易孚迪感應加熱設備（上海）有限公司自行研發設計針對風力發電行業轉盤軸承感應淬火機床并已經大量在用戶現場使用。為保障設備高精度和穩定性，設備系統硬件采用840D SL 數控系統，NCU720.3 PN（V3.2）版本。該設備可以針對重達10t、最大工件外徑6m的轉盤軸承進行熱處理。老式的轉盤軸承感應加熱設備一般通過人工手動找加熱位置，且在加熱過程中無有效的跟蹤方式，導致工件變形嚴重，極大地影響了產品質量和使用壽命。我公司針對老式設備的缺點，采用西門子840D SL系統自帶的探頭功能來處理全自動精確找加熱起始位置，且在整個加熱過程中通過系統快速模擬量功能來實時跟蹤加熱感應器與工件的距離，然后通過NC程序高精度動態響應進行伺服軸補償的原理，以保證整個加熱過程中感應器與工件之間的間隙保持一致，從而保證整個工件熱處理工藝的穩定性。
一、設計原理
探頭采用雷尼紹MI8-4型號探頭，該探頭機械通過十字架形式連接，以保證任意角度測量，可針對不同類型的工件更換不同長度的探針和方向。采用Probe方式連接探頭后，需要通過系統參數MD13200來設置Probe的高電平（上升沿）還是低電平（下降沿）有效。硬件連接好后通過NC程序測試該功能。
N430 GUD[190]=0；
N440 MEAS=1 G1 G91 F=25 Y1=-GUD[295]，Y1軸負方向找位置；
N450 STOPRE；
N460 GUD[190]=$AC_MEA[1] ，
讀取探頭狀態；
N470 IF GUD[190]==0 ，探頭如果沒有碰到工件，狀態位0，跳轉報警；
N480 GOTOF FEHLER_
WERKST；
N490 ENDIF；
N500 STOPRE；
N510 GUD[291]=$AA_IW[Y1]，讀取當前Y1軸位置；
N520 G1 G90 F=500 Y1=POS_Y1[3]，讀Y1軸移動到安全位置；
N530 STOPRE；
N540 GUD[190]=0；
N550 MEAS=1 G1 G91 F=25 Y1=GUD[295]，Y1軸正方向找位置；
N560 STOPRE；
N570 GUD[190]=$AC_MEA[1]；
N580 IF GUD[190]==0，探頭如果沒有碰到工件，狀態位0，跳轉報警；
N590 GOTOF FEHLER_WERKST；
N600 ENDIF；
N610 STOPRE；
N630 POS_Y1[10]=(GUD[291]+GUD[292])/2，計算Y1軸與工件之間的位置值；
N640 G1 G90 F=500 Y1=POS_Y1[10] ，Y1走到實際加熱位置。
通過以上NC實例程序可以看到，系統通過探頭測量功能可以對輥道Y軸方向進行二次測量記錄測量后的實際位置，然后通過計算中間值，找到實際要求加熱位置，來保證感應器在工件之間位置。在探頭功能測試過程中可以通過系統地址DB10.DBX107.0查看探頭是否有翻轉信號。根據以上原理可以針對不同工件類型，測試目標工件不同的部位，不管測試面是平面還是溝道等不同形狀的工件，需要測試多點時，利用NC程序可以快速實現。對于盤軸承感應淬火設備，因為工件最大直徑達6m，要保證整個工件表面熱處理穩定性和變形量，必須在加熱過程中實時監控工件加熱變形量，通過測量得到的變形量來進行伺服軸位置補償，保證感應器和工件之間的間隙始終一致。而高精度和快速響應是測量和補償的先決條件。840DSL 數控系統用快速ET200模塊替代老式840D PL DMP模塊來實現模擬快速輸入、輸出功能。在硬件組態時設備ET200與系統同步，PROFIBUS通信速率設置為12Mbps，以保證模擬量檢測模塊最快的響應速度。
6ES7151-1BA02-0AB0，PROFIBUS通信模塊；
6ES7138-4CA01-0AA0，24V電源模塊；
6ES7193-4CC20-0AA0，終端電阻；
6ES7134-4LB02-0AB0，兩通道輸入模擬量模塊；
6ES7193-4CB20-0AA0，端子連接塊；
為使系統模擬量測試功能有效，連接硬件后還需要配置以下系統參數：
MD10300 $MN_FASTIO_ANA_NUM_INPUTS=2；
MD10320[0] $MN_FASTIO_ANA_INPUT_WEIGHT；
MD10320[1] $MN_FASTIO_ANA_INPUT_WEIGHT；
MD10362[0] $MN_HW_ASSIGN_ANA_FASTIN[0]=’H5000202；
MD10362[1] $MN_HW_ASSIGN_ANA_FASTIN[1]=’H5000204。
通過系統參數設置和PLC硬件組態（見圖1）配置后，快速模擬量輸入信號功能正常。
圖1 硬件組態
執行元件測量位移傳感器選擇KEYENCE GT2-71MCP接觸式位移傳感器，如圖2所示。
圖2 位移傳感器
圖2中黑色模塊為控制器本體。控制器上帶LED顯示屏，其數值為傳感器測量頭的實際位置，按鈕則可調整控制器輸出功能。連接傳感器的電纜由模塊進線端接入，模塊輸出端連接電纜連接到ET200S模擬量檢測模塊。通過PLC可以讀取系統模擬量數值傳送至HMI顯示設置標準值和實際值，方便操作者觀察實際偏差距離與設置的是否一致，如圖3所示。
圖3 位移傳感器調整值
測量與補償跟蹤程序通過NC程序執行，通過NC系統參數直接讀取模擬量實時值后與設置標準值進行比較，二者的偏差值通過程序迅速對伺服軸位置補償，這樣可以保證位置變化的快速響應。
N340 GUD[130]=R371，讀取設定標準值；
N370 GUD[136]=$A_INA[1]，讀取模擬量實時值；
N420 GUD[145]=(GUD[130]-GUD[136]) ，計算標準值和實際值偏差；
N440 IF COUNTER==5，系統掃描5次后進行補償；
N450 G0 G91 Z1=GUD[145]，Z1伺服軸位置補償偏差值；
N460 COUNTER=0；
N470 ENDIF；
N480 COUNTER=COUNTER+1。
以上NC實例程序顯示一個探頭的測量補償程序，測量探頭2與之原理相同。對于轉盤軸承工件，加熱過程中需要對工件端面和側面同時進行測量跟蹤和補償。
二、加工產品及工藝結果
產品：外圈溝道FLHSN3035FT1，材質為42CrMo4＋QT-EN10083，溝道淬火硬度58～62HRC，硬化層深度≥7.5mm（52.5HRC處）。實物如圖4所示，圖樣工藝要求如圖5所示，硬化層切割試塊如圖6所示，檢測結果見附表，金相組織如圖7所示。
圖4 產品實物
圖5 圖樣工藝要求
圖6 硬度層硬度檢測位置
硬化層硬度檢測結果 （HV1）
圖7 金相組織
三、結束語
應用西門子840D SL系統自帶的Probe探頭功能完全取代老式人工找位置方式，尤其是風力發電轉盤軸承行業，工件尺寸大，以人工找位置方式可能造成很大誤差，而通過探頭測試可以實現精準、重復度很高的測量，對批量的一致性有很高的保障。系統模擬量處理程序，系統讀取模擬量，通過NC程序比較模擬量時間值和標準值的偏差來補償伺服軸，以實現快速響應，避免了以往通過PLC處理類似功能的大量掃描時間，從而大幅縮短了跟蹤補償的響應時間，使最終工藝結果保證在0.1mm誤差范圍之內。
作者：董振海，鄒錦衛，郝豐林
來源：《金屬加工（熱加工）》雜志
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