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浅谈负压铸造工艺智能控制系统设计

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摘要:传统负压铸造中的负压控制主要依靠人的经验及设备运行状态,其控制精度及智能化较低。对汽车车桥支撑板负压铸造工艺进行了分析,针对负压铸造系统运用PLC中的PID模糊算法对变频器的运行频率进行了精确控制,变频器控制真空泵驱动电机的转速得到了不同的负压值,实现对负压的实时控制、调整及监控。在实际生产中进行了应用。结果表明,负压智能控制稳定迅速,实时控制误差在0.5kPa以内,控制精度较高。该智能化控制系统高效、可靠,能为负压铸造及成型工艺的智能化生产提供参考。

关键词:PLC(可编程逻辑控制器);负压铸造;智能控制;负压;PID(比例-积分-微分)控制

随着科技不断发展,智能制造及智能控制在各行各业中应用广泛,尤其是现代化生产企业,为了降低能耗、提升产品质量,不断应用智能化控制系统对设备进行升级改造。负压铸造作为重要机械设备零件的生产工艺之一,其生产铸件尺寸精确高、轮廓清晰、表面光洁、适于浇注厚壁及薄壁铸件,并且气孔缺陷少,在零件铸造中得到了广泛的应用[1]。负压铸造关键参数是铸造过程中的负压值,现有大多数企业一般凭借经验进行取值,且设定参数不可调,导致生产效率低下、能耗居高不下,是现在众多企业铸造生产的瓶颈问题[2]。为了实现生产的自动化,国内外众多学者对于铸造及其控制系统等进行了较深入的研究。其中李瑞霞等[3]以差压铸造设备为研究对象,运用计算机自动对其控制系统进行设计,为差压铸造设备智能化控制提供了重要的参考;朱晓[4]以低压铸造为研究对象,对其液面加压系统充型信号发生器进行设计,同时实现其智能化控制;文献[5]对3Cr2W8V钢铝压铸模真空热处理进行研究,并设计其自动控制系统,为其智能化控制提供基础;文献[6]以消失模随着科技不断发展,智能制造及智能控制在各行各业中应用广泛,尤其是现代化生产企业,为了降低能耗、提升产品质量,不断应用智能化控制系统对设备进行升级改造。负压铸造作为重要机械设备零件的生产工艺之一,其生产铸件尺寸精确高、轮廓清晰、表面光洁、适于浇注厚壁及薄壁铸件,并且气孔缺陷少,在零件铸造中得到了广泛的应用[1]。负压铸造关键参数是铸造过程中的负压值,现有大多数企业一般凭借经验进行取值,且设定参数不可调,导致生产效率低下、能耗居高不下,是现在众多企业铸造生产的瓶颈问题[2]。为了实现生产的自动化,国内外众多学者对于铸造及其控制系统等进行了较深入的研究。其中李瑞霞等[3]以差压铸造设备为研究对象,运用计算机自动对其控制系统进行设计,为差压铸造设备智能化控制提供了重要的参考;朱晓[4]以低压铸造为研究对象,对其液面加压系统充型信号发生器进行设计,同时实现其智能化控制;文献[5]对3Cr2W8V钢铝压铸模真空热处理进行研究,并设计其自动控制系统,为其智能化控制提供基础;文献[6]以消失模铸造为研究对象,对其砂处理控制系统进行设计,并实现智能控制,在相关生产中得到应用。上述学者对铸造及其生产智能化控制及应用进行了研究,取得了一定的成就,但是对于负压铸造及其智能化控制的研究相对较少,存在较大的研究空间。基于此,本文以某型汽车车轿支撑板负压铸造为研究对象,分析其负压铸造工艺,根据工艺运用PLC和变频器,设计其负压智能控制系统;根据负压铸造零件的材料、结构、工艺、壁厚智能调节其负压,为零件负压铸造生产效率提高、成本降低、铸件产品质量的提高提供重要的参考。

1负压铸造工艺分析

负压铸造又称真空密封铸造。负压铸造造型时,先在模具模腔上覆盖一层塑料薄膜,用真空泵抽气,使薄膜紧贴在模板上,然后套上砂箱,再往砂箱中充填造型材料,经振实刮平之后,用塑料薄膜覆盖砂箱顶面,接通真空泵吸出模腔砂粒间的空气,使砂型模腔内形成负压,同时撤除模具模腔真空,让塑料薄膜转而吸附在铸型内腔面上,砂型靠压力差的作用具有一定的强度和硬度[7]。经起模、合箱、浇注、凝固冷却后撤除负压,即可得到所需铸件,负压铸造工艺如图1所示。由图可知,本研究负压铸造工艺设备主要由振动台、砂箱、干砂、试样、塑料薄膜、试样定位装置、阀、真空罐、真空表及真空泵组成。熔融金属液体经过浇注口进入覆盖一层塑料薄膜的模腔中,底部的振动台驱动整个砂箱进行振动,振实抹平后,在砂箱顶面覆盖塑料薄膜,接通真空泵吸出模腔砂粒间的空气,在阀作用下控制负压大小,使砂型模腔内形成负压,同时撤除试样模具模腔真空,让塑料薄膜吸附在铸型内腔面上,试样模具靠试样定位装置进行定位,当金属熔融液完全充满型腔后保持一段时间,待型腔内部铸件成型,撤出负压后开模,从而成型为所需铸件。

2负压智能控制系统设计

根据设计的负压铸造工艺,对其负压进行精确控制,从而保持负压铸造一直保持在合理的工艺参数范围内,为获得力学性能优良、加工特性好的铸件提供重要的保证。为了实现对负压铸造的智能精确控制,根据负压铸造原理可知,负压铸造中的负压是由真空泵产生真空,从而形成负压,因此可以通过对真空泵进行精确控制,从而实现对整个系统中的负压进行精确控制[8]。基于此,本研究设计的负压铸造智能控制方案如图2所示。由图2可知,设计的负压铸造智能控制方案主要由HMI(人机界面)、PLC、负压传感器、变频器等组成。运用PLC中的PID模糊算法对变频器的运行频率进行精确控制,而变频器再控制真空泵驱动电机得到不同的负压值,从而实现对负压铸造系统的智能化控制。根据负压传感器实时反馈的负压信息,PID模糊算法实时对变频器进行调整和控制,实现对真空泵的实时调整与控制,从而使得负压实时调整,负压稳态误差逐渐趋于稳定。基于上述原理设计的智能控制系统能够稳定快速达到设定负压值,当系统到达设定负压值后,PLC进行计时,并实时监测负压铸造系统中的主要工艺参数值。在本研究设计的负压铸造智能控制系统中,实际生产根据不同材料、形状选择相对应的最优工艺参数,在此系统中进行设定并使最工艺参数实时保持在的合理范围内,从而获得最佳铸造成型效果。根据设计的智能化控制系统,利用变频器实时调整真空泵运行转速来达到实时稳定负压铸造系统的负压。设计的智能化控制系统采用STEP7编制负压铸造智能控制程序,以实现铸造负压的PID智能控制,本研究设计的负压铸造智能控制程序如图3所示。由图3可知,设计的基于PLC负压铸造智能控制系统,通过HMI将设定负压值及模糊控制参数传送至PLC,负压检测传感器将检测到的实时负压信息迅速反馈至PLC,PLC根据反馈回来的实时负压信息与HMI设定的负压值进行比较,程序运用PID模糊控制算法进行比例、积分、微分计算,从而输出所需控制量。根据输出控制量,PLC程序对其进行换算,将控制量转换成变频器所需频率值,并通过RS485通讯协议将计算所得频率值传送至变频器,通过实时控制的变频器实现对真空泵电机转速的实时控制,从而实现负压铸造系统快速稳定达到设定负压值,且控制精度较高。变频器也将自身的运行数据通过RS485协议实时快速反馈至PLC,实现对异常情况进行实时监控,发生异常时提醒生产人员进行相对应的操作,减小生产损失。根据设计的智能控制程序得到负压铸造智能控制系统中的负压控制流程,如图4所示。根据图4中的控制流程图,从而实现对负压铸造系统中的负压进行智能化精确控制。

3控制界面、控制效果及其应用

根据设计的工艺方案、控制方案、控制程序及控制流程图,将其运用到汽车车轿支撑板负压铸造生产中,运用EasyBuilderPro软件编程得到汽车车轿支撑板负压铸造智能控制系统的操作界面,如图5所示。在图5界面上设定负压铸造所需的工艺参数值,将自动按钮按下,切换到变频运行模式,按下启动按钮从而实现对负压铸造生产实现智能控制。当变频器发生故障时,为保证生产不受影响,可切换至工频运行模式,继续自动运行。基于设计的智能化控制系统,将其运用到某型汽车车桥支撑板负压铸造实际生产中,支撑板材料为ZG20SiMn铸造低合金钢,铸造模具为H13模具钢,经过调质处理;实际汽车车桥支撑板负压铸造生产工艺参数为:负压-81kPa,浇注温度1480℃,填充时间为5min,保压时间为10min,振动台频率为40Hz,振幅为2.5mm。负压、真空泵等主要与负压有关的参数由设计的负压控制系统进行精确控制,而浇注温度1480℃、填充时间5min,保压时间10min,振动台频率40Hz,振幅2.5mm等参数由主控制系统控制,在此不做过多描述。根据上述工艺参数进行汽车车桥支撑板负压铸造。铸件尺寸如图6所示。根据图6汽车车桥支撑板成型件尺寸及其负压铸造实际运行参数,得到该零件负压铸造工艺过程中负压相关控制参数为:负压(-81±0.25)kPa,真空泵转速为(245±2)r/min,真空泵电流为(2.0±0.5)A,真空泵温度≤65℃,真空泵转矩输出率≤100%。根据上述控制工艺参数得到汽车车桥支撑板在实际负压铸造成型工艺过程中的实时负压调整参数及负压控制曲线的操作界面如图7所示。由图7可知,汽车车桥支撑板负压铸造实际生产设定负压值为-81kPa,而实测负压值为-80.2kPa,在控制误差±0.25kPa以内;真空泵转速为246r/min在设定的(245±2)r/min内;真空泵电流为1.9A,在设定的(2.0±0.5)A范围内;真空泵温度为48℃<65℃,真空泵转矩输出率12%≤100%均满足设计要求。本研究设计的汽车车桥支撑板负压铸造智能控制系统实现了对铸造系统中的关键参数负压进行实时调整及监测,控制精度为±0.25kPa,控制误差为0.5kPa,为负压铸造生产过程中负压的智能化控制及成本降低提供了重要保障。本研究设计的负压铸造智能化控制系统可以在各行各业中的零件的负压铸造中进行应用,且其控制原理及控制方式可以推广应用到其他铸造成形工艺的智能化控制中,应用前景广阔。

4结语

本设计的负压铸造智能化控制系统可以实现对铸造系统中的负压进行实时控制、调整及监控。设计智能控制系统实时负压误差为0.5kPa,在某型汽车车桥支撑板负压铸造实际生产中进行了实际应用,为铸造工艺的智能化控制、性能优良的铸件生产及生产提供借鉴。

参考文献:

[1]陈丽敏,刘元伟.基于PLC控制的球墨铸铁消失模铸造充型压力模拟研究[J].热加工工艺,2017,46(17):122-125.

[2]张天舒,冯正华,陈晓.基于PLC的压铸模具温度智能控制系统设计[J].热加工工艺,2016,45(13):130-132.

[3]李瑞霞,周丽.差压铸造设备计算机自动控制系统设计[J].热加工工艺,2015,44(17):71-75.

[4]朱晓.低压铸造液面加压系统充型信号发生器的设计与实现[J].热加工工艺,2014,43(5):68-69.

[5]王晶.3Cr2W8V钢铝压铸模真空热处理及其自动控制[J].热加工工艺,2015,44(6):226-228.

[6]同志学,吴晓君,史丽晨.消失模铸造砂处理系统智能控制研究与应用[J].热加工工艺,2010,39(13):45-47.

[7]韦贺.WCp/钢(铁)基复合材料微观界面形成机制及压缩性能的研究[D].昆明:昆明理工大学,2016.

[8]廖常初.PLC编程及应用[M].北京:机械工业出版社,2010.

作者:史琼艳 张江华 单位:常州机电职业技术学院

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