全数字控制的中频穿透淬火机床的制作方法
【专利摘要】本实用新型是一种全数字控制的中频穿透淬火机床，其包括机床本体、电气控制和淬火水喷洒及水温控制部分；所述机床主体部分采用单立柱导轨结构，主要由带动滑座（3）沿立柱（10）的导轨上、下移动的滑座升降机构（9），安装在滑座（3）上的上顶杆升降机构（1）、上顶杆（4）和下顶尖旋转机座（11）组成；所述电气控制部分中的交流伺服控制器通过电缆与滑座升降机构（9）和下顶尖旋转机座（11）中的交流伺服电机相连。本实用新型较原来的框架结构导向精度高，同时使滑座升降机构的驱动电机处于最佳功效状态，减少了驱动电机功率，使轧辊上下运行更平稳，有助于提高轧辊淬火质量。
【专利说明】全数字控制的中频穿透淬火机床
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及机床，特别是一种全数字控制的中频穿透淬火机床。
【背景技术】
[0002]某硅钢厂为了保护自己的硅钢生产工艺不外传，一直自行生产和使用硅钢森氏轧机的工作辊，硅钢轧辊是一种重量轻的细长工件，最主要的热处理设备是我公司研制生产的ZT-1I型全数字控制的中频淬火机床，以前，这种设备采用的是一种框架结构，比较简陋，存在的问题有:(I)控制工件升降的方式采用的是液压站+液压阀+液压管道+液压马达的传动方式，通过控制液压阀的开度来调节液压马达的转速，进而控制工件的升降和旋转速度，液压阀采用有级开环控制，速度控制精度不高；(2)工件淬火时温度的恒定控制采用的是老式仪表控制方式，CPU运算速度慢，精度难于进一步提高。
【发明内容】
[0003]本实用新型所要解决的技术问题是:提供一种全数字控制的中频穿透淬火机床，以克服上述现有技术存在的问题。
[0004]本实用新型解决其技术问题采用的技术方案是:包括机床本体、电气控制和淬火水喷洒及水温控制部分，所述机床主体部分采用单立柱导轨结构，主要由带动滑座沿立柱的导轨上、下移动的滑座升降机构，安装在滑座上的上顶杆升降机构、上顶杆和下顶尖旋转机座组成，在立柱上通过固定支架装有预热炉；所述电气控制部分中的交流伺服控制器通过电缆与滑座升降机构及下顶尖旋转机座中的交流伺服电机相连。
[0005]所述上顶杆升降机构可以通过电缆拖链连接立柱，电缆拖链可以装有上顶杆升降电机及限位开关的电缆线。
[0006]所述上顶杆可以通过上顶杆升降机构固定在滑座上。该上顶杆下端部配有能上下活动及旋转的上顶尖座，该上顶尖座上安装有上顶尖，能方便更换。
[0007]所述的下顶尖旋转机座可以设有交流伺服电机、同步皮带轮和安装下顶尖的下顶尖座，下顶尖座安装有下顶尖，能方便更换；交流伺服电机通过同步皮带轮带动下顶尖旋转，通过摩擦力带动压装在下顶尖上的轧辊旋转。
[0008]所述的滑座升降机构可以包含升降伺服电机和皮带轮及升降丝杆副，升降伺服电机带动皮带轮同步运动，进而带动丝杆旋转，使得滑座可以上下移动。
[0009]所述淬火水喷洒及水温控制部分，可以主要由水池、淬火水栗、喷水圈和冷水机组成，淬火水栗的一端通过水管与水池相连，淬火水栗的另一端通过水管与喷水圈相连，冷水机装在水池旁。
[0010]所述电气控制部分，可以主要由以电缆相连的工控机、PLC控制器、中频电源、智能温控仪表、晶闸管电源及交流伺服控制器组成。
[0011]本实用新型新机床与现有技术比较，主要有以下优点:
[0012]1.新机床采用模块化结构，不仅整体更紧凑和美观，而且模块化的备件好更换，如预热炉采用三节相同的炉体，当某节损坏可以整体更换后，可对损坏元件进行离线修复，提高了设备正常运行效率。
[0013]2.新机床采用交流伺服电机取代原来的液压马达，原来轧辊升降和旋转采用的是液压站+液压阀+液压管道+液压马达的传动方式，通过控制液压阀的开度来调节液压马达的转速，进而控制工件的升降和旋转速度，液压阀采用开环有级控制，速度控制精度不高；交流伺服直接用电能控制电机，体积小，控制方便，且速度采用闭环无极调速控制，响应快，控制精度高。
[0014]3.新机床的滑座移动采用立式机床导向结构，较原来的框架结构导向精度更高，同时在立柱的箱体内装有滑座配重块，使滑座升降机构的驱动电机处于最佳功效状态。减少了驱动电机功率，使轧辊上下运行更平稳，有助于提高轧辊淬火质量。
[0015]4.借助上位机和PLC的完美结合，引入了两路温度反馈进行淬火温度控制，与原来单路仪表进行淬火恒温控制方法相比，温度控制更灵活，更能满足不同型号的轧辊淬火工艺需要。同时，硬件上保留了原来的单路智能温控仪表进行淬火恒温控制的功能，即当出现上位工控机死机或者发生工控机与温控仪表及PLC之间的通讯故障时，工人能够通过转换开关切换到单路仪表控制模式，用温控仪表控制淬火感应加热温度，继续进行轧辊淬火工作，最大限度地保证了机床的连续运行。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1是本实用新型的结构示意图，此时轧辊18在预热炉中预热。
[0017]图2是图1的左视图，此时轧辊18已经淬火完成，放下来了。
[0018]图3是控制系统的控制框图。
[0019]图4是设备工作逻辑框图。
[0020]图5是淬火开始轧辊位置示意图。
[0021 ] 图6是淬火完成轧辊位置示意图。
[0022]图中:1.上顶杆升降机构；2.上顶杆座；3.滑座；4.上顶杆;5.电阻预热炉；6.热电耦；7.喷水圈；8.电缆拖链；9.滑座升降机构；9-1.升降伺服电机；10.立柱；10-1.预热炉支架；10-2.辅助检修平台；11.下顶尖旋转机座；11-1.伺服电机；12.配重铁；13.淬火感应器；14-1.红外测温头(左上)；14-2.红外测温头(右下)；15.上顶尖；16.下顶尖；17.中频变压器；18.轧辊；19.冷水机；20.工控机；21.显示器；22.PLC控制器；23.操作台；24.机床限位开关；25-1.红外温控仪(左上)；25-2.红外温控仪(右下)；25_3.智能温控仪表；26.预热炉温控仪表；27.中频电源；28.控制选择开关；29.晶闸管电源；30.报警器；31.轧辊升降伺服控制器；32.轧辊旋转伺服控制器；33.淬火水栗；34.冷水机控制器。
【具体实施方式】
[0023]本实用新型是一种对目前使用的ZT-1I型全数字控制的中频淬火机床进行改进的全数字控制的中频穿透淬火机床，主要区别是:采用立柱式结构，将原来液压传动系统控制的工件升降和旋转，改为通过伺服电机加丝杆和同步带轮的传动方式控制轧辊的升降和旋转。并且通过总线通讯方式采集两路淬火温度值，再将其下载到PLC中，提高了在工件运动时的不同位置对淬火温度实施闭环控制的精确度。[0024]下面结合实施例及附图对本实用新型作进一步说明，但不限定本实用新型。
[0025]本实用新型提供的全数字控制的中频穿透淬火机床由以下部分组成，一是机床本体部分，用来升降轧辊和旋转轧辊，并用来固定加热炉和中频感应加热器，二是电气控制部分，用来控制机床的各种动作和加热器的温度控制，三是淬火水喷洒及水温控制部分。
[0026]所述机床本体部分，采用单立柱导轨结构，其结构如图1和图2所示，主要由上顶杆升降机构1、滑座3、上顶杆4、电阻预热炉5、滑座升降机构9、立柱10、轧辊旋转机构11、配重铁12、上顶尖15和下顶尖16组成，其中:滑座3沿立柱10的导轨上、下移动。上顶杆升降机构1、上顶杆座2、下顶尖旋转机座11和下顶尖座固定在滑座3上，并随滑座3沿立柱10的滑座导轨移动。在立柱10的箱体内装有滑座配重块12，使滑座升降机构9的升降伺服电机9-1 (交流伺服电机)处于最佳功效状态。该机床单立柱导轨结构导向性和运行稳定性优于原框架机构，滑座升降机构9由交流伺服电机驱动，提高了轧辊上、下移动的位置精度。下顶尖旋转机座11的下顶尖旋转驱动方式由液压马达驱动改为交流伺服电机、同步带传动方式，提高了轧辊的旋转精度。轧辊位置精度和旋转精度的提高从而可实现控制系统对淬火过程的全闭环自动控制，计算机控制系统对整个淬火过程进行数据采集、数据整理并实时在线监测，提高轧辊淬火的质量，降低操作人员的劳动强度。
[0027]所述上顶杆升降机构I装在滑座3上，带动上顶杆座2上下移动；该上顶杆升降机构通过电缆拖链8连接立柱10，电缆拖链8装有上顶杆升降电机及限位开关的电缆线，立柱10通过地脚螺丝固定在基坑中。
[0028]所述上顶杆4通过上顶杆座2固定在滑座3上，该滑座安装在立柱10的导轨上，能在滑座升降机构9的拖动下上下移动。
[0029]所述电阻预热炉5由三个结构一样的电阻电阻炉5-1、5-2、5_3组成(图1)，固定在预热炉支架10-1上，该预热炉支架与立柱10之间采用螺丝联接。感应加热前，由滑座3将轧辊18送到电阻预热炉中预热；感应加热时，由滑座3向下慢速移动，使轧辊18通过淬火感应器13加热到淬火温度，再经过喷水圈7进行淬火冷却；电阻预热炉有3支热电耦6，分别安装在三个预热电阻炉5-1、5-2、5-3上。
[0030]所述中频变压器17上安装有电热电容器、汇流排和淬火感应器13，它们固定在机床侧边的辅助检修平台10-2的导轨支架上，能前后、上下移动，便于调节淬火感应器13与轧辊8的相对位置。辅助检修平台10-2与立柱10紧密相连。
[0031]所述滑座升降机构9装在立柱10上，该滑座升降机构包含升降伺服电机和皮带轮，升降伺服电机9-1旋转带动皮带轮同步运动，进而带动丝杆旋转，使得滑座3上下移动。
[0032]所述下顶尖旋转机座11装在滑座3上，该该机构用于轧辊旋转，包含伺服电机11-1、皮带轮和安装下顶尖16的顶尖座，伺服电机ll-ι的旋转运动是通过同步皮带轮带动下顶尖16旋转，使放在下顶尖16上的轧辊18跟随旋转。
[0033]所述配重铁12位于立柱10内，用于平衡滑座升降机构9两端的负荷，以及减小滑座3上下移动阻力和升降伺服电机的拖动功率。
[0034]所述红外测温头14包括红外测温头14-1 (左上)和红外测温头(右下)14-2，它们各由可调支架固定在淬火感应器13左右边的辅助检修平台10-2上，测温点如图5(或图6)所示。
[0035]所述上顶尖15、下顶尖16分别安装在上顶尖座、下顶尖座上，上顶尖座安装在上顶杆4中，要求能上下滑动和转动，利用轧辊上下的中心孔和上顶尖及顶尖座的自重将轧辊18固定在滑座3上，如图2所示。对于不同长度的轧辊，可以通过上顶杆升降机构I调整上顶尖15的位置。
[0036]所述淬火水喷洒及水温控制部分，参见图2，主要由水池、淬火水栗33、喷水圈7和冷水机19组成。淬火过程中，淬火水栗33将水池中的水输送给喷水圈7，由喷水圈7将水喷淋到加热后的轧辊18上进行淬火冷却，淬火后的回水通过管路重新流回水池，实现淬火水循环利用。夏天水温过高，可以开启冷水机19，将水池水进行循环冷却；冬天水温过冷，可以开启热蒸汽管，对水池中水进行加热，池中水温由温度仪表显示。
[0037]所述电气控制部分，参加图3和图4，主要由工控机20、PLC控制器22、中频电源27、温度控制仪表26、晶闸管电源29及交流伺服控制器组成，其中:晶闸管电源29用来控制电阻预热炉5的炉温，炉温通过热电偶6检测，温度信号反馈到温度控制仪表26，与给定温度进行比较后温度控制仪表26输出控制信号给晶闸管电源29，如果温度高就降低晶闸管电源29的电压，反之，如果温度低就升高晶闸管电源29的电压，使炉内温度保持恒定。电阻预热炉的温度变化参数通过485的通讯线传送到工控机20中，进行实时显示和记录，便于历史查询。中频电源27用来实现轧辊感应加热，感应加热温度由红外测温头14检测，红外温控仪25显示。当淬火控制选择开关28接通“温控仪表控制”时(接通K2)，通过红外测温头14-1检测到的轧辊感应加热温度由红外温控仪25-1变换成O-1OmA的温度反馈信号输入到智能温控仪表25-3进行比较和PID运算后输出控制信号到中频电源27，如果温度高就降低中频电源27的电压，反之，如果温度低就升高中频电源27的电压，保持轧辊温度恒定。同时，轧辊感应加热的温度变化数据通过红外温控仪25的485通讯口传送到工控机20中，进行实时显示和记录，并能下传到PLC中；如果控制选择开关28接通PLC淬火控制时(接通Kl)，PLC从工控机中获得轧辊感应加热温度反馈值，在与给定温度比较后输出控制信号，对中频电源27的输出进行控制，实现恒温控制。轧辊升降伺服控制器31用来控制升降伺服电机9-1的转速，滑座3的升降速度由升降伺服电机9-1的转速决定。轧辊旋转伺服控制器32用来控制旋转伺服电机11-1的转速，乳辊旋转速度由伺服电机11-1转速决定。PLC控制器22接收操作台23上的控制信号和机床限位开关24发出报警信号，控制机床正常运行。工控机20通过人机控制界面，输入各种工艺参数并下传给PLC控制器22执行，同时，将PLC控制器22通过报警器30发出的报警信号和预热炉温控仪表26采集的加工过程参数自动显示在显示器21的屏幕上，并存入硬盘，便于操作人员进行查询和打印输出温度曲线和加工报表。
[0038]所述工控机20可以采用研华510工业计算机。
[0039]所述PLC控制器22可以采用西门子公司S7-1200系列PLC。
[0040]所述中频电源27可以采用具有自关断控制功能的IGBT元件制作的中频电源，能效高，便于温度控制。
[0041]所述伺服电机均采用交流伺服电机，升降和旋转使用的交流伺服控制器和电机，可以米用安川伺服驱动器SGDV120A01A+伺服电机SGMGV13ADC6C，现场运行稳定可靠。
[0042]所述的智能仪表分两部分，其中淬火温控仪表(智能温控仪表)25-3可以选用上海自动化仪表六厂的自整定PID控制仪XTMD-1925-T4，预热炉智能温控仪表26可以采用台湾泛达生产的P906-301-010-200，两种仪表均带有RS-485通讯接口。[0043]本实用新型全数字控制的中频穿透淬火机床的工作过程如下(参见图4、图5、图6):
[0044]根据图4，设备自检完成后，首先把待加工轧辊18放入电阻预热炉5中，在临近轧辊材料相变温度区间(约700°C)恒温加热约3小时(具体温度和时间需根据轧辊材质、大小及工艺等要求由工艺设计人员调整设定)，保温时间到后，启动滑座升降电机9-1带动轧辊18匀速下降，并启动下顶尖旋转电机带动轧辊旋转，在轧辊下端面到达图5所示处停止下降(碰到“淬火开始限位”)，此时开始以正常加热功率一半的感应加热功率使感应圈中的轧辊18慢慢升温，同时打开淬火水栗33进行喷水冷却，做好淬火前的准备工作；当红外测温头14-1检测控制测温达到智能仪表设定的温度上限(约950°C)时，乳辊18再次开始以设定淬火速度匀速下降，此时PLC根据温度反馈自动进行闭环温控调节中频感应电源的输出功率(乳辊18的表面温度约1050°C，温度要求波动范围在±2°C以内)，加热后的轧辊18进入喷水圈7进行淬火冷却，当轧辊18上端面处于图6所示位置时(碰到“淬火完成限位”)，再次切换到中频半功率感应加热状态；轧辊18继续下降，直到轧辊18上端面离开淬火感应器13时，中频电源关闭，感应加热过程完成，乳辊继续匀速下降并喷水冷却，直到滑座3碰到“下降停止限位”后，停止下降；冷却延时倒计时完成后，系统自动停止轧辊旋转及喷水冷却，操作工拆卸下淬火处理完成的轧辊，同时更换上待加工的新轧辊，再将其上升至预热炉中进行加热保温。
【权利要求】
1.一种全数字控制的中频穿透淬火机床，包括机床本体、电气控制和淬火水喷洒及水温控制部分，其特征是所述机床主体部分采用单立柱导轨结构，主要由带动滑座(3)沿立柱(10)的导轨上、下移动的滑座升降机构(9)，安装在滑座(3)上的上顶杆升降机构(I)、上顶杆(4 )和下顶尖旋转机座(11)组成，在立柱(10 )上通过固定支架装有预热炉(5 );所述电气控制部分中的交流伺服控制器通过电缆与滑座升降机构(9)和下顶尖旋转机座(11)中的交流伺服电机相连。
2.根据权利要求1所述的全数字控制的中频穿透淬火机床，其特征是所述上顶杆升降机构(I)通过电缆拖链(8 )连接立柱(10)，电缆拖链(8 )装有上顶杆升降电机及限位开关的电缆线。
3.根据权利要求1所述的全数字控制的中频穿透淬火机床，其特征是所述上顶杆(4)通过上顶杆座(2)固定在滑座(3)上。
4.根据权利要求1所述的全数字控制的中频穿透淬火机床，其特征是设有上顶尖(15)，其通过上顶尖座安装在上顶杆(4)中，并能在上顶杆中上下移动和旋转。
5.根据权利要求1所述的全数字控制的中频穿透淬火机床，其特征是所述的下顶尖旋转机座(11)设有交流伺服电机、同步皮带轮和下顶尖座，下顶尖座安装下顶尖(16)，交流伺服电机通过同步皮带轮带动下顶尖(16)旋转，通过摩擦力带动压装在下顶尖上的轧辊旋转。
6.根据权利要求1所述的全数字控制的中频穿透淬火机床，其特征是所述的滑座升降机构(9)包含升降伺服电机、皮带轮和升降丝杠副，升降伺服电机带动皮带轮同步运动，进而带动丝杆旋转，使得滑座(3)上下移动。
7.根据权利要求1所述的全数字控制的中频穿透淬火机床，其特征是所述淬火水喷洒及水温控制部分，主要由水池、淬火水栗(33)、喷水圈(7)和冷水机(19)组成，淬火水栗(33)的一端通过水管与水池相连，淬火水栗(33)的另一端通过水管与喷水圈(7)相连，冷水机(19)装在水池旁。
8.根据权利要求1所述的全数字控制的中频穿透淬火机床，其特征是所述电气控制部分，主要由以电缆相连的工控机(20 )、PLC控制器(22 )、中频电源(27 )、智能温控仪表、晶闸管电源(29 )、交流伺服控制器组成。
【文档编号】C21D11/00GK203602667SQ201320800616
【公开日】2014年5月21日 申请日期:2013年12月6日 优先权日:2013年12月6日
【发明者】詹益清, 刘春平, 董伟, 曹祥承, 杨莉, 郭移根 申请人:武汉宝德机电有限责任公司