床感應加熱間隙的變化實現動態跟蹤調節，從而使回轉支承表面強度達到最佳。為回轉支承感應加熱系統控制提供一種新思路。

回轉支承；感應加熱間隙；自動跟蹤控制；單片機

回轉支承是一種能同時承受較大軸向、徑向聯合載荷和傾覆力矩的大型軸承[1]。在現實工業中應用很廣泛，被人們稱為：“機器的關節”。作為大型工程機械的核心零件，其運行的穩定性和壽命及其重要，這對回轉支承的熱處理質量提出了非常高的要求。而在影響熱處理的諸多因素中，感應加熱間隙的變化成為影響淬火質量的重要因素[2]。因此，研究如何控制感應加熱間隙的變化，并使加熱間隙處在一個合理的范圍內具有非常重要的意義。

1 目前控制感應加熱間隙的方法及本設計的意義

在感應淬火加熱這一領域，國外起步較早，目前擁有較為完善的間隙變化控制方法，其中比較典型的為德國艾洛特姆公司所采用的工件凈功率監控器技術[3-4]。國內比國外起步較晚，但發展迅速。目前在控制間隙變化方面，普遍采用的是感應器靠模裝置來進行控制[5]。

感應器靠模裝置因其為傳統純機械裝置，具有性能穩定，通用性強，淬火效果較好等一系列優點，但其只能進行一個自由度的微調，并且在加工過程中無法實時監控和修正事先調整的靠模位置，一定程度上制約了該技術向高精度、智能化發展的可能性[5]。工件凈功率監控器技術雖然克服了靠模裝置的缺點，能實現智能監控感應器加熱間隙的變化，但因為其原理的特殊性，需要針對不同的感應器在合適的位置安裝電感傳感器，這將使制作成本大大提高，并且各種電子信號的提取和調試也較為復雜。目前國內很少有商家采用凈功率監控技術。

本設計針對目前在控制回轉支承(工件)感應加熱間隙技術方面的不足之處，提出了一種新的控制方法。該方法通過激光位移傳感器測得感應器與工件表面之間感應加熱間隙的變化，測量數據經過單片機處理后，控制伺服電動機帶動滾珠絲杠調整感應加熱間隙，實現自動跟蹤控制，從而使回轉支承表面強度達到最佳。

2 自動跟蹤控制系統總體方案設計

本設計的自動跟蹤控制系統主要由3部分組成，分別是檢測系統、控制系統和執行系統。其通過建立如下閉環反饋控制系統，精確檢測并反饋感應加熱間隙的變化并對感應器的位置進行調整，使感應加熱間隙始終保持在設定的參數值，最終成功實現對感應加熱間隙的自動跟蹤控制。總體系統如圖1所示。

2.1 檢測系統設計

因大型回轉支承(工件)在淬火機床上進行淬火加熱的過程中，其運動軌跡為跟隨工作臺旋轉運動。在運動過程中，無論是支承(工件)滾道的徑向波動還是軸向波動都將會引起淬火間隙的變化，當變化超出一定范圍后，必然會導致最后淬火工件質量不合格。因此，此次設計的檢測系統必須具備雙軸檢測的功能，能夠同時檢測和反饋工件的軸向和徑向感應加熱間隙的變化，如圖2所示。

考慮到本設計中所需傳感器工作環境的特殊性，以及誤差范圍的精確性，所以在傳感器選擇方面，選用松下HL-G1系列激光位移傳感器來進行位移測量。在對回轉支承(工件)滾道進行感應淬火加熱過程中，兩個激光位移傳感器分別檢測支承(工件)徑向和軸向的動態坐標位置，并實時傳輸給控制系統[6]。

2.2 控制系統設計

控制系統是該自動跟蹤系統的核心，在進行感應加熱間隙自動跟蹤控制時，由控制系統接收到檢測系統的反饋信號，然后對其進行判斷，并根據判斷結果對感應器的位置進行控制調整。控制系統主要由主控芯片和伺服驅動器組成。

主控芯片采用Freescale公司生產的32位單片機MK60DN512VLQ10。該單片機是基于ARM CORTEX M4的RISC內核，外接50 MHz晶振，通過PLL超頻至200 MHz。MK60內部含有兩個ADC模塊，最高采樣精度為16位。內置8路16位PWM輸出，如圖3所示。

伺服驅動器選擇臺達ASDA-B2系列伺服驅動器和ECMA系列交流伺服電動機。B2驅動器具有位置、速度、轉矩控制模式，以及17-bit高解析編碼器，更具備強大的自動共振抑制功能，能夠滿足機床設備高精度定位控制及平穩低速運轉的應用要求。

2.3 執行系統設計

執行系統示意圖如圖4所示，其主要由伺服電動機、滾珠動絲杠、感應器和直線導軌組成。伺服電動機接收來自伺服驅動器的信號運轉，并帶動滾珠絲杠轉動。通過滾珠絲杠的轉動實現安裝在滑臺上的感應器沿直線導軌方向的平移，進而實現感應器位置的微調。考慮到工件表面的高溫、感應器的強磁場及淬火液蒸汽仍可能對測距精度產生較大影響，因此可在傳感器及其數據線外加裝隔熱、電磁屏蔽及風扇等裝置。

3 控制系統軟件設計

3.1 軟件構架設計

在回轉臺帶動工件旋轉時，激光位移傳感器不斷將間隙變化的信號反饋至單片機,當需要調節間隙時，單片機則輸出相應的控制信號至伺服運動控制系統，使感應加熱間隙保持在正常范圍內，實現對間隙的自動跟蹤控制[7]。間隙變化信號可通過液晶顯示器實時顯。圖5為系統構架示意圖。

3.2 軟件程序設計

考慮到程序的調試以及移植的方便性，本設計程序采用模塊化的編程方法，將整個程序分為采集模塊、顯示模塊和自動調控模塊。整個系統的程序流程圖如圖6所示。

其中，自動調控模塊是所有模塊中最重要的部分，涉及多個工藝參數和控制流程，進而實現對感應加熱間隙的自動跟蹤控制。該模塊的流程圖如圖7所示。在系統工作運轉過程中，采集模塊所用的兩個激光位移傳感器分別測量支承(工件)軸向和徑向的距離數值X1、Y1，并分別與設定的標準距離值X、Y進行比較。如果X1、Y1在設定的允許范圍[X-a,X+a]、[Y-b,Y+b]，則通過對感應器位置的調整使X1趨近于X，Y1趨近于Y。如果X1、Y1任一超出允許范圍，為了保證安全必須立刻報警。其中，X1、Y1兩個方向的檢測、反饋、判斷和對感應器的位置調整是相互獨立的，在雙軸自動跟蹤控制的共同作用下，使感應器與工件滾道表面間隙保持在設定的參數范圍內。

在編程參數設置過程中，正常范圍的閾值不宜過小，否則可能引起感應加熱間隙不斷地振蕩調整。因此本設計徑向間隙誤差精確為1 mm，軸向間隙誤差精確為0.5 mm。當自動跟蹤系統正常運行時，感應加熱間隙的變化應處于正常和調整范圍內；若處于報警范圍，則可能出現工件表面有重大缺陷或有異物附著在工件表面上等情況，為了保證安全必須立刻停止感應加熱并報警。程序如下：

void jdzhi()

{

//采集數據四舍五入精確到1mm

e=(a+0.05)*10;

d=(int)e;

c=d-b;

//間隙偏差取絕對值

if(c>0)

{

f=c;

zhengfan_1;

圖6也可以很清晰地反映初始固結應力的影響。Ishihara[19]指出飽和砂土的抗液化強度可以通過循環剪應力比Ccssr來表征。Seed等[8]認為循環剪應力比是波致海床液化的主要控制因素，循環剪應力比可通過下式定義：

}

else

{

f=-c;

zhengfan_0;

}

}

另外，由于感應加熱淬火機床的振動及激光測距重復定位精度等因素，傳感器輸出的模擬信號必然會有一定程度的振蕩[2]。針對這種情況，在滿足系統響應速度要求的情況下，在程序中ADC模塊設置時，設置為取4次測量所得數據的平均值，進行信號處理和判斷，從而減少信號振蕩對于控制精度的影響。如下：

void adc_init(void)

adc_init_struct.ADC_Adcx = ADC0;

adc_init_struct.ADC_DiffMode = ADC_SE;

//單端采集

adc_init_struct.ADC_BitMode = SE_12BIT;

//單端8位精度

adc_init_struct.ADC_SampleTimeCfg=SAMTIME_SHORT;

//短采樣時間

adc_init_struct.ADC_HwAvgSel = HW_4AVG;

//4次硬件平均

adc_init_struct.ADC_CalEnable = TRUE;

//使能初始化校驗

//初始化ADC

LPLD_ADC_Init(adc_init_struct);

LPLD_ADC_Chn_Enable(ADC0, AD9);

}

4 實驗結果分析

本設計的自動跟蹤系統試驗的設定參數為：回轉支承(工件)轉速為0.5 r/min，直徑為1.5 m，計算得知支承表面的線速度大約為39 mm/s。另外兩個激光位移傳感器距離工件徑向和軸向的基準距離分別為200 mm和120 mm，設置淬火間隙自動調節偏差范圍為±10 mm，徑向間隙誤差精確為1 mm，軸向間隙誤差精確為0.5 mm。

通過實驗獲得的數據進行坐標圖顯示，得到如圖8所示的軸(徑)向間隙與采樣時間動態坐標圖。其中，橫軸代表采樣時間，縱軸代表工件軸(徑)向與感應器之間設定距離的偏差值。

從圖8a可以看出，感應器與工件徑向距離間隙與設定值處在±1 mm的設定范圍內。當間隙偏差超出設定范圍時，控制系統便能進行微調，使其迅速回歸正常間隙值。在整個工作周期內，控制系統將對感應器的徑向距離進行實時微調，使其始終保持在合理的間隙范圍，進而確保工件的淬火質量。同理，由圖8b也能反映出，控制系統對感應器與工件軸向間隙的實時跟蹤并使其間隙與設定間隙偏差在±0.5 mm內波動。

在整個試驗過程中，軸(徑)向伺服電動機在單片機給出的控制信號下，帶動滾珠絲杠頻繁地正反轉，進而控制感應器與工件之間的間隙在合理范圍內。在這個過程中，伺服電動機及滾珠絲杠的反轉間隙可能會對感應加熱間隙的控制精度產生一定的影響，但該影響所產生的間隙誤差對整個淬火系統來說，在其允許的范圍內，因此并不會對工件表面的淬火質量產生較大影響，符合該設計要求。

5 結語

本設計的基于單片機的大型回轉支承(工件)感應淬火距離的自動跟蹤控制系統，可看做是將靠模裝置的滾輪替換為激光位移傳感器，將直線導軌和彈簧替換為伺服運動控制系統，其實質上也是隨動系統，在加工過程中根據傳感器反饋的信號實施調整感應器的位置。其快速靈活、可靠性強、性價比高等優點，使得該系統具有較高的研究價值。

[1] 高學海,黃筱調,王華.雙排四點接觸球轉盤軸承滾道接觸壓力分布[J].南京工業大學學報:自然科學版,2011(1):80-83.

[2]周海, 曾少鵬, 袁石根. 感應加熱淬火技術的發展及應用[J]. 熱處理技術與裝備, 2008，29(3): 9-15.

[3]Elotherm. Vorrichtung und verfahren zum induktiven erw?rmen von werkstücken:德國,EP 0 427 879 A1[P].

[4]Elotherm. Verfahren und vorrichtung zum h?rten von fl?chen an bauteilen:德國,DE 10034357 C1[P].

[5]上海恒精機電設備有限公司.大型回轉軸承圈滾道中頻淬火時保證間隙的靠模裝置.中國，ZL 200620049415[P].2006-12-22.

[6]靳碩，楊宏海. 激光位移傳感器高速數據采集與處理系統設計[J]. 宇航計測技術，2010(6)：5-9.

[7]周堅，董慶偉，梁良.轉盤軸承套圈感應加熱間隙的自動跟蹤系統[J].軸承,2014(5):19-23.

如果您想發表對本文的看法，請將文章編號填入讀者意見調查表中的相應位置。

Design for rotary bearing clearance of inductive heating automatic tracking system based on microcomputer

SHENG Qingshan, DONG Qingwei, FENG Peipei, LI Bingyang

(School of Mechatronics Engineering, Henan University of Science and Technology, Luoyang 471003, CHN)

In view of the present deficiency in control rotary bearing clearance of inductive heating technology, a new control method was proposed in this paper. Through the sensor, microcontroller and the closed loop of the servo control system of circuit, to realize automatic tracking control. Make CNC induction heating quenching machine tool clearance changes dynamic tracking adjustment, so that the rotary bearing surface strength to achieve the best. For rotary bearing induction heating control system provides a new way of thinking.

rotary bearing; induction heating clearance; automatic tracking control; microcontroller

*河南省教育廳重點項目資助：回轉支承感應淬火非接觸式測量及自動跟蹤控制系統研究(13A460233)；河南省教育廳重點項目資助：基于NEI生物網絡模型的產品概念設計創新方法研究(13A520232)。

TH-39

B

10.19287/j.cnki.1005-2402.2016.09.010

盛青山，男，1989年生，在讀碩士研究生，主要從事機械電子工程方面的研究。

?藝) (

2016-01-19)

160915