蔡 暢，戚文軍，周 楠，李 林，農(nóng) 登

廣東省工業(yè)技術(shù)研究院（廣州有色金屬研究院），廣東 廣州510650

鋁型材的在線淬火設(shè)備

蔡 暢，戚文軍，周 楠，李 林，農(nóng) 登

廣東省工業(yè)技術(shù)研究院（廣州有色金屬研究院），廣東 廣州510650

針對目前鋁型材在線淬火設(shè)備存在的淬火方式單一、工藝參數(shù)優(yōu)化困難的問題，通過優(yōu)化淬火設(shè)備的機械結(jié)構(gòu)，設(shè)計出了基于上位機與下位機相結(jié)合的在線淬火設(shè)備控制系統(tǒng)．在上位機中進(jìn)行工藝參數(shù)的優(yōu)化，通過下位機的控制系統(tǒng)和淬火設(shè)備實現(xiàn)風(fēng)冷、霧冷和水冷多方式淬火、淬火方式分區(qū)段可調(diào)的在線淬火設(shè)備，提高淬火設(shè)備的生產(chǎn)效率．

鋁型材；在線淬火；控制系統(tǒng)

鋁合金型材廣泛應(yīng)用于各種交通運輸工具和國防軍工等領(lǐng)域．大型復(fù)雜斷面的鋁合金型材在熱擠壓出后，通常是采用淬火爐將型材重新加熱固溶處理后t進(jìn)行人工時效達(dá)到T6狀態(tài)的性能．這種工藝需將型材運到淬火爐中進(jìn)行淬火，能耗高、生產(chǎn)周期長[1－4]．由于熱擠壓出來的型材溫度很高，若能在擠壓后直接進(jìn)行淬火（在線淬火），就可簡化工藝流程、縮短生產(chǎn)周期、提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本[5－6]．

目前，國外已研制開發(fā)出一種精密在線氣、霧、水冷淬火設(shè)備，可對大型復(fù)雜空心或?qū)嵭男筒倪M(jìn)行不同狀態(tài)的淬火，可處理長30 m，寬1 m，壁厚不均勻的非對稱復(fù)雜型材．其尺寸精度、形位公差和力學(xué)性能等均可滿足技術(shù)條件的需求．

近年來，國內(nèi)也有不少企業(yè)研究開發(fā)出能對擠壓后型材進(jìn)行在線淬火的設(shè)備，如東北輕合金有限責(zé)任公司設(shè)計了一種可對幾何形狀復(fù)雜、壁厚小于25 mm的大規(guī)格鋁合金型材在擠壓生產(chǎn)線進(jìn)行在線水冷淬火的設(shè)備[7]．雖然這種設(shè)備的投資成本小、結(jié)構(gòu)簡單、操作方便，但存在淬火冷卻不均勻的問題，很難保證淬火的效果．

李群霞等人[8]設(shè)計的大型鋁型材擠壓機的在線淬火裝置，利用變頻器來調(diào)節(jié)水泵電機的轉(zhuǎn)速，采用流量傳感器和比例流量控制閥對冷卻水流量進(jìn)行控制，使鋁型材在淬火時冷卻均勻，縱向溫差小、橫向溫差相同．但這種裝置僅能采用水冷淬火，冷卻方式單一．

張培良等人[9]提出了一種用于鋁型材擠壓生產(chǎn)線的風(fēng)水聯(lián)合淬火設(shè)備，解決了風(fēng)水聯(lián)合淬火時出水不均勻等問題．但由于該風(fēng)水聯(lián)合淬火設(shè)備未考慮分區(qū)段的淬火布置，并且淬火參數(shù)是由操作人員根據(jù)經(jīng)驗來調(diào)整的，難以獲得最優(yōu)的淬火效果．

本文針對現(xiàn)有在線淬火設(shè)備存在的不足，對淬火設(shè)備的機械結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，開發(fā)出一種可同時進(jìn)行風(fēng)冷、霧冷、水冷淬火的多方式、分區(qū)段可調(diào)的淬火設(shè)備，獲得了較好的淬火效果，提高了生產(chǎn)效率降低了能耗．

1 在線淬火設(shè)備的組成

在線淬火設(shè)備包括機械部分和控制部分（如圖1所示）．

機械部分由噴水系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)和機械本體組成．由噴水系統(tǒng)和通風(fēng)系統(tǒng)來實現(xiàn)水冷、風(fēng)冷和霧冷淬火．在機械本體上安置噴水系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)以及導(dǎo)輥和水槽等輔助裝置．

控制部分由上位機系統(tǒng)和下位機系統(tǒng)組成．上位機系統(tǒng)負(fù)責(zé)采集控制過程的工藝參數(shù)和淬火性能檢測參數(shù)等，根據(jù)歷史數(shù)據(jù)和工藝參數(shù)，通過對工藝參數(shù)與淬火效果的比對，為優(yōu)化控制參數(shù)提供依據(jù)；下位機系統(tǒng)實現(xiàn)人機交互、執(zhí)行控制指令、檢測現(xiàn)場信號等功能，進(jìn)行人機對話以及信號的轉(zhuǎn)換與傳遞，采集檢測到的數(shù)據(jù)、驅(qū)動底層元器件，根據(jù)下位機發(fā)送的控制指令進(jìn)行相應(yīng)動作，檢測水溫、水壓、風(fēng)壓、型材曲度等現(xiàn)場信號．

圖1 在線淬火設(shè)備Fig．1 On－line quenching equipment

2 在線淬火設(shè)備的機械結(jié)構(gòu)

在線淬火設(shè)備的機械部分包括：水箱、上水蓋、下水槽、噴嘴、出風(fēng)口、進(jìn)水管、通風(fēng)管．

將噴水的噴嘴布置在出風(fēng)口內(nèi)，通過噴水量和出風(fēng)量的配合實現(xiàn)霧冷淬火；噴嘴和出風(fēng)口分三個區(qū)排布，每個區(qū)均可實現(xiàn)水冷淬火、風(fēng)冷淬火和霧冷淬火的轉(zhuǎn)換，各個區(qū)的噴嘴數(shù)量可按需求設(shè)置．在線淬火設(shè)備的機械結(jié)構(gòu)如圖2所示．

圖2 在線淬火設(shè)備的機械結(jié)構(gòu)示意圖Fig．2 Schematic diagram of the mechanical structure of the on－line quenching equipment

3 控制系統(tǒng)總體方案

本文設(shè)計的在線淬火控制系統(tǒng)示意圖如圖3所示，它由上位機系統(tǒng)和下位機系統(tǒng)兩部分組成．上位機是以Windows為操作系統(tǒng)的PC機；下位機以可編程邏輯控制器（PLC）為控制核心，由觸摸屏來完成人機對話．上位機與下位機通過串口連接起來，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳遞．

4 上位機系統(tǒng)設(shè)計

上位機的管理系統(tǒng)以Windows操作系統(tǒng)為開發(fā)平臺，以VC＋＋6．0為開發(fā)環(huán)境來開發(fā)上位機的管理系統(tǒng)，實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集、保存及狀態(tài)的實時顯示．上、下位機通訊時，約定通訊協(xié)議，即對數(shù)據(jù)格式、步方式和傳送速度等做出統(tǒng)一規(guī)定，將采樣數(shù)據(jù)通過串口送至上位機．

圖3 控制系統(tǒng)組成框圖Fig．3 Composition diagram of the control system

上位機系統(tǒng)的應(yīng)用軟件主要包括上位機串口通訊程序、歷史數(shù)據(jù)管理、淬火性能評價程序、系統(tǒng)運行參數(shù)顯示、系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)顯示和故障顯示等．上位機由串口與PLC連接，通過PLC和檢測設(shè)備采集底層數(shù)據(jù)，采集到的數(shù)據(jù)存儲在SQL Server 2005數(shù)據(jù)庫中，采用ODBC連接數(shù)據(jù)庫與管理系統(tǒng)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢和存取等；在VC＋＋6．0中開發(fā)的淬火性能評價程序，根據(jù)檢測到的現(xiàn)場數(shù)據(jù)和PLC系統(tǒng)控制參數(shù)，以淬火后型材的彎曲度、淬火后型材的縱向和橫向溫差、淬火能耗等為約束條件，對淬火工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化．

5 下位機系統(tǒng)設(shè)計

下位機系統(tǒng)由PLC及其擴展模塊、檢測執(zhí)行單元及觸摸屏組成，下位機的系統(tǒng)框圖如圖4所示．觸摸屏可直觀顯示生產(chǎn)過程和安全監(jiān)視，選擇控制模式，調(diào)整操作參數(shù)，進(jìn)行人機交互；PLC作為控制單元，是整個控制系統(tǒng)的核心，接收的開關(guān)量、模擬量輸入信號，經(jīng)處理后輸出開關(guān)量、模擬量控制執(zhí)行單元件動作．

圖4 下位機系統(tǒng)框圖Fig．4 System diagram of the lower machine

5．1 PLC系統(tǒng)

PLC系統(tǒng)由PLC及其擴展模塊構(gòu)成．PLC的主要作用是：（1）初始化變量，設(shè)置通訊協(xié)議和中斷協(xié)議；（2）與觸摸屏進(jìn)行實時通訊，為觸摸屏的顯示提供數(shù)據(jù)，并對觸摸屏提供的信息進(jìn)行處理；（3）完成數(shù)字量和模擬量的相互轉(zhuǎn)換；（4）實時控制淬火系統(tǒng)的運行狀態(tài)；（5）與上位機進(jìn)行通訊，為上位機提供工藝參數(shù)和淬火效果檢測數(shù)據(jù)．PLC的程序流程圖如圖5所示．

圖5 PLC程序流程圖Fig．5 Flow diagram of the PLC program

5．2 檢測執(zhí)行單元

檢測執(zhí)行單元包括：水泵拖動電機、風(fēng)機、吹水渦流風(fēng)機、流量比例閥、電動閥門、壓力傳感器、位置傳感器、溫度傳感器及CCD檢測設(shè)備等．在淬火系統(tǒng)的擠壓型材的入口處和出口處分別布置一臺渦流風(fēng)機，水冷淬火時，從頂部吹型材，將水留在水槽內(nèi)；風(fēng)機和水泵的拖動電機采用變頻調(diào)速來間接控制風(fēng)壓和水壓．PLC通過RS－485接口與變頻器進(jìn)行通訊，在變頻器的初始化中設(shè)置通訊規(guī)格，變頻器與PLC的485通信板的連線如圖6所示．閥門根據(jù)控制系統(tǒng)的信號控制噴嘴的開合和通風(fēng)口的開度，確保型材淬火均勻．傳感器采集到的數(shù)據(jù)傳遞到下位機系統(tǒng)形成閉環(huán)控制，對現(xiàn)場工藝參數(shù)進(jìn)行實時調(diào)整，確保水冷淬火時的水壓和水溫以及風(fēng)冷淬火時的風(fēng)壓在設(shè)定值附近波動；CCD檢測設(shè)備將圖像信號轉(zhuǎn)化成電信號，完成淬火后型材尺寸測量．傳感器和CCD檢測設(shè)備采集到的數(shù)據(jù)傳遞到上位機，分析淬火性能，為工藝參數(shù)優(yōu)化提供依據(jù)．

圖6 變頻器的通訊接口與PLC通訊板的連線圖Fig．6 Circuit between communication interface of the frequency converter and communication board of the PLC

5．3 觸摸屏

觸摸屏是與PLC配套使用的設(shè)備，它是取代傳統(tǒng)的控制面板和鍵盤的智能操作顯示器，用于設(shè)置參數(shù)和顯示數(shù)據(jù)，以動畫等形式描繪自動控制過程．觸摸屏與PLC配套使用，一方面擴展了PLC的功能，使其能夠組成具有圖形化、交互式工作界面的獨立系統(tǒng)；另一方面可大大減少操作臺上的開關(guān)、按鈕和儀表，使操作更加簡便，工作環(huán)境更加舒適．

在觸摸屏軟件編寫平臺上進(jìn)行設(shè)計、編譯在線淬火設(shè)備的監(jiān)控界面，監(jiān)控界面包括：主控界面、系統(tǒng)運行界面、系統(tǒng)報警界面、數(shù)據(jù)管理界面和數(shù)據(jù)監(jiān)控界面等將所設(shè)計編譯的監(jiān)控界面下載到觸摸屏，觸摸屏通過通訊接口與PLC連接，由PLC對觸摸屏的狀態(tài)控制區(qū)和通知區(qū)進(jìn)行讀寫，實現(xiàn)信息交互，進(jìn)行人機對話．

6 結(jié) 論

通過對鋁型材淬火冷卻的研究，設(shè)計出了一種能同時進(jìn)行風(fēng)冷、水冷和霧冷的淬火設(shè)備，通過分區(qū)段布置通風(fēng)管和進(jìn)水管，實現(xiàn)了分區(qū)段和多方式的淬火．以PLC為核心的淬火設(shè)備控制系統(tǒng)，通過各傳感器與執(zhí)行單元對在線淬火時的水溫、水壓、風(fēng)壓及型材曲度等參數(shù)進(jìn)行實時監(jiān)控和調(diào)整，獲得了較好的淬火效果．

[1]張君，閻養(yǎng)民，閆善武．鋁型材擠壓中的淬火裝置[J]．重型機械，2001（3）：8－11．

[2]王邦文，李謀謂，趙永忠，等．淬火控制系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的研究[J]．冶金設(shè)備，2003，173（1）：9－13．

[3]梁世斌．工業(yè)鋁合金擠壓制品的在線淬火[J]．輕合金加工技術(shù)，2006，34（6）：32－34．

[4]張立新．在線淬火在銅帶熱軋中的應(yīng)用分析[J]．有色金屬加工，2009，38（4）：13－15．

[5]蘇興武，顧敏．淬火冷卻過程數(shù)值模擬的研究現(xiàn)狀及展望[J]．金屬熱處理，2008，33（6）：1－7．

[6]何艷兵，楊海波．扁條鋁擠壓型材在線噴水冷卻影響因素研究[J]．冶金設(shè)備，2009，12（6）：22－25．

[7]籍淑珍．鋁合金型材在線水冷淬火設(shè)備[J]．輕合金加工技術(shù)，2008，36（6）：26－27．

[8]李群霞，李國棟，高曉?。笮弯X型材擠壓機的在線淬火裝置[J]．重工科技，2000（2）：7－10．

[9]張培良，張培棟，蘇振佳．一種用于鋁型材擠壓生產(chǎn)線的風(fēng)水聯(lián)合淬火設(shè)備：中國，02269917．1[P]．2002－09－28．

[10]彭繼慎，任寶棟．基于PLC和觸摸屏技術(shù)的壓鑄機控制系統(tǒng) 研 究 [J]．計 算 機應(yīng) 用 技 術(shù)，2006，26（3）：154－155．

[11]周立宏，喻壽益，賀建軍，等．31m空氣循環(huán)淬火爐計算機溫度控制系統(tǒng)[J]．中南大學(xué)學(xué)報，2004，35（2）：285－289．

Study on an on－line quenching equipment for aluminum profile

CAI Chang，QI Wenjun，ZHOU Nan，LI Lin，NONG Deng
Guangdong Research Institute of Industry Technology （Guangzhou Research Institute of Non－ferrous Metals），Guangzhou 510650，China

Considering the singleness of the quenching method of the on－line quenching equipment for aluminum profile and the difficulty in optimizing the parameters for quenching，an on－line quenching control system is designed based on the combination of upper devices and lower devices by optimizing the mechanical structure of the quenching equipment．Hardening parameters are optimized in the upper device．Taking advantage of the lower control system and the mechanical structure of this equipment，the on－line quenching equipment can realize multi－quenching of wind cooling，flog cooling and water cooling，which are adjustable in separation section．Finally，the production efficiency of the equipment is improved．

aluminum profile；on－line quenching；control sy stem

TG379

A

1673－9981（2011）03－0213－05

2010－11－04

蔡暢（1983—），男，湖南邵陽人，工程師，碩士．