一种金属件加工控制系统的制作方法

本实用新型涉及一种金属件加工控制系统。

背景技术：

现在的金属零件生产，一般是基于现代化的分工，每一个部门负责一个工序；另外，很多工厂技术水平低下，生产效率低，或加工精度不高，因此，有必要对现有的生产系统进行改造。

因此，有必要设计一种新的金属件加工控制系统。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种金属件加工控制系统，该金属件加工控制系统功能完善，易于实施。

实用新型的技术解决方案如下：

一种金属件加工控制系统，包括监控中心和4个现场控制模块；

监控中心作为上位机；

4个现场控制模块分别为铸造控制模块、切割控制模块、焊接控制模块以及打磨控制模块；监控中心、铸造控制模块、切割控制模块、焊接控制模块以及打磨控制模块通过can总线通信连接；每一个现场控制模块的mcu都是与其他部分的mcu独立的。

铸造控制模块，包括mcu与位移传感器、码盘、温度传感器、继电器和触摸显示屏；

位移传感器、码盘、温度传感器、阀门和触摸显示屏均与mcu相连；

码盘安装于转轴上；转轴固定在底座的第一端底部；

位移传感器设置在电动推杆处，用于检测电动推杆升降的位移量；电动推杆用于驱动底座第二端升降；

温度传感器设置在坩埚和铸模内；

继电器用于控制电控推杆动作；

触摸显示屏作为人机接口设备。

切割控制模块包括mcu、限位开关、驱动模块、码盘、位移传感模块、控制按钮、显示屏和继电器；码盘用于检测纵向滑块的位移量；位移传感模块用于检测横向滑块的位移量；

限位开关、驱动模块、码盘、位移传感模块、控制按钮、显示屏和继电器均与mcu相连；

位移传感模块采用磁感应位移传感器；磁感应位移传感器的输出端通过放大电路与mcu相连；

驱动模块包括变频器和电机，变频器与电机的供电端相连；用于驱动精细切割设备的横向滑台和纵向滑台在x向和y向滑动；

继电器的常开开关设置在电机的供电电路中；继电器的线圈受控于mcu的io端口。

焊接控制模块包括mcu、角度传感器、横向位移传感器、纵向位移传感器、电位器、第一变频器、第二变频器和液压阀；

角度传感器、横向位移传感器、纵向位移传感器、电位器、第一变频器、第二变频器和液压阀均与mcu相连；

角度传感器用于检测旋转平台的旋转角度；

横向位移传感器用于检测横向平移平台的位移量；

纵向位移传感器用于检测液压缸的伸长量；

电位器用于检测操纵杆的旋转角度；

第一变频器用于驱动旋转驱动电机；

第二变频器用于驱动平移驱动电机；

液压阀用于控制液压缸的动作；

打磨控制模块包括mcu、红外发射管、4个红外接收管、主电机、4个磨头驱动电机和4个继电器；

红外发射管由单独的电源供电；4个红外接收管均与mcu的io端口相连，mcu通过驱动电路与4个继电器的线圈相连；4个继电器的常开触点对应串接在4个磨头驱动电机的供电电路中，从而mcu能独立驱动每一个磨头旋转；主电机为步进电机，mcu的脉冲信号输出端与主电机的控制端相连。

切割控制模块用于控制切割装置；所述的切割装置包括机台(16)、横向导轨(1)、横向滑台(8)、纵向导轨(6)、纵向滑台(5)和激光切割头(7)；

所述的横向导轨为2条，均固定在机台上，2条横向导轨相互平行且均沿x向布置；横向导轨上设有横向滑槽(2)；横向滑台的底部设有4个横向滑轮(3)；横向滑轮置于所述的横向滑槽中，便于横向滑台能沿横向导轨在x方向滑动；

纵向滑轨为2条，均固定在横向滑台上，2条纵向导轨相互平行且均沿y向布置；2条纵向导轨上均设有凹槽；纵向滑台的底部设有2个滑轮：左滑轮(11)和右滑轮(12)，左滑轮和右滑轮分别设置在两条凹槽中，使得纵向滑台能沿纵向导轨在y方向滑动；

激光切割头固定在纵向滑台上；

金属零件的切割装置还包括用于驱动横向滑台平移的x向驱动机构和用于驱动纵向滑台的y向驱动机构；

纵向滑台上设有双钢丝平移协同机构；

双钢丝平移协同机构包括第一钢丝绳(9)和第二钢丝绳(10)；

第一钢丝绳(9)的两端分别固定在纵向滑台的右上端和左下端的接线柱(4)上，且第一钢丝绳的中间部分以z字形方式绕经左滑轮和右滑轮；

第二钢丝绳(10)的两端分别固定在纵向滑台的左上端和右下端的接线柱(4)上，且第二钢丝绳的中间部分以z字形方式绕经左滑轮和右滑轮。

监控中心为工控机，又称工业计算机，工业计算机与云服务器通信连接。相关现场数据存储到云服务器上，这样通过手机或其他pc机能通过访问服务器能查看加工现场数据。

本实用新型涉及的mcu为现有成熟控制器件，因而本方案不涉及方法，属于实用新型的保护客体。

有益效果：

本实用新型的金属件加工控制系统，具有以下特点：

(一)铸造装置及铸造控制模块

(1)精确度高

采用码盘来检测旋转角度，精度高，另外，还采用角度传感器检测角度，采用冗余设计，可靠性高。另外，采用位移传感器(现有成熟器件)检测电控推杆的升降量，从而检测底座的状态；

(2)运行顺畅；

采用电控推杆驱动底座旋转，结构简单，易于实施。

(3)采用整体旋转的方式，能保障铸造质量

整体旋转能避免其中部分部件的故障，增强系统的整体可靠性，从而能保障铸造质量。

(4)采用特别的放大电路

采用放大倍数可调的放大电路将温度信号进行放大，灵活性好，能控制精度和量程。

(5)具有冷却机构，提升铸造效率

冷却机构能加速铸造件的冷却速度，从而提高铸造效率。

(二)切割装置及切割控制模块具有以下特点：

(1)精确度高

采用码盘来检测位移量，精度高，其中横向位移采用定滑轮上的码盘检测，纵向位移采用左滑轮和右滑轮上的码盘进行检测。

(2)运行顺畅；

采用双钢丝平移协同机构保障纵向滑台平滑运行，因此，能有效保障纵向滑台顺畅运行，避免卡死的状况。

(三)焊接装置及其焊接控制模块具有以下特点：

(1)精确度高

采用码盘来检测旋转角度，精度高，另外，还采用角度传感器检测角度，采用冗余设计，可靠性高。另外，采用位移传感器(现有成熟器件)检测位移量，从而检测平移平台以及升降平台的位置；

(2)运行顺畅；

采用电机以及滚珠丝杠驱动平移平台，采用电机以及齿轮传动机构驱动旋转平台，采用液压缸驱动升降平台，结构简单，易于实施。

(3)具有调速机构

采用调速杆配合电位器能实现调速，另外，还通过变频器驱动电机的转速，易于实施。

(四)打磨装置及打磨控制模块具有以下特点：

(1)能灵活切换磨头，效率高

通过旋转平台的旋转，加之红外对射管的对准，可以灵活切换磨头，相比人工更换磨头，效率更高。

(2)采用红外对射管实现磨头与工件的对齐。

准确性高，其电路简单控制，易于实施。且主电机采用步进电机，易于准确控制电机的启停。

(3)结构紧凑，占用空间小

本实用新型的打磨装置，采用旋转平台安装多个磨头，结构紧凑。

综上所述，这种金属件加工控制系统功能丰富，且每个具体装置结构紧凑，精度高，适合推广实施。

附图说明

图1为金属件加工控制系统的总体结构示意图；

图2为金属件铸造装置的结构示意图；

图3为铸造装置的电原理框图；

图4为放大电路原理图。

图5为切割装置结构示意图；

图6为双钢丝平移协同机构的结构示意图；

图7为切割装置电原理框图；

图8为焊接装置的结构示意图；

图9为焊接装置的电原理框图；

图10为调速杆-电位器检测电路原理图。

图11金属零件的打磨装置的控制框图；

图12为金属零件的打磨装置的总体结构图；

图13为旋转平台上磨头分布示意图；

图14为磨头驱动电机与mcu的连接关系示意图。

标号说明：1-横向导轨，2-横向滑槽，3-横向滑轮，4-接线柱，5-纵向滑台，6-纵向导轨，7-激光切割头，8-横向滑台，9-第一钢丝绳，10-第二钢丝绳，11-左滑轮，12-右滑轮，13-固定柱，14-拉线，15-定滑轮，16-机台。

21-底座，22-转轴，23-模腔，24-冷却水管，25-铸模，26-导热层，27-流道，28-坩埚，29-电控推杆。

31-第一磨头,32-第二磨头,33-第三磨头,34-第四磨头,35-主电机,36-发射管,37-旋转平台,38-工件，39-接收管。

41-底座，42-支柱，43-横杆，44-升降机构，45-喷嘴，46-转轴，47-旋转平台，48-主动齿轮，49-旋转驱动电机，50-横向平移平台，51-调速杆，52-触摸显示屏。

具体实施方式

以下将结合附图和具体实施例对本实用新型做进一步详细说明：

实施例1：一种金属件加工控制系统，包括监控中心和4个现场控制模块；

监控中心作为上位机；

4个现场控制模块分别为铸造控制模块、切割控制模块、焊接控制模块以及打磨控制模块；监控中心、铸造控制模块、切割控制模块、焊接控制模块以及打磨控制模块通过can总线通信连接；每一个现场控制模块的mcu都是与其他部分的mcu独立的。

控制系统对应的零件加工系统包括监控中心、铸造装置、切割装置、焊接装置以及打磨装置；监控中心、铸造装置、切割装置、焊接装置以及打磨装置通过can总线通信连接；通过can纵线，铸造装置、切割装置、焊接装置以及打磨装置的状态数据以及视频信号都汇总到监控中心，由监控终端在上传到云服务器进行保存备份。

以下对各具体装置说明如下：

(一)铸造装置

结构：

如图2-4，一种金属零件铸造装置，包括底座21、电控推杆29、坩埚28和铸模26；

转轴的中间段插装在底座的第一端(右端)，且转轴的中间段固定在底座的第一端，转轴的两端插装在2个轴承上；轴承设置在轴承座中；轴承和轴承座为现有成熟部件，图中未示出；

电动推杆设置在底座的第二端(左端)的下方，在电控推杆的驱动下，底座能绕转轴的轴线旋转；

铸模和坩埚均固定在底座上；

铸模上设有模腔23和与模腔连通的流道27；

模腔和流道的周围设置有冷却水管24，冷却水管位于模腔中，冷却水管通过液泵与冷却水容器相连；液泵和冷却水容器在图中未示出。

电控推杆为液压推杆或电动推杆。

铸模内设有作为内层的导热层和作为外层的保温层；导热层环绕模腔和流道设置；冷却水管设置在导热层内。

底座上设有角度传感器，转轴上设有码盘。

坩埚和铸模内设有温度传感器，温度传感器、角度传感器和码盘均与mcu相连，电动推杆受控于mcu。

工作过程说明：

底座水平时，为准备状态，或者说是复位状态；底座顺时针旋转时，开始浇筑，坩埚中的熔液通过流道进入模腔；浇注完成后，再逆时针旋转复位。

mcu通过控制电控推杆驱动底座旋转；

通过码盘和角度传感器双重检测旋转角度，达到预设角度，即停止电控推杆的升降；位移检测属于辅助检测，用于检测电控推杆的顶杆的位置。

浇注完成后，需要冷却时，才开启冷却水循环，通温度传感器监控坩埚内熔液的温度以及铸模内部的温度。

保温层用于在浇注是防止热量流失，保障熔液的温度均一性；而导热层用于需要冷却时，将热量迅速通过冷却水换热导出，起到加速冷却的目的。

具体控制过程为现有成熟技术。

控制系统：

如图3，铸造控制模块，包括mcu与位移传感器、码盘、温度传感器、继电器和触摸显示屏；

位移传感器、码盘、温度传感器、阀门和触摸显示屏均与mcu相连；

码盘安装于转轴上；转轴固定在底座的第一端底部；

位移传感器设置在电动推杆处，用于检测电动推杆升降的位移量；电动推杆用于驱动底座第二端升降；

温度传感器设置在坩埚和铸模内；

继电器用于控制电控推杆动作；

触摸显示屏作为人机接口设备。

底座上还是设有角度传感器，角度传感器与mcu相连。

mcu还连接有通信模块。

通信模块为wifi模块、3g、4g或5g通信模块。

mcu采用单片机或dsp。

(3)放大电路：

由于温度传感器输出的信号vin可能较为微弱，因此，设计了可调放大倍数的放大器；具体电路连接及工作原理如下：

如图4，vin信号端经电阻r0的接运算放大器lm393的反相输入端，运算放大器lm393的同向输入端经电阻r0接地，运算放大器lm393的同向输入端还分别经4个电阻r01-r04接4选一选择器的4个输入通道，4选一选择器的输出通道接运算放大器lm393的输出端vout，vout接mcu的adc端；

另外mcu的2个输出端口分别接4选一选择器的通道选端a和b；

vout与vin的计算公式：

vout＝vin*(rx+r0)/r0；其中，rx＝r01，r02，r03或r04；基于选通端ab来确定选择哪一个电阻；且r01，r02，r03和r04各不相同；优选的r04＝5*r03＝25*r02＝100*r01；r01＝5*r0.可以方便地实现量程和精度切换。

(二)切割装置：

如图5-6，一种金属零件的切割装置，包括机台16、横向导轨1、横向滑台8、纵向导轨6、纵向滑台5和激光切割头7；

所述的横向导轨为2条，均固定在机台上，2条横向导轨相互平行且均沿x向布置；横向导轨上设有横向滑槽2；横向滑台的底部设有4个横向滑轮3；横向滑轮置于所述的横向滑槽中，便于横向滑台能沿横向导轨在x方向滑动；

纵向滑轨为2条，均固定在横向滑台上，2条纵向导轨相互平行且均沿y向布置；2条纵向导轨上均设有凹槽；纵向滑台的底部设有2个滑轮：左滑轮11和右滑轮12，左滑轮和右滑轮分别设置在两条凹槽中，使得纵向滑台能沿纵向导轨在y方向滑动；

激光切割头固定在纵向滑台上；

金属零件的切割装置还包括用于驱动横向滑台平移的x向驱动机构和用于驱动纵向滑台的y向驱动机构；如丝杠驱动机构等，为现有技术。

纵向滑台上设有双钢丝平移协同机构；

双钢丝平移协同机构包括第一钢丝绳9和第二钢丝绳10；

第一钢丝绳9的两端分别固定在纵向滑台的右上端和左下端的接线柱4上，且第一钢丝绳的中间部分以z字形方式绕经左滑轮和右滑轮；

第二钢丝绳10的两端分别固定在纵向滑台的左上端和右下端的接线柱4上，且第二钢丝绳的中间部分以z字形方式绕经左滑轮和右滑轮。

左滑轮和右滑轮均为双凹槽滑轮，2个凹槽分别绕装2条钢丝。

左滑轮和右滑轮上均设有码盘。

金属零件的切割装置还包括用于检测横向滑台位移量的拉线式位移检测机构。

拉线式位移检测机构包括拉线14和定滑轮15；定滑轮安装在机台上，定滑轮上设有用于张紧拉线的扭簧；拉线的一端绕装在定滑轮上，拉线的另一端即自由端固定在横向滑台上；定滑轮上设有码盘。

横向导轨和纵向导轨上设有限位开关(即行程开关)。

如图7，一种金属零件的切割装置对应的切割控制模块，包括mcu、限位开关、驱动模块、码盘、位移传感模块、控制按钮、显示屏和继电器；码盘用于检测纵向滑块的位移量；位移传感模块用于检测横向滑块的位移量；

限位开关、驱动模块、码盘、位移传感模块、控制按钮、显示屏和继电器均与mcu相连；

位移传感模块采用磁感应位移传感器；磁感应位移传感器的输出端通过放大电路与mcu相连；

驱动模块包括变频器和电机，变频器与电机的供电端相连；用于驱动精细切割设备的横向滑台和纵向滑台在x向和y向滑动；

继电器的常开开关设置在电机的供电电路中；继电器的线圈受控于mcu的io端口；

(三)焊接装置：

结构：

如图8，一种金属零件的焊接装置，其特征在于，包括底座1、横向平移平台50、旋转平台47、调速机构和熔液输出机构；

横向平移平台设置在底座的导轨上，横向平移平台由平移驱动电机通过滚珠丝杆驱动；

导轨未示出，平移驱动电机以及滚珠丝杆驱动横向平移平台为现有成熟技术，图中未示出。

旋转平台上设有转轴46，转轴与底座垂直；转轴插装在横向平移平台上的轴承中；

横向平移平台上还设有旋转驱动电机49，旋转驱动电机的输出轴上设置有主动齿轮48，旋转平台具有与所述主动齿轮啮合的外齿轮；旋转驱动电机能驱动旋转平台旋转；

调速机构包括设置在底座上的调速杆51；

熔液输出机构包括支柱42、横杆43和用于输出熔液的喷嘴45；横杆固定在支柱的顶端，喷嘴设置在横杆的端部。

具体的，坩埚中设有熔液，控制坩埚倾斜可以输出熔液，坩埚复位则停止输出熔液，具体为现有技术。

立柱上设有触摸显示屏52。

喷嘴通过升降机构44与横杆相连。

升降机构为由液压缸驱动的升降平台。

平移驱动电机由变频器驱动。

控制系统：

如图9-10，一种金属零件的焊接装置对应的焊接控制模块，包括mcu、角度传感器、横向位移传感器、纵向位移传感器、电位器、第一变频器、第二变频器和液压阀；

角度传感器、横向位移传感器、纵向位移传感器、电位器、第一变频器、第二变频器和液压阀均与mcu相连；

角度传感器用于检测旋转平台的旋转角度；

横向位移传感器用于检测横向平移平台的位移量；

纵向位移传感器用于检测液压缸的伸长量；

电位器用于检测操纵杆的旋转角度；

第一变频器用于驱动旋转驱动电机；

第二变频器用于驱动平移驱动电机；

液压阀用于控制液压缸的动作。具体驱动过程为现有技术。

角度传感器采用码盘，也可以采用陀螺仪。

横向位移传感器通过可调放大倍数的放大器与mcu相连。

操纵杆与电位器连接；电位器跨接在直流电源正极vcc与地之间，电位器的输出端依次经过运算放大器和adc器件(即模\数转换器，用于将模拟信号转换为数字信号)与mcu相连；

mcu的第一脉冲输出端与第一变频器的控制端相连；

mcu的第二脉冲输出端与第二变频器的控制端相连。

横向平移平台设置在底座的导轨上，横向平移平台由平移驱动电机通过滚珠丝杆驱动；

旋转平台上设有转轴46，转轴与底座垂直；转轴插装在横向平移平台上的轴承中；

横向平移平台上还设有旋转驱动电机49，旋转驱动电机的输出轴上设置有主动齿轮48，旋转平台具有与所述主动齿轮啮合的外齿轮；旋转驱动电机能驱动旋转平台旋转；

调速杆51设置在底座上，调速杆与电位器相连；推动调速杆，即可旋转电位器，从而改变电位器的输出电阻，为现有技术。电位器输出电压越大，则控制横向平移模块的平移越快，实现速度控制。

熔液输出机构包括支柱42、横杆43和用于输出熔液的喷嘴45；横杆固定在支柱的顶端，喷嘴设置在横杆的端部，喷嘴通过升降机构44与横杆相连。

(四)打磨装置：

如图12-14，一种金属零件的打磨装置，包括主电机35和旋转平台37，旋转平台设置在主电机的转轴下端，旋转平台与转轴下端相连且联动；旋转平台上设置有n个磨头和用于驱动每个磨头的磨头驱动电机；磨头为径向设置；n为大于2的整数；

还包括位置检测模块，位置检测模块包括旋转平台上设置的n个接收管，以及在主电机的定子上设置的发射管36；n个接收管与n个磨头位置一一对应；接收管和发射管安装高度相同，使得某一个接收管与发射管对齐时，接收管能收到发射管发出的光信号；

n个驱动电机以及主电机均受控于mcu，位置检测模块与mcu相连。接收管和发射管可以是红外接收管和发射管，也可以是可见光的接收管和发射管。

n为4，4个磨头相对于旋转平台周向等分布置。

mcu为单片机、dsp或arm处理器。

主电机为步进电机。

mcu连接有通信模块。

mcu还连接有温度检测电路；

温度传感器与放大电路相连；

温度传感器用于检测工作环境温度。

另外，对控制电路说明如下：

如图11，金属零件的表面加工设备对应的打磨控制模块，包括mcu、红外发射管、4个红外接收管、主电机、4个磨头驱动电机和4个继电器；

红外发射管由单独的电源供电；4个红外接收管均与mcu的io端口相连，mcu通过驱动电路与4个继电器的线圈相连；4个继电器的常开触点对应串接在4个磨头驱动电机的供电电路中，从而mcu能独立驱动每一个磨头旋转；具体继电器的驱动电路以及继电器的常开触点控制电机的电路为现有成熟技术；

主电机为步进电机，mcu的脉冲信号输出端与主电机的控制端相连；

mcu还连接有启停开关和触摸显示屏。启停开关包括分启动开关和停止开关，用于启动和停机，这两个开关为常用的按钮开关。

具体继电器的驱动电路以及继电器的常开触点控制电机的电路为现有成熟技术，mcu驱动步进电机为现有成熟技术。

mcu还连接有通信模块；通信模块为蓝牙模块或5g模块。这样可以通过远程终端或遥控器控制磨头动作。mcu还连接有摄像头，实现现场的监控。

旋转平台设置在主电机的转轴下端；4个磨头设置在旋转平台上，且周向等分布置；磨头为径向朝外设置；

4个红外接收管的设置位置与4个磨头的位置一一对应；4个红外接收管均设置在旋转平台上；红外接收管设置在主电机的定子上，红外接收管和红外发射管安装高度相同，使得某一个红外接收管与红外发射管对齐时，红外接收管能收到红外发射管发出的信号。

主电机的轴线与旋转平台的轴线重合，且主电机的轴向为竖直方向；磨头的轴线与主电机的轴线垂直。