淺談負(fù)壓鑄造工藝智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)范文

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摘要：傳統(tǒng)負(fù)壓鑄造中的負(fù)壓控制主要依靠人的經(jīng)驗(yàn)及設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，其控制精度及智能化較低。對汽車車橋支撐板負(fù)壓鑄造工藝進(jìn)行了分析，針對負(fù)壓鑄造系統(tǒng)運(yùn)用PLC中的PID模糊算法對變頻器的運(yùn)行頻率進(jìn)行了精確控制，變頻器控制真空泵驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速得到了不同的負(fù)壓值，實(shí)現(xiàn)對負(fù)壓的實(shí)時(shí)控制、調(diào)整及監(jiān)控。在實(shí)際生產(chǎn)中進(jìn)行了應(yīng)用。結(jié)果表明，負(fù)壓智能控制穩(wěn)定迅速，實(shí)時(shí)控制誤差在0.5kPa以內(nèi)，控制精度較高。該智能化控制系統(tǒng)高效、可靠，能為負(fù)壓鑄造及成型工藝的智能化生產(chǎn)提供參考。

關(guān)鍵詞：PLC(可編程邏輯控制器)；負(fù)壓鑄造；智能控制；負(fù)壓；PID(比例-積分-微分)控制

隨著科技不斷發(fā)展，智能制造及智能控制在各行各業(yè)中應(yīng)用廣泛，尤其是現(xiàn)代化生產(chǎn)企業(yè)，為了降低能耗、提升產(chǎn)品質(zhì)量，不斷應(yīng)用智能化控制系統(tǒng)對設(shè)備進(jìn)行升級改造。負(fù)壓鑄造作為重要機(jī)械設(shè)備零件的生產(chǎn)工藝之一，其生產(chǎn)鑄件尺寸精確高、輪廓清晰、表面光潔、適于澆注厚壁及薄壁鑄件，并且氣孔缺陷少，在零件鑄造中得到了廣泛的應(yīng)用[1]。負(fù)壓鑄造關(guān)鍵參數(shù)是鑄造過程中的負(fù)壓值，現(xiàn)有大多數(shù)企業(yè)一般憑借經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行取值，且設(shè)定參數(shù)不可調(diào)，導(dǎo)致生產(chǎn)效率低下、能耗居高不下，是現(xiàn)在眾多企業(yè)鑄造生產(chǎn)的瓶頸問題[2]。為了實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的自動(dòng)化，國內(nèi)外眾多學(xué)者對于鑄造及其控制系統(tǒng)等進(jìn)行了較深入的研究。其中李瑞霞等[3]以差壓鑄造設(shè)備為研究對象，運(yùn)用計(jì)算機(jī)自動(dòng)對其控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，為差壓鑄造設(shè)備智能化控制提供了重要的參考；朱曉[4]以低壓鑄造為研究對象，對其液面加壓系統(tǒng)充型信號發(fā)生器進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)其智能化控制；文獻(xiàn)[5]對3Cr2W8V鋼鋁壓鑄模真空熱處理進(jìn)行研究，并設(shè)計(jì)其自動(dòng)控制系統(tǒng)，為其智能化控制提供基礎(chǔ)；文獻(xiàn)[6]以消失模隨著科技不斷發(fā)展，智能制造及智能控制在各行各業(yè)中應(yīng)用廣泛，尤其是現(xiàn)代化生產(chǎn)企業(yè)，為了降低能耗、提升產(chǎn)品質(zhì)量，不斷應(yīng)用智能化控制系統(tǒng)對設(shè)備進(jìn)行升級改造。負(fù)壓鑄造作為重要機(jī)械設(shè)備零件的生產(chǎn)工藝之一，其生產(chǎn)鑄件尺寸精確高、輪廓清晰、表面光潔、適于澆注厚壁及薄壁鑄件，并且氣孔缺陷少，在零件鑄造中得到了廣泛的應(yīng)用[1]。負(fù)壓鑄造關(guān)鍵參數(shù)是鑄造過程中的負(fù)壓值，現(xiàn)有大多數(shù)企業(yè)一般憑借經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行取值，且設(shè)定參數(shù)不可調(diào)，導(dǎo)致生產(chǎn)效率低下、能耗居高不下，是現(xiàn)在眾多企業(yè)鑄造生產(chǎn)的瓶頸問題[2]。為了實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的自動(dòng)化，國內(nèi)外眾多學(xué)者對于鑄造及其控制系統(tǒng)等進(jìn)行了較深入的研究。其中李瑞霞等[3]以差壓鑄造設(shè)備為研究對象，運(yùn)用計(jì)算機(jī)自動(dòng)對其控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，為差壓鑄造設(shè)備智能化控制提供了重要的參考；朱曉[4]以低壓鑄造為研究對象，對其液面加壓系統(tǒng)充型信號發(fā)生器進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)其智能化控制；文獻(xiàn)[5]對3Cr2W8V鋼鋁壓鑄模真空熱處理進(jìn)行研究，并設(shè)計(jì)其自動(dòng)控制系統(tǒng)，為其智能化控制提供基礎(chǔ)；文獻(xiàn)[6]以消失模鑄造為研究對象，對其砂處理控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并實(shí)現(xiàn)智能控制，在相關(guān)生產(chǎn)中得到應(yīng)用。上述學(xué)者對鑄造及其生產(chǎn)智能化控制及應(yīng)用進(jìn)行了研究，取得了一定的成就，但是對于負(fù)壓鑄造及其智能化控制的研究相對較少，存在較大的研究空間?；诖耍疚囊阅承推囓囖I支撐板負(fù)壓鑄造為研究對象，分析其負(fù)壓鑄造工藝，根據(jù)工藝運(yùn)用PLC和變頻器，設(shè)計(jì)其負(fù)壓智能控制系統(tǒng)；根據(jù)負(fù)壓鑄造零件的材料、結(jié)構(gòu)、工藝、壁厚智能調(diào)節(jié)其負(fù)壓，為零件負(fù)壓鑄造生產(chǎn)效率提高、成本降低、鑄件產(chǎn)品質(zhì)量的提高提供重要的參考。

1負(fù)壓鑄造工藝分析

負(fù)壓鑄造又稱真空密封鑄造。負(fù)壓鑄造造型時(shí)，先在模具模腔上覆蓋一層塑料薄膜，用真空泵抽氣，使薄膜緊貼在模板上，然后套上砂箱，再往砂箱中充填造型材料，經(jīng)振實(shí)刮平之后，用塑料薄膜覆蓋砂箱頂面，接通真空泵吸出模腔砂粒間的空氣，使砂型模腔內(nèi)形成負(fù)壓，同時(shí)撤除模具模腔真空，讓塑料薄膜轉(zhuǎn)而吸附在鑄型內(nèi)腔面上，砂型靠壓力差的作用具有一定的強(qiáng)度和硬度[7]。經(jīng)起模、合箱、澆注、凝固冷卻后撤除負(fù)壓，即可得到所需鑄件，負(fù)壓鑄造工藝如圖1所示。由圖可知，本研究負(fù)壓鑄造工藝設(shè)備主要由振動(dòng)臺(tái)、砂箱、干砂、試樣、塑料薄膜、試樣定位裝置、閥、真空罐、真空表及真空泵組成。熔融金屬液體經(jīng)過澆注口進(jìn)入覆蓋一層塑料薄膜的模腔中，底部的振動(dòng)臺(tái)驅(qū)動(dòng)整個(gè)砂箱進(jìn)行振動(dòng)，振實(shí)抹平后，在砂箱頂面覆蓋塑料薄膜，接通真空泵吸出模腔砂粒間的空氣，在閥作用下控制負(fù)壓大小，使砂型模腔內(nèi)形成負(fù)壓，同時(shí)撤除試樣模具模腔真空，讓塑料薄膜吸附在鑄型內(nèi)腔面上，試樣模具靠試樣定位裝置進(jìn)行定位，當(dāng)金屬熔融液完全充滿型腔后保持一段時(shí)間，待型腔內(nèi)部鑄件成型，撤出負(fù)壓后開模，從而成型為所需鑄件。

2負(fù)壓智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)的負(fù)壓鑄造工藝，對其負(fù)壓進(jìn)行精確控制，從而保持負(fù)壓鑄造一直保持在合理的工藝參數(shù)范圍內(nèi)，為獲得力學(xué)性能優(yōu)良、加工特性好的鑄件提供重要的保證。為了實(shí)現(xiàn)對負(fù)壓鑄造的智能精確控制，根據(jù)負(fù)壓鑄造原理可知，負(fù)壓鑄造中的負(fù)壓是由真空泵產(chǎn)生真空，從而形成負(fù)壓，因此可以通過對真空泵進(jìn)行精確控制，從而實(shí)現(xiàn)對整個(gè)系統(tǒng)中的負(fù)壓進(jìn)行精確控制[8]?；诖?，本研究設(shè)計(jì)的負(fù)壓鑄造智能控制方案如圖2所示。由圖2可知，設(shè)計(jì)的負(fù)壓鑄造智能控制方案主要由HMI（人機(jī)界面）、PLC、負(fù)壓傳感器、變頻器等組成。運(yùn)用PLC中的PID模糊算法對變頻器的運(yùn)行頻率進(jìn)行精確控制，而變頻器再控制真空泵驅(qū)動(dòng)電機(jī)得到不同的負(fù)壓值，從而實(shí)現(xiàn)對負(fù)壓鑄造系統(tǒng)的智能化控制。根據(jù)負(fù)壓傳感器實(shí)時(shí)反饋的負(fù)壓信息，PID模糊算法實(shí)時(shí)對變頻器進(jìn)行調(diào)整和控制，實(shí)現(xiàn)對真空泵的實(shí)時(shí)調(diào)整與控制，從而使得負(fù)壓實(shí)時(shí)調(diào)整，負(fù)壓穩(wěn)態(tài)誤差逐漸趨于穩(wěn)定。基于上述原理設(shè)計(jì)的智能控制系統(tǒng)能夠穩(wěn)定快速達(dá)到設(shè)定負(fù)壓值，當(dāng)系統(tǒng)到達(dá)設(shè)定負(fù)壓值后，PLC進(jìn)行計(jì)時(shí)，并實(shí)時(shí)監(jiān)測負(fù)壓鑄造系統(tǒng)中的主要工藝參數(shù)值。在本研究設(shè)計(jì)的負(fù)壓鑄造智能控制系統(tǒng)中，實(shí)際生產(chǎn)根據(jù)不同材料、形狀選擇相對應(yīng)的最優(yōu)工藝參數(shù)，在此系統(tǒng)中進(jìn)行設(shè)定并使最工藝參數(shù)實(shí)時(shí)保持在的合理范圍內(nèi)，從而獲得最佳鑄造成型效果。根據(jù)設(shè)計(jì)的智能化控制系統(tǒng)，利用變頻器實(shí)時(shí)調(diào)整真空泵運(yùn)行轉(zhuǎn)速來達(dá)到實(shí)時(shí)穩(wěn)定負(fù)壓鑄造系統(tǒng)的負(fù)壓。設(shè)計(jì)的智能化控制系統(tǒng)采用STEP7編制負(fù)壓鑄造智能控制程序，以實(shí)現(xiàn)鑄造負(fù)壓的PID智能控制，本研究設(shè)計(jì)的負(fù)壓鑄造智能控制程序如圖3所示。由圖3可知，設(shè)計(jì)的基于PLC負(fù)壓鑄造智能控制系統(tǒng)，通過HMI將設(shè)定負(fù)壓值及模糊控制參數(shù)傳送至PLC，負(fù)壓檢測傳感器將檢測到的實(shí)時(shí)負(fù)壓信息迅速反饋至PLC，PLC根據(jù)反饋回來的實(shí)時(shí)負(fù)壓信息與HMI設(shè)定的負(fù)壓值進(jìn)行比較，程序運(yùn)用PID模糊控制算法進(jìn)行比例、積分、微分計(jì)算，從而輸出所需控制量。根據(jù)輸出控制量，PLC程序?qū)ζ溥M(jìn)行換算，將控制量轉(zhuǎn)換成變頻器所需頻率值，并通過RS485通訊協(xié)議將計(jì)算所得頻率值傳送至變頻器，通過實(shí)時(shí)控制的變頻器實(shí)現(xiàn)對真空泵電機(jī)轉(zhuǎn)速的實(shí)時(shí)控制，從而實(shí)現(xiàn)負(fù)壓鑄造系統(tǒng)快速穩(wěn)定達(dá)到設(shè)定負(fù)壓值，且控制精度較高。變頻器也將自身的運(yùn)行數(shù)據(jù)通過RS485協(xié)議實(shí)時(shí)快速反饋至PLC，實(shí)現(xiàn)對異常情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，發(fā)生異常時(shí)提醒生產(chǎn)人員進(jìn)行相對應(yīng)的操作，減小生產(chǎn)損失。根據(jù)設(shè)計(jì)的智能控制程序得到負(fù)壓鑄造智能控制系統(tǒng)中的負(fù)壓控制流程，如圖4所示。根據(jù)圖4中的控制流程圖，從而實(shí)現(xiàn)對負(fù)壓鑄造系統(tǒng)中的負(fù)壓進(jìn)行智能化精確控制。

3控制界面、控制效果及其應(yīng)用

根據(jù)設(shè)計(jì)的工藝方案、控制方案、控制程序及控制流程圖，將其運(yùn)用到汽車車轎支撐板負(fù)壓鑄造生產(chǎn)中，運(yùn)用EasyBuilderPro軟件編程得到汽車車轎支撐板負(fù)壓鑄造智能控制系統(tǒng)的操作界面，如圖5所示。在圖5界面上設(shè)定負(fù)壓鑄造所需的工藝參數(shù)值，將自動(dòng)按鈕按下，切換到變頻運(yùn)行模式，按下啟動(dòng)按鈕從而實(shí)現(xiàn)對負(fù)壓鑄造生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)智能控制。當(dāng)變頻器發(fā)生故障時(shí)，為保證生產(chǎn)不受影響，可切換至工頻運(yùn)行模式，繼續(xù)自動(dòng)運(yùn)行?；谠O(shè)計(jì)的智能化控制系統(tǒng)，將其運(yùn)用到某型汽車車橋支撐板負(fù)壓鑄造實(shí)際生產(chǎn)中，支撐板材料為ZG20SiMn鑄造低合金鋼，鑄造模具為H13模具鋼，經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理；實(shí)際汽車車橋支撐板負(fù)壓鑄造生產(chǎn)工藝參數(shù)為：負(fù)壓-81kPa，澆注溫度1480℃，填充時(shí)間為5min，保壓時(shí)間為10min，振動(dòng)臺(tái)頻率為40Hz，振幅為2.5mm。負(fù)壓、真空泵等主要與負(fù)壓有關(guān)的參數(shù)由設(shè)計(jì)的負(fù)壓控制系統(tǒng)進(jìn)行精確控制，而澆注溫度1480℃、填充時(shí)間5min，保壓時(shí)間10min，振動(dòng)臺(tái)頻率40Hz，振幅2.5mm等參數(shù)由主控制系統(tǒng)控制，在此不做過多描述。根據(jù)上述工藝參數(shù)進(jìn)行汽車車橋支撐板負(fù)壓鑄造。鑄件尺寸如圖6所示。根據(jù)圖6汽車車橋支撐板成型件尺寸及其負(fù)壓鑄造實(shí)際運(yùn)行參數(shù)，得到該零件負(fù)壓鑄造工藝過程中負(fù)壓相關(guān)控制參數(shù)為：負(fù)壓（-81±0.25）kPa，真空泵轉(zhuǎn)速為（245±2）r/min，真空泵電流為（2.0±0.5）A，真空泵溫度≤65℃，真空泵轉(zhuǎn)矩輸出率≤100%。根據(jù)上述控制工藝參數(shù)得到汽車車橋支撐板在實(shí)際負(fù)壓鑄造成型工藝過程中的實(shí)時(shí)負(fù)壓調(diào)整參數(shù)及負(fù)壓控制曲線的操作界面如圖7所示。由圖7可知，汽車車橋支撐板負(fù)壓鑄造實(shí)際生產(chǎn)設(shè)定負(fù)壓值為-81kPa，而實(shí)測負(fù)壓值為-80.2kPa，在控制誤差±0.25kPa以內(nèi)；真空泵轉(zhuǎn)速為246r/min在設(shè)定的（245±2）r/min內(nèi)；真空泵電流為1.9A，在設(shè)定的（2.0±0.5）A范圍內(nèi)；真空泵溫度為48℃＜65℃，真空泵轉(zhuǎn)矩輸出率12%≤100%均滿足設(shè)計(jì)要求。本研究設(shè)計(jì)的汽車車橋支撐板負(fù)壓鑄造智能控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對鑄造系統(tǒng)中的關(guān)鍵參數(shù)負(fù)壓進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整及監(jiān)測，控制精度為±0.25kPa，控制誤差為0.5kPa，為負(fù)壓鑄造生產(chǎn)過程中負(fù)壓的智能化控制及成本降低提供了重要保障。本研究設(shè)計(jì)的負(fù)壓鑄造智能化控制系統(tǒng)可以在各行各業(yè)中的零件的負(fù)壓鑄造中進(jìn)行應(yīng)用，且其控制原理及控制方式可以推廣應(yīng)用到其他鑄造成形工藝的智能化控制中，應(yīng)用前景廣闊。

4結(jié)語

本設(shè)計(jì)的負(fù)壓鑄造智能化控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對鑄造系統(tǒng)中的負(fù)壓進(jìn)行實(shí)時(shí)控制、調(diào)整及監(jiān)控。設(shè)計(jì)智能控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)負(fù)壓誤差為0.5kPa，在某型汽車車橋支撐板負(fù)壓鑄造實(shí)際生產(chǎn)中進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用，為鑄造工藝的智能化控制、性能優(yōu)良的鑄件生產(chǎn)及生產(chǎn)提供借鑒。

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作者：史瓊艷 張江華 單位：常州機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院