樹脂砂熱穩(wěn)定性測(cè)試儀的研究

華中科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)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(jì)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(shè)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?yàn)橛袡C(jī)樹脂在金屬液體的作用下會(huì)分解、燒蝕，熱強(qiáng)度大幅度下降，而壁內(nèi)溫度較低砂層中較大的熱膨脹應(yīng)力可能使受熱型(芯)表面開裂，引起脈紋(飛翅)缺陷[1]。所以對(duì)樹脂砂高溫性能的評(píng)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(xué)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(cè)試儀來測(cè)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(cè)試儀品種少，功能不齊全，測(cè)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(dá)國家的測(cè)試儀。為此，開發(fā)新型樹脂砂熱穩(wěn)定性測(cè)試儀，對(duì)促進(jìn)我國鑄造行業(yè)的發(fā)展具有十分重要的意義。

1.試驗(yàn)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(qiáng)度的持續(xù)時(shí)間，是表示樹脂砂抵抗液體金屬熱作用和機(jī)械作用的指標(biāo)[2]。熱穩(wěn)定性高低的指標(biāo)是時(shí)間，以秒為單位，時(shí)間越長則表示熱穩(wěn)定性越高。

1.2 試樣制備

本試驗(yàn)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(qiáng)度高(含高溫強(qiáng)度高)、成型性好，發(fā)氣量較其它有機(jī)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(fù)雜件、關(guān)鍵件[3]。本試驗(yàn)將自硬呋喃樹脂砂砂型制成直徑為20mm，高度為30mm的標(biāo)準(zhǔn)圓柱形試樣。

1.3 測(cè)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(jìn)行溫度控制(預(yù)設(shè)溫度1000℃)，然后通過伺服電機(jī)和壓力傳感器進(jìn)行壓力控制，保持恒定的壓力(預(yù)設(shè)壓力0.3MPa)。加壓時(shí)開始計(jì)時(shí)，記錄壓斷過程經(jīng)歷的時(shí)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(cè)試儀是在硬件的支持下執(zhí)行軟件來進(jìn)行工作的，整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)是以PC為上位機(jī)人機(jī)交互模塊，AT89C51F350單片機(jī)為下位機(jī)測(cè)控模塊，硅碳管加熱爐及S型熱電偶作為溫度控制模塊，測(cè)力傳感器及伺服電機(jī)作為壓力控制模塊，單片機(jī)與PC通過串口通信模塊實(shí)現(xiàn)控制及數(shù)據(jù)收發(fā)。軟件設(shè)計(jì)完成了溫度設(shè)定和壓力設(shè)定設(shè)定功能，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示功能及計(jì)時(shí)功能。整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.硬件設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)測(cè)控模塊

80C51系列單片機(jī)以其易讀性、擴(kuò)展能力強(qiáng)，應(yīng)用簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)成為單片機(jī)選用的首選。但是該系列的單片機(jī)運(yùn)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(jī)彌補(bǔ)了80C51單片機(jī)的這些不足。C8051F系列單片機(jī)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(diǎn)，能夠滿足絕大部分場(chǎng)合的復(fù)雜功能要求，并在嵌入式領(lǐng)域的各個(gè)場(chǎng)合都得到了廣泛的應(yīng)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(fù)位引腳都容許5V的輸入信號(hào)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(dá)24位，ADC0中包含一個(gè)可編程增益放大器，有8種增益設(shè)置，最大增益可達(dá)128倍，并且具有十分豐富的內(nèi)部資源，運(yùn)行速度快。

2.2 溫度控制模塊

加熱溫度設(shè)定初始值為1000℃，由于在試驗(yàn)過程中可能達(dá)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(zhǔn)確度最高，穩(wěn)定性最好，測(cè)溫溫區(qū)寬，使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)。溫度測(cè)量方案采用S型熱電偶測(cè)量爐體溫度，數(shù)字溫度傳感器TMP121測(cè)量環(huán)境溫度，以對(duì)S型熱電偶做溫度補(bǔ)償。

傳統(tǒng)的電加熱爐以電阻作為加熱元件，其優(yōu)點(diǎn)是控制簡(jiǎn)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(qiáng)、操作簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)[4]。硅碳棒屬于碳化硅半導(dǎo)體材料，不同于金屬，其優(yōu)點(diǎn)在于使用溫度高，并具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性；與自動(dòng)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(shí)際需要按曲線自動(dòng)調(diào)溫，所以選擇硅碳棒加熱爐進(jìn)行加熱。加熱功能由驅(qū)動(dòng)電路和硅碳棒加熱爐實(shí)現(xiàn)。雙向可控硅是一種功率半導(dǎo)體器件，也稱雙向晶閘管，在單片機(jī)控制系統(tǒng)中，可作為功率驅(qū)動(dòng)器件，由于雙向可控硅沒有反向耐壓?jiǎn)栴}，控制電路簡(jiǎn)單，因此特別適合做交流無觸點(diǎn)開關(guān)使用[5]。使用可控硅用來實(shí)現(xiàn)對(duì)交流電流進(jìn)行電壓過零開通與關(guān)斷，具有控制容量大、無高頻干擾、可靠性高、維護(hù)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。可控硅觸發(fā)方式采用過零觸發(fā)方式，利用單片機(jī)控制雙向可控硅的導(dǎo)通角。當(dāng)電壓過零時(shí)，只有可控硅的控制端有電壓才能使可控硅持續(xù)導(dǎo)通。在不同時(shí)刻利用單片機(jī)給雙向可控硅的控制端發(fā)出觸發(fā)信號(hào)，使其導(dǎo)通或關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)負(fù)載電壓有效值的不同，以達(dá)到控制加熱爐功率的目的。

2.3 壓力控制模塊

測(cè)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(cè)量精度高、防塵好、安裝容易、使用方便等特點(diǎn)。其測(cè)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(jī)系統(tǒng)由直流伺服驅(qū)動(dòng)器和伺服電動(dòng)缸組成，伺服電機(jī)采用的是信捷公司的MS系列伺服電機(jī)，伺服驅(qū)動(dòng)器采用的是配套的DS2-20P7-A型伺服驅(qū)動(dòng)器，該伺服電機(jī)自帶編碼器，負(fù)載能力強(qiáng)，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(hù)功能，適用于高精度的數(shù)控機(jī)床、自動(dòng)化生產(chǎn)線、機(jī)械制造業(yè)等工業(yè)控制自動(dòng)化領(lǐng)域[6]。伺服電機(jī)由編碼器、法蘭、輸出軸(傳動(dòng)軸)和框架組成輸入電源標(biāo)準(zhǔn)為單相AC220V，50/60Hz。加載絲杠的有效行程為200mm，電機(jī)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(shí)現(xiàn)USB到串行UART接口轉(zhuǎn)換的集成電路器件的最新設(shè)備，是具有可選的輸出時(shí)鐘發(fā)生器和FTDI Chip身份驗(yàn)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(shí)鐘電路和USB電阻整合到設(shè)備里，USB轉(zhuǎn)串口的設(shè)計(jì)使用在FT232RL已進(jìn)一步簡(jiǎn)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(jī)通過FT232與計(jì)算機(jī)通信，計(jì)算機(jī)的USB接口可提供5V電壓，電流標(biāo)準(zhǔn)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(jī)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(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)主要包括串口通信協(xié)議、PWM輸出控制、人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)和計(jì)時(shí)器設(shè)計(jì)。軟件系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 軟件系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

圖4 人機(jī)交互界面

3.1 串口通信軟件設(shè)計(jì)

串口通信部分是上位機(jī)與下位機(jī)溝通的橋梁，設(shè)計(jì)好的通信協(xié)議會(huì)給變成帶來許多便利。網(wǎng)絡(luò)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(luò)為基礎(chǔ)的USB主從結(jié)構(gòu)，設(shè)置波特率為9600bps，端口號(hào)為自適應(yīng)讀取，8個(gè)數(shù)據(jù)位，無奇偶校驗(yàn)位，停止位為一，無握手協(xié)議。在進(jìn)行串口通訊時(shí)，一般的流程是設(shè)置通訊端口號(hào)及波特率、數(shù)據(jù)位、停止位和校驗(yàn)位，再打開端口連接，發(fā)送數(shù)據(jù)，接收數(shù)據(jù)，最后關(guān)閉端口連接這樣幾個(gè)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(gè)新的框架不但可以訪問計(jì)算機(jī)上的串口，還可以和串口設(shè)備進(jìn)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(shè)定的字符個(gè)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(shí)被觸發(fā)，再分別使用SerialPrt.Read()和SerialPort.Write()方法來接收下位機(jī)發(fā)來的數(shù)據(jù)及往下位機(jī)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(gè)參考值進(jìn)行比較，然后把這個(gè)差別用于計(jì)算新的輸入值，這個(gè)新的輸入值的目的是可以讓系統(tǒng)的數(shù)據(jù)達(dá)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(zhǔn)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(xué)模型為[7]：

其中Kp為比例系數(shù)；TI為積分時(shí)間常數(shù)；TD為微分時(shí)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(jī)能夠方便地實(shí)現(xiàn)數(shù)字PID控制。實(shí)際設(shè)計(jì)中，由于考慮到編寫的PID軟件程序所需容量較大，而單片機(jī)無法滿足大量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，所以利用PC機(jī)上的軟件系統(tǒng)來完成相關(guān)算法及數(shù)據(jù)的運(yùn)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(duì)象。根據(jù)設(shè)定溫度與實(shí)測(cè)溫度的偏差進(jìn)行PID參數(shù)的修正，通過計(jì)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(jī)為被控對(duì)象。把測(cè)得的壓力與設(shè)定的值進(jìn)行比較，比設(shè)定值小，就加大PWM的占空比，要是比設(shè)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(dòng)器的脈沖，就可調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而調(diào)壓。

3.3 人機(jī)交互界面

為了增強(qiáng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析及處理能力和友好的人機(jī)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(tái)，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(yīng)用程序可以設(shè)計(jì)出外觀精美，使用簡(jiǎn)便的人機(jī)交互界面，設(shè)計(jì)時(shí)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(shè)計(jì)的人機(jī)交互界面提供了靈敏便捷的多功能人機(jī)交互，用于使用者輸入控制信息，實(shí)時(shí)顯示實(shí)驗(yàn)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(shè)計(jì)的樹脂砂熱穩(wěn)定性測(cè)試儀人機(jī)界面具有高效美觀的特點(diǎn)。人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)編輯區(qū)如圖4所示。

3.4 計(jì)時(shí)器設(shè)計(jì)

熱穩(wěn)定性測(cè)試的主要指標(biāo)是時(shí)間，所以系統(tǒng)精確程度主要取決于計(jì)時(shí)器的設(shè)計(jì)，計(jì)時(shí)器功能的實(shí)現(xiàn)可以由單片機(jī)完成，也可以由計(jì)算機(jī)完成，本設(shè)計(jì)采用Visual Studio2010自帶的計(jì)時(shí)器計(jì)時(shí)?？蒚imer計(jì)時(shí)器指的是是窗體設(shè)計(jì)工具箱中的Timer控件，也稱作Windows計(jì)時(shí)器。

Timer控件主要會(huì)用到兩個(gè)屬性：Enabled和Interval，以及一個(gè)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(shí)間執(zhí)行一次代碼。Timer.Enabled屬性用于設(shè)置是否啟用定時(shí)器，Timer.Interval屬性用來設(shè)置事件的間隔，單位為毫秒，如設(shè)置為100，即Tick事件每經(jīng)過0.1s的時(shí)間間隔時(shí)發(fā)生一次。

用電腦軟件實(shí)現(xiàn)計(jì)時(shí)功能可以達(dá)到高精度的要求，同時(shí)節(jié)省了單片機(jī)芯片資源，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)。

4.結(jié)語

整個(gè)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(jī)為硬件核心，軟件編程采用智能PID控制，并結(jié)合了計(jì)算機(jī)進(jìn)行人機(jī)交互設(shè)計(jì)。通過上述設(shè)計(jì)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(cè)試儀。由于在鑄造過程中，采用樹脂砂熱穩(wěn)定性測(cè)試儀能夠?yàn)闃渲暗馁|(zhì)量評(píng)估提供參考，決定了它在生產(chǎn)中有著巨大的應(yīng)用發(fā)展?jié)摿Α?/p>

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