（机械设计及理论专业论文）基于plc控制的活塞浇注设备设计与研究.pdf

致谢 基于p l c 控制的活塞浇注设备的设计与研究一文是在导师张振军副教授的悉心指导 下完成的在课题研究的过程中，导师对工作中遇到的每一个技术难题，都给予了关键 性的指导。论文的完成凝聚了导师的心血和汗水同时，导师丰富的知识和经验，科学 的态度，严谨的作风，都使我受益匪浅。因此，在论文完成之际，首先对我的导师表示 衷心的感谢，向他表示我最诚挚的谢意和崇高的敬意! 在攻读硕士学位期间，同时还得到了梅玉春老师的指导和宋兴龙硕士研究生的支持 和真诚的帮助，在此向他们表示感谢。 借此机会，作者感谢在百忙中评阅本论文的专家和学者们。 我向在论文的完成过程中，给子我帮助和鼓励的所有老师及同学致以最诚挚的谢意。 最后，值此论文完成之时，对我的父母、亲属及所有朋友给予的生活上无微不至的关怀、 精神上的理解和支持表示最诚挚的谢意。 程建平 2 0 0 8 - 0 3 摘要 半自动活塞浇注设备是进行活塞毛坯生产的关键设备，是集机、液、电为一体的现 代化技术设备。针对目前活塞使用市场的发展需求，特别对我国东南部省份的近几百家中 小型活塞企业发展需求的调研，提出了该设计研究题目本文对活塞浇注设备的机械部 分、p l c 电气部分进行了全面设计。 机械部分设计主要包括机座设计、工作台总成设计、顶模提升总成设计、抽中芯总 成设计、冷却系统设计、液压系统设计、集成块总成设计，模具及其动作顺序设计运 用u g 对浇注设备的关键的承载部件工作台和顶模提升总成的支板进行建模，用有限元分 析软件a n s y s 进行分析并进行了优化设计。 p l c 电气部分设计主要包括控制系统各模块的合理选取，i o 的合理分配、硬件电路 设计和软件编程。运用s t e p 7v 5 3 对控制系统软件部分进行编程，用p l c s i m 仿真软件 进行仿真，并用w i n c cf l e x i b l e 进行了组态编程，实现了现在流行的人机界面可视化操 作。 浇注设备操作方式有手动和自动两种，设备突出特点是利用传感器对模具温度实时 采集和监测并据模具温度自动选择最佳开模时机，既可提高活塞的总体性能又能提高生 产率和成品率。针对浇注设备出现的问题，本文提出了解决方法。设备在机械部分试制 完成后，进行了总体装配调试，设备运行状况良好，目前已投入使用。 关键词：活塞浇注设备；机械设计：p l c 电控；人机界面 d e s i g na n d r e s e a r c hf o rp i s t o nc a s t i n ge q u i p m e n tb a s e do np l cc o n t r o l a b s t r a c t 1 n h es e m i - a u t o m a t i cp i s t o nc a s t i n ge q u i p m e n ti st h ec r i t i c a le q u i p m e n to fc a s t i n gp i s t o n r o u g h c a s ta n dt h em o d e mh i g h - t e c h n i c a le q u i p m e n tw h i c hc e n t r a l i z e sm a c h i n e r y , h y d r a u l i c ， e l e c t r i c a i m i n ga tt h en e e do ft h ep i s t o np r o d u c t i o nm a r k e ta lp r e s e n t , t h et h e m e , w h i c h e s p e c i a l l yi sf o rt h en e e do fd e v e l o p m e n to fs e v e r a lh u n d r e d so f m i d d l eo rm i n o re n t e r p r i s e s p r o d u c i n gp i s t o n si np r o v i n c e so fs o u t h e a s ti no u rc o u n t r y , i sb r o u g h tf o r w a r da n dt h e m e c h a n i c a ls y s t e ma n dp l cc o n t r o l l i n gs y s t e ma r ed e s i g n e dt h o r o u g h l y 劝ei n a c h i n ep a r td e s i g no f t h ec a s t i n gp i s t o ne q u i p m e n ti n c l u d e sm a i n l yt h eb a s ed e s i g n , t h ew o r k t a b l ea s s e m b l yd e s i g n , t h ec r e s tm o l dl i f t i n ga s s e m b l yd e s i g n , t h ea s s e m b l yd e s i g no f t h ed r a w - o u ti n n e rp a r t so ft h ec a s t i n gm o l d , t h ec o o l i n gs y s t e md e s i g n , t h el i q u i dp r e s s e s s y s t e md e s i g n , t h ei n t e g r a ld e v i c ea s s e m b l yd e s i g na n dt h es t n l c m r ea n dt h es e q u e n t i a l m o v e m e n td e s i g no ft h em o l d t h et h e m ee s t a b l i s h e st h es o l i dm o l d sr e s p e c t i v e l yf o rt h e w o r k t a b l ea n dt h es u p p o r tb o a r do ft h ec r e s tm o l dl 啦a s s e m b l y , w h i c ha 弛t h ec r i t i c a lp a r t s o ft h ep i s t o nc a s t i n ge q u i p m e n t , b yt h et h r e e - d i m e n s i o n a lc a ds o i t w a r eu ga n dt h e nt h e m o l d sa r ei m p o r t e dr e s p e c t i v e l yi n t ot h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s 脚a 玲a n s y st 0 n u m e r i c a ls i m u l a t i o n , c 0 恤t ot h er e s u l to ft h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nt h e ya r ca p p l i e d 协 o p t i m i z i n gd e s i g n d e s i g nf o rt h ep l ce l e c t r i c a lp a r tm a i n l yi n c l u d e sc h o o s i n ge a c hm o l do ft h ee l e c t r i c a l p a r tr e a s o n a b l y , d i s t r i b u t i n gt h ei on o d e sc o r r e c t l y , t h eh a r d w a r ed e s i g na n dp r o g r a m m i n g t h e s o f t w a r e t h ec o n t r o l l a b l es y s t e mp r o g r a mp r o g r a m m e db yt h es o f l w a 托s t e p 7v 5 3i s s i m u l a t e db yt h es o l , w a r ep l c s i m , a n dt h es o f t w a r ew i n c cf l e x i b l ei sa p p l i e dt ot h e c o n f i g u r a t i o no fp r o g r a ma n dr e a l i z e st h eh u m a nm a c h i n ei n t e r f a c eo fv i s u a lo p e r a t i o n p o p u l a ra tp r e s e n t t h ep i s t o nc a s t i n ge q u i p m e n th a st w oo p e r a t i o n a ls t y l e s ，a n di th a st h em o s to u t s t a n d i n g c h a r a c t e r i s t i c sw h i c ha l et h er e a l t i m em o n i t o r i n ga n dc o l l e c t i n gt h et c m p c m m mv a l u e so ft h e m o l db ys e l l s o r 5a n dt h a ta c c o r d i n gt ot h ed a t at h ee q u i p m e n tc a na u t o m a t i c a l l yc h o o s et h e o p t i m a lm o m e n to ft h em o l d so p e n i n g ，t h ea d v a n t a g e sc 趾n o to n l yp r o m o t et h et o t a lq u a l i t y b u ta l s or a i s et h er a t eo fp r o d u c t i o na n dt h em t eo ft h eq u a l i f i e dp i s t o n a st os o m eq u e s t i o n s c o m i n gu pt h ee q u i p m e n th a si nt h ep r o c e s so fd e s i g na n dt h em o d e lt e s t i n g ，t h et h e m eh a s g i v e nc o r r e s p o n d i n gs o l u t i o n s a f t e rt h em a c h i n ep a r to ft h ee q u i p m e n tm a n u f a c t u r e daw h o l e a s s e m b l ya n dt e s t i n go ft h ei n t e g r i t yo ft h em a c h i n ep a r ta n dp l cc o n t r o l l a b l ep a r tw a s p r o c e s s e d , t h ew h o l ew a si ng o o dc o n d i t i o np r e s e n t l yt h ep i s t o nc a s t i n gm a c h i n eh a sb e e n a p p l i e dt ot h ep i s t o np r o d u c t i o n k e y w o r d s ：p i s t o nc a s t i n ge q u i p m e n t ；m a c h i n ed e s i g n ；p l c e l e c t r o n i c c o n t r o l ； h u m a n - m a c h i n ei n t e r f a c e 目录 l 绪论1 1 1 课题背景、目的和意义1 1 1 1 课题背景l 1 1 2 课题目的1 1 1 3 课题意义2 1 2 活塞浇注设备国内外发展现状2 。1 2 1 活塞浇注设备国内发展现状2 1 2 2 活塞浇注设备国外发展现状3 1 3 课题来源4 1 4 课题研究的主要内容4 1 5 活塞浇注设备简介4 1 5 1 机械部分4 1 5 2p l c 控制部分5 2 机械部分设计9 2 1 机座设计9 2 2 工作台总成设计9 2 2 1 工作台设计l o 2 2 2 外模开合机构设计l7 2 2 3 抽边芯机构设计l8 2 3 顶模提升总成设计18 2 4 抽中芯总成设计2 4 2 5 工作台翻转机构设计2 5 2 6 模具结构及开合动作顺序设计2 5 2 7 液压系统设计2 6 2 7 1 液压系统执行元件形式及其运动控制回路的选择2 6 2 7 2 液压系统工况分析并绘制负载图2 7 2 7 3 液压系统参数的确定及元件的选择2 7 2 7 a 确定液压系统原理图3l 2 7 5 液压系统集成块设计3l 2 8 冷却系统设计。3 3 2 8 1 冷却系统的组成和设计要求3 3 2 8 2 冷却系统设计3 3 2 9 本章小节3 5 3p l c 控制部分弘 3 1p l c 白勺! 趋t 型一一3 6 3 1 1p l c 的基本组成3 6 3 1 2p l c 的基本工作原理3 8 3 1 3 $ 7 - 3 0 0p l c 硬件特性 3 1 4p l c 硬件模块选择。4 0 3 2 控制系统的硬件设计函。4 i 3 2 1 电源电路的设计4 l 3 2 2 冷却时间控制单元设计4 2 3 2 3 温控模块设计4 3 3 2 4p l c 控制主电路设计。 3 3 控制系统的软件实现4 5 3 3 1s i m a t i cs t e w 编程环境4 5 3 3 2 软件设计思想和控制方式。4 9 3 3 3p l c 硬件组态与设置5 0 3 3 4 浇注设备控制功能的软件实现5 0 3 4 设备的操作、调整和控制仿真。5 7 3 4 1 设备的操作5 7 3 4 2 设各控制仿真5 9 3 5 人机控制功能的实现 3 5 1 触摸屏简介6 0 3 5 2 触摸屏在浇注设备控制系统中的应用6 0 3 6 系统可靠性“ 3 6 1 通过硬件电路提高系统的可靠性一。6 4 3 6 2 利用软件编程提高系统可靠性6 6 3 6 3 利用外围电路和执行器件提高系统可靠性6 6 3 7 本章小结6 7 4 结论和展望碣 4 11 客论6 8 4 2 展望6 9 5 参考文献7 0 1 1 课题背景、目的和意义 1 1 1 课题背景 1 绪论 近年来，随着国民经济的快速增长和社会购买力的持续提高，汽车工业作为我国的 支柱产业，呈现出了前所未有的快速发展势头汽车工业的迅猛发展，拉动了汽车活塞 需求量不断增加和汽车活塞制造业飞速发展。现在发动机输出功率、油耗、寿命等性能 要求不断提高，发动机的动力性、经济性、环保性及可靠性要求越来越严格，特别是随 着国、国标准在全国的逐步实施，行业和市场对活塞产品的安全、环保、节能等要 求越来越高，导致活塞企业产品升级和结构调整n 1 ，必然将进行相应的技术改造，这将 对汽车的活塞制造技术提升和老旧活塞产品的淘汰起到促进作用乜1 未来三年我国中高档柴油发动机活塞市场将迎来历史性的巨大发展契机啪按照整 车年均增长1 5 的速度，2 0 0 7 年柴油商用车产销将分别达到1 8 5 5 万辆和1 8 6 1 万辆， 2 0 0 8 年将达到2 1 3 3 万辆和2 1 4 0 万辆，2 0 0 9 年将达到2 4 5 3 万辆和2 4 6 1 万辆，2 0 1 0 年将达到2 8 2 1 万辆和2 8 3 0 万辆。由此按照平均每车5 缸计算，2 0 0 7 年柴油商用车活 塞市场产销量将分别达到9 2 7 5 万只和9 3 0 5 万只，2 0 0 8 年将达到1 0 6 6 5 万只和1 0 7 0 0 万只，2 0 0 9 年将达到1 2 2 6 5 万只和1 2 3 0 5 万只，2 0 1 0 年将达到1 4 1 0 5 万只和1 4 1 5 0 万只。同时，未来几年我国柴油商用车市场处于产品升级换代和发展高峰时期，我国柴油 商用车活塞维修市场也将十分活跃，按照主机与维修l ：1 的比例计算，2 0 0 7 - - - , 2 0 1 0 年我 国柴油商用车活塞维修市场的产销量将与主机市场产销量同步。 目前，国外的汽车活塞制造企业纷纷瞄准了中国这一巨大的汽车零部件尤其是活塞 市场，使国内活塞制造企业间的竞争更加激烈，特别是发达国家的零部件制造商纷纷在 中国合资或独资建立活塞制造基地，抢滩中国市场啪国内汽车活塞制造企业为了能在 竞争中顽强生存下来，有少数厂家从国外引进活塞铸造专用设备，这些活塞铸造专用设 备是车用活塞生产线中重要而且十分关键的设备，这些设备具有加工精度高、自动化程 度高、生产节拍快、抗干扰性强、稳定性好等特点，但由于装备造价高、保养维修困难、 操作麻烦等缺点使其应用推广成了难题，形不成一定规模，成了活塞生产的“瓶颈一 1 1 2 课题目的 活塞是发动机的“心脏一，承受交变的机械负荷和热负荷，是发动机中工作条件最恶 劣的关键零部件之一活塞已发展成为集轻质高强度新材料、异型外圆复合型面、异型 销孔等多项新技术于一体的高技术含量的产品，以保证活塞的耐热性、耐磨性、平稳的 导向性和良好的密封功能，减少发动机的摩擦功损失，降低油耗、噪声和排放。活塞作 为典型的车用关键零部件，在毛坯生产方面具有很强的工艺特点。由于活塞特有的毛坯 生产工艺特点，单靠原来沿用传统的上抽芯铸造和手工操作，制造出的毛坯难以满足活 塞的高精度、高效率的要求。本课题将根据国内实际国情并借鉴国外的设计经验，并对 活塞浇注过程中的各项问题进行研究，开发研制出适合国情的半自动活塞浇注设备。此 设备基于p l c 控制，作业可实现半自动化，可以消除国内传统铸造活塞方式劳动强度大、 生产效率低、铸件质量不稳定且合金收得率低的缺点。并且该浇注设备占地面积小、性 价比高、安装调试方便、便于维修维护。 1 1 3 课题意义 本课题将针对活塞铸造工艺中的问题进行研究，开发研制出半自动活塞浇注设备， 此设备设计考虑到我国国情，顺应国内外活塞市场的发展趋势，其相关技术具有很高的 使用价值，所取得的科研成果可直接运用到生产，对推动我国汽车零部件制造业技术改 造和技术进步有现实意义，特别对我国东南部省份的近几百家中小型活塞企业的发展更 加有意义，有推广价值和市场应用前景。 1 2 活塞浇注设备国内外发展现状 1 2 1 活塞浇注设备国内发展现状 国内活塞浇注设备的研发从上世纪九十年代才发展起来的。国内现在专业进行汽车 活塞浇注设备研发的单位或厂家却寥寥无几。目前国内专业进行活塞浇注设备设计与研 发的单位主要有：上海交通大学和葛洲坝集团公司。 上海交通大学研发人员借鉴了目前国际上先进的活塞铸件生产技术，采用国内先进 的机械制造技术和自动控制技术，组织设计并制造出j d z - 1 型双室下抽芯半自动活塞铸 造机。活塞铸造机采用金属型铸造，金属型模具的开、合动作采用液压驱动。金属液浇 入模具后，模具各部分分别通入可调控的冷却水冷却。机器的主要动作由p c 机控制。整 机主要包括机械部分，液压、气动部分，水冷却部分，电气控制部分。铸造机具有可以 安装多种规格的活塞模具，以生产不同尺寸的活塞的特点外，还具有铸件质量高、生产 效率高、劳动强度低和便于安装维护的特点。但铸造机的工作台没有翻转机构不能翻转， 这对镶圈、镶钢片、带油冷通道等一些特殊汽车活塞的浇铸和取出带来了不便，在一定 程度上影响了生产效率。 葛洲坝公司研发的浇注设备类型较多，其浇注设备在不同尺寸、不同类型的活塞浇 注方面较之其他单位研发的浇注设备有较好的优势，可以做到一机生产多种规格、不同 尺寸的活塞，对于生产多品种活塞的企业可以做到减少生产设备投资，降低生产成本， 提高设备利用率。但在生产活塞规格、类型较单一的很多中小型企业中，这种“全能型一 浇注设备一些功能不能被应用而造成设备浪费，也增加了企业的生产成本，不利于推广 使用。 目前，国内一些有实力的活塞制造厂自行也组织了活塞浇注设备的研发，但他们只 是针对本厂的实际情况，只针对某一型号的活塞进行浇注设备的研发。活塞浇注设备的 2 单机单用提高了活塞制造企业的生产和研发成本，造成了推广困难。如：如山东活塞厂 制造的h z j - 1 0 0 型铝活塞铸造机。此铸造机采用双工位布置，在一定程度上可提高效率， 但它液压系统所需液压缸较多，工作台下面是封闭式的，不利于油压系统的散热，液压 缸的使用寿命会受到影响，并且它的体积较大，造成安装调试不便。石家庄金刚内燃机 零部件集团有限公司开发的大型活塞铸造机。这种大型活塞浇铸机的研发是针对直径范 围在- 1 3 0 - - - 一2 0 0 m m 的大型活塞，而对于现在需求量巨大的中小型汽车活塞的铸造难于推 广滨州活塞厂还先后自行研究开发了h z 一8 0 、h z j 一1 0 0 、h z j 一1 0 0 a 、q z l 3 0 等多种机型 的铝活塞全自动铸造机h 等。 还有一些研发实力弱的活塞制造企业直接从国外引进技术或购买国外设备。但国外 浇注设备生产公司对技术的垄断，模具设计的专机专用，使得设备价格动辄就几十万美 金。因此，设备虽自动化程度高但不适我国国内活塞生产企业的实际，造成了设备的浪 费，提高了生产成本。如石家庄内燃机配件总厂引进德国马勒公司的全套技术和设备， 上海活塞厂引进德国l 【s 公司的铝活塞制造技术、关键设备、检测仪器和工装嗡1 等。 1 2 2 活塞浇注设备国外发展现状 自上世纪七八十年代以来，西方发达国家逐步实现了汽车零部件铸造的全自动化。 近二十多年微控制器和计算机技术的迅速发展和在工业中的广泛应用，使得浇注机、微 控制器、计算机有机完美的结合在一起，实现了活塞浇注设备远程控制的全自动化浇注， 并广泛应用于汽车活塞制造行业。国外有多家专业公司在研发汽车活塞浇注设备： 1 美国离心铸造机械有限公司研发的r c _ 6 自动多工位浇铸机 美国离心铸造机械有限公司( c 眦o ) 研发的r c - 6 自动多工位浇铸机主要由机械总 成、液压系统、p l c 电气控制系统、模具的冷却和加热系统、自动控制部分、涂料自动 喷涂系统等几部分组成。整个设备采用了p c 工业控制器对整个过程进行自动控制。它具 有转动盘转位自动控制模块，采用转动盘部件结构安置铸模旋转器的六个工位，在转位 时间5 秒钟内实现每个旋转器的精确转位，转位误差控制在0 8 m 。r c - 6 自动多工位 浇铸机除了机动化程度高还有铸模自动定位准确、生产节拍快、生产效率高的优点。但 此设备对于国内中小型活塞生产企业而言，体积大、安装调试不便、价格昂贵并且维护 困难 2 德国马勒公司研发的m g 9 d 活塞浇铸机 德国马勒公司研发的m g 9 d 活塞浇铸机除了能浇注普通活塞外，还可以浇注带镶圈、 带盐芯、镶钢片活塞产品浇铸机具有工作台翻转机构，在进行镶圈、镶钢片等特种活 塞浇注时工作台可翻转2 6 控制系统分为自动和手动，自动时浇铸机可以实现全自动 化的浇注但浇铸机模具采用专模专用，维修保养所用零部件都须由其制造公司专门供 应。浇铸机价格昂贵，一般为几十万美金。 3 意大利法塔公司生产的活塞浇铸机 意大利法塔公司生产的活塞浇铸机由机械总成、液压和气动系统、自动水循环冷却 系统、模具加热系统、p l c 电气控制系统、自动机器手及其他一些模块组成，机器手的 3 动作完全由电脑程序控制，机器的动作由一套s i e m e m ss 5 程序控制器控制。工作时电控 柜要求全部恒温，里面温度较高时，若空调未开则会导致报警，这样可以对电气控制器 进行保护。 总之，国外浇注设备自动化水明显高于国内，但这些浇注设备被用于国内活塞制造 企业虽能提高生产率却不能很好的降低企业生产成本。鉴于国内实际，国外设备被引进 后有些模块并未被应用于生产，造成资源浪费。国外设备还普遍存在价格高，难于维护 的特点。 1 3 课题来源 该课题来源于南京林业大学“十五一人才工程项目“多品种活塞浇注工艺研究与 设备研制一的资助项目。 1 4 课题研究的主要内容 根据活塞浇注设备国内外发展现状，结合我国国内的实际需要，本课题的主要研究 内容包括： 1 通过对浇注设备功能要求的研究与分析，将对浇注设备的各组成部分的零部件进 行设计与选择。 2 浇注设备的工作台和其顶模提升总成的支板是重要的承载部件，浇注过程中工作 台和支板的变形都有可能影响活塞浇铸的精度，为此对工作台和支板进行有限元分析， 根据分析数据结果对工作台和支板进行优化设计。 3 通过对液压系统、冷却系统原理的分析与研究，将对浇注设备的液压和冷却系统 进行设计。 4 通过对模具动作顺序和控制方式的研究，将对浇注设备的控制部分进行设计，设 计出控制系统的硬件电路和软件程序，并对程序进行仿真和调试。 5 在各个部分设计完成后，进行样机试作，并且进行总体的安装调试。 1 5 活塞浇注设备简介 浇注设备为工作台可倾的下抽芯活塞毛坯专用铸造设备。它可以铸造具有一块、三 块或五块内芯的活塞毛坯，它不但可以铸造单金属活塞，还可以铸造镶奥氏体铁圈活塞， 镶钢片活塞和油冷通道等多种复杂结构的高档活塞毛坯。该设备有机械部分、p l c 控制 部分两大部分组成，下面简述设备的两大部分。 浇注设备机械部分按照功能来分，主要有机座、工作台总成、模具、顶部提升总成、 抽中芯总成、工作台翻转机构、液压系统和冷却系统等几部分组成。为提高浇注设备整 体工艺性能，对以上各部分进行科学合理的设计，克服了有些浇铸设备易出现的因模具 4 翘起而容易产生废品、模具不能正常开合、抽中芯总成中零件易损坏、液压系统及冷却 系统的电磁阀和管路布置不合理等问题，从机械角度保证了设备的可靠性。 机座是浇注设备承载所有部件，起到支撑定位和稳固所有零部件的作用；工作台总 成包括抽外模总成、抽边芯总成，它主要完成浇注时外模开合和边芯的进退，且设备在 浇铸镶圈、钢片等类型的活塞毛坯时还要求工作台翻转；顶部提升总成主要完成浇注时 顶模的开、合；抽中芯总成主要完成浇注时模具中芯的进与退：工作台翻转机构是完成 浇注时工作台的翻转与复位，便于取件和在浇铸特殊要求活塞时放置镶圈或钢片等；冷 却系统是为了使模具性能稳定和提高活塞铸件质量，加快活塞铸件的生产节拍，模具各 部分冷却水的启、停调节方便，并能自动控制；液压系统是设备的动力源，它的工作原 理是液压泵在电机带动下，将液压油通过电磁换向阀送入液压缸一腔，将机械能转化为 液压缸压力能和活塞杆的动能，并通过p l c 控制系统对液压缸的控制驱动浇注设备进行 动作；模具是完成活塞浇铸的核心部分，其开合动作和顺序是电气控制部分控制的主要 对象，浇注设备中机械部分的许多零部件的相关尺寸全部统一于众多的活塞模具参数中， 该设备的模具结构图和实物图如图1 1 、1 2 所示。 中抽出进行清理。 浇注完毕及凝固时间结束时，活塞毛坯由人工取出。 1 5 2p l c 控制部分 p l c 控制部分主要由c p u 模块、输入模块、输出模块、模拟量输入模块等模块及传 感器和其他器件组成。c p u 模块与选用的输入、输出模块配合，完成在控制过程中指令 5 信号读入与指令输出执行；模拟量输入模块和传感器共同组成了温控模块，对浇注设备 的一些需要温控的位置进行实时监测并将数据传给c p u 模块，使p l c 执行相应的动作指 令。 浇注设备是半自动化设备，具有“手动 调整和自动“循环一两种工作模式。“手动一 可以完成设备的各种调整工作，以便更换工装、模具，或故障停机后，能够“手动 调 节设备的基本位置和到位位置或用总复位按钮进行总复位，并且能够满足手动浇铸造型 的需要。活塞浇铸过程如图1 3 所示。 工作台倾斜，浇铸 铝液，工作台复位 二二 冷却定时，启动温 控模块 外 模 冷 却 左右边芯分开、中 芯进、外模合、项 模降 工作台复位 辨，纛 i 中芯退、左右边芯 达到要求 图1 3 活塞浇注过程框图 自动“循环一时，设备启动前若其未处于初始基本位置，应用总复位按钮复位。初 始基本位置为外模打开、左右边芯分开、中芯向上、顶模升、工作台放平，设备处于基 本位置时有指示灯指示，起动自动循环，此时，模具合模和开模的基本动作顺序是左芯 左移、右芯右移、中芯上升、外模合、项模降、工作台倾斜、浇锈工作台放平、凝固、 项模升、外模开、中芯下降、右芯左移、左芯右移、工作台翻转取铸件、工作台复位， 此时有指示机床基本位置的信号，而后可以进入下一个循环。在一个浇铸循环中，浇铸、 取件用手动操作，其他动作都是由p l c 电气控制部分自动完成。 设备的“手动一和自动“循环一都要在液压系统正常工作后才能进行。 p l c 控制部分的温控模块主要包括模具温度的监控与冷却控制，液压系统的液压油 温度的监控和降温控制，和冷却系统中的冷却液温度的监控和降温控制，温控模块监控 和控制的目的是提高生产率和成品率，保护浇注设备。 浇注设备通过机械部分和p l c 控制部分的互相配合完成活塞模具的开合和其他部件 辅助动作设备的主要技术数据为：加工规格和可安装模具规格：见表卜1 ；外形尺寸； ( 长、宽、高) 2 0 2 0 m 1 3 0 0 m m 义2 7 5 0 m m ，工作台距地面高l l o o m m ；重量：约1 5 0 0 千 克；电源电路：工作电源3 8 0 v5 0 h z ，控制电压2 2 0 v ，电磁阀2 4 v ，额定电流5 a ；总 功率：5 5 k w ：液压系统：压力5 m p a ，用量：每个浇铸周期约1 3 升；冷却水：压力0 4 6 0 5 胛a ，用量：每个浇铸周期约5 0 升；压缩空气：压力0 5 - - 0 6m p a ，用量：约2 0 m 3 h 活塞浇铸设备总体结构图和实物图如图1 - 4 、1 - 5 所示。 表1 - 1 浇注设备加工规格和可安装模具规格表 项目参数或型号单位 直径5 0 1 1 5 0 能生产的活 内顶高度5 0 1 5 0 m m 塞铸件尺寸 最大裙部高度 7 0 销孔直径 1 2 3 3 生产率 1 只r a i n 可安装的活塞 高度 1 6 0 - 2 8 0 模具( 金属型 单边行程 1 5 5 1 7 5 厚度 l8 m 2 2 0 m m 尺寸) 外模开启后开挡 1 8 m 2 4 0 图1 4 浇注设备总体结构图 l 水冷总成；2 支座；3 斜抽边芯总成：4 抽边芯总成；5 外模开合总成；6 工作台总成；7 顶模提升 总成；8 配电箱总成：9 集成块总成：1 0 抽中芯总成 7 图1 5 浇注设备实物图 8 2 机械部分设计 浇注设备机械部分主要由机座、工作台总成、模具、顶部提升总成、抽中芯总成、 工作台翻转机构、液压系统和冷却系统等几部分组成。机械部分需要设计的零部件多且 各零部件都要有加工精度和配合公差。因此，机械部分的合理设计至关重要。 浇注设备机械部分零部件多、结构复杂，工作环境比较恶劣，设备在运行时常会出 现一些问题，需要通过分析研究并据经验与现场实际来解决。工作台总成设计可谓浇注 设备设计中的重中之重，而工作台设计又是保证工作台总成良好工作状态的关键，同时 也是影响活塞浇注精度的关键因素。在浇注过程中，工作台受到热一应力耦合作用会发生 一定的形变，如果工作台形变量过大将影响活塞精度；顶部提升总成的支板在项模升降 时受力会形变，如果支板设计的不合理，在顶模开、合时支板会产生短时的强烈振动， 对模具和顶模提升总成都会产生损害。设计中先用u g 对工作台和支板进行建模，再用 a n s y s 进行有限元分析并对工作台和支板进行优化设计，以达到结构合理，减少材料运 用和工件加工量以便降低设备总体成本的目的。对于在浇注过程中出现的导轨变形大、 导轨磨损过快、闷模、外模开模力过大、模具中芯抽不出、液压系统漏油等问题，设计 过程中采取了相应措旖进行解决；对于浇注设备模具结构和开合顺序，给工作台和模具 的动作提供驱动力的液压系统，可使模具性能稳定，提高活塞铸件质量，加快活塞铸件 的生产节拍的冷却系统，在设计过程中本章都给出了具体的设计方案和解决方法。 2 1 机座设计 机座是设备的承载部件，根据对设备的批量、工作环境和工况的分析，浇注设备的 机座采用角钢、槽钢、板材等焊接而成，为了提高设备承载能力槽钢采用b 型结构，经 焊接完成后，机座结构图如图2 1 所示。 2 2 工作台总成设计 图2 1 机座结构图 工作台总成设计不仅包括工作台、抽外模总成、抽边芯总成，同时又与抽中芯机构、 9 顶部提升机构有着密切的位置和尺寸关系，且浇铸镶圈活塞时还要求其翻转，所有这些 都决定了以上各部分不仅要实现各自的开、合模动作，而且要求所有这些相关尺寸都要 全部统一于众多的活塞模具参数之中。在这部分设计中，因为工作台结构复杂、重量大， 铸造和加工成本较高，故将重点针对其进行设计、有限元分析和优化设计，在保证设备 使用精度的情况下尽量减少工作台的铸造和加工成本。工作台的设计将直接影响到工作 台总成中其他零部件的安装、定位，模具设计的相关参数和活塞的浇注精度。 据总体设计和零部件在工作台上的安装位置关系和尺寸的要求，经理论计算和校核， 确定工作台总成主要技术参数如表2 一l 所示。 一 表2 - l 工作台总成主要技术参数表 工作台规格( r a m ) 1 0 0 0 x 5 0 0 x 1 0 0 外模销孔 销孔中心距工作台距离( r a m ) 1 4 0 ，、 缸径( m m ) 1 4 0 。一 外模油缸 一一行程( 衄) 2 9 0 一一一 缸径( r a m ) 6 0 前后芯油缸 行程( m m ) 1 2 0 缸径( m m ) 1 0 0 左右边芯油缸 行程( r a m )6 0 缸径( 姗) 1 4 0 工作台翻转油行程( m m ) 2 2 4 缸 工作台翻转角度 2 6 0 翻转缸自身偏转角度9 0 工作台转轴距水平面距离c r a m ) 1 6 1 5 2 2 1 工作台设计 工作台设计包括工作台结构设计、工作台有限元分析和结构优化设计。在浇注过程 中工作台受热一应力耦合作用，通过有限元分析软件对工作台进行热一应力耦合作用的模 拟分析，可以提前知道在浇注过程中工作台的形变情况和其温度场梯度分布，找出问题 的解决方法，对设计进行修改优化，这样不仅大大降低了制造成本，缩短了制造周期， 而且工作台结构更加科学合理，提高了工作台的使用性能。 1 工作台结构设计 在综合考虑了工作台的承载能力和安装模具的复杂程度以及在工作中受到的热应力 作用的影响，浇注设备工作台的材料选用h t 2 0 0 。工作台尺寸拟定为1 0 0 0 m m x 5 0 0 m i n x 1 3 9 7 衄。工作台实物图如图2 - 2 所示。 由于工作台总成需要安装的零部件多且对空间和公差配合的要求不一，这就需要根 据各零部件的功能作用，在工作台上合理设计各零部件的安装位置。因此，合理的设计 是浇注设备总体结构紧凑、性能优良的关键。浇注设备工作台的结构三维模型图如图2 3 所示。 1 0 l il i l ； 隧慧一 _ ( a ) ( b ) 图2 2 工作台实物图( a 正面，b 反面) 霉霉零翟嚣? ，霉繁雩譬霉鬻 瓣： 譬一 ? 图2 - 3 工作台三维模型 2 工作台有限元分析 ( 1 ) 几何建模 , 州s y s 和u g 都有建模功能。a n s y s 作为专业的c a e 软件，强项在于它的分析功能， 对复杂零部件的几何造型却十分困难，而u g 建模功能强大，因此建模用u g ，分析用心i s y s 是十分必要的嘲。此外，合理简化模型，也可以减小计算规模。常用手段有充分利用轴 对称、面对称条件，添加适当的边界条件，将大模型转化为小模型等口1 。据工作台的结 构特征，利用其轴对称条件，取工作台一半进行建模分析。模型如图2 - 4 所示。 图2 - 4 工作台建模图 l l ( 2 ) 有限元分析 工作台在工作过程中是受热一应力耦合作用，因此要对其进行热一应力耦合分析。在 前处理过程中，首先应进行有限元网格划分。为了保证计算的精度，应当正确选取分析 单元类型和合理划分模型单元网格。经过分析，选取s o l i d 7 0 作为热分析单元，选取 s o l i d 4 5 作为应力和应变的分析单元。在划分前应预先估算出模型应力和变形较剧烈的 区域，细化此区域的网格，以保证有足够的单元正确反映出该区域的变形情况。其次， 要设置材料参数和板材的真实应力一应变关系，相关参数见表2 - 2 ，同时还需确定满足分 析要求的约束条件、边界条件、接触条件等。根据工作台工作的环境条件，选择了稳态 间接耦合分析。 表2 2 热- 应力耦合分析相关参数表( 单位采用国际单位) 。 热应 热分。单元类型 热传导系数 力耦 析文x 册5 4 合分 应力 单元类型杨氏模量泊j公比 热变形系到密度 析 分析 s ( ) 暇5 1 2 b + l l 0 - 2 51 3 b 6 i 7 2 5 e 旧 ( 3 ) 单元网格的划分与求解 单