樹脂砂熱穩定性測試儀的研究

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的出現和使用是從上世紀50年代開始的，到現在已經有幾十年的歷史了。樹脂砂鑄造生產工藝和設備的迅速發展、成熟和完善，使其逐步成為鑄件行業的重要生產工藝。與傳統的粘土砂生產鑄件相比，用樹脂砂鑄造生產的鑄件表面粗糙度小，尺寸精度高，綜合質量好，由于其良好的潰散性自硬特性，獲得了大規模的推廣，逐步淘汰了傳統的濕型烘模砂。

然而人們發現，樹脂砂的常溫性能和直接影響鑄件的表面質量的高溫性能之間幾乎沒有聯系，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量的有效途徑。樹脂砂的熱穩定性和抗熱變形性等高溫力學性能是鑄件產生脈紋、毛刺、變形、沖砂、掉砂等缺陷的主要控制因素。在鑄造過程中，采用樹脂砂熱穩定性測試儀來測定和控制型(芯)砂的質量能夠保證獲得合格的鑄件。

目前我國鑄造用樹脂砂熱穩定性測試儀品種少，功能不齊全，測量精度低，可靠性、穩定性差，整體水平不及國外工業發達國家的測試儀。為此，開發新型樹脂砂熱穩定性測試儀，對促進我國鑄造行業的發展具有十分重要的意義。

1.試驗原理及方法

1.1 條件熱穩定性的定義

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]。熱穩定性高低的指標是時間，以秒為單位，時間越長則表示熱穩定性越高。

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，發氣量較其它有機鑄型低、熱穩定性好、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，記錄壓斷過程經歷的時間，即為條件熱穩定性的結果。

本款樹脂砂熱穩定性測試儀是在硬件的支持下執行軟件來進行工作的，整體系統設計是以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控制及數據收發。軟件設計完成了溫度設定和壓力設定設定功能，實時數據顯示功能及計時功能。整體結構設計如圖1所示。

圖1 整體結構設計

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)、研發快(開發工具易用，可縮短研發周期)和見效快(調試手段靈活)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溫度范圍內用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供電系統的器件兼容。內置A/D轉換分辨率高達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，穩定性最好，測溫溫區寬，使用壽命長等優點。溫度測量方案采用S型熱電偶測量爐體溫度，數字溫度傳感器TMP121測量環境溫度，以對S型熱電偶做溫度補償。

傳統的電加熱爐以電阻作為加熱元件，其優點是控制簡單，但熱效率低、能耗高、控制精度低。近年來出現的以硅碳棒為加熱元件的電加熱爐，具有控制精度高、穩定性強、操作簡便等優點[4]。硅碳棒屬于碳化硅半導體材料，不同于金屬，其優點在于使用溫度高，并具有良好的化學穩定性；與自動化供電系統配套，既可以得到精確的恒定溫度，又可以根據生產工藝的實際需要按曲線自動調溫，所以選擇硅碳棒加熱爐進行加熱。加熱功能由驅動電路和硅碳棒加熱爐實現。雙向可控硅是一種功率半導體器件，也稱雙向晶閘管，在單片機控制系統中，可作為功率驅動器件，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、維護簡單的優點。可控硅觸發方式采用過零觸發方式，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導通。在不同時刻利用單片機給雙向可控硅的控制端發出觸發信號，使其導通或關斷，實現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的RSS01型拉壓力傳感器，它采用懸臂剪切結構，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℃。

伺服電機系統由直流伺服驅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，伺服驅動器采用的是配套的DS2-20P7-A型伺服驅動器，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，適用于高精度的數控機床、自動化生產線、機械制造業等工業控制自動化領域[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，額定轉速為3000r/min，額定出力6.4kN。

2.4 串口轉換模塊

FT232RL是最近推出的一款USB接口轉換芯片，實現USB到串行UART接口轉換的集成電路器件的最新設備，是具有可選的輸出時鐘發生器和FTDI Chip身份驗證安全加密功能的USB轉換串口芯片。此外，有轉換到同步、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，節省了電路板的面積。

FT232RL還集成電了平轉換器，USB IO集成了3.3V穩壓器。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，FT232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議、PWM輸出控制、人機交互界面設計和計時器設計。軟件系統總體設計如圖3所示。

圖3 軟件系統總體設計

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，設計好的通信協議會給變成帶來許多便利。網絡通信過程中，通信雙方要交換數據，需要高度的協同工作。本儀器采用異步傳輸方式，以RS-232網絡為基礎的USB主從結構，設置波特率為9600bps，端口號為自適應讀取，8個數據位，無奇偶校驗位，停止位為一，無握手協議。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、數據位、停止位和校驗位，再打開端口連接，發送數據，接收數據，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用于接收和發送數據，利用SerialPort的數據接收事件DataReceived來觸發函數，DataReceived事件在接收到了設定的字符個數或接收到了文件結束字符并將其放入了輸入緩沖區時被觸發，再分別使用SerialPrt.Read()和SerialPort.Write()方法來接收下位機發來的數據及往下位機寫的數據。

3.2 PID控制PWM輸出

控制原理：數字PID控制。

PID是比例(P)、積分(I)、微分(D)的閉環控制算法。PID控制器把收集到的數據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的數據達到或者保持在參考值。PID控制器可以根據歷史數據和差別的出現率來調整輸入值，這樣可以使系統更加準確穩定。PID控制器由比例單元(P)、積分單元(I)和微分單元(D)組成。PID控制的數學模型為[7]：

其中Kp為比例系數；TI為積分時間常數；TD為微分時間常數。

采用數字PID算法能夠精確的控制系統溫度及壓力，而C8051F021單片機能夠方便地實現數字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據的存儲，所以利用PC機上的軟件系統來完成相關算法及數據的運算和處理。

溫控閉環系統中，溫度傳感器作為反饋器件，加熱爐為被控對象。根據設定溫度與實測溫度的偏差進行PID參數的修正，通過計算發出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。

壓力控制閉環系統中，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動器的脈沖，就可調節電動機的轉速，從而調壓。

3.3 人機交互界面

為了增強實時數據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對象的編程語言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內拖拽所需的控件，大大地提高了開發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，實時顯示實驗數據，還可以顯示曲線圖，并且可將數據圖表保存為圖片。該設計的樹脂砂熱穩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如圖4所示。

3.4 計時器設計

熱穩定性測試的主要指標是時間，所以系統精確程度主要取決于計時器的設計，計時器功能的實現可以由單片機完成，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Tick事件，Timer控件可以有規律地隔一段時間執行一次代碼。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事件每經過0.1s的時間間隔時發生一次。

用電腦軟件實現計時功能可以達到高精度的要求，同時節省了單片機芯片資源，簡化了設計。

4.結語

整個系統的配置中，主要元器件采用高性能規格的最新產品，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、數字化的樹脂砂熱穩定性測試儀。由于在鑄造過程中，采用樹脂砂熱穩定性測試儀能夠為樹脂砂的質量評估提供參考，決定了它在生產中有著巨大的應用發展潛力。

[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電路的設計[J].包頭職業技術學院報，2009，10(1)：13-14.

[6]DS2-AS系列伺服驅動器隨機手冊[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.