等離子弧淬火單片機控制系統(tǒng)的研究

于光平,劉 冰,楊靜山

（沈陽工業(yè)大學,遼寧 沈陽 110870）

等離子弧淬火是應用等離子弧作為熱源,對金屬零件進行表面熱處理的一種新型的表面強化技術(shù)。等離子淬火裝置體積小,工件在等離子弧表面淬火前幾乎不需進行其他預處理工序。與激光熱處理相比較,激光器效率較低,不超過15%,而設(shè)計良好的等離子弧淬火設(shè)備的熱效率可達80%以上。

等離子表面淬火技術(shù)可顯著提高產(chǎn)品的質(zhì)量和性能已被國內(nèi)外實踐所證實,但我國目前等離子表面淬火控制機理和控制過程的研究以及控制設(shè)備的可靠性研制還未達到國外先進水平,對等離子表面淬火的質(zhì)量控制不完善,等離子弧淬火設(shè)備可靠性不能滿足工業(yè)生產(chǎn)要求,尤其是在起弧和熄弧階段,淬火設(shè)備在特殊干擾下或失控時,會造成淬火工件局部燒蝕,致使對大型工件淬火時造成重大損失。因此,設(shè)計具有自動過程控制功能、保護功能的等離子弧淬火控制系統(tǒng),使淬火過程實現(xiàn)過程和保護的自動控制,保證淬火質(zhì)量穩(wěn)定可靠,經(jīng)濟效益可觀,具有實際工業(yè)應用價值。

根據(jù)國內(nèi)外等離子淬火設(shè)備的發(fā)展現(xiàn)狀,本文設(shè)計了以單片機為控制核心的等離子弧淬火控制系統(tǒng),以實現(xiàn)對淬火電流等參數(shù)的穩(wěn)定調(diào)節(jié),為等離子弧淬火技術(shù)在工業(yè)中的進一步推廣和應用創(chuàng)造條件。

1 離子弧淬火工作原理及工作過程

等離子弧表面淬火,是應用等離子束將金屬材料表面加熱到相變溫度點以上,利用材料自身的冷卻,奧氏體轉(zhuǎn)變成馬氏體,在表面形成由超細化馬氏體組成的硬化帶,具有比常規(guī)淬火更高的表面硬度和強化效應。同時硬化層內(nèi)殘留有相當大的壓應力,從而增加了表面的疲勞強度。利用這一特點對零件表面實施等離子淬火,可提高材料的耐磨性和抗疲勞性能。由于等離子表面淬火速度快,進入工件內(nèi)部的熱量少,熱畸變小（畸變量為高頻淬火的1/3～1/10）,因此,可以減少后道工序（矯正或磨制）的工作量,降低工件的制造成本。另外該工藝為自冷卻方式,工件在等離子弧表面淬火前幾乎不需進行其他預處理工序,是一種清潔衛(wèi)生的熱處理方法。

一般等離子弧淬火的整個過程可以分為起弧、大弧工作、熄弧3個過程,其中起弧電流約為40～50 A,大弧工作時的電流根據(jù)工件不同在70～100 A,如圖1所示。

起弧階段被淬火工件不接入電路,是在噴嘴和鎢極之間構(gòu)成閉合回路,并且將一水電阻串入電路中來限制淬火工作電流;當引弧結(jié)束后,通過S1、S2的開關(guān)切斷引弧電路,將工件切入電路中,開始工件的實際淬火階段。工作電流通過一個特制的0.75mΩ的精密采樣電阻采樣電流信號,經(jīng)放大后顯示電流。淬火工作電路如圖2所示。

2 單片機控制系統(tǒng)工作原理及組成

實踐中發(fā)現(xiàn)一般等離子淬火設(shè)備工作電流的變化過程中有2個時間段存在弊端：一是設(shè)備由引弧向大弧轉(zhuǎn)換過程中,當水電阻切換掉而淬火工件切入時刻,由于瞬間電壓過高,電流變化速率過快導致電流過大,致使淬火工件出現(xiàn)局部燒蝕點,使工件出現(xiàn)質(zhì)量問題或噴嘴燒蝕;二是在熄弧瞬間也可出現(xiàn)上述情況,這對大型工件進行淬火時損失重大。

設(shè)計的等離子弧淬火單片機控制系統(tǒng)的控制過程如圖3所示。

在控制過程的轉(zhuǎn)弧階段和熄弧階段,通過CPU控制D/A轉(zhuǎn)換器按一定梯度逐步實現(xiàn)轉(zhuǎn)換過程,可避免上述弊病的發(fā)生,實現(xiàn)淬火過程的自動化控制。

等離子弧淬火單片機控制系統(tǒng)電路原理框圖如圖4所示。系統(tǒng)的控制核心由單片機構(gòu)成,淬火電流、轉(zhuǎn)換過程的轉(zhuǎn)換速率等控制參數(shù)由操作者在淬火前通過鍵盤輸入,CPU通過D/A變換器發(fā)出控制基準電平控制淬火開關(guān)電源的淬火電流,并通過A/D變換器采集負載上的實際淬火電流,與理想淬火電流比對誤差進行修正。實際上系統(tǒng)中淬火電流的控制是通過雙反饋環(huán)節(jié)實現(xiàn)：一為高速反饋控制環(huán)節(jié)（硬件電路快速反饋修正和快速保護控制環(huán)節(jié),保證工件在CPU指定的控制基準電流下淬火和保證系統(tǒng)在特殊干擾下或失控時工件得到快速保護而不被燒蝕）此環(huán)節(jié)為D/A輸出→淬火開關(guān)電源→負載→取樣電阻取樣→放大濾波→開關(guān)電源;二為低速總體趨勢控制環(huán)節(jié)（計算機數(shù)據(jù)采集、預測、修正控制基準,進行總體質(zhì)量智能調(diào)控）,此環(huán)節(jié)為單片機發(fā)出控制參數(shù)→D/A輸出→淬火開關(guān)電源→負載→取樣電阻取樣→放大濾波→A/D采集數(shù)據(jù)→單片機修正控制參數(shù)。通過雙重反饋控制環(huán)節(jié),實現(xiàn)淬火質(zhì)量一致性和淬火過程智能化控制,提高產(chǎn)品質(zhì)量。

圖4 控制系統(tǒng)原理框圖

控制系統(tǒng)還具有控制各執(zhí)行機構(gòu)按序工作、系統(tǒng)水冷控制、水冷欠壓保護等輔助功能。輔助功能的執(zhí)行是通過單片機控制各開關(guān)量實現(xiàn)的,并均采用光電隔離來完成,防止強電執(zhí)行機構(gòu)對系統(tǒng)影響。

單片機選用普通的AT89S52,成本低;選用可編程I/O口擴展芯片擴展系統(tǒng)的I/O口;采樣電路選用帶有自校正功能的∑-Δ串行A/D轉(zhuǎn)換器AD7705,分辨率為16位,雙通道全差分模擬輸入,增益可調(diào),其內(nèi)部含有一個低通數(shù)字濾波器,由于淬火開關(guān)電源是在高頻（50～100 kHz）、大電流下（可達100 A以上）工作,可通過設(shè)置A/D7705數(shù)字濾波器的陷波頻率使其對開關(guān)電源的強大電磁干擾進行陷波,在等離子弧淬火控制系統(tǒng)中使用尤其適宜;基準輸出電路采用10位串行D/ A變換器TLC5615;顯示電路采用128×64液晶模塊,可顯示漢字和圖形。

按照等離子弧淬火的實際工藝過程,淬火控制系統(tǒng)完成如圖5所示控制順序功能,并實時檢測修正淬火電流等控制參數(shù)及輔助功能的狀態(tài)。

圖5 淬火工藝動作程序

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

圖6給出了系統(tǒng)主要控制部分的流程圖。初始化子程序?qū)φ麄€系統(tǒng)進行初始化,包括可編程I/O口擴展芯片初始化、各機械部分復位、液晶的自檢、A/D7705的初始化等。鍵盤輸入?yún)?shù)采用中斷方式來實現(xiàn),并且在液晶顯示屏上顯示設(shè)置。D/A變換將控制參數(shù)要求設(shè)定的基準電流值輸出到等離子淬火開關(guān)電源調(diào)節(jié)部分作為控制基準, PWM調(diào)節(jié)開關(guān)電源。在起弧、引弧以及大弧工作階段均用A/D變換器采集淬火負載上的實際工作電流,與要求的電流比較后修正控制參數(shù),從而調(diào)整控制基準,使實際工作電流與理想工作電流誤差盡可能小,達到穩(wěn)定控制淬火質(zhì)量的目的。

4 現(xiàn)場調(diào)試

在完成控制系統(tǒng)硬件設(shè)計、調(diào)試及軟件編程后,進行了軟、硬件現(xiàn)場實際運行調(diào)試。

等離子弧淬火設(shè)備控制系統(tǒng)應用到實際淬火中,將會遇到強電磁干擾使系統(tǒng)不能穩(wěn)定工作,甚至失控,導致淬火失敗燒蝕淬火工件。在試驗中將淬火開關(guān)電源的地線與控制系統(tǒng)地線用1m導線連接,將導線彎曲成U形,測量空間電磁干擾強度。在導線兩端測得干擾波形如圖7所示,尖峰干擾電壓峰值接近8 V,主要為100 A、50～100 kHz的高頻大功率開關(guān)電源產(chǎn)生的電磁干擾,試驗中試用幾個未經(jīng)過特殊處理的單片機系統(tǒng),在系統(tǒng)起弧后均立即出現(xiàn)失控或燒毀部分器件。

經(jīng)過分析和現(xiàn)場試驗,采取以下措施提高系統(tǒng)的抗干擾能力：控制系統(tǒng)屏蔽良好;控制系統(tǒng)電源采用不同磁導率的鐵氧體磁環(huán),采用不同參數(shù),構(gòu)成4級濾波;控制系統(tǒng)各集成芯片電源供給串接磁珠或磁環(huán)與電容再次進行濾波;A/D輸入端增加濾波;D/A變換器安裝在淬火開關(guān)電源硬件控制環(huán)節(jié)旁,單片機與D/A間的串行通信采用光電隔離等措施。采取上述措施后,控制系統(tǒng)在強電磁干擾下穩(wěn)定工作,整個系統(tǒng)工作正常,基本達到了設(shè)計要求。

5 結(jié)束語

等離子弧淬火單片機控制系統(tǒng)采用雙重反饋環(huán)節(jié)進行控制有利于控制淬火質(zhì)量和完成淬火過程的自動控制,有利于提高產(chǎn)品質(zhì)量,經(jīng)過進一步完善可應用于實際生產(chǎn)中。

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