華中科技大學材料科學與工程學院 王 芳 凌宏江
樹脂砂鑄造在鑄造行業(yè)的出現(xiàn)和使用是從上世紀50年代開始的,到現(xiàn)在已經(jīng)有幾十年的歷史了。樹脂砂鑄造生產(chǎn)工藝和設備的迅速發(fā)展、成熟和完善,使其逐步成為鑄件行業(yè)的重要生產(chǎn)工藝。與傳統(tǒng)的粘土砂生產(chǎn)鑄件相比,用樹脂砂鑄造生產(chǎn)的鑄件表面粗糙度小,尺寸精度高,綜合質(zhì)量好,由于其良好的潰散性自硬特性,獲得了大規(guī)模的推廣,逐步淘汰了傳統(tǒng)的濕型烘模砂。
然而人們發(fā)現(xiàn),樹脂砂的常溫性能和直接影響鑄件的表面質(zhì)量的高溫性能之間幾乎沒有聯(lián)系,因為有機樹脂在金屬液體的作用下會分解、燒蝕,熱強度大幅度下降,而壁內(nèi)溫度較低砂層中較大的熱膨脹應力可能使受熱型(芯)表面開裂,引起脈紋(飛翅)缺陷[1]。所以對樹脂砂高溫性能的評定和改善是提高鑄件質(zhì)量的有效途徑。樹脂砂的熱穩(wěn)定性和抗熱變形性等高溫力學性能是鑄件產(chǎn)生脈紋、毛刺、變形、沖砂、掉砂等缺陷的主要控制因素。在鑄造過程中,采用樹脂砂熱穩(wěn)定性測試儀來測定和控制型(芯)砂的質(zhì)量能夠保證獲得合格的鑄件。
目前我國鑄造用樹脂砂熱穩(wěn)定性測試儀品種少,功能不齊全,測量精度低,可靠性、穩(wěn)定性差,整體水平不及國外工業(yè)發(fā)達國家的測試儀。為此,開發(fā)新型樹脂砂熱穩(wěn)定性測試儀,對促進我國鑄造行業(yè)的發(fā)展具有十分重要的意義。
樹脂砂在一定載荷及溫度下,保持自身強度的持續(xù)時間,是表示樹脂砂抵抗液體金屬熱作用和機械作用的指標[2]。熱穩(wěn)定性高低的指標是時間,以秒為單位,時間越長則表示熱穩(wěn)定性越高。
本試驗采用的樹脂砂材料為自硬呋喃樹脂砂。呋喃樹脂最早作為鑄型用粘結(jié)劑是1958年在美國開始使用的,在我國,自硬呋喃樹脂砂的研究始于七十年代,然而現(xiàn)在鑄造樹脂砂中占首位的仍然是自硬呋喃樹脂砂。自硬呋喃樹脂砂型(芯)強度高(含高溫強度高)、成型性好,發(fā)氣量較其它有機鑄型低、熱穩(wěn)定性好、透氣性好,可以大大減少鑄件的粘砂、夾砂、砂眼、氣孔、縮孔、裂紋等鑄件缺陷,從而降低廢品率,可以制造出用黏土砂難以做出的復雜件、關鍵件[3]。本試驗將自硬呋喃樹脂砂砂型制成直徑為20mm,高度為30mm的標準圓柱形試樣。
將試樣升到爐膛中,夾緊,通過硅碳管加熱爐和熱電偶進行溫度控制(預設溫度1000℃),然后通過伺服電機和壓力傳感器進行壓力控制,保持恒定的壓力(預設壓力0.3MPa)。加壓時開始計時,記錄壓斷過程經(jīng)歷的時間,即為條件熱穩(wěn)定性的結(jié)果。
本款樹脂砂熱穩(wěn)定性測試儀是在硬件的支持下執(zhí)行軟件來進行工作的,整體系統(tǒng)設計是以PC為上位機人機交互模塊,AT89C51F350單片機為下位機測控模塊,硅碳管加熱爐及S型熱電偶作為溫度控制模塊,測力傳感器及伺服電機作為壓力控制模塊,單片機與PC通過串口通信模塊實現(xiàn)控制及數(shù)據(jù)收發(fā)。軟件設計完成了溫度設定和壓力設定設定功能,實時數(shù)據(jù)顯示功能及計時功能。整體結(jié)構(gòu)設計如圖1所示。
圖1 整體結(jié)構(gòu)設計
80C51系列單片機以其易讀性、擴展能力強,應用簡單等優(yōu)點成為單片機選用的首選。但是該系列的單片機運行速度較慢、功耗大、內(nèi)部資源少,因而在適用范圍上受到了一定的限制。C8051F單片機彌補了80C51單片機的這些不足。C8051F系列單片機具有上手快(全兼容8051指令集)、研發(fā)快(開發(fā)工具易用,可縮短研發(fā)周期)和見效快(調(diào)試手段靈活)的特點,能夠滿足絕大部分場合的復雜功能要求,并在嵌入式領域的各個場合都得到了廣泛的應用。
本課題采用C8051F 350作為主控芯片,每種器件都可在工業(yè)溫度范圍內(nèi)用2.7V-3.6V的電壓工作。端口I/O和復位引腳都容許5V的輸入信號電壓,能很好的與采用5V供電系統(tǒng)的器件兼容。內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換分辨率高達24位,ADC0中包含一個可編程增益放大器,有8種增益設置,最大增益可達128倍,并且具有十分豐富的內(nèi)部資源,運行速度快。
加熱溫度設定初始值為1000℃,由于在試驗過程中可能達到1300℃,所以選擇的溫度傳感器為S型熱電偶,即鉑銠10-鉑熱電偶,該熱電偶長期最高使用溫度為1300℃,短期最高使用溫度為1600℃。S型熱電偶在熱電偶系列中具有準確度最高,穩(wěn)定性最好,測溫溫區(qū)寬,使用壽命長等優(yōu)點。溫度測量方案采用S型熱電偶測量爐體溫度,數(shù)字溫度傳感器TMP121測量環(huán)境溫度,以對S型熱電偶做溫度補償。
傳統(tǒng)的電加熱爐以電阻作為加熱元件,其優(yōu)點是控制簡單,但熱效率低、能耗高、控制精度低。近年來出現(xiàn)的以硅碳棒為加熱元件的電加熱爐,具有控制精度高、穩(wěn)定性強、操作簡便等優(yōu)點[4]。硅碳棒屬于碳化硅半導體材料,不同于金屬,其優(yōu)點在于使用溫度高,并具有良好的化學穩(wěn)定性;與自動化供電系統(tǒng)配套,既可以得到精確的恒定溫度,又可以根據(jù)生產(chǎn)工藝的實際需要按曲線自動調(diào)溫,所以選擇硅碳棒加熱爐進行加熱。加熱功能由驅(qū)動電路和硅碳棒加熱爐實現(xiàn)。雙向可控硅是一種功率半導體器件,也稱雙向晶閘管,在單片機控制系統(tǒng)中,可作為功率驅(qū)動器件,由于雙向可控硅沒有反向耐壓問題,控制電路簡單,因此特別適合做交流無觸點開關使用[5]。使用可控硅用來實現(xiàn)對交流電流進行電壓過零開通與關斷,具有控制容量大、無高頻干擾、可靠性高、維護簡單的優(yōu)點。可控硅觸發(fā)方式采用過零觸發(fā)方式,利用單片機控制雙向可控硅的導通角。當電壓過零時,只有可控硅的控制端有電壓才能使可控硅持續(xù)導通。在不同時刻利用單片機給雙向可控硅的控制端發(fā)出觸發(fā)信號,使其導通或關斷,實現(xiàn)負載電壓有效值的不同,以達到控制加熱爐功率的目的。
測力傳感器采用的是上海聚人電子科技有限公司生產(chǎn)的RSS01型拉壓力傳感器,它采用懸臂剪切結(jié)構(gòu),具有測量精度高、防塵好、安裝容易、使用方便等特點。其測量量程為1000kg,供橋電壓規(guī)格是10VDC,靈敏度為2.0mV/V,工作溫度范圍在-30℃~70℃。
伺服電機系統(tǒng)由直流伺服驅(qū)動器和伺服電動缸組成,伺服電機采用的是信捷公司的MS系列伺服電機,伺服驅(qū)動器采用的是配套的DS2-20P7-A型伺服驅(qū)動器,該伺服電機自帶編碼器,負載能力強,集成度高,可靠性高,具有過流,過壓,欠壓和編碼器故障等保護功能,適用于高精度的數(shù)控機床、自動化生產(chǎn)線、機械制造業(yè)等工業(yè)控制自動化領域[6]。伺服電機由編碼器、法蘭、輸出軸(傳動軸)和框架組成輸入電源標準為單相AC220V,50/60Hz。加載絲杠的有效行程為200mm,電機額定功率為750W,額定轉(zhuǎn)速為3000r/min,額定出力6.4kN。
FT232RL是最近推出的一款USB接口轉(zhuǎn)換芯片,實現(xiàn)USB到串行UART接口轉(zhuǎn)換的集成電路器件的最新設備,是具有可選的輸出時鐘發(fā)生器和FTDI Chip身份驗證安全加密功能的USB轉(zhuǎn)換串口芯片。此外,有轉(zhuǎn)換到同步、異步BIT-BANG接口模式可供選擇。由于充分將外部EEPROM、時鐘電路和USB電阻整合到設備里,USB轉(zhuǎn)串口的設計使用在FT232RL已進一步簡化。該芯片采用SSOP封裝方式,工作溫度為-40℃~85℃,為表貼式,節(jié)省了電路板的面積。
FT232RL還集成電了平轉(zhuǎn)換器,USB IO集成了3.3V穩(wěn)壓器。單片機通過FT232與計算機通信,計算機的USB接口可提供5V電壓,電流標準為500mA,F(xiàn)T232可接收4.35-5.35V外部電源供電,并且其3.3V輸出可為單片機供電。
硬件電路圖如圖2所示。
圖2 硬件電路圖
軟件設計主要包括串口通信協(xié)議、PWM輸出控制、人機交互界面設計和計時器設計。軟件系統(tǒng)總體設計如圖3所示。
圖3 軟件系統(tǒng)總體設計
圖4 人機交互界面
串口通信部分是上位機與下位機溝通的橋梁,設計好的通信協(xié)議會給變成帶來許多便利。網(wǎng)絡通信過程中,通信雙方要交換數(shù)據(jù),需要高度的協(xié)同工作。本儀器采用異步傳輸方式,以RS-232網(wǎng)絡為基礎的USB主從結(jié)構(gòu),設置波特率為9600bps,端口號為自適應讀取,8個數(shù)據(jù)位,無奇偶校驗位,停止位為一,無握手協(xié)議。在進行串口通訊時,一般的流程是設置通訊端口號及波特率、數(shù)據(jù)位、停止位和校驗位,再打開端口連接,發(fā)送數(shù)據(jù),接收數(shù)據(jù),最后關閉端口連接這樣幾個步驟。
NET 2.0提供了串口通信的功能,其命名空間是System.IO.Ports。這個新的框架不但可以訪問計算機上的串口,還可以和串口設備進行通信。串口組件SerialPort用于接收和發(fā)送數(shù)據(jù),利用SerialPort的數(shù)據(jù)接收事件DataReceived來觸發(fā)函數(shù),DataReceived事件在接收到了設定的字符個數(shù)或接收到了文件結(jié)束字符并將其放入了輸入緩沖區(qū)時被觸發(fā),再分別使用SerialPrt.Read()和SerialPort.Write()方法來接收下位機發(fā)來的數(shù)據(jù)及往下位機寫的數(shù)據(jù)。
控制原理:數(shù)字PID控制。
PID是比例(P)、積分(I)、微分(D)的閉環(huán)控制算法。PID控制器把收集到的數(shù)據(jù)和一個參考值進行比較,然后把這個差別用于計算新的輸入值,這個新的輸入值的目的是可以讓系統(tǒng)的數(shù)據(jù)達到或者保持在參考值。PID控制器可以根據(jù)歷史數(shù)據(jù)和差別的出現(xiàn)率來調(diào)整輸入值,這樣可以使系統(tǒng)更加準確穩(wěn)定。PID控制器由比例單元(P)、積分單元(I)和微分單元(D)組成。PID控制的數(shù)學模型為[7]:
其中Kp為比例系數(shù);TI為積分時間常數(shù);TD為微分時間常數(shù)。
采用數(shù)字PID算法能夠精確的控制系統(tǒng)溫度及壓力,而C8051F021單片機能夠方便地實現(xiàn)數(shù)字PID控制。實際設計中,由于考慮到編寫的PID軟件程序所需容量較大,而單片機無法滿足大量數(shù)據(jù)的存儲,所以利用PC機上的軟件系統(tǒng)來完成相關算法及數(shù)據(jù)的運算和處理。
溫控閉環(huán)系統(tǒng)中,溫度傳感器作為反饋器件,加熱爐為被控對象。根據(jù)設定溫度與實測溫度的偏差進行PID參數(shù)的修正,通過計算發(fā)出PWM脈沖,脈沖的占空比決定了加熱爐的功率,從而改變加熱速度。
壓力控制閉環(huán)系統(tǒng)中,壓力傳感器作為反饋器件,伺服電機為被控對象。把測得的壓力與設定的值進行比較,比設定值小,就加大PWM的占空比,要是比設定值大,就減少PWM的占空比,通過改變占空比來改輸給伺服驅(qū)動器的脈沖,就可調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速,從而調(diào)壓。
為了增強實時數(shù)據(jù)分析及處理能力和友好的人機界面,采用微軟最新的程序開發(fā)工具Visual Studio2010,它基于最新的.Net Framework4.0平臺,編程語言選用最新的面向?qū)ο蟮木幊陶Z言C#。使用Visual Studio2010的Windows Form應用程序可以設計出外觀精美,使用簡便的人機交互界面,設計時可直接往編輯區(qū)內(nèi)拖拽所需的控件,大大地提高了開發(fā)人員的工作效率和靈活性。
本設計的人機交互界面提供了靈敏便捷的多功能人機交互,用于使用者輸入控制信息,實時顯示實驗數(shù)據(jù),還可以顯示曲線圖,并且可將數(shù)據(jù)圖表保存為圖片。該設計的樹脂砂熱穩(wěn)定性測試儀人機界面具有高效美觀的特點。人機交互界面設計編輯區(qū)如圖4所示。
熱穩(wěn)定性測試的主要指標是時間,所以系統(tǒng)精確程度主要取決于計時器的設計,計時器功能的實現(xiàn)可以由單片機完成,也可以由計算機完成,本設計采用Visual Studio2010自帶的計時器計時。可Timer計時器指的是是窗體設計工具箱中的Timer控件,也稱作Windows計時器。
Timer控件主要會用到兩個屬性:Enabled和Interval,以及一個Tick事件。通過引發(fā)Tick事件,Timer控件可以有規(guī)律地隔一段時間執(zhí)行一次代碼。Timer.Enabled屬性用于設置是否啟用定時器,Timer.Interval屬性用來設置事件的間隔,單位為毫秒,如設置為100,即Tick事件每經(jīng)過0.1s的時間間隔時發(fā)生一次。
用電腦軟件實現(xiàn)計時功能可以達到高精度的要求,同時節(jié)省了單片機芯片資源,簡化了設計。
整個系統(tǒng)的配置中,主要元器件采用高性能規(guī)格的最新產(chǎn)品,以高速SoC型C8051 F350單片機為硬件核心,軟件編程采用智能PID控制,并結(jié)合了計算機進行人機交互設計。通過上述設計完成了一款可靠性高,智能化、數(shù)字化的樹脂砂熱穩(wěn)定性測試儀。由于在鑄造過程中,采用樹脂砂熱穩(wěn)定性測試儀能夠為樹脂砂的質(zhì)量評估提供參考,決定了它在生產(chǎn)中有著巨大的應用發(fā)展?jié)摿Α?/p>
[1]游敏,羅吉榮,曹文龍.用熱開裂及熱變形測試儀控制樹脂砂質(zhì)量[J].葛洲壩水電工程學院學報,1996,18(4):30-34.
[2][蘇]CC儒科夫斯基,AM里雅斯.冷硬砂鑄型及型芯[M].北京:國防工業(yè)出版社,1985.
[3]鑄造用呋喃樹脂砂[DB/OL].http://wenku.baidu.com.
[4]丁立輝.硅碳棒式加熱爐的爐溫控制系統(tǒng)設計[J].有色金屬加工,2007,36(6):54-56.
[5]于新潮.雙向可控硅過零觸發(fā)電路的設計[J].包頭職業(yè)技術(shù)學院報,2009,10(1):13-14.
[6]DS2-AS系列伺服驅(qū)動器隨機手冊[DB/OL].http://www.docin.com/p-381760868.html.
[7]J Carvajal,G Chen and H Ogrmen.Fuzzy PID controller:design.performance evaluation and stability analysis[J].Information Science.2000,33(6):122-126.