基于高頻感應(yīng)加熱電源的熱裝配人機(jī)交互系統(tǒng)

郝 博，韓丹鋒，羅 宏

（重慶理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，重慶 400054）

0 引言

高頻感應(yīng)加熱技術(shù)不僅具有加熱速度快、熱效率高、無污染、占地面積小、容易實(shí)現(xiàn)自動化等優(yōu)點(diǎn)[1,15]，而且還滿足智能化、綠色化的發(fā)展要求，因此，正逐步應(yīng)用于汽車、摩托車曲軸箱孔的熱裝配。但是，就目前而言，由于缺少合理的熱裝配工藝參數(shù)，仍然需要依靠熟練有經(jīng)驗(yàn)的工人對加熱設(shè)備進(jìn)行操作，憑經(jīng)驗(yàn)不斷的調(diào)整加熱頻率、加熱時間等參數(shù)[2]，更重要的是，加熱結(jié)束后，其溫度、變形量無法直觀的得知，操作工人不能準(zhǔn)確判斷曲軸箱孔是否消除過盈量達(dá)到裝配要求，這成了迫切需要解決的問題。

曲軸箱孔在感應(yīng)加熱裝配過程中涉及電、磁、熱、相變、力學(xué)等方面的綜合知識，以及磁導(dǎo)率、電導(dǎo)率等參數(shù)隨溫度變化[3,17]，使得憑經(jīng)驗(yàn)公式手動計(jì)算、測量得到的結(jié)果不能令人滿意。由此，陳利斯[4]利用APDL編寫出了一套基于ANSYS軟件的曲軸紅套的加熱過程的命令流，通過APDL對ANSYS進(jìn)行二次開發(fā)，確定了一組合理的曲軸紅套加熱參數(shù)；于振環(huán)[5]對曲軸熱裝工藝進(jìn)行了分析，設(shè)計(jì)了熱裝機(jī)系統(tǒng)，利用8051單片機(jī)實(shí)現(xiàn)了實(shí)時控制；J. Mucha[6]采用有限元法，利用高頻感應(yīng)加熱設(shè)備，對薄壁環(huán)和輪轂的過盈配合進(jìn)行了應(yīng)力分析和變形分析，得到比傳統(tǒng)方法更全面、更準(zhǔn)確的結(jié)果；G Gopal[7]利用CAD建立了曲軸、連桿模型并進(jìn)行了裝配，通過ANSYS模擬分析了裝配后的變形及應(yīng)力分布，得到了預(yù)期的效果。

因此，本文簡述了感應(yīng)加熱裝配技術(shù)，運(yùn)用APDL開發(fā)了一套曲軸箱孔從建模、網(wǎng)格劃分、載荷加載、求解、后處理的命令流程序，設(shè)計(jì)了基于VB的模塊化的熱裝配人機(jī)交互界面，用于熱裝配人機(jī)交互系統(tǒng)，采用USB接口技術(shù)實(shí)現(xiàn)與高頻感應(yīng)加熱電源溫度控制模塊的通訊。通過VB借助APDL將ANSYS進(jìn)行后臺封裝，自動調(diào)用ANSYS，模擬分析了曲軸箱孔在熱裝配過程中溫度、變形量的分布及變化，最后加以總結(jié)。

1 感應(yīng)加熱裝配

感應(yīng)加熱裝配是實(shí)現(xiàn)相關(guān)零部件之間過盈配合所使用的一種熱裝技術(shù)，首先，它由感應(yīng)加熱電源產(chǎn)生交變的磁場，在電磁場的作用下產(chǎn)生感應(yīng)電流，作用于孔的表面，將電能高效的轉(zhuǎn)換為熱能[8]；其次，待孔加熱到一定溫度，利用材料熱脹冷縮的特性，使孔內(nèi)徑增大，產(chǎn)生裝配條件；最后，將軸套入到經(jīng)加熱之后膨脹的孔中，受環(huán)境溫度的影響，孔溫度下降，縮緊套在軸上，進(jìn)而完成孔的熱裝配。

曲軸箱孔在感應(yīng)加熱裝配過程中必須要滿足如下要求：

1）要確定好曲軸箱孔的熱裝配溫度。曲軸箱孔加熱結(jié)束以后，孔內(nèi)壁溫度需要分布均勻，從而確保其在受熱膨脹后仍保持為圓柱形，進(jìn)而確保曲軸箱孔熱裝配的質(zhì)量。

曲軸箱孔熱裝配溫度可由如下經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算[9]：

式中：t為加熱后的理論溫度（℃）；t0為加熱前的環(huán)境溫度（℃）；δ為過盈量（mm）；δ0為加熱后的間隙量，通?？扇ˇ?=（1-2）δ（mm）；α為加熱時工件的線性膨脹系數(shù)；l為被加熱工件的內(nèi)徑（mm）；T為實(shí)際加熱溫度（℃）。

2）要能夠暫時消除曲軸箱孔的過盈量。曲軸箱孔加熱以后，其受熱膨脹產(chǎn)生的變形量要大于其過盈量，確保曲軸箱孔達(dá)到裝配要求。

總而言之，變形量、熱裝配溫度在曲軸箱孔熱裝配過程中至關(guān)重要。

2 基于APDL語言的曲軸箱孔感應(yīng)加熱裝配多場耦合有限元建模

2.1 APDL語言

APDL（ANSYS參數(shù)化設(shè)計(jì)語言），是一種用來完成有限元常規(guī)分析操作或通過參數(shù)化變量方式建立分析模型的腳本語言。其具有以下優(yōu)點(diǎn)，首先可以執(zhí)行一條命令、宏程序，同時也可以重復(fù)執(zhí)行。其次APDL還有類似于C語言的選擇結(jié)構(gòu)IF-THEN-ELSE、循環(huán)結(jié)DOLOOP等。最后還可以對ANSYS的有限元數(shù)據(jù)庫進(jìn)行訪問可以通過參數(shù)化建模、參數(shù)化加載復(fù)雜載荷、參數(shù)化求解控制以及后處理的數(shù)據(jù)處理分析來達(dá)到想要達(dá)到的目的[10,11,16]，尤其適用于復(fù)雜模型的建立，以及模型需要修改進(jìn)行多次分析的問題。

2.2 建立有限元模型及劃分網(wǎng)格

建模過程如下：首先設(shè)定工作名和工作標(biāo)題；接著進(jìn)入前處理模塊，定義電磁場單元solid236、溫度場單元solid90、結(jié)構(gòu)場單元solid186。定義變量參數(shù)，主要是線圈和曲軸箱孔的尺寸參數(shù)、以及電流大小，頻率，加熱時間等。選擇MKS(米千克秒)作為單位。定義相對相對磁導(dǎo)率μ，電導(dǎo)率ρ，熱導(dǎo)系數(shù)K，彈性模量E，泊松比NUXY，熱膨脹系數(shù)α等參數(shù) 。除線圈相對磁導(dǎo)率μ=1、空氣相對磁導(dǎo)率μ=1、比熱容C=434J/kg·℃、密度DENS=7850kg/m3是一個定值外，其余參數(shù)隨溫度變化。最后根據(jù)尺寸建立曲軸箱孔、線圈和空氣模型并進(jìn)行網(wǎng)格劃分。圖1為曲軸箱孔感應(yīng)加熱裝配的實(shí)物模型，為了簡化模型，工程上常常將感應(yīng)加熱線圈簡化成薄壁圓筒，其簡化模型如圖2所示，曲軸箱孔的簡化模型如圖3所示，空氣模型如圖4所示，曲軸箱孔感應(yīng)加熱裝配有限元模型如圖5所示。

圖1 曲軸箱孔感應(yīng)加熱裝配實(shí)物模型

圖2 感應(yīng)加熱線圈簡化模型

曲軸箱孔在高頻感應(yīng)加熱裝配時，在曲軸箱孔的表面存在“集膚效應(yīng)”和相互滲透，為此，在靠近感應(yīng)加熱線圈部分，網(wǎng)格劃分較密；靠近空氣部分，網(wǎng)格劃分較疏，所以，曲軸箱孔網(wǎng)格劃分如圖6所示，感應(yīng)線圈、空氣網(wǎng)格劃分如圖7、圖8所示。

圖3 曲軸箱孔簡化模型

圖4 空氣模型

圖5 曲軸箱孔感應(yīng)加熱裝配有限元模型

圖6 曲軸箱孔網(wǎng)格劃分

圖7 感應(yīng)線圈網(wǎng)格劃分

圖8 空氣網(wǎng)格劃分

3 曲軸箱孔熱裝配人機(jī)交互系統(tǒng)

3.1 曲軸箱孔熱裝配人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)

由于VB具有模塊性、封裝性、繼承性、可靠性等優(yōu)勢[12,18]，為此，利用VB設(shè)計(jì)了曲軸箱孔熱裝配人機(jī)交互系統(tǒng)中最重要的一環(huán)：熱裝配人機(jī)交互界面。用戶只需在前臺界面的引導(dǎo)下輸入材料參數(shù)、載荷參數(shù)，結(jié)構(gòu)參數(shù)等，即可自動調(diào)用ANSYS進(jìn)行分析計(jì)算，最后將計(jì)算結(jié)果返回給用戶界面。

1）主界面設(shè)計(jì)

曲軸箱孔熱裝配人機(jī)交互界面下有6個菜單，分別為“文件”、“設(shè)置”、“參數(shù)設(shè)置”、“計(jì)算”、“結(jié)果”、“報(bào)告”，其中“文件”菜單下有“新建”子菜單，“設(shè)置”菜單下有“ANSYS設(shè)置”和“文件設(shè)置”子菜單，“結(jié)果”菜單下有“溫度計(jì)算結(jié)果”和“變形量計(jì)算結(jié)果”子菜單，每個菜單下都對應(yīng)著各自的模塊部分?！癆NSYS設(shè)置”對應(yīng)著ANSYS版本及啟動程序定義模塊；“文件設(shè)置”對應(yīng)著項(xiàng)目名稱和工作目錄定義模塊；“參數(shù)設(shè)置”對應(yīng)著結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)、材料屬性參數(shù)、載荷參數(shù)定義模塊；“計(jì)算”對應(yīng)著ANSYS求解模塊；“結(jié)果”對應(yīng)著溫度、變形量結(jié)果輸出模塊。模塊化的曲軸箱孔熱裝配人機(jī)交互界面的主界面如圖9所示。

2）ANSYS設(shè)置界面和文件設(shè)置界面設(shè)計(jì)

圖9 主界面

ANSYS設(shè)置界面下包括ANSYS版本及ANSYS啟動程序，“設(shè)置”控件是用來手動加載ANSYS啟動程序；文件設(shè)置界面下包括項(xiàng)目名稱及工作目錄，“設(shè)置”控件是用來手動設(shè)置工作目錄。ANSYS設(shè)置界面和文件設(shè)置界面如圖10、圖11所示。

圖10 ANSYS設(shè)置界面

圖11 文件設(shè)置界面

3）數(shù)據(jù)參數(shù)設(shè)置界面設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)參數(shù)包括：線圈結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)、曲軸箱孔結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)、材料屬性參數(shù)和載荷參數(shù)。數(shù)據(jù)參數(shù)設(shè)置界面如圖12所示。

4）ANSYS計(jì)算界面設(shè)計(jì)

ANSYS計(jì)算界面是曲軸箱孔熱裝配人機(jī)交互界面的核心，因?yàn)樗械姆治鲇?jì)算都在這個界面中完成。ANSYS計(jì)算界面下包括：“一鍵轉(zhuǎn)換”控件和“曲軸箱孔熱裝計(jì)算”控件，其中 “一鍵轉(zhuǎn)換” 控件是將APDL代碼一鍵轉(zhuǎn)換成VB可用的代碼，其轉(zhuǎn)換后的代碼形式為：PrintLine(input,"……")；“曲軸箱孔熱裝配計(jì)算”控件是用VB實(shí)現(xiàn)ANSYS的后臺調(diào)用，即實(shí)現(xiàn)VB與ANSYS的接口連接，這需要用到SHELL函數(shù)，SHELL函數(shù)調(diào)用ANSYS主程序的關(guān)鍵代碼如下：

x = Shell(ANSYS設(shè)置Form.ANSYS啟動程序.Text& “ -p ane3 fl ds -dir “ & 文件設(shè)置Form.工作目錄.Text& “ -j “ & 文件設(shè)置Form.項(xiàng)目名稱.Text & “ -s read -l en-us -b -i “ & 文件設(shè)置Form.工作目錄.Text & “input.mac” & “ -o “ & 文件設(shè)置Form.工作目錄.Text &“output.mac”, 1, False, -1)。ANSYS計(jì)算界面如圖13所示。

圖12 數(shù)據(jù)參數(shù)設(shè)置界面

圖13 ANSYS計(jì)算界面

5）溫度計(jì)算結(jié)果界面設(shè)計(jì)和變形量計(jì)算結(jié)果界面設(shè)計(jì)

為了更直觀的將溫度、變形量計(jì)算結(jié)果反饋給用戶，需要將曲軸箱孔熱裝配結(jié)束后的溫度、變形量云圖；溫度、變形量與時間關(guān)系曲線；溫度、變形量數(shù)據(jù)顯示在界面上。為此，溫度、變形量計(jì)算結(jié)果界面如圖14、圖15所示。

6）生成報(bào)告界面設(shè)計(jì)

生成報(bào)告界面下包括報(bào)告名稱和報(bào)告位置，“設(shè)置”控件是用來手動設(shè)置報(bào)告文件位置?！吧蓤?bào)告”控件是實(shí)現(xiàn)VB與Microsoft Word的連接，用Word來生成曲軸箱孔熱裝配計(jì)算報(bào)告書，這需要用到Microsoft Word 14.0 Object Library、Microsoft Office 14.0 Object Library插件。生成報(bào)告界面如圖16所示。

ANSYS設(shè)置界面、文件設(shè)置界面、數(shù)據(jù)參數(shù)設(shè)置界面、ANSYS計(jì)算界面、溫度計(jì)算結(jié)果界面、變形量計(jì)算結(jié)果界面，生成報(bào)告界面的窗口切換，需用到的代碼為：[窗體對象].Show。用該人機(jī)交互界面完成曲軸箱孔熱裝配計(jì)算程序的具體流程如圖17所示。

圖14 溫度計(jì)算結(jié)果界面

圖15 變形量計(jì)算結(jié)果界面

圖16 生成報(bào)告界面

3.2 接口設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)曲軸箱孔熱裝配人機(jī)交互系統(tǒng)與外設(shè)高頻感應(yīng)加熱電源溫度控制模塊的數(shù)據(jù)通訊，采用了USB接口技術(shù)，將溫度數(shù)據(jù)通過PC機(jī)高速的傳輸給溫度控制模塊DSP芯片中，用于實(shí)現(xiàn)其后續(xù)的溫度控制。

1）USB接口芯片

圖17 曲軸箱孔熱裝配計(jì)算程序流程圖

市場上USB接口芯片很多，使用較為廣泛的是CYPRESS公司的EZ-USB FX2LP系列的USB接口芯片CY7C68013A-56PVXC，特點(diǎn)是直接通過USB接口下載USB固件，無需二次編程器投入。同時，該芯片功耗低，可以減少資源的消耗，有利于更好的保護(hù)好器件，避免長期通電而遭到損壞[13]。

2）高頻感應(yīng)加熱電源溫度控制模塊DSP芯片

高頻感應(yīng)加熱電源溫度控制模塊采用TI公司的TMS320C28X系列的DSP芯片TMS320CF2812，TMS320CF2812是定點(diǎn)DSP芯片，它具有數(shù)字信號處理能力，又具有強(qiáng)大的事件管理能力和嵌入式控制能力，特別適用于大批量數(shù)據(jù)處理的測控場合，最高傳輸速度達(dá)到了150MHz。

3）溫度控制模塊DSP芯片與USB接口芯片的連接

在CY7C68013A-56PVXC芯片和TMS320CF2812芯片之間采用FIFO芯片連接，可以使USB接口芯片和DSP之間的最大數(shù)據(jù)交換速度超過USB總線的速度，從而使DSP和主機(jī)間的數(shù)據(jù)傳輸速度只受USB協(xié)議限制[14]。

由于CY7C68013A-56PVXC芯片內(nèi)嵌8051處理器，所以使用FIFO芯片實(shí)現(xiàn)了從USB接口到DSP之間的通信。從CY7C68013A-56PVXC芯片傳輸?shù)臄?shù)據(jù)先保存在FIFO芯片中，然后再由高頻感應(yīng)加熱電源溫度控制模塊的DSP芯片TMS320CF2812讀取，完成數(shù)據(jù)的高速傳輸。溫度控制模塊DSP芯片與USB接口芯片的連接如圖18所示。

圖18 溫度控制模塊DSP芯片與USB接口芯片的連接

4 曲軸箱孔熱裝配的可視化分析

材料參數(shù)，載荷參數(shù)，感應(yīng)線圈、曲軸箱孔的結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)如圖12所示，曲軸箱孔的過盈量為2絲，即0.02mm，由式(1)和式(2)知，熱裝配溫度范圍為114℃～156℃。在ANSYS計(jì)算界面上點(diǎn)擊“曲軸箱孔熱裝配計(jì)算”按鈕后，自動調(diào)用ANSYS完成計(jì)算，其溫度計(jì)算結(jié)果如圖19、圖20所示，變形量計(jì)算結(jié)果如圖21、圖22所示。

圖19 曲軸箱孔熱裝配溫度云圖顯示

圖20 曲軸箱孔熱裝配溫度曲線

由圖19知，曲軸箱孔在高頻感應(yīng)加熱裝配過程中存在著“集膚效應(yīng)”、“圓環(huán)效應(yīng)”，并且橫向和縱向有著不同程度的滲透，但加熱結(jié)束后，曲軸箱孔中心溫度分布均勻，溫度在148℃～165℃之間，滿足曲軸箱孔的熱裝配溫度；圖20顯示了曲軸箱孔中心溫度隨時間的變化曲線以及在每個時間點(diǎn)所對應(yīng)的溫度數(shù)據(jù)，其中，溫度數(shù)據(jù)將通過USB接口傳輸給高頻感應(yīng)加熱電源溫度控制模塊中，為后續(xù)溫度控制提供數(shù)據(jù)支撐。

圖21 曲軸箱孔變形量云圖

圖22 曲軸箱孔變形量曲線

由圖21知，加熱結(jié)束后，曲軸箱孔的最小變形量位于孔中心，最小變形量為0.204×10-4m及0.0204mm，能夠暫時消除0.02mm的過盈量，滿足裝配條件；圖22顯示了曲軸箱孔中心變形量隨時間的變化曲線以及在每個時間點(diǎn)所對應(yīng)的變形數(shù)據(jù)，可供現(xiàn)場操作人員判斷是否暫時消除過盈量，達(dá)到現(xiàn)場裝配要求。

由圖20和圖22綜合可以得到，在相同過盈量下通過式(1)、式(2)理論計(jì)算得到的曲軸箱孔熱裝配溫度和ANSYS模擬得到的熱裝配溫度對比如圖23所示。從圖中可以看出通過ANSYS模擬得出的曲軸箱孔熱裝配溫度與理論計(jì)算值幾乎一致，從另一方面也驗(yàn)證了計(jì)算值和ANSYS模擬值的正確性，可以按照理論計(jì)算和ANSYS模擬分析的結(jié)果進(jìn)行曲軸箱孔熱裝配工藝參數(shù)的選擇，同時， 更進(jìn)一步的說明了ANSYS模擬分析出的曲軸箱孔熱裝配溫度數(shù)據(jù)可以用于高頻感應(yīng)加熱電源溫度控制模塊中。

圖23 過盈量與曲軸箱孔熱裝配溫度關(guān)系對比圖

綜上所述，在曲軸箱孔熱裝配人機(jī)交互界面上輸入如下熱裝配工藝參數(shù)：電流：225A、頻率：34000Hz、加熱時間：6s，在加熱結(jié)束后，曲軸箱孔中心溫度分布均勻，其溫度值為148℃～165℃之間，達(dá)到了曲軸箱孔的熱裝配溫度；最小變形量位于曲軸箱孔中心，其值為0.0204mm，能夠暫時消除0.02mm的過盈量，滿足現(xiàn)場裝配要求；在該熱裝配工藝參數(shù)下，通過ANSYS模擬得出的曲軸箱孔熱裝配溫度與理論計(jì)算值幾乎一致，不僅驗(yàn)證了計(jì)算值和ANSYS模擬值的正確性，還說明了ANSYS模擬分析出的曲軸箱孔熱裝配溫度數(shù)據(jù)用于高頻感應(yīng)加熱電源溫度控制口模塊的合理性。

5 結(jié)束語

采用參數(shù)化設(shè)計(jì)語言APDL，開發(fā)了一套基于高頻感應(yīng)加熱電源曲軸箱孔熱裝配的電磁-熱-結(jié)構(gòu)耦合命令流程序，利用可視化語言VB，設(shè)計(jì)了基于VB的模塊化的人機(jī)交互界面，用于曲軸箱孔熱裝配人機(jī)交互系統(tǒng)，運(yùn)用USB接口技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了該系統(tǒng)與高頻感應(yīng)加熱電源溫度控制模塊的通信。結(jié)果表明，用戶只需要在該系統(tǒng)界面上輸入或修改參數(shù)，便可以自動調(diào)用ANSYS，模擬分析出曲軸箱孔在熱裝配過程中溫度、變形量的分布及變化，并直觀地將計(jì)算結(jié)果顯示在界面上供用戶參考判斷，使人機(jī)交互效果得到了明顯提升，這不僅能夠減少大量的人工試驗(yàn)調(diào)試及手動計(jì)算工作，還可以確定出合理的曲軸箱孔熱裝配工藝參數(shù)（電流：225A、頻率：34000Hz、加熱時間：6s），為曲軸箱孔的熱裝配提供了數(shù)據(jù)指導(dǎo)，從而提高了熱裝配效率，保證了裝配質(zhì)量，為實(shí)現(xiàn)曲軸箱孔熱裝配的自動化甚至智能化提供了技術(shù)手段。