等离子弧淬火单片机控制系统的研究

2011-04-21于光平杨静山

东北电力技术 2011年1期

于光平,刘冰,杨静山

（沈阳工业大学,辽宁沈阳 110870）

等离子弧淬火是应用等离子弧作为热源,对金属零件进行表面热处理的一种新型的表面强化技术。等离子淬火装置体积小,工件在等离子弧表面淬火前几乎不需进行其他预处理工序。与激光热处理相比较,激光器效率较低,不超过15%,而设计良好的等离子弧淬火设备的热效率可达80%以上。

等离子表面淬火技术可显著提高产品的质量和性能已被国内外实践所证实,但我国目前等离子表面淬火控制机理和控制过程的研究以及控制设备的可靠性研制还未达到国外先进水平,对等离子表面淬火的质量控制不完善,等离子弧淬火设备可靠性不能满足工业生产要求,尤其是在起弧和熄弧阶段,淬火设备在特殊干扰下或失控时,会造成淬火工件局部烧蚀,致使对大型工件淬火时造成重大损失。因此,设计具有自动过程控制功能、保护功能的等离子弧淬火控制系统,使淬火过程实现过程和保护的自动控制,保证淬火质量稳定可靠,经济效益可观,具有实际工业应用价值。

根据国内外等离子淬火设备的发展现状,本文设计了以单片机为控制核心的等离子弧淬火控制系统,以实现对淬火电流等参数的稳定调节,为等离子弧淬火技术在工业中的进一步推广和应用创造条件。

1 离子弧淬火工作原理及工作过程

等离子弧表面淬火,是应用等离子束将金属材料表面加热到相变温度点以上,利用材料自身的冷却,奥氏体转变成马氏体,在表面形成由超细化马氏体组成的硬化带,具有比常规淬火更高的表面硬度和强化效应。同时硬化层内残留有相当大的压应力,从而增加了表面的疲劳强度。利用这一特点对零件表面实施等离子淬火,可提高材料的耐磨性和抗疲劳性能。由于等离子表面淬火速度快,进入工件内部的热量少,热畸变小（畸变量为高频淬火的1/3～1/10）,因此,可以减少后道工序（矫正或磨制）的工作量,降低工件的制造成本。另外该工艺为自冷却方式,工件在等离子弧表面淬火前几乎不需进行其他预处理工序,是一种清洁卫生的热处理方法。

一般等离子弧淬火的整个过程可以分为起弧、大弧工作、熄弧3个过程,其中起弧电流约为40～50 A,大弧工作时的电流根据工件不同在70～100 A,如图1所示。

起弧阶段被淬火工件不接入电路,是在喷嘴和钨极之间构成闭合回路,并且将一水电阻串入电路中来限制淬火工作电流;当引弧结束后,通过S1、S2的开关切断引弧电路,将工件切入电路中,开始工件的实际淬火阶段。工作电流通过一个特制的0.75mΩ的精密采样电阻采样电流信号,经放大后显示电流。淬火工作电路如图2所示。

2 单片机控制系统工作原理及组成

实践中发现一般等离子淬火设备工作电流的变化过程中有2个时间段存在弊端：一是设备由引弧向大弧转换过程中,当水电阻切换掉而淬火工件切入时刻,由于瞬间电压过高,电流变化速率过快导致电流过大,致使淬火工件出现局部烧蚀点,使工件出现质量问题或喷嘴烧蚀;二是在熄弧瞬间也可出现上述情况,这对大型工件进行淬火时损失重大。

设计的等离子弧淬火单片机控制系统的控制过程如图3所示。

在控制过程的转弧阶段和熄弧阶段,通过CPU控制D/A转换器按一定梯度逐步实现转换过程,可避免上述弊病的发生,实现淬火过程的自动化控制。

等离子弧淬火单片机控制系统电路原理框图如图4所示。系统的控制核心由单片机构成,淬火电流、转换过程的转换速率等控制参数由操作者在淬火前通过键盘输入,CPU通过D/A变换器发出控制基准电平控制淬火开关电源的淬火电流,并通过A/D变换器采集负载上的实际淬火电流,与理想淬火电流比对误差进行修正。实际上系统中淬火电流的控制是通过双反馈环节实现：一为高速反馈控制环节（硬件电路快速反馈修正和快速保护控制环节,保证工件在CPU指定的控制基准电流下淬火和保证系统在特殊干扰下或失控时工件得到快速保护而不被烧蚀）此环节为D/A输出→淬火开关电源→负载→取样电阻取样→放大滤波→开关电源;二为低速总体趋势控制环节（计算机数据采集、预测、修正控制基准,进行总体质量智能调控）,此环节为单片机发出控制参数→D/A输出→淬火开关电源→负载→取样电阻取样→放大滤波→A/D采集数据→单片机修正控制参数。通过双重反馈控制环节,实现淬火质量一致性和淬火过程智能化控制,提高产品质量。

图4 控制系统原理框图

控制系统还具有控制各执行机构按序工作、系统水冷控制、水冷欠压保护等辅助功能。辅助功能的执行是通过单片机控制各开关量实现的,并均采用光电隔离来完成,防止强电执行机构对系统影响。

单片机选用普通的AT89S52,成本低;选用可编程I/O口扩展芯片扩展系统的I/O口;采样电路选用带有自校正功能的∑-Δ串行A/D转换器AD7705,分辨率为16位,双通道全差分模拟输入,增益可调,其内部含有一个低通数字滤波器,由于淬火开关电源是在高频（50～100 kHz）、大电流下（可达100 A以上）工作,可通过设置A/D7705数字滤波器的陷波频率使其对开关电源的强大电磁干扰进行陷波,在等离子弧淬火控制系统中使用尤其适宜;基准输出电路采用10位串行D/ A变换器TLC5615;显示电路采用128×64液晶模块,可显示汉字和图形。

按照等离子弧淬火的实际工艺过程,淬火控制系统完成如图5所示控制顺序功能,并实时检测修正淬火电流等控制参数及辅助功能的状态。

图5 淬火工艺动作程序

3 控制系统软件设计

图6给出了系统主要控制部分的流程图。初始化子程序对整个系统进行初始化,包括可编程I/O口扩展芯片初始化、各机械部分复位、液晶的自检、A/D7705的初始化等。键盘输入参数采用中断方式来实现,并且在液晶显示屏上显示设置。D/A变换将控制参数要求设定的基准电流值输出到等离子淬火开关电源调节部分作为控制基准, PWM调节开关电源。在起弧、引弧以及大弧工作阶段均用A/D变换器采集淬火负载上的实际工作电流,与要求的电流比较后修正控制参数,从而调整控制基准,使实际工作电流与理想工作电流误差尽可能小,达到稳定控制淬火质量的目的。

4 现场调试

在完成控制系统硬件设计、调试及软件编程后,进行了软、硬件现场实际运行调试。

等离子弧淬火设备控制系统应用到实际淬火中,将会遇到强电磁干扰使系统不能稳定工作,甚至失控,导致淬火失败烧蚀淬火工件。在试验中将淬火开关电源的地线与控制系统地线用1m导线连接,将导线弯曲成U形,测量空间电磁干扰强度。在导线两端测得干扰波形如图7所示,尖峰干扰电压峰值接近8 V,主要为100 A、50～100 kHz的高频大功率开关电源产生的电磁干扰,试验中试用几个未经过特殊处理的单片机系统,在系统起弧后均立即出现失控或烧毁部分器件。

经过分析和现场试验,采取以下措施提高系统的抗干扰能力：控制系统屏蔽良好;控制系统电源采用不同磁导率的铁氧体磁环,采用不同参数,构成4级滤波;控制系统各集成芯片电源供给串接磁珠或磁环与电容再次进行滤波;A/D输入端增加滤波;D/A变换器安装在淬火开关电源硬件控制环节旁,单片机与D/A间的串行通信采用光电隔离等措施。采取上述措施后,控制系统在强电磁干扰下稳定工作,整个系统工作正常,基本达到了设计要求。