低壓鑄造機控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析案例目錄TOC\o"1-3"\h\u17238低壓鑄造機控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析案例 1219311.1低壓鑄造的工藝原理 1316791.2低壓鑄造機控制系統(tǒng)總體設計 2269981.3低壓鑄造系統(tǒng)分部設計 3232701.3.1液面加壓系統(tǒng)設計 319301.3.2溫度控制系統(tǒng)設計 5要想實現(xiàn)低壓鑄造機的自動控制與系統(tǒng)的實時監(jiān)測，首先需要充分了解低壓鑄造的原理與整體工藝流程，在此基礎上，分析低壓鑄造機控制系統(tǒng)的控制方向與控制目標。本章將介紹低壓鑄造系統(tǒng)的工藝原理和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計。1.1低壓鑄造的工藝原理低壓鑄造的工藝可概括為：前期準備、澆注、開模取件這三個方面。在準備階段需要完成坩堝密封試壓、金屬模具預熱、升液管內(nèi)雜質(zhì)清除等工作，金屬模具的開模與合模均由相應的機械裝置控制。在實際生產(chǎn)中，影響鑄件質(zhì)量與生產(chǎn)速度的是澆注環(huán)節(jié)。當模具預熱、升液管雜質(zhì)清除等前期準備工作結(jié)束后，系統(tǒng)開啟加壓系統(tǒng)，將經(jīng)過壓縮的干燥空氣通入坩堝中，坩堝內(nèi)的金屬液會沿著升液管自下而上地進入到預熱好的模具里[5]。當鋁液完全充滿型腔后增加液體表面壓力，等加壓到設定數(shù)值后保持壓力直到模具中的鑄件完全凝固，然后解除液面壓力，升液管中的金屬液會因卸壓而回流到坩堝中。外部的機械裝置開模并取出鑄件，這樣便完成了一輪低壓鑄造的工藝流程，圖2-1為低壓鑄造工藝示意圖：圖2-1低壓鑄造工藝示意圖1.2低壓鑄造機控制系統(tǒng)總體設計掌握低壓鑄造的工藝流程與要求后便可以設計鑄造機自動控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要控制量是金屬液面的壓力與模具溫度。本設計采用PLC進行整體控制，系統(tǒng)運行時，PLC需要先采集來自液位、溫度、激光變送器的數(shù)據(jù)，根據(jù)工藝流程實時控制數(shù)字組合閥與冷卻電磁閥，在液面加壓的不同環(huán)節(jié)變頻器接受PLC模擬信號調(diào)控空壓機輸出功率，澆注流程完成后系統(tǒng)通過機械裝置完成開模取件工作，待鑄件冷卻后通過特種電機與軋輥的配合對輪轂毛坯件進行塑形等精加工工作，系統(tǒng)總體拓撲圖如圖2-2所示：圖2-2系統(tǒng)硬件拓撲圖1.3低壓鑄造系統(tǒng)分部設計本系統(tǒng)在分部設計方面主要分為液面加壓系統(tǒng)設計，溫度控制系統(tǒng)設計兩個方面。通過對變量的檢測，控制與協(xié)調(diào)各個分部系統(tǒng)的工作，實現(xiàn)低壓鑄造系統(tǒng)的正常運行。1.3.1液面加壓系統(tǒng)設計上文已講述澆注工藝在低壓鑄造系統(tǒng)中的重要性，而澆注工藝完成的關鍵是對液面加壓的控制。對施加在金屬液面的壓力進行準確控制決定了金屬液在升液管與金屬模具中上升的速度與穩(wěn)定性，液面加壓影響著鑄件的輪廓完整度、內(nèi)部缺陷度與表面粗糙度[6]?，F(xiàn)有工業(yè)的生產(chǎn)中，成熟的澆注工藝可大致分為：低壓充型工藝、穩(wěn)壓結(jié)晶工藝、緩慢增壓結(jié)晶工藝、急速增壓結(jié)晶工藝四種。每一種澆注工藝對象面向的鑄件特點不同，由于本系統(tǒng)用于汽車輪轂的鑄造，根據(jù)其特點選用急速增壓結(jié)晶工藝。急速增壓結(jié)晶工藝主要針對于有對散熱冷卻速度要求比較高的鑄件制造，其工藝過程如圖2-3所示。圖2-3激素增壓結(jié)晶工藝由急速增壓結(jié)晶工藝的折線圖可知，金屬成型的壓力控制需要經(jīng)過升液、充型、增壓、保壓、卸壓五個階段，各個階段對液面加壓的大小與持續(xù)時間的要求各不相同，系統(tǒng)對壓力控制系統(tǒng)的要求比較高。現(xiàn)有成熟的液面加壓執(zhí)行機構(gòu)主要為三種，分別是：由伺服電機控制的電-氣比例閥式、數(shù)字組合閥式與高速開關式[7]。本系統(tǒng)通過分析三種加壓方式的應用特點，最終選用數(shù)字組合閥式。該液面加壓系統(tǒng)由PLC作為控制單元，數(shù)字組合閥作為執(zhí)行裝置，系統(tǒng)通過耐溫且穩(wěn)定的氣壓傳感器、變頻器與快速響應的加壓閥、泄壓閥組合成一個高速有效的負反饋系統(tǒng)。在加壓系統(tǒng)中，變頻器接受PLC輸出的模擬信號并控制給空壓機的輸出功率，數(shù)字組合閥的各個閥門受PLC的開關量輸出控制。加壓系統(tǒng)開啟后，PLC根據(jù)不同制造要求的鑄件選擇相應的組合閥開關組合，輸出模擬信號給變頻器以控制氣泵的輸出功率，傳感器采集到的液面壓力信號傳送給PLC并通過相關算法將該信號進行處理并進一步控制組合閥的開啟與變頻器的輸出。此外，系統(tǒng)根據(jù)澆注工藝中的不同環(huán)節(jié)選擇相應的控制組合與控制方法，液面壓力處理的系統(tǒng)框架基本完成，理想狀態(tài)下的加壓曲線是多段線性曲線。在實際的低壓鑄造中，隨著澆注工藝的推進，坩堝中的金屬液位會不斷下降并且位于模具上部的排氣槽會對型腔產(chǎn)生反壓力，這些干擾都會造成實時壓力的波動[8]。因為這些實際干擾會導致同一加壓曲線不會重復出現(xiàn)，嚴重時系統(tǒng)將生產(chǎn)出不符合要求的鑄件?？紤]到實際情況，系統(tǒng)需要嚴格監(jiān)測實時壓力，同時配合算法對系統(tǒng)進行壓力補償與調(diào)整。另外，為實時了解坩堝內(nèi)金屬液位與在澆注工藝中鋁液在模具中的位置，系統(tǒng)采用了激光傳感器解決金屬液位與位置監(jiān)測問題。系統(tǒng)根據(jù)金屬液位的變化調(diào)整加壓，通過模具中鋁液位置的監(jiān)測進行澆注工藝的調(diào)整，比如鋁液通過澆注口進入型腔之前能被位置檢測器感知并將其信號傳送給PLC，進而使加壓控制系統(tǒng)進入充型階段。1.3.2溫度控制系統(tǒng)設計溫度控制系統(tǒng)在低壓鑄造系統(tǒng)中一般指對模具溫度與坩堝內(nèi)鋁液溫度的控制，其中對模具溫度的控制最為關鍵。對模具的溫度控制是在澆注工藝的保壓階段，這個階段里金屬從熔融狀態(tài)下凝結(jié)成固體，模具在此過程中所起到的作用是吸收金屬液溫度使其凝結(jié)并保持其自身溫度。模具的溫度在一定程度上決定著鑄件內(nèi)部以及其表面的缺陷率，模具溫度的不當控制會在一定程度上降低企業(yè)效益。模具是有良好導熱性的金屬器件，其本身的溫度會受到型腔內(nèi)金屬液的影響，會隨著鑄件大小、工藝周期以及冷卻方式的變化而變化。因低壓鑄造工藝的特殊性，模具溫度需要維持在一個范圍內(nèi)，當溫度過高時將會使金屬液粘連在型腔中，延長其冷卻時間有可能產(chǎn)生廢品；當溫度過低時，金屬液冷卻速度過快，將會容易使冷凝后的鑄件開裂，降低鑄件性能[9]。模具溫度的設定跟鑄造系統(tǒng)所設計的鑄件產(chǎn)品有關，歸其原則便是模具的最佳設定溫度為達到熱穩(wěn)定的溫度。對于本系統(tǒng)所設計的汽車輪轂，模具溫度控制在鋁液澆鑄溫度的三分之一左右[10]。模具的溫度可劃為四種，分別是廢品區(qū)，不穩(wěn)定區(qū)，穩(wěn)定區(qū)，不穩(wěn)定區(qū)，如圖2-5所示。如上文所言，A區(qū)溫度過低將會使鋁合金鑄件產(chǎn)生破裂、欠鑄等問題，生產(chǎn)出的鑄件皆不合格；B區(qū)溫度稍高接近C區(qū)的理想溫度，模具處于該溫度可能會生產(chǎn)出外表完整的產(chǎn)品，但質(zhì)量得不到保證，多數(shù)存在缺陷；溫度處于C區(qū)的模具是適合生產(chǎn)輪轂的，處于該區(qū)的鑄件成型完好，良品率高，在鋁合金輪轂的生產(chǎn)中一般使模具溫度處于200-300℃之間。圖2-5模具溫度的劃分溫度控制系統(tǒng)的設計還包括冷卻方式的選擇，模具需要吸收型腔內(nèi)金屬液溫度，但其自身的溫度也會隨之升高，模具溫度過高會導致金屬液凝固時間加長降低逐漸的良品率，所以需要外界冷卻強制使模具處于熱平衡的狀態(tài)。常見的鑄造冷卻方式有風