某工模具热处理车间热处理工艺自动控制系统的硬件设计
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摘要
工模具的生产和使用，是衡量一个国家工业水平的标志，它在基础工业中占有重要地
位。当前，我国冶金、电子、轻工、机械制造等行业中，工模具的使用量大面广。随着国
民经济的发展，各行各业对工模具品种、规格、使用寿命的要求也越来越高，因此提高工
模具的性能和质量已成为人们普遍关注的大事。
要提高工模具的性能和质量，可以从合理选材、改进热处理设备与工艺，以及改善机
械加工等方面着手。
从当前我国大多数工模具热处理车间的实际情况来看，影响工模具热处理质量的主要
因素是工艺参数的控制手段太落后，大多数还处于手动控制阶段，受人为因素影响明显，
随意性大，控制误差偏高，质量不稳定。某些车间，虽然有微机控温的炉子，但也仅限于
单台控制。至于对整个车间各炉子的整体控制，我们目前尚未见到报道。因此，我们从这
一实际出发，提出《工模具热处理车间热处理工艺自动控制系统的硬件设计》，作为我们的
学位论文课题。
本研究提出了一个车间级的工模具热处理工艺控制的完整的硬件系统，它与相应的软
件系统配合，可以在车间中央监控室，对分布在车间（不限于同一车间）的各种浴炉、箱
式炉等热处理设备，进行集中监控。这样不但提高了单台设备的自动化程度，更重要的是
提高了整个车间的自动化程度，对于发掘整个车间设备的潜力，提高车间的整体效率，有
重要意义。
本研究着重解决了整个车间工艺参数的采集、多路模拟量的模数转换、数模转换、执
行器等器件的选择与设计，这些器件相互之间以及它们与CPU之间的接口电路的设计。整
个系统，根据所选车间的炉子情况，共计32路输入、18路输出。同时还考虑留有相应的
接口，只要适当添置相关部件，就可以对系统进行扩展，做到更多路数的控制，使它具有
良好的灵活性与通用性，从而使本系统具有较大的推广价值。
Tool occupies a very important position in the basic industry, its manufacture and
application is a characteristic of a nation industrial level. Nowadays, tool is used mostly and
widely in metallurgicaL electric and machine manufacture industries and so on. However, with
the development of the national economy, more quality and specification and longer service of
tool are required. As a result, most people are concerned about how to improve the performance
and quality of tool, such as selecting sound material improving heat treatment equipment and
procedure and ameliorating machine processing.
From the point view of the current condition in most of our nation抯 tool heat treatment
workshop~ the main effect factors of tool heat treatment quality are poor means of process
parameters control mostly under manual-controlled stages obvious effect by man-caused factors,
high control error and unstable quality. Although the furnace temperature of some workshop is
controlled by separate microcomputer~ it is not reported that all furnaces in a workshop are
integrate controlled. On the base of the fact, the Heat Treatment Process Auto-control System
Hardware Design of Tool Heat Treatment Workshop is proposed.
In this papers an integrated hardware system of tool heat treatment process control of
workshop level is put forward, the system with corresponding software system can concentrative
control all kinds of heat treatment equipments (not localizing in one workshop) such as bath
furnaces and box furnaces in a workshop center control-room. Not only the automation degree of
single equipment is raised, but the automation degree of the whole workshop is also raised. It has
an important significance for unearthing the potentiality and the raising the efficiency of the
whole workshop equipments.
This article focus on the unit choices and designs of the whole workshop such as data
collection of procedure parameters analog-digital converters digital-to-analog converter and
actuator. The designs of interface electric circuit between those units and between those with
CPU are also studied. According to the conditions of selective workshop there are totaled
32-line-input and 18-line-output for the whole system. The system can be extended only by
correctively adding correspondence equipments to control more lines under considering leaving
more interface, which makes it more flexible and universal. In a conclusions the system is worth
of generalization and application in a workshop.
位。当前，我国冶金、电子、轻工、机械制造等行业中，工模具的使用量大面广。随着国
民经济的发展，各行各业对工模具品种、规格、使用寿命的要求也越来越高，因此提高工
模具的性能和质量已成为人们普遍关注的大事。
要提高工模具的性能和质量，可以从合理选材、改进热处理设备与工艺，以及改善机
械加工等方面着手。
从当前我国大多数工模具热处理车间的实际情况来看，影响工模具热处理质量的主要
因素是工艺参数的控制手段太落后，大多数还处于手动控制阶段，受人为因素影响明显，
随意性大，控制误差偏高，质量不稳定。某些车间，虽然有微机控温的炉子，但也仅限于
单台控制。至于对整个车间各炉子的整体控制，我们目前尚未见到报道。因此，我们从这
一实际出发，提出《工模具热处理车间热处理工艺自动控制系统的硬件设计》，作为我们的
学位论文课题。
本研究提出了一个车间级的工模具热处理工艺控制的完整的硬件系统，它与相应的软
件系统配合，可以在车间中央监控室，对分布在车间（不限于同一车间）的各种浴炉、箱
式炉等热处理设备，进行集中监控。这样不但提高了单台设备的自动化程度，更重要的是
提高了整个车间的自动化程度，对于发掘整个车间设备的潜力，提高车间的整体效率，有
重要意义。
本研究着重解决了整个车间工艺参数的采集、多路模拟量的模数转换、数模转换、执
行器等器件的选择与设计，这些器件相互之间以及它们与CPU之间的接口电路的设计。整
个系统，根据所选车间的炉子情况，共计32路输入、18路输出。同时还考虑留有相应的
接口，只要适当添置相关部件，就可以对系统进行扩展，做到更多路数的控制，使它具有
良好的灵活性与通用性，从而使本系统具有较大的推广价值。
Tool occupies a very important position in the basic industry, its manufacture and
application is a characteristic of a nation industrial level. Nowadays, tool is used mostly and
widely in metallurgicaL electric and machine manufacture industries and so on. However, with
the development of the national economy, more quality and specification and longer service of
tool are required. As a result, most people are concerned about how to improve the performance
and quality of tool, such as selecting sound material improving heat treatment equipment and
procedure and ameliorating machine processing.
From the point view of the current condition in most of our nation抯 tool heat treatment
workshop~ the main effect factors of tool heat treatment quality are poor means of process
parameters control mostly under manual-controlled stages obvious effect by man-caused factors,
high control error and unstable quality. Although the furnace temperature of some workshop is
controlled by separate microcomputer~ it is not reported that all furnaces in a workshop are
integrate controlled. On the base of the fact, the Heat Treatment Process Auto-control System
Hardware Design of Tool Heat Treatment Workshop is proposed.
In this papers an integrated hardware system of tool heat treatment process control of
workshop level is put forward, the system with corresponding software system can concentrative
control all kinds of heat treatment equipments (not localizing in one workshop) such as bath
furnaces and box furnaces in a workshop center control-room. Not only the automation degree of
single equipment is raised, but the automation degree of the whole workshop is also raised. It has
an important significance for unearthing the potentiality and the raising the efficiency of the
whole workshop equipments.
This article focus on the unit choices and designs of the whole workshop such as data
collection of procedure parameters analog-digital converters digital-to-analog converter and
actuator. The designs of interface electric circuit between those units and between those with
CPU are also studied. According to the conditions of selective workshop there are totaled
32-line-input and 18-line-output for the whole system. The system can be extended only by
correctively adding correspondence equipments to control more lines under considering leaving
more interface, which makes it more flexible and universal. In a conclusions the system is worth
of generalization and application in a workshop.
引文
[1] 雷廷权，201O年中国的热处理，金属热处理，1999． 12，P1
[2] 雷廷权等，热处理工艺方法300种(修订版)，机械工业出版社，1993
[3] 安运铮，热处理工艺学，机械工业出版社，1995，P1
[4] 束德林，我国常规热处理发展历程及其思考，金属热处理，1999． 9，P1
[5] 朱沅浦，三十五年来我国热处理的展望与回顾，金属热处理，1984． 9，P5
[6] 丁树彭，45钢在箱式炉中淬火加热时间的研究，金属热处理，1980． 8，P23
[7] 张安全，热处理加热时间的探讨，金属热处理，1980． 12，P53
[8] 杨淑范，聚合物水溶性淬火介质的发展，金属热处理，1984． 5，P2
[9] 周志渊等，气体渗碳碳势控制技术的评述．金属热处理，1996． 10，P4
[10] 孟繁杰等，十年来渗氮技术的进展，金属热处理，1986． 10，P37
[11] 潘健生等，试论氮势，金属热处理，1980． 8，P37
[12] 孙希泰等，固体渗硼的发展概况，金属热处理，1995． 6，P5
[13] 张仲武，渗硼技术的发展和应用，金属热处理，1981． 2，P1
[14] 王世清等，稀土元素在化学热处理中的应用，金属热处理，1988． 3，P52
[15] 朱法义等，稀土化学热处理的新进展，金属热处理，1995． 1，P14
[16] 张柏松，我国汽车工业感应热处理技术的发展与现状，金属热处理，1996． 1
[17] 张月娥，机床导轨的超音频加热淬火，金属热处理,1987． 10，P32
[18] 徐根应等，脉冲感应加热淬火法，金属热处理，1989． 10，P6
[19] 胡炳明，我国汽车工业热处理工艺与装备的现状与展望，金属热处理，1987． 1
[20] 沈庆通，感应热处理技术的发展，金属热处理．1998． 6，P3
[21] 顾百揆，氮基气氛的进展，金属热处理，1980． 2，P15
[22] 刘迨，回顾我国十年来热处理技术的进展，金属热处理，1985． 12，P4
[23] 樊东黎，我国热处理现状和展望，中国热处理工作者信息手册，机械工业出版社，1994
[24] 胡明鹃等，电子计算机在我国热处理中的应用，金属热处理，1996． 1，P21
[25] 孙和庆等，我国热处理节能技术应用概况，金属热处理，1996． 1，P24
[26] 温鸣等，钢的过冷奥氏体连续转变图 (CCT) 的计算机绘制，金属热处理，1996． 4，P8
[27] 刘茂华等，井式渗碳炉分布式计算机控制系统，金属热处理，1996． 6，P36
[28] 曾赐生．气体渗碳深度的精确控制，金属热处理，1991． 7，P44
[29] 董峰文等，过冷奥氏体转变曲线的计算机模拟，金属热处理，1996． 9，P18
[30] Willams C．G．Steel Master Database．Heat Treatment of Meatals，1992，19(1) ：25-27
[31] 胡明鹃等，动态碳势控制计算机系统，金属热处理，1996． 12，P6
[32] Pan Jiansheng，Hu Mingjuan et al．Enviromental and Energy Efficient Heat Treat．Techno．(Proceedings of the 4th Inter．Semi．of IFHT)Beijing：Inter．．Academic Publi，1993：62-66
[33] 胡明鹃等,气体渗碳工艺 CAD 与计算机控制，中国造船学会，工艺与材料技委会1988年年会论文 1988：496-502
[34] 邹子良等，微机控制离子热处理炉，金属热处理．1996． 12，P21
[35] 潘健生，气体渗碳CAD软件开发，金属热处理，1997． 7，P6
[36] Gerely M．and Reti T．J．Heat Treating，1988，5(2) ：125-136
[37] Buchmayr B．and Kirkaldy J．S．J．Heat Treating，1990(8) ：127-136
[38] F．M．B．Femandes et al．Materials Science and Technology，October，1985(1) ：838-844
[39] 王振清，热处理工艺智能控制，金属热处理，1998． 7，P24
[40] 中国机械工程学会热处理分会，我国未来热处理与热处理技术，金属热处理，1997(11) ，1998(2)
[41] Saridis G N．Knowledge Implementation Structure of Intelligent Control Systems．Proc．IEEE Int．Symp．Intelligent Control．1987
[42] 蔡自兴等，自动控制的机遇与挑战，智能控制与智能自动化 (上卷)，第一届全球华人智能控制和智 能自动化大会论文集，科学出版社，1993
[43] Saridis G N．and Stephanou H E．A Hierarchical Approach to the Control of a Prosthetic Arm．IEEE Trans．Syst．，Man， Cybern．，1997， SMC-7，(6) June
[44] 窦振中，模糊逻辑控制技术及其应用，北京航空航天大学出版社，1995：P3
[45] 魏元生等，材料热处理计算机辅助决策系统，华北地区第十届机械热处理技术交流会论文集，北京， 1994
[46] 潘健生，电子计算机在材料科学中的应用，金属热处理，1993年增刊
[47] Bousch J J．Chedid L G．Et al．Proceedings of the Second International Conference on Caburizing and Nitriding with Atmosphere．Cleveland，Ohio，1995，December：6-8
[48] Wen Wu，Wang Zhengqing．A control system with double-level hierarchy for gas-carburizing process．IEEE Trans．Industry Application (in press)
[49] 李健，要重视发展热处理清洁生产，金属热处理，1998． 7，P26
[50] 朱启惠等，合金渗碳钢件锻造余热等温正火工艺的计算机专家系统，金属热处理，1998． 8，P1
[51] 国家经贸委节能信息传播中心，模糊控制技术在钢铁行业大型轧钢加热炉中的应用，中国能源，2000． 2
[52] 陈正等，热电偶测温的线性化处理模块，计量技术，1999． 12，P23
[53] 朱庆保,应用神经网络实现外圆磨削在线无损测控的研究，计量技术，2000． 2，P3
[54] 俞阿龙，一种测量镀层厚度的新方法，计量技术，2000． 2，P7
[55] 张在宣等，分布式光纤传感温度报警系统，计量技术，2000． 2，P24
[56] 张在宣等，激光拉曼型分布光纤温度传感器系统，光学学报，1995． 15(11)
[57] 茅力群等，用 VB5 实现的非线性曲线的线性化处理，计量技术，2000． 2
[58] 谢少伟，模拟数字双指示欧姆表，计量技术，2000． 2，P33
[59] 张平，铠装热电偶测温的分流误差，计量技术，2000． 3，P20
[60] 王海华，新型的热电偶参比端O℃自动恒温器，1999． 3，P34
[61] 李强，对《箱式电阻炉温度控制失灵检修一例》一文中的不同看法，计量技术，1999． 3，P39
[62] 王世元，预热炉温控系统的改进，计量技术．1999． 4，P36
[63] 马莹辉，热电偶自动检定系统常见故障的分析，计量技术，1999． 5，P42
[64] 侯纪宽，高炉检测仪表的改进，计量技术，1999． 8，P53
[65] 李培国等，工业热电偶参考端温度补偿线路．计量技术，1999． 9． P14
[66] 胡志刚，对热惰性及控温准确度的研讨，计量技术，1999． 10，P16
[67] 王鲁安．测量与时间窗技术，计量技术，1999． 10，P54
[68] 汪吉鹏等，数字式温度计电路与程序设计，电子测量技术，1999． 1
[69] 金革，多通道系统中的信号串扰现象，电子测量技术，1999． 1，P1
[70] 魏桂香，用 MATLAB 语言建立热电偶特性数学模型，电子测量技术，1999． 1
[71] 胡勤龙等，用HY-6020实现多路温度自动巡环测量，电子测量技术．1999． 1
[72] 徐振斌等，智能热电偶温度测试仪研制．电子测量技术，1999． 1
[73] 路林吉等．虚拟仪器．数据采集技术概论，电子技术．2000． 2，P49
[74] 蔡美良、丁惠麟、盂沪龙编著，《新编工模具钢晶相热处理》，机械工业出版社，1998． 9
[75] 西安交通大学 王竺天 主编．《金属材料学》，机械工业出版社，1987． 9
[76] 于海生等 编著，《微型计算机控制技术》，清华大学出版社，1999． 3
[77] 郭耕三 编著．《高速钢及其热处理》，机械工业出版社．1985． 5
[78] 孙一唐、林振湛、马忠凯、马宗彪 编著．《热处理的机械化与自动化》，机械工业出版社，1983． 2
[79] 王顺晃、舒迪前 编著，《智能控制系统及其应用》．机械工业出版社．1998． 4
[80] 刘耀浩 主编，《热能与空调的微机测控技术》，天津大学出版社，1996． 10
[81] 陈润泰、许琨 编著，《检测技术与智能仪表》，中南工业大学出版社，1999． 1
[82] 武汉工学院 李均宜 主编．《炉温仪表与热控制》，机械工业出版社，1981． 7
[83] 雷霖 主编，《微机自动检测》，电子科技大学出版社．1998． 3
[84] 刘乐善、叶济忠、叶永坚 编著，《微型计算机接口技术原理及应用》，华中理工大学出版社．1999． 9
[2] 雷廷权等，热处理工艺方法300种(修订版)，机械工业出版社，1993
[3] 安运铮，热处理工艺学，机械工业出版社，1995，P1
[4] 束德林，我国常规热处理发展历程及其思考，金属热处理，1999． 9，P1
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[8] 杨淑范，聚合物水溶性淬火介质的发展，金属热处理，1984． 5，P2
[9] 周志渊等，气体渗碳碳势控制技术的评述．金属热处理，1996． 10，P4
[10] 孟繁杰等，十年来渗氮技术的进展，金属热处理，1986． 10，P37
[11] 潘健生等，试论氮势，金属热处理，1980． 8，P37
[12] 孙希泰等，固体渗硼的发展概况，金属热处理，1995． 6，P5
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[14] 王世清等，稀土元素在化学热处理中的应用，金属热处理，1988． 3，P52
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[16] 张柏松，我国汽车工业感应热处理技术的发展与现状，金属热处理，1996． 1
[17] 张月娥，机床导轨的超音频加热淬火，金属热处理,1987． 10，P32
[18] 徐根应等，脉冲感应加热淬火法，金属热处理，1989． 10，P6
[19] 胡炳明，我国汽车工业热处理工艺与装备的现状与展望，金属热处理，1987． 1
[20] 沈庆通，感应热处理技术的发展，金属热处理．1998． 6，P3
[21] 顾百揆，氮基气氛的进展，金属热处理，1980． 2，P15
[22] 刘迨，回顾我国十年来热处理技术的进展，金属热处理，1985． 12，P4
[23] 樊东黎，我国热处理现状和展望，中国热处理工作者信息手册，机械工业出版社，1994
[24] 胡明鹃等，电子计算机在我国热处理中的应用，金属热处理，1996． 1，P21
[25] 孙和庆等，我国热处理节能技术应用概况，金属热处理，1996． 1，P24
[26] 温鸣等，钢的过冷奥氏体连续转变图 (CCT) 的计算机绘制，金属热处理，1996． 4，P8
[27] 刘茂华等，井式渗碳炉分布式计算机控制系统，金属热处理，1996． 6，P36
[28] 曾赐生．气体渗碳深度的精确控制，金属热处理，1991． 7，P44
[29] 董峰文等，过冷奥氏体转变曲线的计算机模拟，金属热处理，1996． 9，P18
[30] Willams C．G．Steel Master Database．Heat Treatment of Meatals，1992，19(1) ：25-27
[31] 胡明鹃等，动态碳势控制计算机系统，金属热处理，1996． 12，P6
[32] Pan Jiansheng，Hu Mingjuan et al．Enviromental and Energy Efficient Heat Treat．Techno．(Proceedings of the 4th Inter．Semi．of IFHT)Beijing：Inter．．Academic Publi，1993：62-66
[33] 胡明鹃等,气体渗碳工艺 CAD 与计算机控制，中国造船学会，工艺与材料技委会1988年年会论文 1988：496-502
[34] 邹子良等，微机控制离子热处理炉，金属热处理．1996． 12，P21
[35] 潘健生，气体渗碳CAD软件开发，金属热处理，1997． 7，P6
[36] Gerely M．and Reti T．J．Heat Treating，1988，5(2) ：125-136
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[38] F．M．B．Femandes et al．Materials Science and Technology，October，1985(1) ：838-844
[39] 王振清，热处理工艺智能控制，金属热处理，1998． 7，P24
[40] 中国机械工程学会热处理分会，我国未来热处理与热处理技术，金属热处理，1997(11) ，1998(2)
[41] Saridis G N．Knowledge Implementation Structure of Intelligent Control Systems．Proc．IEEE Int．Symp．Intelligent Control．1987
[42] 蔡自兴等，自动控制的机遇与挑战，智能控制与智能自动化 (上卷)，第一届全球华人智能控制和智 能自动化大会论文集，科学出版社，1993
[43] Saridis G N．and Stephanou H E．A Hierarchical Approach to the Control of a Prosthetic Arm．IEEE Trans．Syst．，Man， Cybern．，1997， SMC-7，(6) June
[44] 窦振中，模糊逻辑控制技术及其应用，北京航空航天大学出版社，1995：P3
[45] 魏元生等，材料热处理计算机辅助决策系统，华北地区第十届机械热处理技术交流会论文集，北京， 1994
[46] 潘健生，电子计算机在材料科学中的应用，金属热处理，1993年增刊
[47] Bousch J J．Chedid L G．Et al．Proceedings of the Second International Conference on Caburizing and Nitriding with Atmosphere．Cleveland，Ohio，1995，December：6-8
[48] Wen Wu，Wang Zhengqing．A control system with double-level hierarchy for gas-carburizing process．IEEE Trans．Industry Application (in press)
[49] 李健，要重视发展热处理清洁生产，金属热处理，1998． 7，P26
[50] 朱启惠等，合金渗碳钢件锻造余热等温正火工艺的计算机专家系统，金属热处理，1998． 8，P1
[51] 国家经贸委节能信息传播中心，模糊控制技术在钢铁行业大型轧钢加热炉中的应用，中国能源，2000． 2
[52] 陈正等，热电偶测温的线性化处理模块，计量技术，1999． 12，P23
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[54] 俞阿龙，一种测量镀层厚度的新方法，计量技术，2000． 2，P7
[55] 张在宣等，分布式光纤传感温度报警系统，计量技术，2000． 2，P24
[56] 张在宣等，激光拉曼型分布光纤温度传感器系统，光学学报，1995． 15(11)
[57] 茅力群等，用 VB5 实现的非线性曲线的线性化处理，计量技术，2000． 2
[58] 谢少伟，模拟数字双指示欧姆表，计量技术，2000． 2，P33
[59] 张平，铠装热电偶测温的分流误差，计量技术，2000． 3，P20
[60] 王海华，新型的热电偶参比端O℃自动恒温器，1999． 3，P34
[61] 李强，对《箱式电阻炉温度控制失灵检修一例》一文中的不同看法，计量技术，1999． 3，P39
[62] 王世元，预热炉温控系统的改进，计量技术．1999． 4，P36
[63] 马莹辉，热电偶自动检定系统常见故障的分析，计量技术，1999． 5，P42
[64] 侯纪宽，高炉检测仪表的改进，计量技术，1999． 8，P53
[65] 李培国等，工业热电偶参考端温度补偿线路．计量技术，1999． 9． P14
[66] 胡志刚，对热惰性及控温准确度的研讨，计量技术，1999． 10，P16
[67] 王鲁安．测量与时间窗技术，计量技术，1999． 10，P54
[68] 汪吉鹏等，数字式温度计电路与程序设计，电子测量技术，1999． 1
[69] 金革，多通道系统中的信号串扰现象，电子测量技术，1999． 1，P1
[70] 魏桂香，用 MATLAB 语言建立热电偶特性数学模型，电子测量技术，1999． 1
[71] 胡勤龙等，用HY-6020实现多路温度自动巡环测量，电子测量技术．1999． 1
[72] 徐振斌等，智能热电偶温度测试仪研制．电子测量技术，1999． 1
[73] 路林吉等．虚拟仪器．数据采集技术概论，电子技术．2000． 2，P49
[74] 蔡美良、丁惠麟、盂沪龙编著，《新编工模具钢晶相热处理》，机械工业出版社，1998． 9
[75] 西安交通大学 王竺天 主编．《金属材料学》，机械工业出版社，1987． 9
[76] 于海生等 编著，《微型计算机控制技术》，清华大学出版社，1999． 3
[77] 郭耕三 编著．《高速钢及其热处理》，机械工业出版社．1985． 5
[78] 孙一唐、林振湛、马忠凯、马宗彪 编著．《热处理的机械化与自动化》，机械工业出版社，1983． 2
[79] 王顺晃、舒迪前 编著，《智能控制系统及其应用》．机械工业出版社．1998． 4
[80] 刘耀浩 主编，《热能与空调的微机测控技术》，天津大学出版社，1996． 10
[81] 陈润泰、许琨 编著，《检测技术与智能仪表》，中南工业大学出版社，1999． 1
[82] 武汉工学院 李均宜 主编．《炉温仪表与热控制》，机械工业出版社，1981． 7
[83] 雷霖 主编，《微机自动检测》，电子科技大学出版社．1998． 3
[84] 刘乐善、叶济忠、叶永坚 编著，《微型计算机接口技术原理及应用》，华中理工大学出版社．1999． 9
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