L前言

近年來，隨著國外先進設備和技術的引進，國產齒條的制造工藝日趨成熟，產品

質量有所提高，但同國外為條相比還有一定差距，主要表現為熱加工處理方面的差距。

熱加工技術是機械類各專業一門重要的綜合性技術學科。對于從事機械工程的技術人

員而言，無論是設計、制造等都必然要面對機械零件毛坯成型方法選擇，因此掌握熱

加工處理技術及方法是工程崗位要求的必要知識。而隨著科學技術的發展實現齒條熱

處理過程的自動控制成為人們研究的主要對象。齒條熱處理自動控制不僅可以提高加

工效率還可以提高加工精度，此外齒條熱處理自動控制過程的實現還可以降低勞動

力。

機電一休化技術應用于感應加熱設備制造是近十幾年伴隨著市場發展需求而誕生

的產物。在傳統的感應加熱設備制造中，由于生產規模、生產能力及行業專一性的限

制L造成了生產率低，加工精度低的現狀。所以研究齒條熱處理自動控制還是非常重

要的⑴。

金屬材料熱處理是改善材料性能的重要手段，處理的結果主要取決于熱處理過程

中的工藝條件，體現為熱處理過程的溫度-時間曲線，其關鍵就是熱處理過程溫度的

控制精度。本設計課題是對高頻爐沒有自動控溫設備而設計的。加熱爐沒有自動控溫

設備帶來的缺點是：控溫不準確、工人勞動量大、加熱時間掌握不準確、技術參數保

密性不好、不便于分散管理。基于這些問題我們利用現代控制技術、傳感器技術、單

片機等技術設計了一套對加熱爐控制實現自動控制的系統-熱處理爐自動控制系統。

2.齒條介紹

圖2.1齒條實物圖

齒條是汽車轉向系統中最重要的零件之一。齒條的熱處理是齒條制造過程中的關

鍵工序.加果熱處理的質量出現問題，齒條可能出現斷裂，行進的車輛就會完全失去

控制方向的能力，這時往往導致惡性的交通事故，甚至車毀人亡。因此，轉向器的制

造廠家都對齒條的熱處理給予高度的重視。齒條熱處理技術也隨著汽車工業的發展而

不斷地提高和完善⑵。

3.熱處理

3.1基本簡介

金屬熱處理是將金屬工件放在一定的介質中加熱到適宜的溫度，并在此溫度中保

持一定時間后，又以不同速度冷卻的一種工藝。

3.2發展歷程

在從石器時代進展到銅器時代和鐵器時代的過程中，熱處理的作用逐漸為人們所

認識。早在公元前770至前222年，中國人在生產實踐中就已發現，銅鐵的性能會因

溫度和加壓變形的影響而變化。白口鑄鐵的柔化處理就是制造農具的重要工藝。

公元前六世紀，鋼鐵兵那逐漸被采用，為了提高鋼的硬度，淬火工藝遂得到迅速

發展。中國河北省易縣燕下都出土的兩把劍和一把戟，其顯微組織中都有馬氏體存在,

說明是經過淬火的

隨著淬火技術的發展，人們逐漸發現淬冷劑對沙火質量的影響。三國蜀人蒲元曾

在今陜西斜谷為諸葛亮打制3000把刀，相傳是派人到成都取水淬火的。這說明中國

在古代就注意到不同水質的冷卻能力了，同時也注意了油和水的冷卻能力。中國出土

的西漢（公元前206?公元24）中山靖王墓中的寶劍，心部含碳量為0.15?0.4%,而表

面含碳量卻達0.6%以上，說明已應用了滲碳工藝。但當時作為個人“手藝”的秘密，

不肯外傳，因而發展很慢。

的化學成分，賦予或改善工件的使用性能。其特點是改善工件的內在質量，而這一般

不是肉眼所能看到的。

為使工件具有所需要的力學性能、物理性能和化學性能，除合理選用材料和各種

成形工藝外，熱處理工藝往往是必不可少的。鋼鐵是機械工業中應用最廣的材料，鋼

鐵顯微組織復雜，可以通過熱處理予以控制，所以鋼鐵的熱處理是金屬熱處理的主要

內容。另外，鋁、銅、鎂、鈦等及其合金也都可以通過熱處理改變其力學、物理和化

學性能，以獲得不同的使用性能。

3.4相關術語

3.4.1鐵素體

碳在a-Fe（體心立方結構的鐵）中的間隙固溶體（F）。

3?4.2奧氏體

碳在y-Fe（面心立方結構的鐵）中的間隙固溶體（A）。

3.4.3滲碳體

碳和鐵形成的穩定化合物（Fe3C）o

3.4.4珠光體

奧氏體緩冷共析分解的鐵素體和滲碳體的片層狀機械混合物。

3.5常見問題

3.5.1過熱

鋼被加熱到某一溫度，隨著奧氏體晶粒的長大，在粗大的奧氏體晶界上，發生了

化學成分的明顯變化（主要是硫的偏析），在冷卻時，或者在原始奧氏體晶界上保持

了硫的偏析，或者產生了第二相（主要是硫化物）質點的網狀沉積，導致晶界脆化,

使鋼的拉伸塑性和沖擊韌性明顯降低的現象。

3.5.2欠熱

淬火溫度偏低或冷卻不良則會在顯微組織中產生超過標準規定的托氏體組織，稱

為欠熱組織，它使硬度卜.降，耐磨性急劇降低，影響齒條的使用壽命。

3.5.3淬火裂紋

齒條在淬火冷卻過程中因內應力所形成的裂紋稱淬火裂紋。造成這種裂紋的原因

有：由于淬火加熱溫度過高或冷卻太急，熱應力和金屬質量體積變化時的組織應力大

于鋼材的抗斷裂強度；工作表面的原有缺陷（如表面微細裂紋或劃痕）或是鋼材內部

缺陷（如夾渣、嚴重的非金屬夾雜物、白點、縮孔殘余等）在淬火時形成應力集中、

嚴重的表面脫碳和碳化物偏析、零件淬火后回火不足或未及時回火、前面工序造成的

冷沖應力過大、鍛造折疊、深的車削刀痕、油溝尖銳棱角等。總之，造成淬火裂紋的

原因可能是上述因素的一種或多種，內應力的存在是形成淬火裂紋的主要原因。淬火

裂紋深而細長，斷口平直，破斷面無氧化色。

3.5.4熱處理變形

齒條在熱處理時，存在有熱應力和組織應力，這種內應力能相互疊加或部分抵消,

是復雜多變的，因為它能隨著加熱溫度、加熱速度、冷卻方式、冷卻速度、零件形狀

和大小的變化而變化，所以熱處理變形是難免的。認識和掌握它的變化規律可以使齒

條零件的變形置于可控的范圍，有利于生產的進行。當然在熱處理過程中的機械碰撞

也會使零件產生變形，但這種變形是可以用改進操作加以減少和避免的⑺。

3.5.5表面脫碳

齒條在熱處理過程中，如果是在氧化性介質中加熱，表面會發生氧化作用使零件

表面碳的質量分數減少，造成表面脫碳。表面脫碳層的深度超過最后加工的留量就會

使零件報廢。表面脫碳層深度的測定在金相檢驗中可用金相法和顯微硬度法。以表面

層顯微硬度分布曲線測量法為準，可做仲裁判據。

3.6齒條的技術要求

齒條的長度一般在4()()?之間，直徑在20?4()mm之間。齒條的材料通常

使用45鋼，也有廠家使用其他特殊的材料，以到達降低材料成本、提高齒條的力學性

能的目的。在齒條的齒部，淬火深度的要求一般為齒根以下0.1?1.5mm之間，在軸部,

一般為1?3mm。齒條表面淬火和回火后硬度要求在50?60HRC。另外，感應熱處理

后，齒條的油孔周圍不能有裂紋，齒部也不能有裂紋⑻。

3.7齒條的熱處理(齒條的主要成分為c45,屬于亞共析鋼。)

3.7.1定義

齒條的熱處理是指把齒條在固態下加熱、保溫、冷卻，通過以改變齒條的內部組

織結構從而獲得所需性能的熱加工工藝。

3.7.2熱加工工藝分類

根據加熱及冷卻方式的不同及鋼的組織.性能變化特點不同，熱處理工藝分類

退火

正火

普通熱處理

淬火

回火

熱處理感應加熱表面淬火

表面淬火＜火焰加熱表面淬火

激光加熱表面淬火

表面熱處理

滲碳

滲氮

表面化學熱處理

碳氮共滲

滲金屬等

圖3.3熱處理分類

3.7.3c45在加熱時的轉變

鋼的熱處理一般都要先把剛加熱獲得奧氏體，在以不同的冷卻方式冷卻。把剛

加熱獲得均勻奧氏體組織的過程稱作奧氏體化過程。

亞共析鋼奧氏體化過程分為兩步：首先是完成珠光體向奧氏體的轉變，其次，

是先共析相向奧氏體轉變。

影響奧氏體化的因素：

（1）加熱溫度的影響：加熱溫度越高則形成奧氏體的速度越快。

（2）加熱速度的影響：加熱速度越快，珠光體向奧氏體轉變的溫度越高，轉變的

溫度范圍加大。

（3）合金元素的影響：合金元素改變鋼的臨界點。例如Ni,Mno

（4）鋼的原始組織的影響：單位體積內片層狀的滲碳體比球狀滲碳體的表面面積

大，，因此界面處的形核率就大，有利于奧氏體的形成。

3.7.4c45在冷卻時組織轉變

加熱的目的是為了獲得晶粒細小.化學成分均勻的奧氏體，冷卻的目的是為了獲

得一定組織以滿足所需的性能要求，因此，冷卻往往是鋼熱處理的關鍵。

等溫冷卻轉變：把加熱冷卻得到的奧氏體迅速冷卻到臨界點以下的某一溫度，并

在此溫度停留足夠時間使過冷奧氏體完成轉變。

3.7.5鋼的正火與退火

鋼的退火和正火的熱處理工藝，主要用于鑄、鍛、焊毛坯的熱處理，改善毛坯

機械加工性能，去除內應力，并可為最終熱處理做組織準備，也可作為性能要求不高

的機械零件的最終熱處理。

(1)退火:把鋼加熱到一定溫度，保溫一定時間，然后緩冷的熱處理工藝叫退火

①完全退火：把鋼件加熱到AC3+30?50,保溫一段時間后隨爐緩冷，其目的是獲

得近似平衡組織，降低鋼的硬度，消除內應力，有利于切削加工。完全退火主要用于

亞共析鋼的鑄.鍛.焊件或型材毛坯料加。

②等溫退火：等溫退火是將亞共析鋼加熱到Ac3+3()?5(),保溫后快冷到一定溫度,

并在此溫度停留，將相變完成后出爐空冷。等溫退火的目的和完全退火一致，但等溫

退火比完全退火可大大縮短時間，提高生產率，而且在等溫條件下完成轉變后的組織

也比較均勻。

③擴散退火：擴散退火是將工件加熱到低于固相線的高溫，長時間保溫，促使原

子擴散，隨后緩冷，以消除晶內偏析等成分不均勻現象。

④去應力退火：去應力退火是將鋼件加熱到A1溫度以下某一溫度，保溫一定時間，

然后隨爐緩冷到2()0-3()()C出爐。其主要目的是消除鑄、鍛、焊件的內應力，穩定尺

寸，減少變形。

⑤球化退火(不完全退火)：球化退火主要用于共析鋼和過共析鋼，其目的是使

鋼中的滲碳體球狀化。其工藝是把鋼加熱到稍高于Acl的溫度，充分保溫，使二次滲

碳體球化，然后隨爐緩冷，使鋼在Ari溫度溫度珠光體中形成的滲碳體球，或略低于

Ari的溫度下充分保溫，使已形成的珠光體中的滲碳體球化，然后出爐冷卻。

(2)正火：將鋼加熱到Ac3+3。到5(),保溫一定時間，然后空冷的熱處埋.1：藝稱

為正火。正火主要作為低中碳鋼的預備熱處理，以決得合適的硬度，利于切削加工，

也為淬火做組織準備。

主要應用于以下幾個方面：

①作為低中碳鋼件的預備熱處理，以獲得合適的硬度，利用切削加工，也為淬火

做組織準備。

②用于過亞共析鋼，抑制二次滲碳體以網狀形式析出或過多析出，為球化退火獲

得球狀珠光體做組織準備。

③用于普通結構零件的最終熱處理

(3)退火和正火的區別：冷卻速度不同，正火冷速較大，得到珠光體組織細，因

而強度硬度也較高；正火比退火生產周期短，設備利用率高，工藝操作簡單，比較經

濟。因此，在可能條件下盡量選擇正火。

(4)正火、退火的使用原則

①正火后，強度、硬度稍高，對于要求不太高的零件，可以正火作為其最終熱處

理。

②若零件尺寸較大或形狀較復雜，正火可能會使零件產生較大的內應力和變形，

甚至開裂，這種情況下應選用退火。

③正火比退火生產周期短，設備利用率高，工藝操作簡便，比較經濟。因此在可

能條件小應盡量選用正火。

3.7.6鋼的淬火和回火

⑴鋼的淬火

①定義：將鋼加熱到Ac3+3O到50,保溫一定時間。然后迅速冷卻獲得馬氏體組

織的熱處理工藝叫做淬火。淬火主要是為了獲得馬氏休組織，以提高鋼的硬度和耐磨

性，它是鋼的最重要的強化方法

②淬火加熱：加熱的目的是為了獲得細小而均勻的奧氏體，以便淬火后獲得細小

而均勻的馬氏體，這樣的馬氏體性能更好。

亞共析鋼的加熱溫度為：Ac3+3O到50。

③淬火冷卻；要保證淬火既能獲得馬氏體，又能減小鋼件淬火變形.防止開裂，就

必須合理選擇淬火冷卻介質和淬火冷卻方法。常用的淬火介質有水、水溶性鹽類和堿

類.有機物水溶液、以及油、鹽浴空氣等。水和油最為常用。

④淬火方法：

單液淬火是指將加熱的鋼件投入到一種淬火介質中連續冷卻至室溫的操作方法，

如通常采用的碳鋼件淬水.合金鋼件淬油的淬火方法。此法的優點是操作簡單，容易

實現機械化.自動化，水淬容易發生工件的開裂、變形。而油淬有時會發生淬不硬或

硬度不均勻等現象

局部淬火法：只對鋼件需要硬化的局部進行淬火。變形相對較小。

此外還有分級淬火法.等溫淬火法和雙液淬火法。

⑵鋼的回火

①定義：把淬火鋼重新加熱到A1以下某一溫度，保溫一定時間，然后冷卻的熱處

理工藝。

②回火的目的：

1.降低淬火鋼的脆性，減少或消除內應力.防止工件變形和開裂。

2.使不穩定的組織趨于穩定，以穩定工件的形狀尺寸精度。

3.獲得所要求的組織和性能。淬火鋼在回火時，隨著回火溫度的提高，可依次獲

得回火馬氏體、回火屈氏體、回火索氏體等組織，它們各具性能特征，可以滿足不同

的使用性能要求。

③回火時的組織轉變

1.馬氏體分解

2.參與奧氏體的分解

3.碳化物的轉變

4.滲碳體的聚集長大

④回火過程中的性能變化：隨回火溫度升高，強度和硬度下降，塑性和韌性上升。

⑤回火的種類

1.低溫回火:溫度為150~250℃

2.中溫回火：溫度為350~500℃

3.高溫回火：溫度為500?650,c45硬度要求為HRC22~34.因為調質的目的是得

到綜合機械性能，所以硬度范圍比較寬。一般溫度低硬度就高，溫度高硬度就相對低,

關于回火保溫時間，視硬度要求和工件大小而定，一般認為，回火后的硬度取決于回

火溫度，與回火時間關系不大，但必須回透，一般.1：件回火溫度總保持在一小時以上。

⑥回火脆性：淬火鋼的韌性并不是隨著回火溫度的上升而提高的，在某些回火溫

度范圍回火時，淬火鋼出現沖擊韌性顯著下降的現象稱為“回火脆性”。

1.第一類回火脆性：淬火鋼在250~350℃時出現的脆性稱為第一回火脆性，幾乎

所有淬火后形成的馬氏體的鋼在該溫度范圍內回火時，都程度不同的產生這種脆性。

目前尚無辦法完全消除這種回火脆性，因此一般都不在這個范圍內回火。.

2.第二類回火脆性：淬火鋼在500?650c范圍內回火出現的脆性稱為第二類回火

脆性，也叫高溫回火脆性。當淬火鋼在上述溫度范圍內回火并以緩慢的速度冷卻時，

便發生明顯的脆性，但回火后采取速度冷卻時，脆性的發生就會受到抑制或消失。

3.7.7鋼的表面淬火

要求鋼的表面具有較高的強度、硬度耐磨性和疲勞強度，而心部在保持一定強度

和硬度下，具有足夠的塑性和韌性。

(1)定義：鋼的表面淬火是指不改變鋼的化學成分及心部組織的情況下，利用快

速加熱將表面層奧氏體化后進行淬火，以強化表面的熱處理方法。

(2)表面淬火的方法：感應加熱表面淬火、火焰加熱表面淬火、鹽浴快速加熱表

面淬火、電接觸加熱表面淬火以及激光加熱表面淬火。而齒條熱處理過程中最常用的

是感應加熱表面淬火。

(3)感應加熱表面淬火:感應加熱表面淬火是根據電磁感應原理，將工件置于通

有一定頻率交流電的感應線圈中，在交變磁場作用下，使工件表層形成大的感應電流,

從而將工件表面迅速加熱奧氏體化，然后快速淬火冷卻的表面淬火工藝操作。

圖3.4感應加熱表面淬火示意圖

①基本原理

電磁感應

把工件放入空心銅管繞成的感應器線圈中，感應器中通入一定頻率的交流電以產

生交變磁場，由于電磁感應就會在工件內產生頻率相同、方向相反的感生電流。這種

感生電流會產生渦流和磁滯損耗而使工件發熱，而且是不均勻分布，主要集中在表面

層。

傳感器

為防止齒條不應淬火部位被加熱，可用銅環軟磁材料制成的磁短路環屏蔽其感應

器電流產生的磁力線穿過銅環而產生渦流，渦流產生的磁力線與傳感器電流產生的磁

力線方向相反，從而防止不應淬火處被加熱。放置磁短路環時，傳感器逸散的磁力線

優先通過磁短路環，可防止磁力線通過不應淬火的部位，使這里不至被加熱川。

②齒條加熱方法

連續加熱法：使感應器與.匚件相對運動，使工件表面依次加熱淬火。

③加熱過程

將齒條放在有交變電流的感應線圈里，齒條沒有與感應線圈直接接觸，通電線圈

溫度本身很低，但是只要調節頻率的大小和電流的強弱就能實現齒條不同的加熱溫

度，需要注意的是齒條加熱過程中要旋轉運動以保證齒條均勻加熱從而獲得良好綜合

力學性能。而齒條熱處理.自動控制過程則通過在感應線圈上安裝溫度傳感器，通過計

算機上溫度傳感器的溫度變化來調節加熱溫度。

④感應加熱頻率的選擇：感應加熱的深度，主要取決于交流電的頻率，交流電

頻率越高，感應加熱深度越淺。因此在生產中根據鋼件表面淬硬層深度要求應選用合

適的感應加熱設備。

高頻感應加熱：它是應用最廣泛的表面淬火法。常用頻率為200-300KHZ,淬硬層

深度一般為0.5-2.0mm,適用于中小模數的齒輪及中小尺寸的軸類等的表面淬火。

中頻感應淬火：它的電源配置為中頻發電機晶閘管中頻發生器，常用頻率為

2500HZ-8000HZ,淬硬層深度為2-10mm,適用于較大尺寸的他類件和大模數齒輪的

單齒表面淬火等。

中頻感應加熱：電流頻率為50Hz,不需要變頻設備，淬硬層深度可達IO-15mm,

適用于較大直徑零件的穿透加熱及大直徑零件等表面淬火。

（4）感應加熱表面淬火的特點

①感應加熱速度快。由于加熱速度快，是鐵碳等原子的擴散運動來不及充分進行,

致使珠光體轉變成奧氏體的溫度升高，轉變溫度范圍擴大，因此感應加熱表面淬火溫

度為Ac3+(80-150),比普通淬火溫度高。

②加熱時間短。僅在數秒內完成，因此奧氏體晶粒細小均勻，淬火后可獲得細小

的針狀馬氏體或隱針馬氏體。這種組織比普通淬火獲得的馬氏體硬度稍高，脆性較低。

又因為只有表層是馬氏體，其比容較大，使鋼件表面產生殘留壓應力，可部分抵消在

循環載荷作用小產生的壓應力，從而提高疲勞強度。

③加熱速度快、時間短。因此鋼件表面不易氧化、脫碳。且鋼件心部無組織變化,

因此鋼件淬火變形小。

④勞動條件好、生產率高，容易實現機械化、自動化。

⑤感應加熱表面淬火件應進行低溫回火或自回火。

但感應加熱表面淬火工藝的應用也需考慮以下問題：其設備較貴，安裝、調試、

維修的技術要求較高；對于形狀復雜的零件，感應器的設計制造困難，且不適用于單

件及小批量的產品⑸。

⑸感應加熱表面淬火件的技術條件

①表面硬度對于不同的材料在不同條件下工作的零件，要求具有不同的表面硬

度。而對于c45來說，當耐磨性要求較高時，表面硬度約為55-63HRC,當強度和韌

性要求較高時，表面硬度約為45-5XHRC。

②淬硬層深度一般來說，增加淬硬層深度可延長鋼件的耐磨壽命，但使塑性、

韌性降低，增加了脆性破壞傾向。因此，確定淬硬層深度時，除考慮耐磨性外，還應

考慮冬件的綜合力學性能，使之兼有足夠的強度、韌性和疲勞強度。

③預先熱處理表面淬火前的預先熱處理，不僅是為保證表面淬火質量做好組織

準備，也是為保證心部的力學性能所必須。對結構鋼制零件而言，預先熱處理常采用

調質和正火，對于性能要求較高的重要零件，要選用調質，一般要求的可選用正火。

4.感應加熱設備-一高頻爐

4.1高頻爐簡介

圖4.1為加熱裝置-一高頻爐，高頻淬火可以實現機械化。自動化提高生產率，改

善操作者的勞動環境。

圖4.1加熱裝置-一高頻爐

4.2高頻爐的工作原理

高頻爐的高頻電流流向被繞制成環狀或其他形狀的加熱線圈。由此在線圈內產

生極性瞬間變化的強磁束，將金屬被加熱物體放置在線圈內，磁束就會貫通于整個加

熱物體，在被加熱物體的內部與加熱電流相反的方向，就會產生相對應的很大的渦電

流。由于被加熱物體內存在著電阻，所以會產生很大的焦耳熱，使物體自身的溫度迅

速上升。達到對所有金屬材料加熱的目的⑹。

4.3高頻爐的用途

①各種硬質合金刀具、金剛石鉆頭的焊接。

②各種機械零部件盤類、軸類、機床導軌等表面淬火。

③各種圓鋼、棒料的透熱鍛造。

④各種線材在線退火。

4.4高頻爐的使用方法

①嚴格按正確開機方法開機：先裝好合適的感應器，先通水，后通電。

②通電后，按下面板指示燈開關，等面板指示燈亮；交流接觸器吸合即可對工件

進行加熱。

③等工作結束時，一定要先關電，后關水。

4.5高頻爐的加熱方式

高頻爐的加熱方式是通過電子管震蕩電路產生高頻電磁場，然后加到樣品之上，

對樣品進行感應，產生渦電流，從而產生焦耳熱，使樣品迅速升溫融化，所以稱為高

頻感應爐。

高頻感應爐是一種先進的加熱設備，因為只有在樣品燃燒時才有高頻功率輸出，

燃燒完成后，高頻感應即停止。高頻爐在啟動后不需要預熱時間，可隨時對樣品進行

分析。

4.6高頻爐的優缺點

(1)高頻爐的優點是對樣品的適應性強.燃燒性能穩定，操作方便.自動化程度

局?

(2)高頻爐的缺點是工作時產生大量的高頻輜射，對人體的心腦血管以及生殖

系統造成危害，使用時要做好防護措施。

5.熱處理溫度控制系統設計

5.1熱處理爐溫度控制的意義

（1）金屬材料熱處理是改善材料性能的重要手段，處理的結果主要取決于熱處

理過程中的工藝條件。體現為熱處理過程的溫度-時間曲線，其關鍵就是熱處理過程

中溫度的控制精度。

（2）熱處理的效果直接影響到材料的各種機械性能。金屬材料的性能不但與金

屬材料的化學成分有關，也與金屬材料的內部組織結構有關。對于同一種金屬材料，

通過不同的熱處理加工工藝處理后，材料的內部組織結構是完全不一樣的，所獲得的

材料性能也就完全不一樣。例如，把c45加熱到（840-860）℃,保溫一定時間后，有

的在NACL水溶液中冷卻，有的在空氣中冷卻，有的隨爐緩冷，則得到的硬度就不同,

水冷的硬度最高，空氣其次，緩冷硬度最低。這是不同的冷卻方式，所得到的內部組

織不一樣的緣故。由此可以看出，除化學成分外，金屬的內部組織和組織狀態也是決

定金屬材料性能的重要因素，同時也可以看出熱處理的重要性。

5.2單片機溫度控制

隨著集成電路技術的發展，單片微型計算機的功能也不斷增強，許多高性能的

新型機種也不斷涌現出來。單片機以其功能強、體積小、可靠性高、造價低和開發周

期短等優點，成為自動化和各個測控領域中廣泛應用的器件，在工業生產中必不可少

的器件，尤其是日常生活中發揮的作用也越來越大。

在溫度控制系統中，單片機更是起到了不可替代的作用。在工業生產中如：用于

熱處理的加熱爐、用于熔化金屬的地崩電阻爐等，在日常生活中如：熱水器、電熱毯

等，都用到了電阻加熱原理。隨著生產的發展，在工業中上述熱備對溫度的控制越來

越高，隨著人們生活水平的提高，對日常用新的自動化也提出了更高的要求，單片機

的不斷更新換代，滿足了上述的要求，達到了自動控制得目的。

本溫度控制系統的對象時一熱處理爐，針對工業生產，要求所設計的系統具有

軟硬件結構簡單、成本低廉、可靠性高等特點，設計了本系統。

5.3設計的主要內容

該系統的測量與控制程序分為兩部分：一是主程序，二是中斷服務程序。

主程序主要完成各種初始化工作，設置各類初始狀態，然后等待中斷，當中斷發

生時，進入中斷服務程序，當完成中斷服務之后，在返回主程序等待下一次中斷，等

待下一次A/D變換和數據處理。

中斷服務程序的任務是啟動A/D變換，并對原始數據進行處理，由數字控制計算

出調節量，將D/A控制信號送至調節機構，對系統進行調節。

為了便于設計和調節及功能擴充，系統程序采用結構化和模塊化設計方法，可根

據系統的要求及程序的結構特點，將整個程序分為若干個功能模塊⑼。

5.4主程序設計

主程序是整個程序的一條主線。復位后系統首先進入主程序，主程序一般放在o

單元開始的ROM中，他的任務是識別命令.解釋命令并獲得完成該命令的相應模塊的

入口。該模塊的功能是設置各接口片子的工作方式.中斷方式.中斷矢量.開中斷以及

存放采樣數據的首地址和標志單元等，每次采樣后送一次顯示數據。即可更新顯示內

容，主程序在響應完中斷之后便返回主程序，等待工個采樣周期的到來。主程序包括

初始化模塊.自診斷模塊。如下圖5.1所示：

開始

初始化

異常

自診斷----\出錯處理

----------—―-------------1/J

正常工L、、

粉"人工操作~

設中斷方式

口

取值設定

4/

,口、

開中斷

口

圖5.1主程序模塊圖

5.5初始化程序設計

系統投入運行的是最初時刻，應對系統進行自檢和初始化。開機初始化，包括硬

件初始化和軟件初始化兩個方面。硬件初始化指對系統的各個硬件資源設置明確的初

始狀態，如對各個I/O端口設置初始狀態，為系統硬件資源分配任務等。軟件的初始

化包括終端的安排、堆棧的初始化、變量的初始化、各種標志的初始化、系統時鐘的

初始化、各種變量存儲單元的初始化、系統參數單元的初始化等。堆棧初始化是系統

復位后，首先在用戶RAM中確定一個堆棧程序，并采用向上的堆棧結構，由堆棧指

示器SP進行處理系統參數初始化是指系統的整定參數.上下報警值.數據采集子系統

及數據分配子系統的數據初始化等。如下圖4.2所示

設8059工作方式

返回

圖5.2初始叱設計方框圖

5.6自診斷程序設計

自診斷和故障監控是微機自動檢測系統應具有的基本功能之一。也是提供系統可

靠性和可維護性的重要手段之一。這里的自診斷是開機自診斷，每當電源接通和復位

后?，系統進行一次自診斷，主要是檢查硬件電路是否正常，有關插件是否插入等，以

專用的自檢程序進行自檢，用于發現固定性的硬件和軟件故障。硬件自檢是指對系統

中硬設備功能的檢查，主要是CPU.存儲器和外圍設備，軟件自檢則對系統中ROM

或磁盤中所存放的軟件檢驗。無論是硬件檢測還是軟件檢測都是CPU依靠自檢測軟

件來實現的

系統在上電復位后，程序從000()上開始執行，首先進入系統初始化模塊，接著

程序執行自診斷模塊，椅杳硬件電路和軟件部分是否iF常。在本程序中，先設置一測

試數據，由D/A電路轉換成模擬量，輸出，在從多路開關IN4通道輸入，經放大和

A/D轉換后送入主機電路，通過換算判斷該數據與原設置值之差是否在允許范圍內，

若超出這一范圍，表示儀器異常.給予報警，以便及時做出處理，同時自診斷程序還

檢測儀器和軟件模塊的功能是否符合預定的要求。若診斷結果正常，程序便進入下一

個模塊。

5.7中斷服務程序設計

中斷服務程序設計包括A/D轉換中斷程序、時鐘中斷程序和掉電中斷程序。A/D

轉換中斷程序的任務是采入多路數據，始終中斷程序確定采樣周期，并完成數據處理.

運算和輸出等一系列功能。要編寫中斷服務程序必須確定輸入輸出接口的器件選擇和

地址分配

5.8監測程序控制系統

現在的感應熱處理裝置普遍的采用了可編程序控制器(PLC)與數控系統，有的

還安裝了監控器，采用計算機，可編程序控制器的控制系統可以按照設定的程序控制

工藝參數。包括加熱功率.掃描速度.持續時間等。可在可調的頁面主菜單上輸入數據,

具有編程簡單.易丁修改.操作方便.同時可以儲存多種加工程序等優點。

檢測系統是利用先進的檢測系統實現電源功率.感應加熱時間.加熱溫度等參數

的實時控制。數控系統還可以在顯示屏上以圖表形式顯示工藝參數。的

總結

隨著畢業日子的到來，畢業設計也接近了尾聲。經過幾周的奮戰我的畢業設計終

于完成了。在沒有做畢業設計以前覺得畢業設計只是對這兒年來所學知識的單純總

結，但是通過這次做畢業設計發現自己的看法有點太片而。畢業設計不僅是對前面所

學知識的一種檢驗，而且也是對自己能力的一種提高。通過這次畢.業設計使我明白了

自己原來知識還比較欠缺。自己要學習的東西還太多，以前老是覺得自己什么東西都

會，什么東西都懂，有點眼高手低。通過這次畢業設計，我才明白學習是一個長期積

累的過程，在以后的工作、生活中都應該不斷的學習，努力提高自己知識和綜合素質。

在這次畢業設計中也使我們的同學關系更進一步了，同學之間互相幫助，有什么

不懂的大家在一起商量，聽聽不同的看法對我們更好的理解知識，所以在這里非常感

謝幫助我的同學。

總之，不管學會的還是學不會的的確覺得困難比較多，真是萬事開頭難，不知道

如何入手。最后終于做完了有種如釋重負的感覺。此外，還得出一個結論：知識必須

通過應用才能實現其價值!有些東西以為學會了，但真正到用的時候才發現是兩回事,

所以我認為只有到真正會用的時候才是真的學會了。

在此要感謝我的指導老師郭老師對我悉心的指導，感謝老師給我的幫助。在設計

過程中，我通過查閱大量有關資料，與同學交流經驗和自學，并向老師請教等方式，

使自己學到了不少知識，也經歷了不少艱辛，但收獲同樣巨大。在整個設計中我懂得

了許多東西，也培養了我獨立工作的能力，樹立了對自己工作能力的信心，相信會對

今后的學習工作生活有非常重要的影響。而且大大提高了動手的能力，使我充分體會

到了在創造過程中探索的艱難和成功時的喜悅。雖然這個設計做的也不太好，但是在

設計過程中所學到的東西是這次畢業設計的最大收獲和財富，使我終身受益。推薦閱

讀：大學四年就會在這最后的畢業設計總結劃上一個圓滿的句號。我曾經以為時間是

一個不快不慢的東西，但現在我感到時間過的是多么的飛快，四年了，感覺就在一眨

眼之間結束了我的大學生涯。畢業，最重要的一個過程，最能把理論知識運用到實踐

當中的過程就數畢業設計了。這也是我們從一個學生走向社會的一個轉折。另一個生

命歷程的開始。畢業設計的這半個學期，我學到了很多，也成熟了很多。我現在將我

的過程以及所學到的總結如下：

我選擇的畢業設計題目是齒條熱處理自動控制。由于我對熱處理這方面不是很了

解，所以剛拿到畢業題目時我有擔心，但后來通過我對熱處理的學習，還是找到了一

點頭緒。我的畢業設計課題主要的步驟是：

（1）在網上或圖書館收集一些資料。例如CNK1網站。

（2）了解齒條材料組成及其性能。

（3）了解齒條熱加工和冷卻設備的使用方法和注意事項。

（4）學習單片機軟件。

（5）用單片機編程軟件實現齒條熱處理自動控制。

（6）用plc模擬齒條熱處理自動控制過程。

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[14]ImplementationofNewSelf-TuningFuzzyPIDControlleronPLC[J].

Author：OnurKARASAKAL,MujdeGUZELKAYA.TurkJElecEngin

[15]ANALOGDEVICESINC.Design-inReferenceManual[MJ,1994

致謝

附錄一：自動控制程序

orgOOOOh;主程序

1jmpmain;主程序轉到main處

org0013h;外部中斷1的中斷服務程序

1jmpinterl;中斷服務程序轉至interl處

org0003h;外部中斷0的中斷服務程序

1jmpinterO;中斷服務程序轉至interO處

org2000h

main:movr6,#0ah;外循環10次

1oop1:movr7,#0ah;內循環10次

;開始A->D的轉換，輸入數據

loop2：setbitl;觸發方式邊沿

sctbca;CPU開中斷

setbexl;允許外部中斷1中斷

movdptr,#OfeOOh;送入口地址，并指向INO

loop2:movx@cptr,a;啟動A/D轉換器

sjmp$;等待中斷

；單片機處理數據

mova,r3;1、輸入的動態數據存入累加器中；并且先假設一個數；

movr