数控火焰淬火机控制系统的设计与应用研究

作     者：唐焱 

作者单位：太原理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：卜庆华

授予年度：2012年

学科分类：080503[工学-材料加工工程] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：热处理 火焰淬火 PLC 嵌入式触摸屏 MCGS 组态软件 

摘      要：长期运转的机械零件由于早期失效使能源与材料的消耗十分惊人。许多机械零件的损坏发生在表面,或者从表面开始。例如,磨损所引起的损坏都是发生在零件表面,疲劳引起的损坏也是从零件表面开始,逐渐向内部扩展,最后导致断裂而浪费。采用表面加热淬火工艺能够解决上述的问题,一方面能够增强零件的耐磨性与硬度;另一方面能够保持零件心部很好的韧性与塑性,所以,零件经过此工艺处理能够很大程度的延长其使用寿命,满足生产技术的要求。 目前我国绝大部分企业还是采用“窑炉式加热工艺或“手工火焰加热工艺对产品进行最后的热处理,使用该方式有许多缺点：能源消耗高、加热速度慢、工人劳动强度大、加热时间控制不精确、环境污染严重,导致了产品淬火硬度不一致,其具体表现为：淬火过硬产品容易断裂,淬火不足则达不到设计使用寿命,容易出现极限损伤现象,以及引发产品过早报废,这些都会对用户造成极大的经济损失,也对国家造成极大的能源和劳动力浪费。 本论文依托山西育龙教学设备有限公司项目“数控火焰旋转升降淬火机床,针对德国“贝丁豪斯公司在国际上对火焰淬火自动控制技术的垄断以及国内传统的“窑炉式加热工艺或“手工火焰加热工艺的诸多弊病,研制开发了一套数控火焰淬火机的自动控制系统。 针对被控对象的特点,本文提出了采用触摸屏和PLC两级计算机控制系统方案,其中包括上位机控制系统和下位机控制系统。下位机控制系统以SIEMENS S7-200PLC为核心控制单元,完成对数控火焰淬火机床的液压系统、冷却液循环系统、电气控制系统等的精确控制;上位机控制系统以北京昆仑通态公司的TPC7062K嵌入式触摸屏为核心控制单元,利用配套的MCGS组态软件对其进行组态,结合高性能的PLC,对工件的淬火温度实行精确控制,实现数据采集、数据处理、数据存储、数据表格记录、数据图形现场显示等功能,完成对零件淬火过程的全自动控制和可视化智能操作。同时上位机完成对下位机的协调、组织、数据管理和控制运算等工作上、下位机的数据传输通过PROFIBUS工业总线网络进行。 最后针对淬火温度控制系统的非线性、大惯性和大滞性的特点,我们采用了模糊自整定PID控制算法对淬火温度进行控制,起到了很好的控制效果,并和传统PID控制用MATLAB进行实验仿真比较,仿真结果表明,模糊自整定PID控制对温度控制的鲁棒性、动态性能和超调量要远远优于传统PID的控制。 本套数控火焰淬火机床控制系统已经投入工厂运行,实际工程运行结果表明：系统硬件设计合理、软件功能完善、维护方便、运行可靠、控制精度高,完全满足机械零件表面淬火均匀、淬火效率和淬火质量的生产工艺要求,具有很强的实用性及较大的推广应用价值。