中频淬火过程的微机控制系统

作者：信息来源:模具 2008-6-26

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摘要：采用MCS-8031单片机附多路数字系统，解决了中频淬火机床对工艺参数的实时控制与监测问题。介绍了中频淬火工艺参数微机控制的基本原理。关键词：中频淬火、实时控制、微机系统中图分类号：TG156。 compu ter system1引言以往中频淬火零件是通过人工来控制工艺参数的...

摘　要：采用MCS-8031单片机附多路数字系统，解决了中频淬火机床对工艺

数的实时控制与监测问题。介绍了中频淬火工艺参数微机控制的基本原理。
　　关键词：　中频淬火、实时控制、微机系统
　　中图分类号：TG156.33　　　文献标识码：A　　　文章编号：1001-3 814(2000)03-0047-03

Computer Control System of the Procedure of Mid -Frequency Quencher

GUO Zu-pei, LIU Chen
（WuHan Univers ity of the Moter）

　　Abstract： The paper discusses the real-time detection and the control of technological parameters for mid-frequency quencher by using a monol ithic microcomputer MCS-8031 and presents the elementary principles of computer control.
　　Key words：mid-frequency quencher; real-time control; compu ter system

1　引言

　　以往中频淬火零件通过工来控制工艺参数的，很难保证产品质量。如轴类零件采用连续加热时，是通过人工控制工件与感应圈的相对位移速度来控制淬火温度，通过人工控制冷却介质的压力和喷射时间来控制冷却速度，难以保证轴类零件表面淬火温度和冷却速度始终不变，造成淬火后出现软带和软点、变形甚至产生裂纹。如果对中频淬火工艺参数采用微机实时控制，可迅速监测和修改生产过程中的各工艺参数，使处理零件的金相组织和性能处于最佳状态。
　　为适应生产需要，我们应用MCS-8031单片机附加A/D、D/A和数字显示通道等硬件，设计了一种价格低、可靠性强的中频淬火工艺参数监测与控制系统，它可兼有数只仪表的作用，又符合计算机控制分散的原则。控制参数都集中在一块面板上显示，操作方便。

2　主要工艺技术特征

　　中频淬火机床监测和控制系统具有双重中断和程序控制淬火温度、位移速度和冷却介质压力的功能。①温度控制精度为1级；②依不同的材质和技术要求输入工件的淬火温度、加热时间、位移速度、冷却介质压力等参数；③当加热温度和加热时间已达到规定指标时，启动控制工件位移和冷却介质压力的阀；④加热温度未达到指标，可延加热时间，直到满足要求为止；⑤控制工件位移速度和冷却介质压力的精度为0.2级。

3　工作原理

　　图1是中频感应加热装置的电路原理图。它由中频发电机主回路、晶闸管自动调压电路和过电流保护电路三部分组成。Ⅰ为发电机的主回路，主要由电机BP(D)、中频发电机BP(F)、淬火变压器B₁、电容器C和感应圈L等组成。其中LR是中频发电机的励磁绕组，YH为电压互感器，LH为电流互感器。Ⅱ为晶闸管的自动调压电路，由整流主回路和移相触发电路两部分组成。Ⅲ为中频过电流保护电路，由整流桥路、稳压管和晶体管T₄组成。

图1　中频感应加热装置电路原理图

　　图2是中频淬火控制系统原理图，主要由微机、键盘与显示屏、过程量通道I/O、电源几部分组成。
　　单片机选用MCS-8031，扩展内存容量为2K 6161RAM和2片4K 2732EPROM，这8K EPROM有一部用来存放监控程序，剩下供用户扩展用。I/O接口包括一片MCS-8255(PA口和PB口为输出工作方式，PC口为输入方式)、4片74LS237和1片74LS244(用作显示屏和键盘接口)、2片CTC(中断定时用)、2片译码器74LS138、系统时钟和复位电路等。
　　键盘与显示器是人机联系的接口，键盘由10个数字键和7个命令键组成，供操作者输入命令和参数。显示屏由13片LEDt段显示器和5个LED灯组成。13片显示器分为：上排7片，用于显示温度和时间；下排6片，用于显示工件的位移速度和冷却介质的压力。5个LED灯用来指示启动、加温、位移、冷却和结束信号。7个命令键中有3个分别用于①选择用户固化在EPROM 中的程序调入RAM；②选择淬火温度； ③选择加热时间。另4个键分别为自动、手动、启动和停止键。

图2　中频淬火控制系统原理图

　　过程量通道I/O包括模拟量输入，执行信号和开关量的输出。温度监测是通过以下过程来完成的：从被加热工件辐射出来的光，经过WDL-2型光电温度计进行光电耦合，产生一个电信号；再经过前置放大器、滤波器、多路开关、A/D转换器至CPU进行数字处理、标度变换，然后输出并显示；最后由D/A转换器、多路开关、驱动器，送入图1中R_d、C_d端，通过控制可控硅的导通角来改变励磁绕组的电流。当发电机的端电压突然增高时，工件内涡流增加，导致淬火温度升高，辐射的光通量增加，辐射光经过WDL-2光电温度计，产生一个Δu_s信号，经放大、滤波等，使101端的输出电压升高，C_d充电，其结果使T₁的基极电流瞬时减小，从而抑制了端电压的增高；温度下降时，101端的输出电压降低，C_d放电，从而抑制了端电压的降低。
　　为了节约机时，A/D转换器采用中断方式，这样系统的CPU和A/D转换器并行工作，提高了效率。工件位移速度的控制，用ZQ-Y型压力传感器(精度等级为0.2)，通过工件位移子程序，用输出量来控制伺服机构，达到控制工件位移速度的目的。冷却速度的控制，用ZQ-Y型压力传感器将冷却介质的压力信号，传递到计算机内，再通过压力子程序来控制冷却速度。

4　数学模型及控制算法

　　根据文献^［1］理论分析，工件件感应加热温度-时间曲线如图3所示，可近似认为是一阶惯性环节和滞后环节相串联。，其过程对象传递函数^［2］为：

图3　工件感应加热温

　　我们把图2中的D/A转换器化归零阶保持器内，其传递函数为(1-e^-T₁^s)/ s，则整个对象加上零阶保持器的广义传递函数为：度与时间曲线

G(S)=(1-e^-T₁s)/s×［K_p/(1+TS)］．e^-τs(2)

式中：T₁为采样周期。
　　针对过程对象特征，采用了直接数字控制系统(DDC)的控制方式，即离散化的PID闭环调节，(图4)所示。闭环系统中的微机输出经D/A转换后去驱动执行机构，使对象的各个被控参数保持在给定值范围内变化。

图4　淬火温度系统原理方块图

　　由于DDC系统是一种时间离散控制系统，其离散控制系统的基本算法近似以PID算法为主，离散控制系统的PID式^［2］为

　(3)

式中：T1为采样周期；e(n-1)为第n-1次采样的偏差值；P(n)为第n次采样时计算机输出；n为采样序号，n=1,2,… …；e(n)为第n次采样的偏差值；T_Ⅰ为积分时间常数；T_D为微分时间常数。
　　相应的增量式PID等式为：

ΔP(n)=K_p［e(n)-e(n-1)］+K_Ⅰe(n)+
K_D［e( n)-2e(n-1)+e(n-2)］　　　(4)

式中：K_Ⅰ=K_p．T₁/T_Ⅰ积分系数；K_D=K_p．T_D/T₁微分系数。
　　设：P_p(n)=K_p［e(n)］，　　P_Ⅰ(n)=K_Ⅰ［e(n)］，
　　　　P_D(n)=K_D［e(n)-2e(n-1)+e(n-2)］
　　则：ΔP(n)=P_p(n)+P_Ⅰ(n)+P_D(n)
　　在PID调节控制系统中，采用开启和停止时，由于积分项的作用，将会产生一个很大的超调量，使系统不稳定。在计算机控制系统中，控制量开始跟踪时，当e(n)=｜Y(t)-X(R)｜＞A(A为给定的最大允许偏差值)，取消积分作用，则为PD控制。e(n)=｜Y(t)-X(R)｜ ≤A，则为PID控制。