周堅，董慶偉，梁良

(河南科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，河南 洛陽 471003)

轉(zhuǎn)盤軸承是一種能同時承受較大軸向、徑向聯(lián)合載荷和傾覆力矩的大型軸承[1]，廣泛應(yīng)用于船舶、冶金、風(fēng)力發(fā)電等設(shè)備[2]。為保證轉(zhuǎn)盤軸承的使用壽命，其滾道表面必須具有較高的硬度以獲得高耐磨性。因其超大的體積和一定的精度要求，滾道表面采用電磁感應(yīng)加熱淬火技術(shù)成為最佳選擇。

影響感應(yīng)淬火質(zhì)量的因素很多，但在確定淬火感應(yīng)器的類型、電氣參數(shù)和運動參數(shù)后，感應(yīng)加熱間隙(感應(yīng)器與被加熱表面之間的距離)的變化成為影響淬火質(zhì)量的重要因素。如何監(jiān)控間隙的波動并使其始終保持在允許范圍內(nèi)，一直是感應(yīng)淬火設(shè)備制造廠商和用戶所關(guān)注和研究的問題。

1 感應(yīng)加熱間隙影響淬火質(zhì)量的成因分析

感應(yīng)加熱表面淬火是利用電磁感應(yīng)原理，將工件置于交變磁場中切割磁力線，使其表面快速加熱，所以感應(yīng)加熱間隙的變化直接影響工件的加熱效率和淬火質(zhì)量。由于大型轉(zhuǎn)盤軸承套圈直徑較大，一般采用感應(yīng)器固定，工件在工作臺上定心轉(zhuǎn)動的掃描式加熱方法。加工時工作臺轉(zhuǎn)速恒定，工件單位表面的加熱時間相同，若感應(yīng)加熱間隙過大，則使工件表面加熱功率不足，淬火硬化層深度不夠；反之，則使工件表面局部溫度過高，產(chǎn)生淬火過熱，甚至出現(xiàn)短路打火現(xiàn)象，造成工件表面燒傷。影響感應(yīng)加熱間隙的因素很多，例如感應(yīng)加熱淬火機(jī)床的精度，轉(zhuǎn)盤軸承較大的自重，工件在加熱時產(chǎn)生的熱變形等。

感應(yīng)加熱間隙的變化對淬火質(zhì)量的影響程度可通過建立簡化數(shù)學(xué)模型說明。如圖1所示，由于交變電流的集膚效應(yīng)，零件在貼近感應(yīng)器表面的一側(cè)會形成渦流，工件加熱處的截面正對渦流帶的截面，將渦流帶簡化為z軸上一根長度為a的細(xì)導(dǎo)線，電流方向為z軸方向，將零件加熱處簡化于x-z(寬度為b，高度為a，與z軸的距離為ρ)平面上,設(shè)ax,ay，az為坐標(biāo)軸單位向量。

圖1 感應(yīng)器電磁場示意圖

根據(jù)畢奧—薩法爾定律得

μ0=4π×10-7H/m，

式中：B為載有恒定電流I的導(dǎo)線在空間中某點所產(chǎn)生的磁通密度；dl為電流方向的導(dǎo)線線元矢量；r為由dl指向目標(biāo)點的矢量；r為矢量距離；μ0為真空磁導(dǎo)率。

由于Idl=Idzaz,r=ρa(bǔ)x-zaz，則有Idl×r=Iρdzay,從而得到

結(jié)果說明B只在ay方向有非零分量，而且當(dāng)通電導(dǎo)線的長度a一定時，B的大小只和距離ρ有關(guān)。通過零件截面的磁通量為

例如，I=100 A，a=100 mm，b=50 mm，當(dāng)加熱間隙ρ從2 mm變?yōu)? mm時，計算可得磁通量減少了20.6%，零件表面加熱功率P減少了約37%，盡管感應(yīng)加熱間隙僅變化了2 mm，但對工件加熱功率的影響顯著。

2 感應(yīng)加熱間隙控制方法

近幾年國內(nèi)感應(yīng)加熱淬火設(shè)備發(fā)展迅速，制造廠商主要有洛陽三恒感應(yīng)加熱科技有限公司、上海恒精機(jī)電設(shè)備有限公司、天津天豐中高頻感應(yīng)淬火設(shè)備有限公司等。在控制感應(yīng)加熱間隙方面，廣泛應(yīng)用且最具代表性的感應(yīng)器靠模裝置[3]如圖2所示，靠模(滾輪)與感應(yīng)器、噴淋器等固連，通過直線導(dǎo)軌安裝在座體上。當(dāng)工件隨工作臺旋轉(zhuǎn)時，若滾道徑向尺寸有所波動，在加壓彈簧的作用下，靠模始終緊貼工件滾道表面，從而保證了感應(yīng)器與滾道表面的間隙一致。

1—套圈；2—感應(yīng)器；3—噴淋器；4—直線導(dǎo)軌；5—加壓彈簧；6—底座；7—轉(zhuǎn)軸；8—靠模

國外感應(yīng)加熱技術(shù)起步較早，目前工藝與裝備較為成熟[4]。在控制感應(yīng)加熱間隙方面，較為先進(jìn)的是德國艾洛特姆公司(SMS-Elotherm)采用的工件凈功率監(jiān)控器技術(shù)[5-6]，其可將感應(yīng)電路中各電感、電阻、頻率等信號分離，經(jīng)運算后得到實際用于加熱工件的凈功率，根據(jù)數(shù)據(jù)變化實時監(jiān)測并矯正感應(yīng)器的位置。如圖3所示的平面掃描型感應(yīng)器裝有2個電感傳感器，用來分別獲取計算感應(yīng)器與工件底面和側(cè)面間隙變化所需的電子信號。

1—感應(yīng)器支架；2—側(cè)面電感傳感器；3—感應(yīng)器；4—底面電感傳感器；5—工件底面；6—工件側(cè)面；7—噴淋器

靠模裝置結(jié)構(gòu)簡單，通用性較強(qiáng)，淬火效果較好，但只能對1個自由度進(jìn)行有限微調(diào)，加工過程中無法實時監(jiān)控和修正事先調(diào)整的靠模位置，一定程度上制約了靠模式感應(yīng)加熱間隙測控技術(shù)向高精度、智能化發(fā)展。工件凈功率監(jiān)控器技術(shù)能實時監(jiān)控感應(yīng)器加熱間隙的變化，但對于不同的感應(yīng)器，需要將特制的電感傳感器安裝在合適位置，制作成本高，各種電子信號的提取和調(diào)試較為復(fù)雜。凈功率式感應(yīng)加熱間隙測控技術(shù)目前尚未被國內(nèi)感應(yīng)淬火設(shè)備廠商采用。

3 感應(yīng)加熱間隙自動跟蹤控制系統(tǒng)

針對目前國內(nèi)外廠商在控制感應(yīng)加熱間隙方面的不足，設(shè)計了一種基于非接觸測距的感應(yīng)加熱間隙自動跟蹤控制系統(tǒng)，如圖4所示。通過人機(jī)界面輸入各項參數(shù)，由伺服運動系統(tǒng)控制感應(yīng)器的空間位置，再由位移傳感器將感應(yīng)加熱間隙誤差反饋給控制系統(tǒng)，實現(xiàn)閉環(huán)控制，從而保證感應(yīng)加熱間隙的變化在允許的參數(shù)范圍內(nèi)。

圖4 感應(yīng)加熱間隙自動跟蹤控制系統(tǒng)

感應(yīng)加熱間隙自動跟蹤控制系統(tǒng)具有以下優(yōu)點：

(1)相比靠模裝置能夠?qū)崟r監(jiān)控及調(diào)整感應(yīng)加熱間隙，并采集加工過程中的間隙數(shù)據(jù)，為數(shù)據(jù)分析及工件性能測試提供依據(jù)；

(2)當(dāng)感應(yīng)器由2個伺服電動機(jī)分別控制其橫軸和縱軸空間位置時，可采用雙傳感器分別測量感應(yīng)器與工件端面和側(cè)面的間隙，組成雙軸自動控制系統(tǒng)，尤其在加工溝道表面時比靠模裝置的定位更加精確；

(3)采用非接觸式位移傳感器反饋信號，直接測量距離的變化，較工件凈功率監(jiān)控技術(shù)所需的各種電路信號，在經(jīng)濟(jì)和技術(shù)上都更適合推廣應(yīng)用。

感應(yīng)加熱間隙自動跟蹤控制系統(tǒng)在加工過程中僅實施感應(yīng)器空間位置的微調(diào)，相對獨立于感應(yīng)加熱淬火設(shè)備的數(shù)控系統(tǒng)，因此，增加此功能模塊可實現(xiàn)感應(yīng)加熱淬火設(shè)備的技術(shù)升級。

3.1 檢測方法

一般情況下，感應(yīng)加熱間隙很小(1～3 mm)，并且處于高溫、高濕、強(qiáng)磁的工作環(huán)境，因而需要將傳感器置于合適的位置，既保證測距的精度，又能盡量減少惡劣工作環(huán)境對傳感器的影響。檢測方法如圖5所示，非接觸式測距裝置(激光位移傳感器)與感應(yīng)器一起通過直線導(dǎo)軌安裝在底座上，在感應(yīng)加熱間隙自動跟蹤控制系統(tǒng)的控制下，由伺服電動機(jī)和滾珠絲杠調(diào)整感應(yīng)加熱間隙。

1—套圈；2—激光位移傳感器；3—滾珠絲杠；4—伺服電動機(jī)；5—底座；6—直線導(dǎo)軌；7—噴淋器；8—感應(yīng)器

通常在測距中會用到光柵尺、超聲波、激光等，考慮到感應(yīng)加熱淬火的實際環(huán)境，激光測距較光柵尺和超聲波測距更為適用。按照測距原理，激光測距主要可分為脈沖式、相位式、干涉法和三角法，其中只有三角法激光測距比較適合設(shè)計構(gòu)想[7],適用于較短距離測量微小位移，特別是光斑照射到粗糙表面時。

雖然傳感器與感應(yīng)器相隔一段距離，但工件表面的高溫、感應(yīng)器的強(qiáng)磁場及淬火液蒸汽仍可能對激光測距的精度產(chǎn)生較大影響。針對這種情況，可以考慮在傳感器及其數(shù)據(jù)線外加裝隔熱、磁場屏蔽及風(fēng)扇等裝置。

通過傳感器所得距離的變化值。經(jīng)計算后可得出感應(yīng)器的間隙變化值，對轉(zhuǎn)盤軸承套圈等大型工件，其滾道曲率變化較為恒定，不會出現(xiàn)某一小段距離內(nèi)曲率急劇變化的情況，其誤差應(yīng)在允許范圍內(nèi)。

3.2 誤差分析

假設(shè)工件加工面的半徑為R1，圓心處于坐標(biāo)原點；感應(yīng)器位于x軸上，與工件表面的距離為a；位移傳感器與x軸夾角斜率為k，與工件表面距離為b；在加工過程中出現(xiàn)偏差，使得工件表面整體沿x軸負(fù)方向位移ρ，則位移傳感器與零件表面的距離產(chǎn)生的變化為l，如圖6所示。

圖6 間隙變化示意圖

當(dāng)發(fā)生位移，為求B點坐標(biāo)，可得方程

取正根可得

根據(jù)圖形幾何關(guān)系可知

LBC=b+l=LAC-LAB=R1+b-LAB，

l=R1-LAB，

而A(ρ,0)，B(x,y)坐標(biāo)已知，可得

從而得到ρ與l的關(guān)系為

當(dāng)k=0，即測距點位于x軸上時，ρ=l，即測距點的距離變化l與感應(yīng)器的距離變化ρ相同。當(dāng)k>0時，通過對LAB求導(dǎo)可知LAB單調(diào)遞增，則l=R1-LAB<ρ,說明當(dāng)測距點不在x軸上時，測距點的變化小于感應(yīng)加熱間隙的變化，其差值φ為

例如，當(dāng)套圈滾道半徑R1=2 m，測距點與感應(yīng)器的夾角斜率k=0.1時，若感應(yīng)加熱間隙發(fā)生變化ρ=±1 mm，可計算出測距點的位移l=±0.999 5 mm，即誤差值φ僅為±5×10-7m。這說明當(dāng)工件的半徑較大時，其可近似看作對間隙的直接測距。根據(jù)加工經(jīng)驗，若工件半徑小于0.5 m時，在加工過程中間隙的變化并不明顯，無需采用此自動跟蹤控制系統(tǒng)。

3.3 系統(tǒng)構(gòu)架

感應(yīng)加熱間隙自動跟蹤控制系統(tǒng)主要由PLC，HMI，伺服運動控制器和激光位移傳感器構(gòu)成，以雙軸自動控制系統(tǒng)為例，系統(tǒng)構(gòu)架如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)構(gòu)架示意圖

2個激光位移傳感器分別測量感應(yīng)器工件端面和側(cè)面的間隙變化，輸出模擬信號，經(jīng)過處理后輸入PLC進(jìn)行反饋控制。目前較為成熟的激光位移傳感器配有相應(yīng)的信號運算單元，通過設(shè)定高低閾值對其進(jìn)行判斷并輸出結(jié)果，例如歐姆龍的ZX2系列產(chǎn)品。對于沒有配套的信號運算單元的位移傳感器，可采用A/D轉(zhuǎn)換裝置將模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，由PLC進(jìn)行信號判斷。

在工作臺帶動工件旋轉(zhuǎn)時，激光位移傳感器不斷將間隙變化的信號反饋至PLC。當(dāng)需要調(diào)節(jié)間隙時，PLC輸出相應(yīng)的控制信號至伺服運動控制系統(tǒng)，使感應(yīng)加熱間隙保持在正常范圍內(nèi)，實現(xiàn)對間隙的自動跟蹤控制。間隙變化及位置修正信號可通過HMI實時顯示并儲存，為數(shù)據(jù)分析及工件性能測試提供依據(jù)。

對于采用數(shù)控系統(tǒng)的感應(yīng)淬火設(shè)備，可以添加此自動跟蹤控制系統(tǒng)，實現(xiàn)感應(yīng)加熱淬火數(shù)控設(shè)備的技術(shù)升級，如圖8所示。

圖8 數(shù)控系統(tǒng)改造示意圖

在感應(yīng)加熱淬火過程中，數(shù)控系統(tǒng)還對設(shè)備的各個部分實施控制，包括感應(yīng)器的位置和工作臺的旋轉(zhuǎn)。在感應(yīng)器開始加熱時，數(shù)控系統(tǒng)輸出啟動信號，并轉(zhuǎn)換至電子手輪控制模式，由PLC模擬電子手輪輸出脈沖信號至數(shù)控系統(tǒng)，進(jìn)而調(diào)節(jié)感應(yīng)器的位置；當(dāng)感應(yīng)器加熱結(jié)束后，再由數(shù)控系統(tǒng)輸出關(guān)閉信號至PLC，結(jié)束自動跟蹤控制。

3.4 信號處理

將測量到的距離數(shù)據(jù)與系統(tǒng)設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)距離值進(jìn)行比較，可分為正常、調(diào)整及報警3個范圍，根據(jù)實際加工的要求設(shè)定相應(yīng)的閾值,如圖9所示。當(dāng)間隙變化在正常范圍內(nèi)時，感應(yīng)器的位置不做調(diào)整；當(dāng)超出正常范圍而小于報警范圍時，可根據(jù)偏離的程度，以適當(dāng)?shù)幕卣{(diào)速度修正感應(yīng)器的位置；當(dāng)達(dá)到報警范圍，則要立刻停止感應(yīng)加熱并報警。

圖9 距離判斷示意圖

正常范圍的閾值不宜過小，否則可能引起感應(yīng)加熱間隙不斷振蕩調(diào)整。當(dāng)工件處于激光位移傳感器的檢測中，間隙的變化應(yīng)處于正常和調(diào)整范圍內(nèi)；若處于報警范圍，則可能出現(xiàn)工件表面有重大缺陷或有異物附著等情況，為了保證安全必須立刻停止感應(yīng)加熱并報警。

由于感應(yīng)加熱淬火設(shè)備的振動及激光測距重復(fù)定位精度等因素，傳感器輸出的模擬信號必然會有一定程度的振蕩。針對這種情況，在滿足系統(tǒng)響應(yīng)速度要求的情況下，可將一小段時間內(nèi)的測量值取平均值后，進(jìn)行信號處理和判斷，從而減小信號振蕩對控制精度的影響。這可以由信號運算單元計算，或通過A/D轉(zhuǎn)換后由PLC進(jìn)行取平均值的計算。

4 結(jié)束語

針對轉(zhuǎn)盤軸承套圈等大型零件設(shè)計了基于非接觸式測距的感應(yīng)加熱間隙自動跟蹤控制系統(tǒng)，與現(xiàn)有技術(shù)相比，其優(yōu)點在于結(jié)構(gòu)易于實現(xiàn)，自動化程度較高，誤差相對較??；但仍需進(jìn)一步提高自動跟蹤控制的精度，改善系統(tǒng)的抗干擾能力和響應(yīng)速度等。