数控火焰淬火机控制系统的设计与应用研究

论文摘要

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。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究的背景
• 1.2 课题研究的目的和意义
• 1.3 国内外常见的淬火技术
• 1.3.1 盐浴加热表面淬火
• 1.3.2 火花放电加热表面淬火
• 1.3.3 激光加热表面淬火
• 1.3.4 电子束加热表面淬火
• 1.3.5 感应加热表面淬火技术
• 1.3.6 火焰加热表面淬火技术
• 1.4 课题研究的主要内容
• 第二章 火焰淬火机床设计
• 2.1 火焰淬火机床整体设计
• 2.1.1 阵列式排孔水冷式火焰淬火枪介绍
• 2.1.2 机床结构简介
• 2.2 液压系统部分设计
• 2.2.1 液压系统的组成
• 2.2.2 液压传动的优缺点
• 2.2.3 液压系统工作原理
• 2.2.4 液压元件的选择
• 2.2.5 液压系统的调试
• 2.3 火焰淬火机床的工作原理
• 2.4 工艺要求
• 2.5 本章小结
• 第三章 火焰淬火机床控制系统控制要求及实现
• 3.1 淬火机床自动控制系统的控制功能
• 3.2 淬火机床系统控制实现
• 3.2.1 淬火温度的控制
• 3.2.2 数据采集和处理的控制
• 3.2.3 位置控制
• 3.2.4 液压站的控制
• 3.3 本章小结
• 第四章 火焰淬火机控制系统硬件设计
• 4.1 控制系统设计
• 4.1.1 控制系统结构
• 4.1.2 系统控制的要求
• 4.2 PLC控制系统硬件设计
• 4.2.1 PLC的选型和介绍
• 4.2.2 PLC的安装和接线
• 4.3 HMI的硬件设计
• 4.3.1 HMI的概述
• 4.3.2 HMI的选型及其特点介绍
• 4.4 系统其它硬件概述
• 4.5 嵌入式触摸屏和PLC二者的通讯
• 4.5.1 系统总线网络
• 4.5.2 传输技术
• 4.5.3 总线存取协议
• 4.6 本章小结
• 第五章 火焰淬火机控制系统软件设计
• 5.1 PLC开发软件STEP7概述
• 5.1.1 STEP7简介
• 5.1.2 STEP7的数据类型
• 5.1.3 STEP7程序的构成
• 5.2 PLC软件设计
• 5.2.1 PLC的概述
• 5.2.2 PLC的I/O地址分配
• 5.2.3 主程序的设计
• 5.2.4 故障程序设计
• 5.3 TPC7062K的组态软件MGCS设计
• 5.3.1 MCGS组态软件的结构介绍
• 5.3.2 MCGS组态软件的特点
• 5.4 HMI的软件设计
• 5.5 本章小结
• 第六章 火焰淬火机温度智能控制算法
• 6.1 火焰淬火机温度模糊自整定PID控制器模型分析
• 6.2 淬火温度控制器结构的建立
• 6.3 淬火温度控制系统变量关系分析
• 6.3.1 输入输出量模糊化
• 6.3.2 隶属函数的确定
• 6.3.3 模糊控制规则的建立
• 6.3.4 模糊推理与模糊判决
• 6.4 实验仿真
• 6.4.1 系统模型的建立
• 6.4.2 系统模型的仿真
• 6.5 本章小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士研究生学位期间发表的学术论文