等離子弧淬火單片機控制系統的研究

于光平,劉 冰,楊靜山

（沈陽工業大學,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。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%,而設計良好的等離子弧淬火設備的熱效率可達80%以上。

等離子表面淬火技術可顯著提高產品的質量和性能已被國內外實踐所證實,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量控制不完善,等離子弧淬火設備可靠性不能滿足工業生產要求,尤其是在起弧和熄弧階段,淬火設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,使淬火過程實現過程和保護的自動控制,保證淬火質量穩定可靠,經濟效益可觀,具有實際工業應用價值。

根據國內外等離子淬火設備的發展現狀,本文設計了以單片機為控制核心的等離子弧淬火控制系統,以實現對淬火電流等參數的穩定調節,為等離子弧淬火技術在工業中的進一步推廣和應用創造條件。

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,具有比常規淬火更高的表面硬度和強化效應。同時硬化層內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;當引弧結束后,通過S1、S2的開關切斷引弧電路,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 單片機控制系統工作原理及組成

實踐中發現一般等離子淬火設備工作電流的變化過程中有2個時間段存在弊端：一是設備由引弧向大弧轉換過程中,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,致使淬火工件出現局部燒蝕點,使工件出現質量問題或噴嘴燒蝕;二是在熄弧瞬間也可出現上述情況,這對大型工件進行淬火時損失重大。

設計的等離子弧淬火單片機控制系統的控制過程如圖3所示。

在控制過程的轉弧階段和熄弧階段,通過CPU控制D/A轉換器按一定梯度逐步實現轉換過程,可避免上述弊病的發生,實現淬火過程的自動化控制。

等離子弧淬火單片機控制系統電路原理框圖如圖4所示。系統的控制核心由單片機構成,淬火電流、轉換過程的轉換速率等控制參數由操作者在淬火前通過鍵盤輸入,CPU通過D/A變換器發出控制基準電平控制淬火開關電源的淬火電流,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。實際上系統中淬火電流的控制是通過雙反饋環節實現：一為高速反饋控制環節（硬件電路快速反饋修正和快速保護控制環節,保證工件在CPU指定的控制基準電流下淬火和保證系統在特殊干擾下或失控時工件得到快速保護而不被燒蝕）此環節為D/A輸出→淬火開關電源→負載→取樣電阻取樣→放大濾波→開關電源;二為低速總體趨勢控制環節（計算機數據采集、預測、修正控制基準,進行總體質量智能調控）,此環節為單片機發出控制參數→D/A輸出→淬火開關電源→負載→取樣電阻取樣→放大濾波→A/D采集數據→單片機修正控制參數。通過雙重反饋控制環節,實現淬火質量一致性和淬火過程智能化控制,提高產品質量。

圖4 控制系統原理框圖

控制系統還具有控制各執行機構按序工作、系統水冷控制、水冷欠壓保護等輔助功能。輔助功能的執行是通過單片機控制各開關量實現的,并均采用光電隔離來完成,防止強電執行機構對系統影響。

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的I/O口;采樣電路選用帶有自校正功能的∑-Δ串行A/D轉換器AD7705,分辨率為16位,雙通道全差分模擬輸入,增益可調,其內部含有一個低通數字濾波器,由于淬火開關電源是在高頻（50～100 kHz）、大電流下（可達100 A以上）工作,可通過設置A/D7705數字濾波器的陷波頻率使其對開關電源的強大電磁干擾進行陷波,在等離子弧淬火控制系統中使用尤其適宜;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及輔助功能的狀態。

圖5 淬火工藝動作程序

3 控制系統軟件設計

圖6給出了系統主要控制部分的流程圖。初始化子程序對整個系統進行初始化,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。鍵盤輸入參數采用中斷方式來實現,并且在液晶顯示屏上顯示設置。D/A變換將控制參數要求設定的基準電流值輸出到等離子淬火開關電源調節部分作為控制基準, PWM調節開關電源。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,從而調整控制基準,使實際工作電流與理想工作電流誤差盡可能小,達到穩定控制淬火質量的目的。

4 現場調試

在完成控制系統硬件設計、調試及軟件編程后,進行了軟、硬件現場實際運行調試。

等離子弧淬火設備控制系統應用到實際淬火中,將會遇到強電磁干擾使系統不能穩定工作,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電源的地線與控制系統地線用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的高頻大功率開關電源產生的電磁干擾,試驗中試用幾個未經過特殊處理的單片機系統,在系統起弧后均立即出現失控或燒毀部分器件。

經過分析和現場試驗,采取以下措施提高系統的抗干擾能力：控制系統屏蔽良好;控制系統電源采用不同磁導率的鐵氧體磁環,采用不同參數,構成4級濾波;控制系統各集成芯片電源供給串接磁珠或磁環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電源硬件控制環節旁,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,控制系統在強電磁干擾下穩定工作,整個系統工作正常,基本達到了設計要求。

5 結束語

等離子弧淬火單片機控制系統采用雙重反饋環節進行控制有利于控制淬火質量和完成淬火過程的自動控制,有利于提高產品質量,經過進一步完善可應用于實際生產中。

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