（机械电子工程专业论文）大规模锻钢曲轴热处理温度测控系统的研制.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 调质处理作为锻造钢质曲轴制造工艺流程中的前期工序，其热处理质量的好坏对曲 轴的综合机械性能和后序加工起着关键的决定作用。温度作为热处理工艺中的重要参 数，其控制的准确与否直接关系到曲轴的热处理性能和生产成本，因此，对益轴热处理 温度控制的研究具有重要的意义。 本论文根据现有的热处理温度控制装置，分析了锻钢曲轴热处理温度控制的功能需 求，提出了基于r s 4 8 5 总线的上、下位机结构体系的测控系统解决方案，并完成了控制 系统的硬件、软件设计与调试工作。研究工作主要包括： 咀模块化设计的思想构建出以先进微处理器m s p 4 3 0 f 1 6 9 为主控制器的曲轴热处理 温度测控系统的硬件平台，包括数据采集单元、输入输出、与上位机通信等外围模块。 针对热处理温度参数大滞后和时变的特性，采用p i d 自整定控制算法，并运用模糊 数学理论对其进行了自调整；以模块化设计的思想按照控制算法编写了下位机主控制程 序、中断服务程序以及下位机和上位机的通信程序。 针对工业现场的强干扰性，从硬件和软件两个方面给出系统的可靠性设计方案。 通过理论分析和实验表明，所研制的大规模锻钢曲轴热处理温度测控系统有效地提 高了控制系统的实时 生和控制精度，大大改善了曲轴热处理生产线的自动化程度，具有 较高的实用价值。 关键词：曲轴：热处理；测控系统；微处理器；p l d 一一查塑垡塑塑塑塑垫竺! ! ! 量壁型笙墨丝塑婴型 r e s e a r c ho nh e a tt r e a t m e n t t e m p e r a t u r em e a s u r e c o n t r o l s y s t e m f o r f o r g i n g s t e e lc r a n k s h a f to na l a r g e s c a l e a b s t r a c t t h eh e a tt r e a t m e n ta st h ee a l i e rp r o c e d u r ei nt h em a n u f a c t u r i n gc r a f t sp r o c e s so f f o r g i n g s t e e lc r a n k s h a f t ，t h eq u a l i t yo f w h i c h p l a yak e yd e c i s i o nr o l ei nm e c h a n i c a lp e r f o r m a n c ea n d l a t t e rp r o c e s s i n go nc r a n k s h a f t t e m p e r a v a r ea st h ei m p o r t a n tp a r a m e t e ri nt h eh e a tt r e a t m e n t c r a f t s ，w h e t h e rw h i c h i sc o n t r o l l e d a c c u r a t e l yo r n o tc o n c e n 2 st h eh e a tt r e a t m e n tp e r f o r m a n c eo f t h ec r a n k s h a f ta n dp r o d u c t i o nc o s td i r e c t l y s o ，i ti s i m p o r t a n tf o rr e s e a r c ho f h e a tt r e a t m e n t t e m p e r a t u r ec o n t r o lo f t h ec r a n k s h a f t a c c o r d i n g t oe x i s t i n gh e a tt r e a t m e n tt e m p e r a t u r ec o n t r o ld e v i c e ，t h i sp a p e r a n a l y s e sh e a t t r e a t m e n tf u n c t i o nd e m a n do ft e m p e r a t u r ec o n t r o lo nf o r g i n gs t e e l c r a n k s h a f t , p r o p o s e sa s y s t e ms o l u t i o nb a s e do nt h ef r o n t & b a c kc o n t r o lp a n e ls t r u c t u r ew j t l lr s 4 8 5b u s a n dh a s f i r f i s h e dt h eh a r d w a r ed e s i g na n ds o f t w a r ed e s i g no ft h ec o n t r o l s y s t e m , w h i c hh a v eb e e n d e b u g g e d b o t h r e s e a r c hw o r ki n c l u d e sm a i n l y ： t h eh a r d w a r ep l a t f o r mw i t ha d v a n c e d r n i c r o p r o c e s s o rm s p 4 3 0 f 1 6 9a sm a s t e rc o n t r o l l e r f o rh e a tt r e a t m e n tt e m p e r a t u r ec o n t r o lf o rc r a n k s h a f ti s d e s i g n e db a s e do nm o d u l et h o u g h t , i n c l u d i n gd a t aa c q u i r i n gu n i t i n o u tp u ta n dc o m m u n i c a t i o nw i t 1f r o n tp a n e le t cp e f f p h e r a i m o d u l e a i m i n g a th e a v y l a ga n d v a r i a b l ec h a r a c t e r i s t i co n t e m p e r a t u r ep a r a m e t e r i nh e a tt r e a t m e n t ， t h ep a p e ra d o p t sp i da r i t h m e t i ca n du s ef u z z ym a t h e m a t i c st or e g u l a t ei t s e l fm a s t e rc o n t r o l p r o g r a m ，i n t e r r u p ts e r v i c ep r o g r a ma n dc o m m u n i c a t i o np r o g r a m b e t w e e nf r o n t & b a c kc o n t r o l p a n e l a r ew r i t t e n a c c o r d i n g t ot h e c o n t r o l l i n ga l g o r i t h mw i t h t h em o d u l et h o u g h td e s i g n e d a i m i n g a ts 扛o n gi n t e r f e r e n c eo ft h ei n d u s t r i ns c e n e ，t h ed e s i g n e dp r o j e e to f d e p e n d a b i l i t y i sp r o v i d e df r o mt w o r e s p e c t so f t h e h a r d w a r ea n ds o f t w a r e t h e o r ya n a l y s i sa n de x p e r i m e n t b o t hd e m o n s t r a t et h a td e s i g n e ds y s t e me n h a n c e sr e a l - t i m e c h a r a c t e ro f c o n t r o ls y s t e ma n dc o n t r o lp r e c i s i o ne f f e c t i v e l y , i m p r o v e st h ea u t o m a t i cd e g r e eo f t h eh e a tt r e a t m e n t p r o d u c t i o nl i n eo f t h e c r a n k s h a f tg r e a t l ya n dh a v e h i g h e rp r a c t i c a l v a l u e k e yw o r d s ：c r a n k s h a f t ；h e a tt r e a t m e n t ；m e a s u r e & c o n t r o ls y s t e m ；m i c r o p r o c e s s o r ； p i d 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 大连理工大学或其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的贡献均己在论文中做了明确的说明并表示了谢 意。 作者签名：塑日期：2 盟【r 大连理： 大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 引言 众所周知，金属材料在各种机器设备、车辆、船舶、飞机、水利电力设备、仪器仪 表及国防武器中有着广泛的使用，而在各种金属材料和制品的生产过程中，热处理是不 可缺少的重要环节之一。所谓金属热处理，是指通过加热和冷却的方法( 有时兼之以机 械作用、化学作用和其他作用) 来人为地改变金属合金内部的组织和结构，从而获得所 需要性能的工艺操作1 1 ，这些性能包括工艺性能、机械性能和化学性能，在现代机械制 造工业中主要指材料的强度、硬度、韧性、耐磨性、耐热性和耐蚀性等，因此进行热处 理是提高零件使用性能、保证产品质量、改善加工工艺性、发挥材料潜力和节约原材料 的重要途径。 金属热处理工艺大体可分为整体热处理、表面热处理和化学热处理三大类【2 。根 据加热介质、加热温度和冷却方法的不同，每一大类又可区分为若干不同的熟处理工 艺。同一种金属采用不同的热处理工艺，可获得不同的组织，从而具有不同的性能。钢 铁是工业上应用最广的金属，而且钢铁显微组织也最为复杂，因此钢铁热处理工艺种类 繁多。 整体热处理是对工件整体加热，然后以适当的速度冷却，以改变其整体力学性能的 金属热处理工艺。钢铁整体热处理大致有退火、正火、淬火和回火四种基本工艺。退火 是将工件加热到适当温度，根据材料和工件尺寸采用不同的保温时间，然后进行缓慢冷 却，目的是使金属内部组织达到或接近平衡状态，获得良好的工艺性能和使用性能，或 者为进一步淬火作组织准备。正火是将工件加热到适宜的温度后在空气中冷却，正火的 效果同退火相似，只是得到的组织更细，常用于改善材料的切削性能，也有时用于对 些要求不高的零件作为最终热处理。淬火是将工件加热保温后，在水、油或其他无机 盐、有机水溶液等淬冷介质中快速冷却。淬火后钢件交硬，但同时变脆。为了降低钢件 的脆性，将淬火后的钢件在高于室温而低于6 5 0 。c 的某一适当温度进行长时间的保温， 再进行冷却，这种工艺称为回火 3 。退火、正火、淬火、回火是整体热处理中的”四把 火”，其中的淬火与回火关系密切，常常配合使用，缺一不可。”四把火7 髓着加热温度和 冷却方式的不同，又演变出不同的热处理工艺。为了获得一定的强度和韧性，把淬火 和高温回火结合起来的工艺，称为调质。某些合金淬火形成过饱和固溶体后，将其置于 室温或稍高的适当温度下保持较长时间，以提高台金的硬度、强度或电性磁性等。这样 大规模锻钢曲轴热处理温度测控系统的研制 的热处理工艺称为时效处理。把压力加工形变与热处理有效而紧密地结合起来进行，使 工件获得很好的强度、韧性配合的方法称为形变热处理；在负压气氛或真空中进行的热 处理称为真空热处理，它不仅能使工件不氧化，不脱碳，保持处理后工件表面光洁，提 高工件的性能，还可以通入渗剂进行化学热处理。 表面热处理是只加热工件表层，以改变其表层力学性能的金属热处理工艺。为了只 加热工件表层而不使过多的热量传入工件内部，使用的热源须具有高的能量密度，即在 单位面积的工件上给予较大的热能，使工件表层或局部能短时或瞬时达到高温。表面热 处理的主要方法有火焰淬火和感应加热热处理，常用的热源有氧乙炔或氧丙烷等火焰、 感应电流、激光和电子柬等。 化学热处理是通过改变工件表层化学成分、组织和性能的金属热处理工艺。化学热 处理与表面热处理不同之处是后者改变了工件表层的化学成分。化学热处理是将工件放 在含碳、氮或其他合金元素的介质( 气体、液体、固体) 中加热，保温较长时间，从而使 工件表层渗入碳、氮、硼和铬争元素。渗入元素后，有时还要进行其它热处理工艺如淬 火及回火。化学热处理的主要方法有渗碳、渗氮、渗金属。 在上面的阐述中，把热处理工艺分成了三种类型。尽管其形式和工艺参数各不相 同，但就其热处理的基本过程( 即热作用过程) 来说，无论哪一种热处理工艺，都是由 加热、保温和冷却三个阶段组成的，并且整个工艺过程都可以用加热速度、加热温度、 保温时间、冷却速度以及总的延续时间( 热处理周期) 这几个基本工艺参数来描述。其 中加热是热处理的重要工序之一，金属加热时，工件暴露在空气中，常常发生氧化、脱 碳( 即钢铁零件表面碳含量降低) 4 ，这对于热处理后零件的表面性能有很不利的影 响。因而金属通常应在可控气氛或保护气氛中、熔融盐中和真空中加热，在热处理工业 中，通常是将金属零件放在热处理炉中进行加热。热处理炉按热工制度又分为两类：一 类是间断式炉又称周期式炉，其特点是炉子间断生产，在每一加热周期内炉温是变化 的，如室式炉、台车式炉、井式炉等；第二类是连续式炉，其特点是炉子连续生产，炉 膛内划分温度区段。在加热过程中每一区段的温度是不变的，工件由低温的预热区逐步 进入高温的加热区，如连续式加热炉、环形炉、步进式炉、振底式炉等 5 6 。无论采 用哪一种热处理炉，选择和控制加热温度，是保证热处理质量的主要问题。加热温度 随被处理的金属材料和热处理的目的不同而异，但一般都是加热到相变温度以上，以获 得高温组织。在这旱，需要指出的是，必须使加热控制在适当温度，若温度过低，会使 金属内部的组织不能完全转化，若温度过高，又会使相应组织晶粒粗化，影响令嘱零件 2 一 大连理工大学硕士学位论文 的热处理性能 7 。另外转变需要一定的时间，因此当金属工件表面达到要求的加热温 度时，还须在此温度保持定时间，使内外温度一致，使显微组织转变完全，这段时 间称为保温时间，同样，保温时间的控制也需适当，使其既能满足零件的热处理性能， 同时也不会造成不必要的能源浪费。从中可以看出，对热处理温度控制的研究具有非常 重要的意义。 1 2 热处理温度控制的特点 热处理温度控制的目的是使被加热的零件整体或局部按照一定的工艺曲线升温并最 终达到工艺规定的温度，但在生产条件下，直接测量零件的温度是很不方便的，因此， 一般都通过控制加热设备( 或冷却设备) 的温度来间接控制被加热零件的温度。目前，工 业上常用的热处理炉按供熟方式分为两类：一类是电炉，在炉内将电能转化为热量进行 加热；另一类是火焰炉( 或称燃料炉) ，用固体、液体或气体燃料在炉内的燃烧热量对工 件进行加热。 电炉温度的控制可分为断续控制和连续控制两大类。断续控制是指加在电炉发热体 的端电压恒定不变，通过改变在单位时间内通电( 或断电) 的时间长短来控制供给电炉 的实际平均功率以达到控制温度的目的。位式控制、时间比例控制和采用可控硅调功器 为执行器的比例积分微分控制均属于此类。连续控制是指电炉一旦启动后，就始终有电 流通过电炉发热体，借改变电炉发热体的端电压来控制供给电炉的实际平均功率以达到 控制温度的目的，而且发热体的端电压在一定范围内是可以连续变化的。采用可控硅调 压器作为执行器的比例积分微分控制属于这种类型。r 常热处理中最常用的电加热炉温 度控制仪表有：动圈式指示控制仪、d 孵一7 0 2 精密温度控制仪、) a 、x d 系列数字显示 控制仪和t c s 0 3 程序控制仪 8 。 在燃料炉的温度控制上，其检测方法与电阻炉相同，一般都是利用热电偶测量炉内 温度，可是，由于燃料炉的热能是从燃烧重油和轻油，或者煤气之类的燃料中而得到 的，所以在控制回路上采用了各种控制方法，例如：燃料的流量控制，空燃比控制，或 者气体分析控制等。在燃料方面，现在大部分是使用液体燃料或者气体燃料，作为液体 燃料有重油和轻油，特别是对重油来说，由于它的粘度高，需要经过重油预热器，把油 温提高到6 0 一1 0 0 范围之内，还必须用蒸汽或空气进行雾化，气体燃料有天然气、液 化石油气或城市煤气等，这些液体燃料和气体燃料的发热量都很高，例如：重油是 l o5 0 0 k c a l k g ，液化石油气是2 3 0 0 0 - - 3 0 0 0 0 k c a m 。，适用于高温范围内的温度控制，因 为燃料炉不像电阻炉那样有易损耗的电热元件，所以作业率高而又经济。由于出现了能 够把最大燃烧量与最小燃烧量之比从6 3 0 倍之间控制的烧嘴，所以气体燃料能够实现 一3 大规模锻钢曲轴热处理温度测控系统的研制 比液体燃料精度更高的比例控制。这是由于把供给燃料炉的热量减少到接近炉墙散热量 的水平时，还能够有效的控制燃烧。燃料炉温度的控制系统一般均比电炉温度控制系统 复杂，除需控制燃料的流量外，还需控制空气与燃料的比值以及炉膛压力，以保证燃料 燃烧良好。重油炉还需控制重油粘度，使重油具有足够的流动性。煤气炉必须把煤气中 的焦油清除干净，否则由于焦油的沉积、粘附，使管道和阀门截面发生变化，引起自动 控制的失灵 9 。 1 _ 3 热处理温度控制装置的发展和分类 热处理温度控制仪表和装置的发展经历了自力式、基地式及单元组合式等几个大的 发展阶段，单元组合仪表也经历了i 型、i i 型、i 型等三种形式。随着工业部门新型高 效生产设各的相继出现，对温度控制装置提出了控制功能多样化、系统要便于功能扩 展、解决好模拟仪表与计算机的兼容问题、改善操作条件等要求，为了适应这些要求， 随着微处理机和微型计算机的发展，近年来发展了诸如组装式电子装置及总体分散型数 字控制系统这样一些综合控制装置，从目前来看，它们是温度控制装置的方向，几种适 用于工业炉温度自动控制的此类装嚣已定型生产并逐步扩大使用 1 0 。温度控制装置按 所用能源不同，可以分为电动、气动、液动等几类，此外，还可按信号类型分类及结构 形式分类。 1 3 1 按信号类型分类 可分为模拟控制仪表及数字控制仪表两大类。模拟控制仪表线路简单，抗高频干扰 性能较好，过去是温度控制仪表发展的主流。模拟控制器靠组成各种各样的电路，皆用 电量来模拟数的运算，所以用它来进行的控制可以看作是一种模拟控制。模拟式仪表的 特点是运行稳定，操作方便，系统价格相对便宜等。然而随着现代化工业的发展，模拟 式仪表也报露出不足之处，运算控制功能不够强，在一些复杂大型的控制系统里仪表的 使用数量很多，因而占地面积大，硬接线工作量大，维护工作量也很大，不能与计算机 有机的进行连接等。近十多年来，随着电子技术和计算机技术的发展和微型机大量而廉 价的商品化，数字式控制仪表及数字式控制计算机逐步广泛应用于控制生产过程，这是 因为数字式控制器有p i d 参数设定范围广、程序灵活、能实现p i d 以外的特殊控制规律 等模拟控制器不可比拟的优点。7 0 年代后期，美国首先出现了以微处理器为核心的数 字控制器。8 0 年代初，同本的东芝、富上、横河等公司电相继推出了微处理器型的控 制仪表系列。现在各主要工业发达国家，包括我国都已发展了自己的数字式控制仪表系 列 1 1 。 d 大连理：【大学硕士学位论文 1 3 2 按结构形式分类 可分为基地式控制仪表、单元组合式控制仪表、组件组装式控制仪表及总体分散综 合控制装置。 】) 基地式控制仪表，其结构特点是以电子电位差计、电子平衡电桥以及动圈式指 示或控制仪表为中心，附加一些线路来完成p i 或p i d 的控制任务。图1 1 是由基地式 仪表组成的温度调节系统。炉温由热电偶检测，温度信号在显示调节仪中与给定值进行 比较并显示温度。调节器输出的信号与温度偏差呈选定的调节规律关系，执行器根据调 节器的信号按选定的调节规律改变输入到炉子的能量( 电力或燃料) 大小，使炉温保持在 给定范围。基地式仪表体积较大，不便于组成复杂调节系统：但需用仪表的数量较少， 投资少，便于使用和维护，因此广泛应用于简单调节系统。 图i 1 基地式仪表组成的温度调节系统 f i g 1 1t e m p e r a t u r e c o n t r o ls y s t e mc o m p o s e do f b a s et y p em s w u m e n t 2 ) 单元组合式控制仪表，其结构特点是根据自动检测及控制系统中各组成环节的 不同功能和使用要求，将整套仪表划分为能独立实现一定功能的若干单元，各单元之例 采用统一标准信号联系，由这些单元经过不同的组合就可构成多种多样的复杂程度不同 的控制系统。图1 2 是由单元组合仪表组成的温度调节系统。变送器用来将测量元件测 得的温度信号转换成与之相应的统一标准信号( 气动单元组合仪表为0 2 一1 0 公斤力 厘米2 ，电动单元组合仪表为0 一l o 毫安或o 一5 毫安) ，传给显示单元和调节器，进 行指导，l 己录或调节。其他各环节的作用与基地式仪表组成的温度调节系统相同。用单 元组合仪表组成调节系统，需用仪表的数量比基地式仪表要多，投资大，维护的技术水 平要求较高：但各单元间联系方便，且便于与电子计算机及数字化装置联用，能以较少 的有关单元组成多种复杂调节系统，因此，适用于大规模生产的自动化和复杂调节系 统。 一5 大规模锻钢曲轴热处理温度测控系统的研制 温度给定热源能量 图1 2 单元组合仪表组成的温度调节系统 f i g 1 2t e m p e r a t u r e c o n t r o ls y s t e m c o m p o s e do f a s s e m b l e d u n i t si n s t r u m e n t 3 ) 组件组装式控制装置，它是在单元组合仪表基础上发展起来的成套装置，在结 构上般将控制系统与显示操作系统分开；控制柜内插入一个一个功能分离的组件箱， 而各组件箱中又插入若干块组件板；显示操作部分可用电子屏幕来集中显示操作，从而 大大改善了人机联系。由于组件组装式控制装置的功能分离、结构组件化，很便于引 入新技术。国外与我国的组装仪表郄兼用了模拟技术与数字技术，兼有线性与非线性技 术，并能与工业控制机、程控装置、图像显示等最新技术工具配合使用 1 2 ，因此特别 适用于大型、高效率的新型设备的自动化。我国近年来已研制出几种工业炉窖专用的组 装式控制装置，使工业炉自动控制进入一个新的阶段。 4 ) 总体分散综合控制装置，又称集散型综合控制装置，它把整个连续的生产装置 流程分散的采用微处理机及微型计算机进行控制，而将全部信息通过一根同轴电缆的数 据通信总线，由一个上位计算机监控实现最佳化。总体分散综合控制装置综合了计算 机、自动控制、数据通信的先进技术，与现代模拟仪表兼容。整个装黄的特点是系统控 制功能分散、监视操作集中、控制逻辑可扩一 、机联系完善、安装布线简单、运行安 全可靠。可以认为，由于微处理机及微型计算机的应用，使总体分散综合控制装置成为 开创过程控制的新纪元，是今后系统工程的必由之路 1 3 。 1 4 曲轴热处理温度控制的研究意义 发动机是汽车、拖拉机等机械中最核心的部件，为其运转提供动力来源。而曲轴是 发动机中的重要承载零件，其作用是将活塞往复运动通过曲柄连杼机构变为回转运动同 时输出有用转矩，驱动其他部件或附件。曲轴受力复杂，周期性变化的载荷使曲轴各部 位产生弯曲振动，在一定条件下振动会产生很大的附加应力。曲轴形状复杂，因而应力 分布极不均匀，尤其在曲柄臂和轴颈的过渡圆角处以及油孔附近，使其产生严重的应力 一6 大连理工大学硕士学位论文 集中 1 4 。因此，设计要求曲轴应有足够的刚度，避免在工作转速范围内出现共振；有 足够的疲劳强度，对高度应力集中部分，应从设计、工艺、材料等方面采取一定的措 施。一般工厂的曲轴制造工艺流程为：备料热处理一检验一金属切削加工一清洗一氮 碳共渗一研磨一检验一入库，从中可以看出像大多数机械零件一样，对曲轴进行热处理 是其生产制造工艺过程中必不可少的重要环节，而不同材料的曲轴其热处理的方法也不 一样，曲轴按制造方法的不同大致可分为铸造曲轴和锻造曲轴两太类 i 5 ，铸造曲轴的 材料主要是以球墨铸铁为主，而锻造曲轴的材料则以各种优质碳素钢和合金钢为主。它 们的热处理方法如表1 1 所示 1 6 。 表1 1 不同材料曲轴的热处理方法 材料牌号或名称预先热处理最终熟处理 用途 l4 5 、4 5 m a 、4 5 m n 2 、正火或调质感应加热表面淬火中吨位汽车曲轴、轿车 i 5 0 m n 、4 0 c r( 或火焰表面淬火)曲轴、中型拖拉机曲轴 l 4 0 c r n i m o a 、4 0 c r n i调质感应加热表面淬火重型汽车曲轴 l4 2 c r m o( 或调质) l 镁球墨铸铁、稀土一正火正火或感应加热 中吨位汽车曲轴、 f 镁球墨铸铁表面淬火轿车曲轴、拖拉机曲轴 l 合金球墨铸铁正火 同上重型汽车曲轴 从上表中可以看出，无论什么材料的曲轴对其进行热处理的方法都包括预先热处理 和最终热处理，其中的最终热处理一般是指感应加热表面淬火( 或火焰表面淬火) ，而 预先热处理的方法则因材料的不同而不周。在曲轴制造工艺流程中，预先热处理作为前 期工序，是整个曲轴制造流程中至关重要的一步，其热处理质量的好坏对曲轴的综合机 械性能和疲劳强度起着关键的决定作用。鉴于曲轴在发动机中的重要性，对其热处理的 研究就非同一般零件，温度作为热处理中的重要参数，其控制的准确与否直接关系到曲 轴的热处理性能和生产成本，因此，对曲轴热处理温度控制的研究就显得意义更为重 大。 1 5 本课题的背景与意义 一直以来，铸造曲轴以较低的生产成本，较好的切削加工性、减震性和耐磨性在发 动机中有着广泛的应用，然而，随着我国可持续性发展战略的推进和绿色环保型柴油发 动机的发展，大型锻造类钢质曲轴已经逐步取代铸铁类曲轴成为行业发展方向 1 7 。我 国内燃机厂众多，曲轴锻件需求量大，市场统计如表1 2 所示。 一7 大规模锻钢曲轴热处理温度测控系统的研制 表1 2 锻造曲轴需求量的市场统计 单位曲轴类别年需求量单位 曲轴类别年需求量 ( 万支)( 万支) 无锡柴油机厂 a l ( z 六缸1 0 1 2 大连柴油机厂 6 7 c k 六缸1 5 2玉林柴油机厂4 5 4 c k 四缸 3 4 上海柴油机厂 2 3 潍坊柴油机厂 6 1 5 0 0 0 2 0 0 1 2 r3 4 朝阳柴油机厂 6 7 杭州i 发动机厂 斯太尔曲轴1二汽康明斯b 系列6 7 社会备件需求 1 5康明斯c 系列7 8 一汽d k 系列发动机2 1 5 2 6洛拖柴油机厂1 0 5 发动机 3 仅统计以上几个厂家，曲轴年需求量达6 0 7 0 万件。正是基于市场对曲轴锻件豹 较大需求量，洛阳第一拖拉机铸锻厂打算大规模生产锻造钢质曲轴，为了进一步提高曲 轴锻件的热处理质量，现对原先的曲轴热处理生产线进行技术改造。本课题的内容即属 于此技术改造中的一部分。 1 6 本论文的主要工作 本论文主要在以下几个方面进行了研究工作： 1 根据现有的热处理温度控制系统，研究锻造钢质曲轴热处理的功能需求，给出曲 轴热处理温度控制的合理技术解决方案和体系结构。 2 以模块化设计的思想构建出以m s p 4 3 0 f 1 6 9 微处理器为主控制器的曲轴热处理温 度控制系统的硬件平台，包括数据采集单元、输入输出等外围模块。 3 针对热处理温度参数大滞后和时变的特性，采用p i d 自整定控制算法，并运用模 糊数学理论对其进行自调整；以模块化设计的思想按照控制算法编写下位机主控制程 序、中断服务程序以及下位机和上位机的通信程序。 4 针对工业现场的强干扰性，从硬件和软件两个方面给出系统的可靠性设计方案。 8 。 大连理工大学硕士学位论文 2 控制系统的整体分析和体系结构的研究规划 2 1 控制系统的功能需求分析 从表1 ，1 可以看出，锻造钢制曲轴在其生产过程中的热处理方法包括预先热处理和 最终热处理，其中的最终热处理一般是指感应加热表面淬火( 或火焰表面淬火) ，而预 先热处理则指的是调质处理，这里所说的调质实际上就是指热处理工艺上的淬火加高温 回火，其也是该课题所研究的主要对象。淬火是将钢加热到临界点( k c ，或a c ) 以上的 适当温度，保温一段时间，然后放在水、油、或盐碱高分子有机聚合物水溶液中快速冷 却的一种热处理工艺。淬火的主要目的是使奥氏体化的钢件获得马氏体组织，以便经适 当的回火后得到高的硬度、耐磨性、强度与韧性相结合的综合力学性能。这里需要指出 的是淬火的温度必须控制适当，若加热温度过低，组织中将会保留一部分铁素体，使淬 火后强度、硬度都较低；若加热温度过高，又易引起奥氏体晶粒粗化，使淬火后马氏体 也粗大，以致其脆性显著增大，易于产生淬火裂纹。回火是将淬火钢件重新加热到临界 点a c 。以下某一温度，保温一段时间，再以适当的方式冷却至室温，使不稳定组织转变 为稳定组织，以获得预期性能的热处理工艺，回火的主要目的为：减少或消除淬火应 力，提高塑性和韧性；获得强度与韧性配合良好的综合力学性能：稳定零件的组织和尺 寸，使其在使用过程中不发生变化。淬火和高温回火之后，钢件中的主要组织为回火索 氏体 1 8 。 锻造钢制曲轴常用的材料主要有4 5 钢、4 0 c r 、4 2 c r m o 、4 0 c r n i m o a ，它们的热处理 工艺参数和力学性能如表2 1 所示h 9 j 。以汽车上常用的4 2 c r m o 钢曲轴为例，其生产 当中具体的热处理工艺要求为：曲轴首先放入淬火加热炉升温，到8 5 0 进入保温段， 保温2 h 后，淬火冷却至室温，然后进入回火炉加热升温，当温度达到6 4 0 时，为保 温阶段，保温3 h 后，出炉喷雾冷却至室温。淬火和回火后应达到的力学性能为：抗拉 强度。b 1 i o o m p a ，屈服强度os 9 5 0 m p a ，伸长率6 1 2 ，收缩率4 5 ，冲击韧度 a 。8 0 5 c m l ，布氏硬度h b s 2 1 7 。 洛阳第一拖拉机铸锻厂现用的间歇式周期炉，主要用于生产拖拉机用铸造曲轴和少 量锻造曲轴，生产效率较低，每次只能处理1 6 根曲轴，且每根曲轴均平放在炉底，经 过热处理后的曲轴变形较大，无法适应锻造钢质曲轴的大规模生产，针对这种情况，该 企业计划使用悬挂式曲轴调质热处理 2 0 。改造后的生产线由下列设各组成：淬火加热 炉、回火加热炉、淬火冷却室、回火冷却室、双液淬火冷却槽、淬火液循环冷却系统、 悬挂链式输送机、升降机和推车机、吊具装鼍、装卸料装置和电气控制系统。其生产线 大规模锻钢曲轴热处理温度测控系统的研制 表2 1 钢质曲轴常用材料的热处理工艺参数和力学性能 淬火回火力学性能)h b s 钢号 温度冷却温度冷却o b os6 中 瓠 口co c m p a 以伊a ( )( 5 c r f l 2 4 58 2 0 水 5 6 0 空气 7 0 4 5 0 1 5 4 5 6 0 8 01 9 6 8 4 06 2 08 5 05 6 01 75 02 4 1 4 0 c r8 4 0 油 5 5 0 水或1 0 0 0 8 0 0 94 56 02 0 7 8 6 06 0 0 油 4 2 c r m o8 4 0 油 6 2 0 水或 1 t 0 09 5 01 24 58 02 1 7 8 6 06 5 0油 4 0 c r n i m o a8 4 0 油 6 4 0 水或 i 0 0 08 5 01 25 51 0 02 0 7 8 6 06 7 0油 的生产过程为曲轴通过耐热钢吊具装置装卡固定在悬挂链式输送机的积放小车上，由悬 挂链式输送机带动首先进入淬火加热炉中加热和保温。出炉后由推车机推动做快速水平 运行到达淬火冷却室冷却工位，然后由升降机带动做垂直运动快速下降到双液淬火冷却 槽中冷却。在双液淬火冷却槽中淬火液循环冷却系统形成强烈均匀的冷却场，实现曲轴 快速均匀冷却。淬火冷却完成后，益轴仍由悬挂链式输送机带动进入回火加热炉中加热 和保温，出炉后到达回火冷却室进行喷雾和吹风冷却，最后运行到装、卸料工位完成曲 轴装卡固定和卸下。生产线平面布置图如图2 1 所示。 图2 1 悬挂式盛轴调质生产线平面布置图 f i g 2 1p l a n el a y i n gv i e wo nu n d e r s l u n gh e a tt r e a t m e n tp r o d u c t l i n ef o rc r a n k s h a f t 一1 0 人连理i i 大学硕士学位论文 在该生产线中，所用到的淬火加热炉和回火加热炉均为连续式炉，淬火炉和回火炉 各自被分为预热、加热和保温三段，以常用的4 2 c r m o 钢质曲轴为例，其生产当中具体 的操作过程为：首先设定淬火炉温度预热段为7 0 0 ( 允许偏差2 0 ) ，加热段8 0 0 ( 允许偏差+ 1 0 9 c ，一2 0 ) ，保温段8 5 0 ( 允许偏差1 0 ) ；设定回火炉温度 预热段5 0 0 。c ( 允许偏差2 0 ) ，加热段6 0 0 。c ( 允许偏差+ i o 。c ，- 2 0 c ) ，保温段 6 4 0 c ( 允许偏差1 0 ) ，每个耐热钢吊具上悬挂4 根曲轴，呈两排排列，启动链式 输送机之后，炉外的曲轴移动一个工位，进入淬火炉，同时又会有新的一车曲轴占据原 来曲轴的工位，以后，每2 4 分钟前边的曲轴移动一个工位，相应的工位由后面的曲轴 补上，直至所有的工位上都占满曲轴，总的曲轴工位分配是淬火炉l o 车、回火炉1 5 车、淬火冷却室2 车、回火冷却室3 车、淬火炉外2 车，具体到淬火炉的曲轴工位分配 是有2 车在预热段、3 车在加热段、5 车在保温段，回火炉的曲轴工位分配是3 车在预 热段、5 车在加热段、7 车在保温段。本课题所要解决的问题就是设计一个合适的控制 系统，能够分别设定淬火炉和回火炉各段的温度并使其稳定在各自设定的工艺温度范围 之内。 2 2 控制系统的方案选择和设计要求 通过上述分析，欲满足系统的控制要求，我们可以在该企业原有的周期式作业炉 ( 井式炉) 的温控装置上进行改造，即用6 套同样的温控装置来分别控制淬火炉和回火 炉各段的炉温，很显然，这种方案大大增加了企业改造的成本，同时原有的温控装置为 模拟二位式调节仪表，控温精度较差，很难满足改造后的曲轴热处理生产线的控制要 求。再一种方案就是从现有的多通道数字温控仪表中选用，经过我们对市场上出售的数 字调节仪表的调查发现，所谓的多通道实际上就是指2 3 个通道，而且这些通道所采 集的温度数值必须相同，很显然，其也无法满足悬挂式曲轴调质热处理生产线的温度控 制要求。鉴于此，自主研发一套温控装置来与改造后的曲轴热处理生产线相配套就成为 必然。但在设计这套装置( 或称为系统) 前，首先应对该系统所满足的设计要求进行分 析。因为本控制系统是直接应用在工业现场当中，所以系统设计应满足下述要求： 1 ) 安全可靠 工业控制系统的工作环境比较恶劣，周围的各种干扰随时的威胁着它的正常运行 而且它所担当的控制重任又不允许它发生异常现象。这是因为，一旦控制系统出现故 障，轻者影响生产，重者造成事故，产生不良后果。因此，在设计过程中，要把安全可 靠放在首位。首先要选用高性能的1 三控制器，保证在恶劣的工业环境下，仍能正常运 大规模锻钢曲轴热处理温度测控系统的研制 行。其次是设计可靠的控制方案，并具有各种安全保护措施，比如声光报警、事故处 理、电源瞬变干扰抑制、输入输出端与主控制器隔离、数据掉电保护等。 2 ) 操作维护方便 操作方便体现在操作简单、直观形象、便于掌握，并不要求操作工要掌握主控制器 的知识才能操作。既要体现操作的先进性，又要兼顾原有的操作习惯。维修方便体现在 易于查找故障，易于排除故障。采用标准的功能模块式结构，便于更换故障模板。并能 在功能模板上安装工作状态指示灯和监测点，便于维修人员检查。 3 ) 实时性强 控制系统的实时l 生表现在对内部和外部事件能及时的响应，并做出相应的处理，不 丢失信息，不延误操作。控制装置所处理的事件一般分为两类，一类是定时事件，如温 度数据的定时采集，运算控制等；另一类是随机事件，如事故、报警等。对于定时事 件，系统设置时钟，保证定时处理。对于随机事件，系统设置中断，并根据故障的轻重 缓急，预先分配中断级别，一旦事故发生，保证优先处理紧急故障。 4 ) 控制精度应满足系统要求 采用先进的控制算法和可执行部件，摒弃以前利用传统模拟二位式调节仪表时温度 波动较大、控温精度较差的缺点，改善系统的控制精度，使其满足淬火炉回火炉各段温 度的精度要求。 5 ) 系统改造升级应比较方便、并兼顾通用性 控制技术的发展日新月异，当今看起来先进的控制系统也不可能永远都先进，终究 有一天面临着被淘汰的问题，因此，系统设计应考虑到便于以后升级改造。同时工业控 制的对象千变万化，工业控制对象的研制开发需要有一定的投资和周期。一般不可能为 一台装置或一个生产过程研制一台专用控制器。尽管对象多种多样，但从控制功能来分 析归类仍然有共性。比如，过程控制对象的输入、输出信号统一为o 一1 0 【i l a ，可以采用 单回路、串级、前馈等常规p i d 控制。因此，系统设计时应考虑能适应各种不同设备和 各种不同控制对象，并采用积木式结构，按照控制要求灵活构成系统。这就要求系统的 通用性要好，并能灵活地进行扩充 2 1 。 2 3 控制系统的体系规划 欲完成该系统的设计，首先应为其选择主控制器。现如今控制系统的主流器件为可 编程控制器p l c 和计算机( 微处理器) ，可编程序控制器具存可靠性高，编程简单，通 用性强，体积小，结构紧凑，安装维扩r 方便等一系列优点，魍其高昂的开发成本和费用 是一般企业所不能承受的。而且在工业上，一般都是用其求控制生产线上关键机械部 1 2 一 大连理工大学硕士学位论文 件的运转。近年来，微处理器以较高的性能价格比越来越广泛的应用于各种控制系统当 中。微处理器是微型机的一个重要分支，在结构上的最大特点是把c p u 、存储器、定时 器和多种输入输出接口电路集成在一块超大规模集成电路芯片上，它通过内部总线 ( 地址总线、数据总线、控制总线) 把计算机的各主要部件连接为一体，特别是在控制 领域，微处理器表现出了一系列的优点 2 2 ： 1 ) 体积小，成本低，运用灵活，易于产品化，能方便地组成各种智能化的控制设 备和仪器，做到机电一体化。 2 ) 面向控制，能针对陛地解决从简单到复杂的各类控制任务，因而能获得最佳的 性能价格比。 3 ) 抗干扰能力强，实用温度范围宽，在各种恶劣的环境下都能可靠的工作，这是 其他类型计算机无法比拟的。 4 ) 可方便地实现多机和分布式控制，使整个控制系统的效率和可靠性大为提高。 因此，以微处理器作为本控制系统的主控制器是比较理想的选择。由系统的功能需 求分析可知，欲实现淬火炉和回火炉各段的恒温控带4 要求，必须能够对温度进行实时调 节，因此应将系统设计成闭环反馈控制系统。考虑到工业现场的实际和便于控制，我们 对淬火炉和回火炉都采用电加热。综合各种微处理器控制系统的共性 2 3 和曲轴热处理 温度控制的特点，确定该控制系统应由以下五个部分组成。 1 ) 微处理器扩展系统 微处理器的特点之一是内部结构紧凑，因此片内r a m 、r o m 、i o 端口容量都有限。 在很多应用场合需扩展外部程序存储器，数据存储器及i o 接口。这种微处理器及外部 扩展的存储器和i 0 接口的系统，称为微处理器扩展系统。扩展系统为应用系统完成测 控功能提供了一个基本环境。在该系统设计中，应根据所选用的微处理器类型来确定是 否需要对系统进行扩展。 2 ) 数据采集系统 由于微处理器只能处理数字信号，因此，对于以微处理器构成的控制系统来说，必 须设计数据采集系统，将模拟非电量转换成为数字电信号。数据采集系统一般是由前端 传感器电路和后端数据转换电路组成的混合系统，各自的实现功能分别为a 、由传感器 感受被测对象，把被测非电量转换成为可用的电信号；b 、将模拟电信号转换成为数字 电信号。在本系统中，因为同时要对淬火炉预热、加热、保温和凹火炉预热、加热、保 温共六段的温度进行控制，所以数掘襄集系统应具有多路采集的能力。多路数据采集系 大规模锻钢曲轴热处理温度测控系统的研制 统一般分为集中采集式和分散采集式，而集中式多路数据采集系统又可分为两类：分时 采集型和同步采集型 2 4 。 分时采集型系统的传感器信号经各自的调理电路调整放大后，进入公共的采样保 持器( s h ) 和模数转换电路( a d )