CCY型齒輪模壓淬火機床電氣研制探索

吳紅

摘要： CCY型齒輪模壓淬火機床是寧夏機械研究院股份有限公司（以下簡稱機械院）針對外徑值500mm的各種齒輪及其它圓形、扁平形和圓柱形零件淬火而設(shè)計的新產(chǎn)品。電氣控制系統(tǒng)作為機床的核心部分之一，它的安全性、連續(xù)性運行顯得非常重要；在充分了解機床的工作流程、工藝要求的基礎(chǔ)上，利用PLC可編程序控制器、變頻器、人機界面技術(shù)設(shè)計制作了一套具有自動化程度高、可靠性強的自動化控制系統(tǒng)；經(jīng)過用戶多年使用，淬火產(chǎn)品其硬度和平整度均達到或超過技術(shù)指標，完全滿足生產(chǎn)要求。CCY型齒輪模壓淬火機床的研制成功，為國內(nèi)外齒輪廠家對直徑在152mm～685mm之間、高度在254mm以內(nèi)的齒輪模壓淬火提供了設(shè)備上的保證。

Abstract： CCY-type gear die-quenching machine is a new product designed by Ningxia Machinery Research Institute Co.， Ltd. for various gears with outer diameter of 500mm and other circular， flat and cylindrical parts quenched. The safety and continuous operation of electrical control system， which is one of the core parts of the machine， is very important. On the basis of fully understanding the work flow and process requirements of the machine tool， the PLC， frequency converter and man-machine interface technology are used for the design and manufacturing of a set of highly automated and highly reliable automated control system. After years of use by users， the hardness and flatness of quenching products all met or exceeded the technical indicators and fully met the production requirements. The successful development of CCY-type quench press provides a guarantee on the equipment for the domestic and foreign gear manufacturers on the gear molding quenching with the diameter between 152～ 685mm and the height within 254mm.

關(guān)鍵詞： PLC可編程序控制器；變頻器；人機界面

Key words： Programmable Logic Controller（PLC）；frequency converter；human machine interface

中圖分類號：TG155.3+2 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）33-0105-02

0 引言

CCY型齒輪模壓淬火機床主要有主機、液壓系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)三部分組成。主機要求齒輪淬火壓機結(jié)構(gòu)緊湊、零部件配合嚴密，整個機床采用了新型技術(shù)，增加了脈動循環(huán)、油流量控制裝置、滑動下模和一個補償淬火操作期間扁平齒輪凹下或鼓起缺陷傾向性而調(diào)整下模板的表盤，保證了設(shè)備的可靠性、實用性和安全性；液壓系統(tǒng)由主油缸、內(nèi)、外環(huán)油缸及其它油路組成，由于該機床使用環(huán)境惡劣、現(xiàn)場溫度高，要求對不同類型齒輪零件可隨意設(shè)定淬火流量、脈動時間，所以在設(shè)計和制作電氣控制系統(tǒng)時要縝密思考并采取有效措施以保證電氣運行的可靠性，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，運用PLC可編控制器、變頻器、觸摸屏技術(shù)，設(shè)計制作出一套自動化程度高、可靠性強、易操作的電氣控制系統(tǒng)是可行的，也是非常必要的。

1 工作原理

機工作順序：淬火壓機待料時，工作臺移出至待料位，提升油缸、油罩、內(nèi)外環(huán)脈動油缸處于卸荷狀態(tài)，模具、中心油缸處在上限位。工作時，由人工用天車或由自動上料裝置將加熱到要求溫度的紅熱工件放到淬火盤上，工作臺移進至淬火位置，上壓模油缸下降到位，中心油缸將擴張器撐開對工件進行定位，同時內(nèi)外環(huán)模具和工件齒面有效接觸；然后啟動淬火油泵開始對工件進行冷卻淬火（整個淬火過程在油罩內(nèi)進行）。在淬火過程中脈動系統(tǒng)實時動作，保證工件在淬火過程中的合理收縮，并最終保證工件的淬火質(zhì)量和淬火后的尺寸精度。淬火完成后，提升油缸帶動油罩、內(nèi)外環(huán)脈動油缸及模具、中心油缸上升，工作臺移出，由人工或出料裝置將工件移至出料臺上，完成一個循環(huán)的淬火。

2 硬件構(gòu)成

CCY型齒輪模壓淬火機床電氣控制系統(tǒng)由PLC可編程序控制器、模擬量模塊、觸摸屏、液壓泵、冷卻泵、變頻器及液壓閥組等組成（見圖1），下面簡單介紹一下它們的特點以及在系統(tǒng)中所起的作用。

2.1 PLC可編程序控制器

考慮到設(shè)備對輸入/輸出點的要求，本系統(tǒng)中PLC可編程序控制器選用歐姆龍公司生產(chǎn)的CPM2AH-60CDR-A型號的CPU，具有以下特點：①支持三種編程語言[1]；②可進行分散控制和模擬量控制；③帶高速掃描和高速中斷的高速處理；④可以使用CPM1A的擴展單元；⑤豐富的應(yīng)用指令使復(fù)雜控制簡化。endprint

PLC可編程序控制器是本系統(tǒng)的核心元件，它能完成機床工藝要求的各種控制任務(wù)、淬火油流量大小控制、油池溫度控制，另外PLC還和觸摸屏通過RS485接口進行數(shù)據(jù)交換，可以實時監(jiān)控機床工作狀態(tài)、故障原因、流量大小及各種參數(shù)的設(shè)定等。

模擬量模塊選用歐姆龍公司的CPM1A-MAD01，該模塊具有以下特點：①能同時把模擬量轉(zhuǎn)化成數(shù)字量，也能把數(shù)字量轉(zhuǎn)化成模擬量；②配備2路模擬量輸入通道/1路模擬量輸出通道，最大分辨率9位；③基于電壓、電流的多種模擬量輸入/輸出可供選擇；④模塊和PLC可編程序控制器可通過緩沖存儲器進行數(shù)據(jù)交換。

CPM1A-MAD01模塊采集流量變送器及油池溫度變送器的模擬信號，將這2種信號送入緩沖存儲器中，PLC可隨時讀取，來控制流量和溫度大小，同時CPM1A-MAD01輸出模塊把PLC里的變頻數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬量輸出信號，送到變頻器外部頻率給定端VF，來控制冷卻泵轉(zhuǎn)數(shù)，控制淬火流量。

2.2 人機界面

人機界面選用的是臺灣臺達公司生產(chǎn)的DOP-B10S615觸摸屏[2]，該屏不但具有一般人機界面軟件提供的功能外，還提供了以下特點功能：①畫面編輯器支持使用Windows系統(tǒng)的字型來編輯畫面；②利用宏功能可以幫助PLC處理復(fù)雜的運算功能，有效分擔PLC的工作量；③使用USB快速上下載程序；④可同時支持多臺不同廠牌的控制器等。人機界面將按鈕操作、參數(shù)設(shè)定、修改、工作狀態(tài)顯示、故障報警等都集中在一個操作屏上，這樣很大程度上減少了電氣硬件配置，同時也節(jié)約了PLC可編程序控制器的I/O點數(shù)。

2.3 變頻器

變頻器選用的是ABB公司生產(chǎn)的ACS510-01系列產(chǎn)品，變頻器在可編程序控制器的控制下選用ABB標準宏工作模式[3]，當機床對工件進行淬火時，變頻器帶動冷卻泵運行，可根據(jù)觸摸屏中所設(shè)定的流量大小來控制冷卻泵的轉(zhuǎn)數(shù)，從而控制淬火流量的大小。

3 程序

本系統(tǒng)根據(jù)硬件配置要求，程序分2大類：①PLC可編程序控制器程序；②觸摸屏程序。

PLC程序編制采用模塊化結(jié)構(gòu)，這樣既方便調(diào)用也容易閱讀，下面分別介紹這2類程序的主要功能。

3.1 模塊化結(jié)構(gòu)程序的編寫

3.1.1 淬火油流量與運行時間

為滿足設(shè)備工藝要求，在觸摸屏中將淬火油流量和運行時間設(shè)計成3段程序控制，機床運行時可隨時設(shè)定與修改參數(shù)，這樣可以根據(jù)現(xiàn)場實際情況，改變每一段的噴油流量大小與運行時間，滿足用戶的技術(shù)要求。

3.1.2 內(nèi)、外環(huán)脈動

該機床在機械設(shè)計上對工件淬火采用外環(huán)、內(nèi)環(huán)和內(nèi)孔可以分別施加壓力運行，用9個活塞分別實現(xiàn)這樣的動作，以便滿足對淬火工件的整形要求；為實現(xiàn)這個功能，在觸摸屏中設(shè)計了脈動加壓與不加壓2種選擇方式，同時在脈動加壓時，又可對內(nèi)環(huán)和外環(huán)進行同步加壓動作和異步加壓動作2種選擇；這樣的設(shè)計符合不同工件不同工藝的淬火要求，得到了用戶認可和好評。

3.1.3 防火功能

在設(shè)備自動運行過程中，偶然會出現(xiàn)熱工件放入工作臺后，因設(shè)備機械故障造成設(shè)備停止運行，使上油缸罩子上粘著的淬火油滴到紅工件上，工件遇空氣中氧氣而著火；為解決這個問題，在PLC可編程序控制中增加了防火功能程序段，當出現(xiàn)以上故障，設(shè)備超過2秒沒有按原有程序步驟運行時，冷卻泵電機會自動運行，將明火澆滅，報警器發(fā)出響聲，同時在觸摸屏上顯示出報警信息。

3.2 人機界面程序功能

在人機界面程序中建立了7個界面窗口，這7個窗口功能如下：①界面窗口1：手動狀態(tài)、自動狀態(tài)、報警查詢、聯(lián)系電話進入快捷鍵；②界面窗口2：公司單位名稱及聯(lián)系方式；③界面窗口3：參數(shù)設(shè)計界面，可對3段淬火流量和淬火時間、脈動頻率、脈動方式、油池溫度進行設(shè)定和修改；④界面窗口4：手動運行方式顯示各行程開關(guān)實時狀態(tài)、設(shè)備運行步驟及位置狀態(tài)；⑤界面窗口5：自動運行方式顯示流量大小、運行剩余時間、脈動頻率、油池溫度、設(shè)備運行步驟及相應(yīng)位置狀態(tài)；⑥界面窗口6：報警界面，實時顯示故障原因及排除方法；⑦界面窗口7：調(diào)試界面，在設(shè)備初期調(diào)試中，校對流量大小與變頻器頻率大小。

4 結(jié)語

CCY型齒輪模壓淬火機床經(jīng)過多次調(diào)試，完全達到了用戶對齒輪表面硬度和平整度的要求，現(xiàn)已經(jīng)批量投產(chǎn)。CCY型齒輪模壓淬火機床電氣控制系統(tǒng)具有以下優(yōu)點：①自動化程度高，大大降低了操作工人的勞動強度；②可靠性高，保證了生產(chǎn)的聯(lián)系性；③故障自診斷功能，方便維修人員找到故障原因；④淬火流量、淬火時間、脈動頻率、同步/異步脈動選擇都集中在人機界面的一個顯示屏上，方便參數(shù)的設(shè)定與修改；現(xiàn)存在的缺點是工件與中心缸的對中調(diào)整較繁瑣，在以后設(shè)計制作過程中需要逐步完善。CCY型齒輪模壓淬火機床研制成功，不僅為公司淬火壓機系列增加了一臺新設(shè)備，而且也為齒輪淬火行業(yè)提供了一種全新的自動化設(shè)備。

參考文獻：

[1]SYSMAC CPM1/CPM1A/CPM2A/CPM2AH/CPM2C/SRM1（-V2）可編程序控制器編程手冊.OMRON特約經(jīng)銷商.2003：12.

[2]臺達DOP-B系列人機界面使用手冊[M].上海：中達電通股份有限公司，2009：9.

[3]低壓交流傳動用戶手冊ACS510-01變頻器（1.1…160kW）[M].北京：ABB電氣傳動系統(tǒng)有限公司，2010.endprint