非圆盘状零件恒线速淬火机床数控系统的研究与设计

李广宏，邹 辉

（洛阳理工学院 工程训练中心，洛阳 471023）

0 引言

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。许多机械零件的失效发生在表面，或者从表面开始。表面淬火技术既可以在工件表面获得高强度、高硬度、高耐磨性能，同时可以保持心部原有良好韧性，常用于机床主轴、齿轮，发动机的曲轴等[1]。为了适应当前国民经济和生产技术的发展，节省能源和材料的消耗，提高产品质量发挥积极作用，并且满足中小机加工企业无法购价格高昂的数控淬火设备这一现实情况，本文主要研究非圆盘状零件（如凸轮）恒线速数控淬火机床，保证其外缘加热淬火均匀，提高其抗疲劳、抗磨损能力，充分发挥材料的潜力，延长其使用寿命，做了一些有益尝试和探索。

1 硬件系统设计

1.1 开放式数控系统

开放式数控系统是相对于传统的封闭式的数控系统提出的。封闭式数控系统是厂商提供给用户的用途单一的、成型的数控系统，用户只能用作特定的生产模式，不可能进行二次开发。而且，各个厂商之间的产品互不兼容，用户对厂商的依赖度非常高。开放式数控系统是对传统封闭式数控系统的巨大挑战，但从他提出后十多年里，虽然西方各工业发达国家投入了大量的人力和物力，但由于研究开发计划庞大、所涉及的关系复杂、技术难度大等原因，至今仍没有在市场上占据重要份额[2]。

本数控系统采用“PC+运动控制卡”这种模式。这种类型的数控系统开放性较好，便于用户针对实际用途来开发自己的数控系统，而且开发周期较短，节约了时间成本。同时，该类型价格也比较低廉，特别适合中小型企业的开发应用。

1.2 MC6212P运动控制卡

MC6212P运动控制卡为南京顺康数码科技有限公司的两轴运动控制卡，具有圆弧插补、直线插补功能，插补过程自带加减速，设定加减速参数。可驱动步进、伺服系统，可通过硬件实现对机械装置的超限保护。现在PC机上一般都使用Windows操作系统，虽然Windows系统属于非实时系统，但是由于该运动控制卡采用高速的DSP芯片作为处理内核，同时使用了双口RAM芯片。DSP芯片运算速度快，特别适合数据量大、计算复杂、实时性要求高的处理任务。双口RAM具有两套完全独立的数据线、地址线和读写控制线，并允许两个独立的系统同时对该存储器进行随机性的访问，可用于提高RAM的吞吐率，适用于作于实时的数据缓存[3]。基于以上两点，本数控系统可以保证实时控制，本数控系统的结构如图1所示。

图1 系统总体结构

1.3 系统构成

本数控系统根据功能层次结构分，可以分为：用户层、控制系统层和伺服系统层[4]。

PC机作为用户层，主要完成人机交互界面的管理、运动学计算、轨迹插补和控制系统的实时监控功能，如控制参数输入、控制指令的发送、系统状态的显示、外部信号的监控等。

MC6212P运动控制卡作为控制系统层，主要完成回转工作台（X轴）和直线工作台（Y轴）运动控制，如脉冲信号和方向信号的输出、升降速处理、伺服准备信号、限位开关信号等的检测，从而完成位置和速度控制。

伺服系统通过对伺服驱动器（带光电编码器）和伺服电机的控制，来实现对非圆盘状零件的恒线速淬火。

转接板是运动控制卡连接伺服驱动器和外围设备的桥梁。运动控制卡输出X轴和Y轴的脉冲和方向信号，通过转接板送到伺服驱动器；I/O口输出控制字，通过光电隔离控制中间继电器通断，从而接通断开冷却泵、励磁电源等外围设备。

2 软件系统设计

2.1 软件设计流程

根据开放式数控系统的发展趋势和软件设计原则，软件部分设计首先应选择软件系统的操作平台，然后选择开发工具，以模块化的思想设计软件系统的功能模块。在Windows系统中，利用Visual C++6.0这个编程工具，掌握运动控制卡API函数调用的方法，根据面向对象的设计原则和本数控淬火机床控制系统的工作流程，实现系统初始化、人机交互界面、运动控制模块等个功能模块的设计，软件流程如图2所示。

图2 软件流程

2.2 算法研究

要求对非圆盘状零件进行恒线速淬火，非圆盘状零件装夹在回转工作台上，感应加热头安装在直线工作台上。盘状零件作回转运动，感应加热头作直线运动，二者相对速度应该始终保持不变，并与零件始终保持一定的距离不变，才能使零件外缘受热均匀。为了实现此目的，就应该建立合适的数学模型、设计合理的算法，保证动作可靠的完成。

对于非圆盘状零件，如图3所示，可以分成若干等分，每一份的角度为δ。若δ越小，分的就越多，就可用AB这段直线去逼近AB这段圆弧，这段圆弧的弧长近似等于ri·δ，根据设置的扫描速度，可以求出运行这段弧长所需要的时间t1。如果零件顺时针旋转，要保持感应加热头和零件的距离不变，那么直线工作台就应后退ri+1－ri的长度。在同一个t1时间内，回转工作台以设定的速度旋转δ，直线工作台后退了 Δr 。同理，在BC这段弧上，同样可以求出若以设定速度运行的时间t2，直线工作台应后退ri+2－ri+1的距离。因为在运动控制卡提供的两轴插补运动函数中，不仅可以设置距离（即脉冲数），也可设置速度（即频率的大小），已知t，求倒数就是脉冲频率。依次类推，就可实现上述的恒线速淬火的要求[5]。

图3 非圆盘状零件

编程时，首先定义一个双精度浮点数的数组用于存放偏心圆的极径，使用循环语句依次读取r[i]，r[i+1]，r[i+2]等，可以计算每一个微分角δ所对应的弧长以及极径差 Δr 。微分角大小的选择，可以通过其关联的整型变量m_jiaodu的不同取值用switch语句来确定。

2.3 软保护

通过软件对整个控制系统起到保护作用，称之为软保护。对于数控系统来说，硬件上不仅有各种保护设备元件，还有软件上的保护，这样的系统才更加完善。

本操作界面可以对运行参数、工件参数进行设置。通过软件就可以把一些参数的取值范围确定下来，在设置参数时，如果超限直接就有提示。为防止错按退出键造成工件和感应加热头的损坏，而需要反复确认方可退出。在控制面板上，还加有一个增大的急停按钮，如遇紧急情况可以按下，使X轴和Y轴停止工作保护设备。

3 实验与误差分析

通过PC机、运动控制卡、电气控制装置、交流伺服系统、执行机构等构成了系统硬件框架。硬件平台（如图4所示）的搭建，为实验的开展奠定了基础。通过偏心圆这一特殊的非圆零件进图4实验平台行实验，来检验非圆恒线速扫描算法的正确与否。通过改变影响运动的参数进行测试，测试结果实际线速度的相对误差在2%以内。分析产生误差的主要原因有以下三点[6]：

图4 实验平台

1）运行算法本身就是基于微分圆弧的一种近似，在微分角较小时，误差值也相对较小，随着微分角的增大，误差也增大。

2）在非圆盘状零件的极径变化比较大的地方，直线工作台运行距离也越大，这会牵制回转工作台运行的速度，误差也相应增加。

3）若偏心距增大，相当于极径变化也增大，这就带来了误差的增大。

4 结束语

实验结果说明用简化数学模型控制平面曲线零件的运动可以实现恒速，从而验证了简化数学模型应用于实际是可行的。实验结果还是满意的，整个数控系统运行是可靠的，恒线速的运行算法是可行。这就为更为一般的复杂曲线盘状零件的恒线速淬火问题的讨论，奠定了研究的基础。

[1]姜江,彭其凤.表面淬火技术[M].北京：化学工业出版社,2006.

[2]刘启中,蔡德福.现代数控技术及应用[M].北京：机械工业出版社,2002.

[3]朱小莉.基于DSP技术的运动控制卡的研究与开发[D].华中科技大学.2007.

[4]徐志刚.非圆截面车削开放式数控系统的研究与设计[D].河北工业大学.2006.

[5]吴锐,阚长华.数控技术在设计感应淬火机床中的应用[J].机电产品开发与创新,2008,11(6)：185-186.

[6]吴锐,李广宏.平面曲线零件恒速运动的测试及数据分析[J].煤矿机械,2011,9(9)：212-214.