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。

1.試驗原理及方法

1.1 條件熱穩(wěn)定性的定義

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。

1.2 試樣制備

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。

1.3 測量方法

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

2.硬件設計

2.1 單片機測控模塊

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。

2.2 溫度控制模塊

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。

2.3 壓力控制模塊

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。

2.4 串口轉(zhuǎn)換模塊

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。

2.5 硬件電路圖

硬件電路圖如圖2所示。

圖2 硬件電路圖

3.軟件設計

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

3.1 串口通信軟件設計

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)。

3.2 PID控制PWM輸出

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。

3.3 人機交互界面

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。

3.4 計時器設計

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。

4.結(jié)語

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.