基于高频感应加热电源的热装配人机交互系统

郝 博，韩丹锋，罗 宏

（重庆理工大学 机械工程学院，重庆 400054）

0 引言

高频感应加热技术不仅具有加热速度快、热效率高、无污染、占地面积小、容易实现自动化等优点[1,15]，而且还满足智能化、绿色化的发展要求，因此，正逐步应用于汽车、摩托车曲轴箱孔的热装配。但是，就目前而言，由于缺少合理的热装配工艺参数，仍然需要依靠熟练有经验的工人对加热设备进行操作，凭经验不断的调整加热频率、加热时间等参数[2]，更重要的是，加热结束后，其温度、变形量无法直观的得知，操作工人不能准确判断曲轴箱孔是否消除过盈量达到装配要求，这成了迫切需要解决的问题。

曲轴箱孔在感应加热装配过程中涉及电、磁、热、相变、力学等方面的综合知识，以及磁导率、电导率等参数随温度变化[3,17]，使得凭经验公式手动计算、测量得到的结果不能令人满意。由此，陈利斯[4]利用APDL编写出了一套基于ANSYS软件的曲轴红套的加热过程的命令流，通过APDL对ANSYS进行二次开发，确定了一组合理的曲轴红套加热参数；于振环[5]对曲轴热装工艺进行了分析，设计了热装机系统，利用8051单片机实现了实时控制；J. Mucha[6]采用有限元法，利用高频感应加热设备，对薄壁环和轮毂的过盈配合进行了应力分析和变形分析，得到比传统方法更全面、更准确的结果；G Gopal[7]利用CAD建立了曲轴、连杆模型并进行了装配，通过ANSYS模拟分析了装配后的变形及应力分布，得到了预期的效果。

因此，本文简述了感应加热装配技术，运用APDL开发了一套曲轴箱孔从建模、网格划分、载荷加载、求解、后处理的命令流程序，设计了基于VB的模块化的热装配人机交互界面，用于热装配人机交互系统，采用USB接口技术实现与高频感应加热电源温度控制模块的通讯。通过VB借助APDL将ANSYS进行后台封装，自动调用ANSYS，模拟分析了曲轴箱孔在热装配过程中温度、变形量的分布及变化，最后加以总结。

1 感应加热装配

感应加热装配是实现相关零部件之间过盈配合所使用的一种热装技术，首先，它由感应加热电源产生交变的磁场，在电磁场的作用下产生感应电流，作用于孔的表面，将电能高效的转换为热能[8]；其次，待孔加热到一定温度，利用材料热胀冷缩的特性，使孔内径增大，产生装配条件；最后，将轴套入到经加热之后膨胀的孔中，受环境温度的影响，孔温度下降，缩紧套在轴上，进而完成孔的热装配。

曲轴箱孔在感应加热装配过程中必须要满足如下要求：

1）要确定好曲轴箱孔的热装配温度。曲轴箱孔加热结束以后，孔内壁温度需要分布均匀，从而确保其在受热膨胀后仍保持为圆柱形，进而确保曲轴箱孔热装配的质量。

曲轴箱孔热装配温度可由如下经验公式计算[9]：

式中：t为加热后的理论温度（℃）；t0为加热前的环境温度（℃）；δ为过盈量（mm）；δ0为加热后的间隙量，通常可取δ0=（1-2）δ（mm）；α为加热时工件的线性膨胀系数；l为被加热工件的内径（mm）；T为实际加热温度（℃）。

2）要能够暂时消除曲轴箱孔的过盈量。曲轴箱孔加热以后，其受热膨胀产生的变形量要大于其过盈量，确保曲轴箱孔达到装配要求。

总而言之，变形量、热装配温度在曲轴箱孔热装配过程中至关重要。

2 基于APDL语言的曲轴箱孔感应加热装配多场耦合有限元建模

2.1 APDL语言

APDL（ANSYS参数化设计语言），是一种用来完成有限元常规分析操作或通过参数化变量方式建立分析模型的脚本语言。其具有以下优点，首先可以执行一条命令、宏程序，同时也可以重复执行。其次APDL还有类似于C语言的选择结构IF-THEN-ELSE、循环结DOLOOP等。最后还可以对ANSYS的有限元数据库进行访问可以通过参数化建模、参数化加载复杂载荷、参数化求解控制以及后处理的数据处理分析来达到想要达到的目的[10,11,16]，尤其适用于复杂模型的建立，以及模型需要修改进行多次分析的问题。

2.2 建立有限元模型及划分网格

建模过程如下：首先设定工作名和工作标题；接着进入前处理模块，定义电磁场单元solid236、温度场单元solid90、结构场单元solid186。定义变量参数，主要是线圈和曲轴箱孔的尺寸参数、以及电流大小，频率，加热时间等。选择MKS(米千克秒)作为单位。定义相对相对磁导率μ，电导率ρ，热导系数K，弹性模量E，泊松比NUXY，热膨胀系数α等参数 。除线圈相对磁导率μ=1、空气相对磁导率μ=1、比热容C=434J/kg·℃、密度DENS=7850kg/m3是一个定值外，其余参数随温度变化。最后根据尺寸建立曲轴箱孔、线圈和空气模型并进行网格划分。图1为曲轴箱孔感应加热装配的实物模型，为了简化模型，工程上常常将感应加热线圈简化成薄壁圆筒，其简化模型如图2所示，曲轴箱孔的简化模型如图3所示，空气模型如图4所示，曲轴箱孔感应加热装配有限元模型如图5所示。

图1 曲轴箱孔感应加热装配实物模型

图2 感应加热线圈简化模型

曲轴箱孔在高频感应加热装配时，在曲轴箱孔的表面存在“集肤效应”和相互渗透，为此，在靠近感应加热线圈部分，网格划分较密；靠近空气部分，网格划分较疏，所以，曲轴箱孔网格划分如图6所示，感应线圈、空气网格划分如图7、图8所示。

图3 曲轴箱孔简化模型

图4 空气模型

图5 曲轴箱孔感应加热装配有限元模型

图6 曲轴箱孔网格划分

图7 感应线圈网格划分

图8 空气网格划分

3 曲轴箱孔热装配人机交互系统

3.1 曲轴箱孔热装配人机交互界面设计

由于VB具有模块性、封装性、继承性、可靠性等优势[12,18]，为此，利用VB设计了曲轴箱孔热装配人机交互系统中最重要的一环：热装配人机交互界面。用户只需在前台界面的引导下输入材料参数、载荷参数，结构参数等，即可自动调用ANSYS进行分析计算，最后将计算结果返回给用户界面。

1）主界面设计

曲轴箱孔热装配人机交互界面下有6个菜单，分别为“文件”、“设置”、“参数设置”、“计算”、“结果”、“报告”，其中“文件”菜单下有“新建”子菜单，“设置”菜单下有“ANSYS设置”和“文件设置”子菜单，“结果”菜单下有“温度计算结果”和“变形量计算结果”子菜单，每个菜单下都对应着各自的模块部分。“ANSYS设置”对应着ANSYS版本及启动程序定义模块；“文件设置”对应着项目名称和工作目录定义模块；“参数设置”对应着结构尺寸参数、材料属性参数、载荷参数定义模块；“计算”对应着ANSYS求解模块；“结果”对应着温度、变形量结果输出模块。模块化的曲轴箱孔热装配人机交互界面的主界面如图9所示。

2）ANSYS设置界面和文件设置界面设计

图9 主界面

ANSYS设置界面下包括ANSYS版本及ANSYS启动程序，“设置”控件是用来手动加载ANSYS启动程序；文件设置界面下包括项目名称及工作目录，“设置”控件是用来手动设置工作目录。ANSYS设置界面和文件设置界面如图10、图11所示。

图10 ANSYS设置界面

图11 文件设置界面

3）数据参数设置界面设计

数据参数包括：线圈结构尺寸参数、曲轴箱孔结构尺寸参数、材料属性参数和载荷参数。数据参数设置界面如图12所示。

4）ANSYS计算界面设计

ANSYS计算界面是曲轴箱孔热装配人机交互界面的核心，因为所有的分析计算都在这个界面中完成。ANSYS计算界面下包括：“一键转换”控件和“曲轴箱孔热装计算”控件，其中 “一键转换” 控件是将APDL代码一键转换成VB可用的代码，其转换后的代码形式为：PrintLine(input,"……")；“曲轴箱孔热装配计算”控件是用VB实现ANSYS的后台调用，即实现VB与ANSYS的接口连接，这需要用到SHELL函数，SHELL函数调用ANSYS主程序的关键代码如下：

x = Shell(ANSYS设置Form.ANSYS启动程序.Text& “ -p ane3 fl ds -dir “ & 文件设置Form.工作目录.Text& “ -j “ & 文件设置Form.项目名称.Text & “ -s read -l en-us -b -i “ & 文件设置Form.工作目录.Text & “input.mac” & “ -o “ & 文件设置Form.工作目录.Text &“output.mac”, 1, False, -1)。ANSYS计算界面如图13所示。

图12 数据参数设置界面

图13 ANSYS计算界面

5）温度计算结果界面设计和变形量计算结果界面设计

为了更直观的将温度、变形量计算结果反馈给用户，需要将曲轴箱孔热装配结束后的温度、变形量云图；温度、变形量与时间关系曲线；温度、变形量数据显示在界面上。为此，温度、变形量计算结果界面如图14、图15所示。

6）生成报告界面设计

生成报告界面下包括报告名称和报告位置，“设置”控件是用来手动设置报告文件位置。“生成报告”控件是实现VB与Microsoft Word的连接，用Word来生成曲轴箱孔热装配计算报告书，这需要用到Microsoft Word 14.0 Object Library、Microsoft Office 14.0 Object Library插件。生成报告界面如图16所示。

ANSYS设置界面、文件设置界面、数据参数设置界面、ANSYS计算界面、温度计算结果界面、变形量计算结果界面，生成报告界面的窗口切换，需用到的代码为：[窗体对象].Show。用该人机交互界面完成曲轴箱孔热装配计算程序的具体流程如图17所示。

图14 温度计算结果界面

图15 变形量计算结果界面

图16 生成报告界面

3.2 接口设计

为了实现曲轴箱孔热装配人机交互系统与外设高频感应加热电源温度控制模块的数据通讯，采用了USB接口技术，将温度数据通过PC机高速的传输给温度控制模块DSP芯片中，用于实现其后续的温度控制。

1）USB接口芯片

图17 曲轴箱孔热装配计算程序流程图

市场上USB接口芯片很多，使用较为广泛的是CYPRESS公司的EZ-USB FX2LP系列的USB接口芯片CY7C68013A-56PVXC，特点是直接通过USB接口下载USB固件，无需二次编程器投入。同时，该芯片功耗低，可以减少资源的消耗，有利于更好的保护好器件，避免长期通电而遭到损坏[13]。

2）高频感应加热电源温度控制模块DSP芯片

高频感应加热电源温度控制模块采用TI公司的TMS320C28X系列的DSP芯片TMS320CF2812，TMS320CF2812是定点DSP芯片，它具有数字信号处理能力，又具有强大的事件管理能力和嵌入式控制能力，特别适用于大批量数据处理的测控场合，最高传输速度达到了150MHz。

3）温度控制模块DSP芯片与USB接口芯片的连接

在CY7C68013A-56PVXC芯片和TMS320CF2812芯片之间采用FIFO芯片连接，可以使USB接口芯片和DSP之间的最大数据交换速度超过USB总线的速度，从而使DSP和主机间的数据传输速度只受USB协议限制[14]。

由于CY7C68013A-56PVXC芯片内嵌8051处理器，所以使用FIFO芯片实现了从USB接口到DSP之间的通信。从CY7C68013A-56PVXC芯片传输的数据先保存在FIFO芯片中，然后再由高频感应加热电源温度控制模块的DSP芯片TMS320CF2812读取，完成数据的高速传输。温度控制模块DSP芯片与USB接口芯片的连接如图18所示。

图18 温度控制模块DSP芯片与USB接口芯片的连接

4 曲轴箱孔热装配的可视化分析

材料参数，载荷参数，感应线圈、曲轴箱孔的结构尺寸参数如图12所示，曲轴箱孔的过盈量为2丝，即0.02mm，由式(1)和式(2)知，热装配温度范围为114℃～156℃。在ANSYS计算界面上点击“曲轴箱孔热装配计算”按钮后，自动调用ANSYS完成计算，其温度计算结果如图19、图20所示，变形量计算结果如图21、图22所示。

图19 曲轴箱孔热装配温度云图显示

图20 曲轴箱孔热装配温度曲线

由图19知，曲轴箱孔在高频感应加热装配过程中存在着“集肤效应”、“圆环效应”，并且横向和纵向有着不同程度的渗透，但加热结束后，曲轴箱孔中心温度分布均匀，温度在148℃～165℃之间，满足曲轴箱孔的热装配温度；图20显示了曲轴箱孔中心温度随时间的变化曲线以及在每个时间点所对应的温度数据，其中，温度数据将通过USB接口传输给高频感应加热电源温度控制模块中，为后续温度控制提供数据支撑。

图21 曲轴箱孔变形量云图

图22 曲轴箱孔变形量曲线

由图21知，加热结束后，曲轴箱孔的最小变形量位于孔中心，最小变形量为0.204×10-4m及0.0204mm，能够暂时消除0.02mm的过盈量，满足装配条件；图22显示了曲轴箱孔中心变形量随时间的变化曲线以及在每个时间点所对应的变形数据，可供现场操作人员判断是否暂时消除过盈量，达到现场装配要求。

由图20和图22综合可以得到，在相同过盈量下通过式(1)、式(2)理论计算得到的曲轴箱孔热装配温度和ANSYS模拟得到的热装配温度对比如图23所示。从图中可以看出通过ANSYS模拟得出的曲轴箱孔热装配温度与理论计算值几乎一致，从另一方面也验证了计算值和ANSYS模拟值的正确性，可以按照理论计算和ANSYS模拟分析的结果进行曲轴箱孔热装配工艺参数的选择，同时， 更进一步的说明了ANSYS模拟分析出的曲轴箱孔热装配温度数据可以用于高频感应加热电源温度控制模块中。

图23 过盈量与曲轴箱孔热装配温度关系对比图

综上所述，在曲轴箱孔热装配人机交互界面上输入如下热装配工艺参数：电流：225A、频率：34000Hz、加热时间：6s，在加热结束后，曲轴箱孔中心温度分布均匀，其温度值为148℃～165℃之间，达到了曲轴箱孔的热装配温度；最小变形量位于曲轴箱孔中心，其值为0.0204mm，能够暂时消除0.02mm的过盈量，满足现场装配要求；在该热装配工艺参数下，通过ANSYS模拟得出的曲轴箱孔热装配温度与理论计算值几乎一致，不仅验证了计算值和ANSYS模拟值的正确性，还说明了ANSYS模拟分析出的曲轴箱孔热装配温度数据用于高频感应加热电源温度控制口模块的合理性。

5 结束语

采用参数化设计语言APDL，开发了一套基于高频感应加热电源曲轴箱孔热装配的电磁-热-结构耦合命令流程序，利用可视化语言VB，设计了基于VB的模块化的人机交互界面，用于曲轴箱孔热装配人机交互系统，运用USB接口技术，实现了该系统与高频感应加热电源温度控制模块的通信。结果表明，用户只需要在该系统界面上输入或修改参数，便可以自动调用ANSYS，模拟分析出曲轴箱孔在热装配过程中温度、变形量的分布及变化，并直观地将计算结果显示在界面上供用户参考判断，使人机交互效果得到了明显提升，这不仅能够减少大量的人工试验调试及手动计算工作，还可以确定出合理的曲轴箱孔热装配工艺参数（电流：225A、频率：34000Hz、加热时间：6s），为曲轴箱孔的热装配提供了数据指导，从而提高了热装配效率，保证了装配质量，为实现曲轴箱孔热装配的自动化甚至智能化提供了技术手段。