探讨怎样控制系统离子渗氮计算机

1、探讨怎样控制系统离子渗氮计算机          渗氮工艺是金属材料表面强化的重要手段之一,离子渗氮热处理技术的工业应用已有30余年的历史。随着设备更新,特别是电源技术的进步和工艺水平的提高,离子渗氮的应用不断扩大。长期以来,该生产过程均通过人工调节参数来完成工艺控制,随机性很大,难以保障工艺的重复性。近年来, 由于计算机控制技术的迅猛发展,多种表面热处理技术已实现自动控制。目前国外大多使用热壁炉实现热处理工艺,自动控制难度较小。由于热壁炉制作困难,我国的离子渗氮多数采用冷壁炉。冷壁炉靠辉光加热工件, 要

2、求电源的输出电流大、灭弧困难、炉内温度场分布不均匀,造成控制难度增加。本文介绍了我所研制的离子渗氮表面处理计算机控制系统,并对系统硬件和软件等重要环节进行了阐述。该系统已成功地应用于曲轴(不堵孔)等处理难度较大的工件渗氮工艺自动控制。（版权申明：本文由126论文发表网整理提供）      离子渗氮工艺特点离子渗氮工艺是一个多参数的控制过程,等离子体密度、等离子体电子能量分布函数、工作气体压力、工件偏压参数、氮离子流密度、渗氮温度、渗氮时间与渗氮总剂量等均对渗氮过程有影响,且相互制约。要实现该工艺自动控制,必须弄清几个关键因素及其相互制约关系。实

3、践证明,在渗氮过程中被加工工件的温度控制是热处理工艺的一个关键因素。使用冷壁炉时, 工件升温靠辉光放电来加热,工件的温度T与其表面的电流密度I成正式。当气体成分一定时,电流密度在一定范围由炉内气压P与阴极电压V所决定1,即IP·V,则温升TP·V。考虑到工件表面显微结构的要求,对气氛的组分分压及总压强有一定要求。使用脉冲电源后,引入了占空比参数D,使得温度的控制参数与放电物理参数P、V分开,可由D 独立调节温度(TP·V·D)。若利用工件所要求达到的工艺性能来选择P、V,则特定工艺的实现主要靠控制占空比来完成。同时还应该考虑到弧光放电、空心阴极效应与P和

4、V有关。也就是说整个工艺要协调控制好P、V、D三个参数,才能达到较好的处理效果。在一般情况下离子渗氮工艺的操作为:选择电压为适当值,随温度上升而微调气压(也可微调电压),以补偿峰值电流的变化,其补偿规律2为: I1P1T1=I2P2T2。但要注意避免P、V、T在某个范围时发生空心阴极效应。影响金属表面离子渗氮处理工艺稳定控制的难点之一是连续弧光放电和空心阴极效应3。特别对机车曲轴处理,由于其表面有直径不一的通孔、盲孔,加之吸附的油污随温度上升而渗出,手动控制工艺难度尤为突出,即便使用了性能良好的脉冲电源, 也必须训练有素忠于职守的人员才能胜任。    &

5、#160; 系统组成结构根据离子渗氮基本原理及工艺要求,我们设计了专门用于辉光放电离子渗氮表面处理的自动控制系统。该计算机控制系统由上位机和下位机组成, 通过RS485口进行数据交换4。上位机采用工控 PC机,下位机采用PIC单片机。它与脉冲电源、压力传感器、温度传感器、质量流量计、电流传感器、真空泵等相配接使用。       系统的核心是单片机,它完成如下功能:根据传感检测设备送来的实时反映生产过程工作状态的各种信息(温度T、电流I、电压V、气压P、流量Q等)及预定控制算法进行信息处理。根据处理的结果判断选择相应的控制策略,并立即发送控制命令

6、给执行机构。与上位机(PC)通讯,接收初始工艺参数,并将实时记录的测量监测值送上位机。按照工艺工程师所编写的工艺过程控制程序预先存入单片机的内存储器,系统启动后便按控制规律自动运行。单片机面板上带有简易键盘,供输入工艺参数和启动等命令之用。也可由上位机(PC)传送参数和传达命令。单片微机与生产过程之间信息以数字信号形式传递,过程中的状态量由传感器获得,多为模拟量形式,因此需要使用A/D方可传至微机。而有些执行器也是用模拟信号来控制的,微机的命令需经D/A才能到执行器。开关信号是简单的命令,只需增强信号的驱动能力便可。上位PC机按照用户指令设置初始化控制参数和工艺参数值,根据下位机送来的实时反映

7、生产过程工作状况的各种信息,自动进行数据处理和存储, 实时显示工艺曲线,并及时输出预警信号。上位机可带打印机、绘图仪,输出与工艺相关的各种记录信息,供研究、分析及生产质量管理之用。      系统控制方案离子渗氮表面处理工艺是一个多参数的控制过程,主要的控制参数有渗氮温度、渗氮时间、电源电压、工作气体压强、脉冲电源占空比等,等离子体表面处理自动控制系统就是对这些控制参量进行管理和控制,使反应炉内温度及气体压力按预先给定工艺曲线运行。为了达到此目的,必须考虑影响温度和气压参数的因素。离子渗氮表面处理工艺是通过改变预处理溅射时间、渗氮温度和保温时间

8、,改变气体成分和总的气体压强,改变工作电压和电流密度等参数来得到不同的表面渗层以及化合物区和扩散区的相对厚度。 P、V决定电流密度。若用增加电流密度来增加离子势会使输入功率增加,工件表面温度上升,结果造成芯材回火,因而分别控制离子势和热能是重要的。采用斩波器(脉冲电源)通过调节占空比,可以将以上几个工艺参数的作用分离开,一方面控制脉冲电流的幅度(调V或P),另一方面控制离子渗氮的功率。使得改变气体成分及总压强时能保持工件表面温度,因此可得到适合特殊应用要求的化合物层和扩散区的最佳组合2。在处理过程中,随着温度的升高,若气体压力不变则电流会下降。    &

9、#160; 在设计程序时依据IPT=常量,通过微调气压和电压来自动补偿。对于渗氮过程中不可避免产生的连续弧光放电和空心阴极效应,系统设定采取以下措施: 硬件上立即抑制。软件调整P、V,避开 “死弧”。根据生产现场工程师经验,对于不同阶段、不同温度的区间,给定适当的气压值,减少连续弧光,避免空心阴极效应的产生。本系统可在很宽的分压范围内,精确控制各种工作气体和单独控制总的气体压强。工艺参数的组合具有很大的灵活性,P、T基本解耦,可分两个单环在一定的规律下协同控制,各环都采用模糊规则进行PID调节的算法。      工艺流程的设计和实现离子渗氮表面

10、处理计算机控制工艺流程。首先由用户根据不同的工件,通过上位机或下位机设定工艺曲线上各段工作温度、升温斜率、保温时间及各段工作气压、升气压斜率等初始工艺参数,设定工作电压,上下位机间通讯端口参数。在设定了参数并执行后,会计论文发表按照设定程序的要求完成从开机、抽真空、启动脉冲电源、升电压、充工作气体、工件打弧清洗、升温、保温、降温、停机的全部控制工作。整个工艺过程都不用人工操作。通过显示屏可观察实时记录的工艺曲线,监视程序的运行状态。在渗氮过程中,自动控制系统由温度和压力传感器随时掌握反应炉工作状态,并通过调节占空比、气体流量、电压、时间等,来改变工艺参数,使炉内温度和气压跟踪设定的温度、气压曲

11、线,并随时监测系统出现的异常情况。      一旦发生故障,及时提示故障的类别,发出报警讯号,自动进行处理。若控制系统检测到连续打弧和空心阴极效应信号,自行调整电压、占空比,保证设备正常工作。若故障有可能危害到设备安全或破坏整个工艺时,设备将自动关闭并报警。为了确保控制系统正常工作,灵活实现控制目标,小故障不停机,系统设计了自动和手动控制两部分。在自控部分出现故障时,可用手控连续完成工艺控制。上下位机可配合使用,也可以只利用下位机进行控制,具有很宽的选择性。该计算机控制系统上位机软件采用VB编程实现,充分利用了VB面向对象和事件的实时处理能力。下位机采用PIC单片微机编程语言实现,发挥了PIC单片机抗干扰能力强的特点。      结束语离子渗氮表面处理计算机控制系统已应用于辽宁北方曲轴厂、贵州群建齿轮厂等企业。应用结果表明,与手工操作相比,自动控制工艺对工件处理效果好,且重复性好,成品率高。本系统适合我国国情,它的推广应用不仅能减轻工人劳动强度、降低成本,也使得深层渗氮5等工艺的推广应用成为可能。参考文献:1周孝重,陈大凯.等离子体热处理技术M.北京:机械工业出版社,1994:137.2T.S.Sudar