專利名稱：微機(jī)控制深冷處理加工裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型是微機(jī)控制深冷處理加工裝置，屬工具材料的深冷加工技術(shù)設(shè)備。
隨著數(shù)控機(jī)床、加工中心及自動化加工的發(fā)展，減少刀具磨損與破損，穩(wěn)定地提高刀具的可靠性，越來越引起人們的關(guān)注。因為，刀具的快速磨損與破損不僅僅是刀具質(zhì)量問題，它將牽涉到刀具的重新安裝、刀具的調(diào)整、機(jī)床的調(diào)整等一系列問題的出現(xiàn)，所以刀具壽命的長短是影響生產(chǎn)效率的重要因素，因而，人們不斷推出一些新的金屬切削加工方法及其工藝裝備。深冷處理刀具的工藝方法便是其中的一種很重要的方法。實驗表明，它能有效地提高刀具的耐磨性，從而使得刀具壽命大大延長。但深冷處理的加工裝置一直是限制深冷處理工藝得以普及的瓶頸。這就越發(fā)顯示出開發(fā)深冷處理加工裝置的必要性。深冷也常稱為深度冷凍，常指的是低于-161℃的低溫狀態(tài)，深冷處理屬于低溫技術(shù)。深冷處理所需的低溫通常是利用相變制冷獲得到的。采用深冷處理技術(shù)可使得刀具壽命延長若干倍。經(jīng)過深低溫處理過的工具材料，從表面到內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)都起了變化，制作出的刀具不會因重磨而使其內(nèi)部結(jié)構(gòu)組織發(fā)生變化，從而提高了刀具的耐磨性和使用壽命。深冷技術(shù)的關(guān)鍵是如何方便、快捷、低廉、可靠且可控地獲得低溫。目前，通常獲得低溫的方法有兩種一種是噴淋法，即被處理的工具材料周圍設(shè)置有噴淋管，噴出霧狀低溫液體，利用控制噴速來得到所需要的低溫，但是其溫度較難控制，特別容易過冷；另一種方法是將被處理材料放在液面上方的一定位置，利用蒸發(fā)的冷氣流和電加熱控制溫度，這種方法比較節(jié)省低溫液體，但有時會出現(xiàn)冷氣不足；當(dāng)然，也有直接把被加工材料“浸泡”在低溫液體中的，這種方式就更難以調(diào)整溫度了。
本實用新型的目的就是為了克服和解決現(xiàn)有的深冷處理加工技術(shù)的深冷溫度難于調(diào)整、控制、容易過冷或不夠冷等的缺點和問題，研究設(shè)計一種能方便、快捷、低廉、可靠地獲得所需的深冷溫度的微機(jī)控制深冷處理加工裝置。
本實用新型是通過下述技術(shù)方案來實現(xiàn)的微機(jī)控制深冷處理加工裝置結(jié)構(gòu)示意圖如


圖1所示；其硬件電路方框圖如圖2所示；其信號調(diào)理電路原理圖如圖3所示；其電磁閥的控制電路原理圖如圖4所示；其微機(jī)控制主程序流程方框圖如圖5所示，數(shù)字濾波子程序流程方框圖如圖6所示；延時測溫子程序流程方框圖如圖7所示；溫度控制子程序流程方框圖如圖8所示；顯示打印曲線子程序流程方框圖如圖9所示；其工藝曲線如
圖10所示；微機(jī)控制深冷處理加工裝置由開關(guān)閥1、送氣管2、冷處理室3、盤管式制冷管4、熱電偶5、管接頭6、排氣孔7、低溫液體輸送管8、電磁閥控制線9、微機(jī)與控制柜通信線10、計算機(jī)或工控機(jī)11、數(shù)據(jù)線12、顯示器13、鍵盤14、打印機(jī)15、電源線16、控制柜17、低溫液體貯存室18、安全閥19、電磁閥20、21、22、高壓氣體室23共同連接構(gòu)成，其相互位置及連接關(guān)系為高壓氣體室23通過開關(guān)閥1及送氣管2與電磁閥22相連接；開設(shè)有排氣孔7的冷處理室3通過管接頭6、低溫液體輸送管8與電磁閥21相連接；裝置于冷處理室3的熱電偶5通過控制線與控制柜17相電氣連接；控制柜17分別通過電磁閥控制線9分別與電磁閥20、21、22相電氣連接；計算機(jī)或工控機(jī)11通過通信線10與控制柜17相電氣連接；顯示器13、鍵盤14、打印機(jī)15通過數(shù)據(jù)線12相互電氣連接；顯示器13通過電源線16與控制柜17的電源相電氣連接；安全閥19裝于液體貯存室18；低溫液體貯存室18通過管接頭及管道分別與電磁閥20、21相連接；電磁閥20通過管道與電磁閥22相連接；本實用新型裝置硬件電路由溫度測量傳感器、信號調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換電路及多功能數(shù)據(jù)采集卡、微計算機(jī)或工控機(jī)、電磁閥控制電路、顯示器及鍵盤、打印機(jī)共同電氣連接構(gòu)成，其相互位置及連接關(guān)系為信號調(diào)理電路分別通過溫度測量信號線、A/D轉(zhuǎn)換信號線分別與溫度測量傳感器、A/D轉(zhuǎn)換電路及多功能數(shù)據(jù)采集卡相電氣連接；微計算機(jī)或工控機(jī)分別通過數(shù)據(jù)線、電磁閥控制信號線、打印信號線、鍵盤信號線、顯示信號線分別與多功能數(shù)據(jù)采集卡、電磁閥控制電路、打印機(jī)、鍵盤、顯示器相電氣連接，電磁閥控制電路分別通過輸出控制信號線分別與電磁閥20、21、22相電氣連接；其中信號調(diào)理電路由運放集成件IC1、IC2、二極管D1、D2、電阻R1～R5、電容C1～C5、電位器W1、W2共同連接構(gòu)成；電磁閥控制電路由光電耦合器件G1、三極管T1、T2、電阻R6～R9、電容C6、C7、二極管D3、電磁閥電磁線圈J1共同連接構(gòu)成。
本實用新型的深冷處理加工工作原理如下本實用新型提供了微機(jī)控制深冷處理加工裝置，以實現(xiàn)對溫度的精確控制，滿足被加工工具材料深冷處理的要求；本裝置包括五大部分，即冷處理室、低溫液體貯存室、高壓氣體室、微機(jī)控制部分(計算機(jī)和控制柜)、打印機(jī)；五部分協(xié)同作用，控制溫度檢測、數(shù)據(jù)處理、制冷劑流量、數(shù)據(jù)打印，構(gòu)成深冷處理加工裝置；冷處理室側(cè)部有排氣孔，也安裝有溫度傳感器(熱電偶)和盤管式制冷管；盤管式制冷管有兩層，是用兩根紫銅管并繞而成，為了溫度均勻，采用交叉進(jìn)出液體和氣體的方法即一根下進(jìn)上出，一根上進(jìn)下出，且出口直接留在處理室中，這樣能使汽化的氣體在冷處理室內(nèi)產(chǎn)生自攪動，從而使冷處理室在不安裝風(fēng)扇的情況下，室內(nèi)溫度也趨于均勻；本裝置采用計算機(jī)自動控制溫度變化速率及溫度值，根據(jù)不同的工藝要求設(shè)計溫度變化參數(shù)并輸入微機(jī)后，由微機(jī)自動控制整個處理加工過程；深低溫回火處理工藝技術(shù)采用液態(tài)氮作為制冷劑，刀具和材料在冷處理室容器內(nèi)，經(jīng)過50℃～100℃/小時的冷卻速度降溫至-100℃～-194℃的溫度，在此溫度下保冷10～20小時，再以50℃～100℃小時的升溫速度升溫至室溫，再進(jìn)行通常標(biāo)準(zhǔn)的熱/淬火、回火工序構(gòu)成深冷處理的全工藝過程，其工藝曲線如
圖10所示；在計算機(jī)的控制之下，冷處理室內(nèi)的溫度可按規(guī)定的時間下降、保溫、升溫，以滿足不同工具材料的處理工藝要求；計算機(jī)和打印機(jī)相連，可分別打印出設(shè)定與實際冷卻曲線，同時也可把得出的曲線儲存于機(jī)內(nèi)數(shù)據(jù)庫中；冷處理室采用盤管式制冷管以滿足室內(nèi)溫度場的均勻性；且處理室內(nèi)安裝有溫度傳感器，實現(xiàn)對室內(nèi)溫度值的采樣，以利于計算機(jī)更準(zhǔn)確的調(diào)節(jié)電磁閥的開啟，從而對冷處理室的溫度實現(xiàn)閉環(huán)控制。
本實用新型裝置的工作過程如下首先打開開關(guān)閥1、控制柜17，然后啟動計算機(jī)11，運行加工程序，裝置會通過控制柜17經(jīng)電磁閥控制線9開啟電磁閥20、21、22，于是，低溫液體就會在高壓氣體室23中高壓氣體的壓力下通過低溫液體輸送管輸送到盤管式制冷管4中開始制冷；同時，裝置對冷處理室內(nèi)溫度進(jìn)行采樣，并把測得的溫度值與設(shè)定的溫度值進(jìn)行比較，決定電磁閥21的開啟或關(guān)閉，從而控制冷卻速度及冷卻溫度，實現(xiàn)對冷處理室3內(nèi)溫度的閉環(huán)控制，達(dá)到工件深低溫處理加工的要求。
本深冷處理加工裝置的整體硬件及電路工作作用原理如下整個深冷處理加工裝置以高性能的微計算機(jī)(或PC總線工控機(jī))和多功能數(shù)據(jù)采集卡AR-B3202F(或PCL-818L等)為核心。微計算機(jī)或PC總線工控機(jī)主要用于實時控制測試過程、數(shù)據(jù)處理、存貯、查詢、統(tǒng)計分析和系統(tǒng)管理等；AR-B3202F或PCL-818F等高性能的多功能數(shù)據(jù)采集卡提供了A/D、D/A轉(zhuǎn)換，數(shù)字輸入輸出，可編程時間計數(shù)器/定時器，完成精確的數(shù)據(jù)采樣功能；調(diào)理電路對傳感器信號進(jìn)行放大；輸出電路為光電隔離的輸出控制電路，用于控制各電磁閥的開啟、關(guān)閉；溫度傳感器可采用熱電偶傳感器(如銅-康銅型的測量精度高；測量范圍寬，一般為-200℃～200℃；結(jié)構(gòu)簡單，使用方便)或熱電阻傳感器(它是利用半導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻率隨溫度變化而變化的原理制成的，一般金屬熱電阻傳感器測量溫度范圍為-200℃～+85℃)也可以選用集成溫度傳感器；其中，三個電磁閥用于控制增壓氣體和液氮的開啟，保證冷處理室的溫度按預(yù)定溫度曲線變化。
各電路原理圖的工作作用原理如下圖3為信號調(diào)理電路，IC1可選用自穩(wěn)零高精度ICL7650或OP07等運放芯片，后一級運放主要是完成反向功能，可選用CA3140。電位器W2用來調(diào)整放大倍數(shù)，可選用多圈精密電位器；圖4為電磁閥的控制電路原理圖。J代表電磁閥的電磁線圈(其中電磁閥可選用QF型針式節(jié)流閥)，它的通斷由計算機(jī)的輸出開關(guān)量控制。功率放大由晶體管T1和T2完成。并聯(lián)在J兩端的二極管D用來釋放當(dāng)線圈斷電時產(chǎn)生的反電壓。這種沖擊電壓對線路的干擾信號不會進(jìn)入計算機(jī)而影響其正常工作。裝置工作時，計算機(jī)通過I/O接口輸出高低電平控制J的接通與斷開。當(dāng)計算機(jī)輸出高電平時，光電耦合器G輸出為低電平，晶體管T1不導(dǎo)通、T2導(dǎo)通，J中有電流流過；當(dāng)計算機(jī)輸出為低電平時，G輸出為高電平，T1導(dǎo)通、T2截止，J被關(guān)斷。在關(guān)斷J的瞬間，存儲在線圈中的能量由J和二極管D構(gòu)成回路變成熱能消耗掉。
本實用新型裝置的軟件采用Visual C++6.00開發(fā)平臺，基于Window9x操作系統(tǒng)，整個軟件可分為四個部分主程序、數(shù)字濾波子程序、延時測溫子程序、溫度控制子程序、顯示打印加工過程曲線子程序，程序中也建立有數(shù)據(jù)庫，主程序流程圖如圖5所示；在計算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的輸入信號中，一般含有各種噪音和干擾，它們主要來自被測信號本身、傳感器或外界的干擾。為了提高信號的可靠性，減小虛假信號的影響，可采用軟件方法實現(xiàn)數(shù)字濾波。數(shù)字濾波程序，就是通過一定的計算或判斷來提高信噪比，它與硬件RC濾波器相比具有以下優(yōu)點(1)數(shù)字濾波是用程序?qū)崿F(xiàn)的，不需要增加任何硬件設(shè)備，也不存在阻抗匹配問題，可以多通道共用，不但可以節(jié)約資源，還可提高可靠性、穩(wěn)定性；(2)可以對頻率很低的信號實現(xiàn)濾波，而模擬RC電路受電容容量的限制，頻率不可能太低；(3)靈活性好，可以用不同的濾波程序?qū)崿F(xiàn)不同的濾波方法，或改變?yōu)V波器的參數(shù)；數(shù)字濾波的方法有多種，本程序采用程序判斷濾波；程序判斷濾波是根據(jù)經(jīng)驗，確定出兩次采樣的輸入信號可能出現(xiàn)的最大偏差ΔX，若超過此偏差值，則可表明輸入信號是干擾信號，應(yīng)該去掉；用上次采樣值作為本次采樣值；若小于、等于ΔX，表明沒有受到干擾，本次采樣值有效。由于在冷處理室中，溫度不可能在幾秒種內(nèi)發(fā)生很大的變化(比如數(shù)百度，也需視冷處理室的空間大小而定)。所以可從經(jīng)驗出發(fā)，定出一個最大可能的變化范圍，每次采樣都和上次采樣值比較，如果變化幅度不超過經(jīng)驗值，本次采樣有效；否則，視為無效丟棄，以上次為準(zhǔn)。數(shù)字濾波子程序流程圖見圖6所示；在本裝置中，溫度的變化是比較緩慢的，因此，軟件采用延時測溫子程序；即在溫度采樣程序中采用了延時。延時測溫子程序流程圖如圖7所示；通過溫度的實際測量值與設(shè)定值相比較(設(shè)設(shè)定值為ε)，其實際測量值為Δ，如果Δ＜ε，電磁閥21繼續(xù)開著；如果Δ＞ε，電磁閥21斷開(會稍稍超過設(shè)定值，即Δ會稍稍大于ε)；如果Δ=ε，延時保冷(實質(zhì)上還要重復(fù)上述過程——遞歸調(diào)用，即不斷地測量溫度與設(shè)定值相比較)；溫度控制子程序流程圖如圖8所示；顯示打印加工過程曲線子程序流程圖如圖9所示。
本實用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比有如下的優(yōu)點和有益效果(1)本實用新型裝置自動化程度高，操作簡單方便；(2)本實用新型裝置控制電路采用集成電路，使用壽命長、可靠性高；(3)本實用新型溫度場分布均勻且控制精確；(4)本實用新型耗氮量少，節(jié)約成本；(5)本實用新型加工工件范圍廣，用本實用新型加工無污染。
下面對說明書附圖進(jìn)一步說明如下
圖1是本微機(jī)控制深冷處理加工裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是其整體硬件電路方框圖；圖3是其信號調(diào)理電路原理圖；圖4是其電磁閥控制電路原理圖；圖5是本裝置控制程序主程序流程方框圖；圖6是數(shù)字濾波子程序流程方框圖；圖7是其延時測量子程序流程方框圖；圖8是其溫度控制子程序流程方框圖；圖9是本裝置顯示打印加工過程曲線子程序流程方框圖；
圖10是深冷處理加工工藝曲線圖。
本實用新型的實施方式可為如下(1)按
圖1所示，設(shè)計、加工制造或選購本裝置的各部件；例如開關(guān)閥1可選YQD-07型；安全閥19可選YQD-07型；冷處理室3、管接頭6、控制柜17、低溫液體貯存室18可選用金屬或合金鋼材料用普通用機(jī)加工方法加工制造而成；電磁閥20、21、22可選用QF型針式節(jié)流閥；高壓氣體室23可選耐高壓鋼材料沖壓形成，其它連接管、輸送管道可選用鋁合金屬加工制造，選購好各部件后，可按上面說明書所述的相互連接關(guān)系進(jìn)行安裝連接；(2)計算機(jī)可選用IBM PC系列微機(jī)或臺灣研祥工控機(jī)；顯示器及打印機(jī)可選用所選計算機(jī)配套的顯示器及打印機(jī)；多功能數(shù)據(jù)采集卡可選用AR-B3202F型或PCL-818L卡、溫度傳感器可選用銅-康銅型的熱電偶傳感器；溫度測量范圍可在-200℃～+200℃；若選用金屬熱電阻傳感器測量溫度范圍可選在-200℃～+85℃；也可選用集成溫度傳感器。選購好各部件后，可按圖2所示及上面說明書的連接關(guān)系進(jìn)行安裝連接；(3)按圖3、圖4所示繪制印制電路板、然后篩選元器件進(jìn)行安裝連接電路板，例如IC1可選自穩(wěn)零高精度運放集成件ICL7650或OP07等；IC2可選運放集成件CA3140；二極管D1、D2可選2KC44；G可選4N25；三極管T1、T2可選3DG6D型；(4)按圖5～圖9所示分別編制各軟件控制程序，并輸入微計算機(jī)存貯器存貯，以控制本深冷處理加工裝置；這樣便能較好地實施本實用新型。
權(quán)利要求1.一種微機(jī)控制深冷處理加工裝置，其特征在于它由開關(guān)閥(1)、送氣管(2)、冷處理室(3)、盤管式制冷管(4)、熱電偶(5)、管接頭(6)、排氣孔(7)、低溫液體輸送管(8)、電磁閥控制線(9)、微機(jī)與控制柜通信線(10)、計算機(jī)或工控機(jī)(11)、數(shù)據(jù)線(12)、顯示器(13)、鍵盤(14)、打印機(jī)(15)、電源線(16)、控制柜(17)、低溫液體貯存室(18)、安全閥(19)、電磁閥(20)、(21)、(22)、高壓氣體室(23)共同連接構(gòu)成，其相互位置及連接關(guān)系為高壓氣體室(23)通過開關(guān)閥(1)及送氣管(2)與電磁閥(22)相連接；開設(shè)有排氣孔(7)的冷處理室(3)通過管接頭(6)、低溫液體輸送管(8)與電磁閥(21)相連接；裝置于冷處理室(3)的熱電偶(5)通過控制線與控制柜(17)相電氣連接；控制柜(17)分別通過電磁閥控制線(9)分別與電磁閥(20)、(21)、(22)相電氣連接；計算機(jī)或工控機(jī)(11)通過通信線(10)與控制柜(17)相電氣連接；顯示器(13)、鍵盤(14)、打印機(jī)(15)通過數(shù)據(jù)線(12)相互電氣連接；顯示器(13)通過電源線(16)與控制柜(17)的電源相電氣連接；安全閥(19)裝于液體貯存室(18)；低溫液體貯存室(18)通過管接頭及管道分別與電磁閥(20)、(21)相連接；電磁閥(20)通過管道與電磁閥(22)相連接；本裝置硬件電路由溫度測量傳感器、信號調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換電路及多功能數(shù)據(jù)采集卡、計算機(jī)或工控機(jī)、電磁閥控制電路、顯示器及鍵盤、打印機(jī)共同電氣連接構(gòu)成，其相互位置及連接關(guān)系為信號調(diào)理電路分別通過溫度測量信號線、A/D轉(zhuǎn)換信號線分別與溫度測量傳感器、A/D轉(zhuǎn)換電路及多功能數(shù)據(jù)采集卡相電氣連接；微計算機(jī)或工控機(jī)分別通過數(shù)據(jù)線、電磁閥控制信號線、打印信號線、鍵盤信號線、顯示信號線分別與多功能數(shù)據(jù)采集卡、電磁閥控制電路、打印機(jī)、鍵盤、顯示器相電氣連接，電磁閥控制電路分別通過輸出信號線分別與電磁閥(20)、(21)、(22)相電氣連接；
專利摘要本實用新型是微機(jī)控制深冷處理加工裝置,它由開關(guān)閥、冷處理室、盤管式制冷管、熱電偶、微機(jī)或工控機(jī)、打印機(jī)、顯示器、鍵盤、控制柜、低溫液體貯存室、安全閥、電磁閥、高壓氣體室分別通過管道、管接頭、連接線共同連接構(gòu)成;其硬件電路由溫度測量傳感器、信號調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換電路及多功能數(shù)據(jù)采集卡、微機(jī)或工控機(jī)、電磁閥控制電路、顯示器、打印機(jī)、鍵盤、電磁閥通過各自信號線相互電氣連接。本裝置自動化程度高、操作簡單方便、使用壽命長、可靠性高、溫度場分布均勻且控制精確、耗氮量少、成本低、加工工件范圍廣、無污染。
文檔編號F25D31/00GK2463104SQ0121514
公開日2001年12月5日 申請日期2001年2月13日 優(yōu)先權(quán)日2001年2月13日
發(fā)明者李勇, 曾志新, 李偉光 申請人:華南理工大學(xué)