（机械电子工程专业论文）压铸机电液比例控制系统的设计与仿真.pdf

摘要 论文针对国产压铸机普遍存在的因快压射、增压过程性能不足而引起的铸件质量不稳 定、废品率高的问题，对某2 8 0 0 k n 压铸机进行了升级改造，将相应的快压射、增压系统 升级改造为电液比例控制系统，同时设计了具有快速响应能力的专用比例二通插装比例阀 及其控制电路板，并对所设计的快压射及增压过程进行了仿真，以验证方案的可行性。各 章节内容如下： 第一章：介绍课题的背景与意义，然后分析压铸机的国内外现状及电液控制的发展， 最后说明本课题的研究内容和控制要求。 第二章：简单地介绍压铸机，然后结合j s 2 8 0 型压铸机介绍压铸机的主要组成部分及 其功能。最后，对压铸机的工作过程和工艺过程进行介绍。 第三章：在分析原有液压系统不足的基础上，对快压射、增压系统进行电液比例改造， 同时介绍专用比例二通插装阀的设计。 第四章：介绍比例阀插装阀控制电路板的设计，同时也对相关的模块进行介绍。 第五章：对专用比例二通插装阀的动、静态特性进行仿真，在仿真时也验证了不同p i d 参数对动态性能的影响。 第六章：对原系统进行建模与仿真，同时对改造后的快压射、增压系统进行仿真，以 验证方案的可行性。 第七章：对论文所做工作及实现的功能进行总结，分析与国外压铸机的差距，提出今 后压铸机的改进方向。 仿真 关键词：压铸机，比例控制，快压射，增压，插装阀，比例控制板，p i d 调节，s i m u l i n k a b s t r a c t t or e s o l v et h ep r o b l e mt h a tt h ep e r f o r m a n c eo fd o m e s t i cd i e c a s t i n gm a c h i n ei su n s t a b l e a n dt h er a t eo ff a u l tp r o d u c ti sh i g h ，w er e c o n s t r u c tt h eh y d r a u l i cs y s t e mo fa2 8 0 0 k nd i e c a s t i n gm a c h i n ef o rac e r t a i nc o m p a n y t h ef o r m e rc o n t r o ls y s t e mw a su p d a t e dt oap r o p o r t i o n a l c o n t r o ls y s t e m ，w ea l s od e s i g na p a r t i c u l a rp r o p o r t i o n a lc a r t r i d g ev a l v ef e a t u r e dw i t hf a s t r e s p o n s ea n dac o n t r o l l e ru s e df o rc o n t r o l l i n gp r o p o r t i o n a lv a l v e i no r d e rt ov e r i f yt h e f e a s i b i l i t yo ft h ep r o j e c t ，w es i m u l a t e t h ec o n t r o lp r o c e s s u s i n gt h es i m u l i n k st o o lb o xi n m a t l a b t h ec o n t e n t so fe a c hc h a p t e ri sd e s c r i b e da sf o l l o w ： c h a p t e r1 ：i n t r o d u c i n gt h eb a c k g r o u n da n di m p o r t a n c eo ft h ep r o j e c t ，t h e na n a l y s e st h e d e v e l o p m e n ts t a t u so fd i ec a s t i n gm a c h i n ea n da n de l e c t r o h y d r a u l i cc o n t r 0 1 a tl a s t ，w ep o i n t o u tt h ew o r kw h i c hw ew i l ld oi nt h i sp a p e ra n dt h er e q u i r e m e n to f t h ec o n t r o ls y s t e m c h a p t e r2 ：i n t r o d u c i n gs i m p l yt h ed i ec a s t i n gm a c h i n e ，t h e nd e s c r i b et h em a i nc o m p o n e n t s o fa2 8 0 0 k nm a c h i n ea n di t sf u n c t i o n s t h ew o r k i n gp r o c e s so ft h em a c h i n ea n dt h ec r a f t c o u r s ei sa l s od i s c u s s e d c h a p t e r3 ：b a s e do na n a l y z i n gl i m i t a t i o n so ft h ee x i s t i n ge l e c t r o _ h y d r a u l i cc o n t r o ls y s t e m f o r2 8 0 0 k n d i e _ c a s t i n gm a c h i n e ，t h ef o r m e rc o n t r o ls y s t e mw a sr e c o n s t r u c t e d i nt h i sc h a p t e r w ea l s os t u d yh o wt od e s i g nt h ep a r t i c u l a rp r o p o r t i o n a lc a r t r i d g ev a l v e c h a p t e r4 s t u d yh o wt od e s i g nac o n t r o l l e ru s e df o rc o n t r o l l i n gp r o p o r t i o n a lv a l v e ，t h e c o r r e l a t i o np a r t si sd i s c u s s e d c h a p t e r5 = m a i n l yi n t r o d u c et h es i m u l a t i o no ft h ep a r t i c u l a rp r o p o r t i o n a lc a r t r i d g ev a l v e d u r i n gt h es i m u l a t i o n ，w ec o n s i d e rt h ei n f l u e n c eo fd i f f e r e n tp i dp a r a m e t e r st ot h es i m u l a t i o n r e s u l t s c h a p t e r6 ：f o c u so nt h ec o m p u t e rs i m u l a t i o n ，t ok n o ww h e t h e rt h ed e s i g ni sf e a s i b l e c h a p t e r7 ：s u m m a r i z i n gt h ef u n c t i o n sw h i c hi sa c h i e v e di nt h i sp a p e r ，a n da n a l y z i n gt h e g a pb e t w e e nd o m e s t i ca n do v e r s e a w ea l s op o i n to u tt h ei m p r o v e m e n td i r e c t i o no ff u t u r ew o r k k e y w o r d s ：d i ec a s t i n gm a c h i n e ，h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a lc o n t r o l ，f a s ts h o t ，p r e s s u r i z a t i o n ， p r o p o r t i o n a lc a r t r i d g ev a l v e ，p r o p o r t i o n a lv a l v eb o a r d ，p 1 d ，s i m u l i n ks i m u l a t i o n 学号 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据 我所知，除了文中特另t j j m 以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为获得堂垫盘堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：签字日期：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘姿盘茎有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并f 图家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权蜇望兰 生可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、墉印或 描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 签字日期：年月日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址； 导师签名： 签字目期：年月 日 电话： 邮编： 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题背景与意义 压铸是最先进的金属成型方法之一，是实现少切屑，无切屑的有效途径。在工业化 国家获得了广泛的应用且迅猛发展【l 】，特别是对于规模生产的汽车、摩托车、内燃机、 电子、仪表及航天等行业，压铸已成为其不可或缺的组成部分嘲。压铸技术近年来，随 着压铸工业的迅猛发展和现代化进程的不断加快，这种优质高效率的生产方法越来越成 为企业追求的目标。但是随着压铸工艺研究的不断深入，用户对铸机在压射速度、压力、 人机接口等方面也提出了更高的性能要求【2 i s ，这使得某铸机生产企业的原有压铸机在 性能上跟不上时代发展的要求，基于此原因，该铸机生产企业决定对其2 8 0 0 k n 的压铸机 控制系统进行升级改造。 目前，我国铸件产量居世界第二位。以中低档铸件为主，出口不到总产量的1 0 ， 平均价格仅相当于国外铸件平均价格的一半，精密、高性能铸件依赖进口。为改变这一 状况，就必须以技术为突破1 2 1 ，积极采用先进的压铸设备。但是，国外的压铸机的价格 较高，国内中小型企业难以承受。国内压铸机性能又比较落后f 1 0 1 ，限制了国内压铸水 平的提高，因此，需要种性能优良，价位适中的压铸机口1 。本课题所研制的镁铝台金 压铸机将有助于解决这问题，使压铸机在我国得到普及，提高压铸水平。 1 2 压铸机发展状况 1 2 1 国内发展状况 我国的压铸生产，虽然在改革开放后的短时期内获得了长足的发展【2 6 】。在产量和 品种规格上已经可以基本满足各行业的基本需求，但在技术性能和自动化方面却比较落 浙江大学硕士学位论文 后，与世界先进压铸机有很大差距，这正是压铸机进口不断增加的根本原因1 2 “。 早在5 0 年代，我国就自行设计制造出第一台全液压传动的卧式冷室压铸机，不过 没有进行系列化设计和形成批量：6 0 年代初在测绘进口样机的基础上先后仿制出立式冷 式压铸机和卧室冷式压铸机；进入7 0 年代，开始进行自行设计和制造。为了发展系列 化产品，编制了第一个压铸机型谱草案，对压铸机的主要参数提出了具体要求：到了8 0 年代和9 0 年代初，完成了1 6 0 0 0 k n 以下的卧式冷室压铸机系列产品的开发，立式冷式 压铸机也形成了2 5 0 0 k n 以下的系列产品。1 9 8 6 年试制出了第一台j 1 1 6 3 h 压铸机组，1 9 9 0 年开发出第一个柔性加工单元。到9 0 年代中期压铸自动辅机和压铸参数自动检测显示 系统都已经形成定形产品。在此期间，国产压铸机的设计水平已有了巨大提高，8 0 年代 设计的压铸机的压射性能已接近国外先进水平。在合型机构方面全部采用液压驱动的曲 肘机械扩力结构取代了全液压。在热室压铸机方面形成了合型力1 5 0 0 k n 以下的系列化 产品，同时全立式压铸机也有了3 1 5 0 k n 以下的系列化产品。1 9 8 0 年颁布了第一个压铸 机参数国家标准，并重新修订颁布了压铸机参数标准，使压铸机设计、验收有了公认的 依据1 4 。 到目前为止，我国已有压铸机厂家超过1 6 家，其中专业厂家8 家。压铸机年生产 能力超过1 2 0 0 台。可生产2 8 0 0 0 k n 以下的所有卧式冷室压铸机和4 0 0 0 k n 以下的普通热 室压铸机，全立式压铸机也可提供3 1 5 0 k n 以下的系列产品。由于市场经济的作用，国 产压铸机的品种和规格也不完全统一。一般分三大类3 6 种产品，其中卧式冷室1 8 种， 热室1 2 种，全立式6 种。在自动化辅机产品方面有自动浇注、自动取件和自动喷涂料 三类多种产品。总的来讲，国产压铸形成较完整的系列产品，产品大于国内需求。除镁 合金热室压铸机正在开发、挤压铸造机尚未开发外，可为用户提供不同需要的成套设备。 与国外先进压铸机比较，国产压铸机主要存在以下几个方面的差距： i 总体结构设计落后 目前国产压铸机结构设计基本上是上世纪7 0 年代末8 0 年代初的定型设计，近2 0 年来除电控部分用p l c 代替原来的继电器系统外，其他部分基本上改进不大，因此整体 性能没有明显提高。 台型部分虽然采用了曲肘扩力机械结构，但由于没有进行进一步的研究与改进， 扩力系数只有1 6 - 2 0 ，而国外高达2 2 - 2 6 ，这在同样的合型力时，合型油缸比国外大2 5 以上，增加了能量的消耗，也增加了原材料和加工成本。另外合型部分的关键零部件至 今未能完全过关，直接影响到机器的正常工作。 压射部分的结构原理在7 0 年代末还是比较先进的，但至今仍无改进，所有压射 参数的调节均为人工手动，加之无参数显示系统配套，使操作者难以确切的控制，给压 铸工艺的实施造成困难，难以保证压铸件的质量的一致性，也难以实现压铸生产的自动 化。而国外压铸机一直在不断改进，平均5 8 年就有一次较为重大的改进。 浙江大学硕士学位论文 液压系统除力劲公司的一些产品采用少量电液比例技术外，几乎都是常规的开关 阀控制，新的液压原件极少采用，对液压系统原理基本上没有明显的改进，加之选用质 量不过关的原件，使液压系统既不科学也不可靠，至今尚无人利用计算机优化和有限元 分析等新技术对系统进行认真的研究分析和改进。其结果是无法实现压铸的自动控制。 而国外著名的压铸机公司在这方面早已普遍应用。 电控系统方面虽然已经普遍采用p l c 控制”】，比早期有了比较明显的提高，但 受总体设计和液压系统水平的制约，也只能完成一般的开关顺序控制，计算机数控仍未 应用于产品【5 】。而且尚未能形成模块化设计，且与国外同种性能的机器相比价格偏高， 竞争力不强。 新的设计技术尚未普遍采用。现在国产压铸机的设计仍采用早期的传统设计计算 方法，绝大多数厂家甚至连设计计算都不胜任，只能采用放大样式的类比近似设计。虽 然有的单位已经采用c a d ，但只是简单的计算机绘图和公式运算，根本没有利用计算机 c a d 的主要技术，因此机器的结构和性能就无法得到真正的提高和改进，这是国产压铸 机总体设计落后的根本原因。 2 可靠性差 这是国产压铸机最突出的缺陷。据了解，国产压铸机的平均无故障运行时间不超过 3 0 0 0 h ，甚至达不到国外5 0 和6 0 年代的水平。而国外一般超过2 0 0 0 0 h 。 影响可靠性的主要因素是： 液压元器件质量不过关。由于大多数国产压铸机采用国产液压件，面国产液压件 问题比较多，直接影响了压铸机可靠性的提高。据概率统计，由液压件引起的停机故障 率在7 0 咀上。 - 加工制造质量控制不严。由于管理水平低下和员工素质不高，因此零件的加工装 配达不到设计要求，造成故障隐患。 设计技术水平落后，结构改进缓慢。由于市场经济的快速转变，原有技术水平不 高，研究开发的客观条件无法满足不断发展的要求，加上人们对技术进步的重要性认识 不足，缺乏对员工培训和试验研究的投入，造成只是沿用现成的技术。 企业缺乏正确的发展策略。现在绝大多数厂家已经对营销筇略开始重视，但对产 品品质和今后发展的关系仍然认识不足。还没有真正意识到产品品质和企业的生存和发 展的密切关系。重视销售但对为用户服务只限于派人去现场救急，而忽视了用户的信息、 用户生产发展的趋势要求和全面了解行业发展状况的变化。没有树立起市场经济中的性 能一价格比的概念，品质提高虽然增加成本，但使用成本的下降会给用户带来的更大的 经济效益。一味的降价竞争对自己是自杀，对用户只会造成更大的损失，因为它必然降 低品质。 3 漏油严重 浙江大学硕士学位论文 几乎所有国产压铸机都存在漏油的现象，不但使用户增加了生产费用而且影响到机 器的可靠性。主要原因是密封件质量差和加工质量问题。 4 品种规格不全，配套能力差 虽然在卧式冷室压铸机方面已基本成系列，但仍有个别断档，如从1 6 0 0 0 k n 到 2 8 0 0 0 k n 间就无产品。热室压铸机也缺少4 0 0 0 k n 以上的产品，而在镁合金热室压铸机和 挤压铸造机方面都还是空白，专用机也没正式产品可供。 在压铸设备辅机成套上就更加不足，除济南铸断机械研究所目前可提供少量的自动 浇注、取件和喷涂料等辅机外，至今国内尚无定型辅机产品可供。比起国外许多压铸机 公司可提供整套压铸辅机组成压铸车间和单元来，相差得甚远，因此这就无法满足压铸 自动化发展的需要。 5 高新技术的应用落后【3 4 】 数控压铸机、压铸柔性加工单元( f m c ) 和加工系统( f m s ) 在国外已开始普及推广， 各主要压铸机公司都已有子系列产品可供，而我国只是试制出一个4 0 0 0 k n 的压铸柔性 加工单元，至今尚无更多的产品。压铸参数自动检测显示系统也只有济南铸锻机械研究 所可少量提供。压铸机采用计算机控制和电液比例及电液伺服控制等新技术也基本未开 始，在设计技术上也只是开始应用计算机绘图，而优化设计、可靠性设计和有限元分析 等新技术至今未在压铸杌行业实际应用。所有这些加上系列化标准化程度低，至今还做 不到模块化设计，所有这些都阻碍了压铸机整体技术水平的迅速提高。 l i2 2 国外发展状况 国外几个发达国家的压铸机，在自动化程度、压铸参数检测显示、压铸机机械结 构、压铸辅机、压铸件质量已经处于相当领先的位置。 目前世界上具备一定实力的压铸机制造工厂有6 0 家左右，其中有影响的工厂约1 6 家，这些国家的机器在压射性能、设备精度、机床刚性以及电子计算机控制和自动化程 度上各具特色。活跃在中国市场上的厂家有瑞士的布勒，斯洛伐克的维霍拉待，日本的 东芝、宇部、东洋，德国的富来，意大利的意待、意德拉，美国的王子、h p m 等。当前 国外先进压铸机从其各方面的技术水平来看，其先进性主要表现在以下几个方面： 1 对二级快速压射过程实现了闭环控制 合金液高速通过浇口时会产生局部能量损失，通常k 在6 0m s 左右，因而 p 局的值十分巨大，加之台金浇注温度、模具温度、浇口形状、模其表面温度、状态等 的影响，最是波动的。若压射系统的充型能量不足，则a p 局会反过来影响k ，使 充型速度下降。而充型速度是影响压铸件质量的关键因素，所以一旦设定，就要求在充 4 浙江大学硕士学位论文 型过程中监控、随时间修正，保持在规定的波动范围内。 国外先进的压铸机采用电子计算机与伺服系统【9 】，当k 偏离设定值土2 时，在l m s 内完成调控，使k 恢复到设定值。如瑞士、美国某些压铸机其压射速度k 若设定为2 m s ， 当其下降到1 9 6 m s 或上升到2 0 4 m s 时，应在0 5 m s 以内恢复到2 日ts 。值得注意 的是，带有这种调控装置的压铸机因为配备了高精度、高灵敏度的液压元件等，所以对 工作环境与生产条件要求比较苛刻。如需要使用高品质的液压油、润滑油、严格地控制 液压油温度，需采用空气过滤器等保持液压油的清洁度，这类机器对机械部件的磨损、 电子元件的老化也都提出更严格的要求。美国v i s i t r a k 公司和k i n e t i k 公司合 作研制了一种可以使用一般液压油的调控装置，它能于6 m s 内使8 0 0 t 压铸机的压射速 度从0 升到6 m s ，修正2 以上的压射速度变化值只需0 0 8 m s ( 即不足万分之一秒) 。 2 实时调控 压射冲头推动台金液从压室浇料口右端开始至合金液到达浇口为止，合金液液面先 在压室内升高赢至填满压射冲头前方的空间，与此同时有一个液流波向前方传递，其动 态变化与压室直径、压室长度及压射冲头的初始速度有关，这个过程中合金液会卷入气 体，不同情况下，台金液卷入气体的情况不同，所以在这个阶段，采用抛物线加速来排 除压室的气体，当台金液进入型腔时，因各处壁厚和形状的差异，其流向角与充型流态 也会相应变化【i ”，为了实现符合要求的充型状态( 包括把压室和型腔内的气体顺利排 出) ，往往需要合金液进入型腔后在不同阶段有不同的充型速度。先进的压铸机可根据 压铸件的质量要求，实现预先设定的不同阶段的充型速度，在生产过程中实施动态测量， 实时调控。布勒公司装有“s c ”压射系统的压铸机借助于高精度的压力传感器等先进技 术，实现了对压射过程的实时调控。做到把压射过程分成若干阶段，保证各阶段的压射 速度在设定值的2 以内。 3 高能充型 国外采用能输出2 5 m p a 液压油的储能器作为压射和增压系统的动力，使台金液在每 个阶段都能按设定的充型速度填充型腔1 6 l 。由于高的能燕足以克服充型过程产生的局部 阻力，所以具备高能充型系统的压铸机可以生产复杂程度更高、壁更薄且综合性能更好 的零件。过去选择高的压射速度常引起粘模、型腔损坏等问题，限制了压铸工艺的改进。 近些年随着模具材料化学稳定性能的提高，压铸模冷却技术的开发( 其中包括热管技术 的应用以及型腔表面处理新技术的出现等等) ，使高能充型得以用于生产。 4 克服冲击波 在合金液充型完毕，压射头停止运动的瞬间产生的压力冲击波，对铸件质量和成本、 模具寿命、生产效率、生产管理和操作安全等都会产生不良影响，国外现有三种类型的 浙江大学硕士学位论文 设备能减小或消除冲击波： 美国v i s i t r a k 公司和k l n e t i c 公司合作研制的控制系统因具有极高的灵敏度， 可在6 m s 内把很高的压射速度降到接近于0 ，一般建压时间为2 0 m s ，故当增压压力p 达 到设定值时，压射速度k 早已趋于0 ，所以基本可消除压力冲击波，铸件没有飞边。尺 寸精度大大提高。 真空压铸】1 1 2 1 ：由于该工艺使型腔达到一定的真空度，基本没有气体，无须在 压射终了时用增压压力去压缩气泡，所以压铸过程中可以在增压起始点以后，把建压过 程拉长，让增压压力逐渐升到设定的p 值，使内浇口处的合金液在增压过程中实现二次 充型，缓慢冷却，凝固时间延长，故能满足补缩需要同时可减少冲击波( p 是渐渐达到 设定值的) ，从而提高了铸件的内部和外表面质量。 采用高压储能器取代增压缸和增压活塞，增压过程中运动部件的质量大大减少， 从而减小了冲击波【”l 。 1 3 电液控制技术的发展 电液控制系统的经典控制理论5 0 年代初由美国麻省理工学院开始研究，到6 0 年代 初构成了其基本类型。经典控制理论采用基于工作点附近的增量线性化模型来对系统进 行分析与综合，设计过程主要在频域中进行，控制器的形式主要为迟滞，超前网络和p i d 控制等。目前。电液控制系统的经典控制理论已经成熟。对于一些频宽不太高( 5 0 h z 以 下) ，参数变化和外干扰不大的电液控制系统，采用经典方法进行设计已经能够满足工 程需要。近年来，随着机械工作精度、响应速度和自动化程度的提高，对液压控制技术 提出了越来越高的要求，液压控制技术也从传统的机械、操纵和助力装置等应用场合开 始向航空航天、海底作业和车辆与工程机械等领域扩展。在这种情况下，仅采用液压控 制技术已难以满足上述应用场合提出的要求，机、电、液一体化技术正是在这种背景下 产生的。7 0 年代末至8 0 年代初逐渐完善和普及的计算机控制技术和集成传感技术为电 子技术和液压技术的结合奠定了基础。计算机控制在液压控制系统中的应用大大地提高 了控制精度和工作可靠性，使得以往难于用模拟控制实现的复杂控制策略的实现成为可 能t 3 6 。为了便于使微机和电液控制系统进行接口，近年来除继续采用传统的比例阀作 为电液转换与放大元件外，8 0 年代初还出现了采用高速开关阀和步进电机拖动的数字阀 的脉宽调制( p w m ) 型电液控制系统和数字增量控制( c ) 型电液控制系统。上述电液 控制系统与在传统的工业场合中应用的电液控制系统相比具有明显的不同之处，主要表 现在：环境和任务复杂普遍存在较大程度的参数变化和外负载干扰( 有时甚至还存在 6 浙江大学硕士学位论文 多对象间的交叉干扰) ；电液转换元件不同，采用了各种型式的数字阀，省去了d a 转 换装置：控制策略变为以近代控制方法，智能控制方法和鲁棒控制方法为主，控制嚣由 以模拟实现为主变为以数字控制和微机控制实现为主：由于电液阀节流特性和流量饱和 作用引起的非线性影响已显得至关重要；对频宽和跟踪精度均有较高的要求，例如航空 航天领域需要领宽为l o o h z 的电液控制系统，这个频宽已接近或超过液压动力机构的固 有频率，按传统的观点难于设计这类电液控制系统。 1 4 研究内容与控制要求 生产实践表明，铸件充型完好，轮廓清晰，尺寸准确主要取决于压射速度( 即压射 过程) ，而铸件的内部质量和机械性能主要取决于增压效果( 即增压过程) ，要想获得高 质量的压铸件，必须根据不同的情况对压铸过程中的所有工艺参数如压射压力和压射速 度等进行恰到好处的控制。镁合金压铸特别注重压铸速度，要求压铸速度快，升速时间 短， 原压铸机存在的问题是快压射升速时间不够快，且快压射速度通过手轮调节，使得 快压射速度控制精度不高；另外，原系统的增压系统其建压时间由手轮调节，使得建压 时间控制精度不高。 因此本课题主要的研究内容： 1 升级原系统的快压射、增压系统，改用电液比例控制系统 2 设计快压射、增压系统中所需的专用二通比例插装阀 3 设计二通比例插装阀的控制电路板 4 对快压射、增压系统进行仿真，验证方案的可行性 要求实现的控制要求： 1 快压射速度无级可调，空压射速度 1 2 m s ，升速时阔小于5 0 m s ，升速时间可调 2 增压斜率可调，最短增压时间 0 时，阀芯打开： 当合力为负，即f l g 时，a f h 当rw 3 1 6 时，a f 0 时液流qj 、q ：的方向如箭头所示，且认为： 阀为理想零开口四通滑阀，四个节流1 3 是匹配、对称的 节流口液流处于紊流装态，液流压缩性不及，认为油液密度为常数 比例阀具有理想的响应能力，对应于阀芯位移、阀口压降的变化流量变化能在瞬 时发生 供油压力恒定不变，回油压力为零 ( 1 ) 当阀芯位移x 。o 时： q 1 = c d c 。x v 卢尊( m 3 s ) 睁a ， q ：- c d 呱厍 式中： q l ：比例阀阀口1 的流量，m 3 s q 2 ：比例阀阀口2 的流量，m 3 s c d ：比例阀流量系数取0 7 2 ：阀的面积梯度，d = 3 1 4 6 m m = 1 8 8 4 ( 1 0 。m 1 x 。：比例阀阀芯位移，m p ：油液密度，k g m 3 ，取8 0 0 p 。：系统工作压力，取1 4 1 0 6 p a p l ：比例阀阀口1 的压力，p a p 2 ：比例阀阀口2 的压力，p a ( 2 ) 当阀芯位移x v 0 时： 4 l 浙江大学硕士学位论文 q 。= 即x ，等“s _ 6 ) q ：“一v j 等掣睁， 4 墒装阀阀芯运动连续性方程1 6 4 1 由于比例阀安装时紧贴插装阀的控制盖板，因此，可不考虑管道内的摩擦损失、管 道动态影响，但是由于活塞腔容积本来就很小，故连接管道容积v o 不可忽略。另外， 还假定： 插装阀阀芯的活塞腔内油压处处相等，油温不变 活塞腔的内、外泄漏为层流流动 对每一个活塞腔应用流量连续方程，可得： 活塞腔1 ： q t “旷p ) - c 嘏2 警+ 揣岫删 活塞腔2 ： c i p ( p t 也卜q ：“出2 鲁+ 淼怕剖 式中： c 。：活塞腔内泄漏系数，m5 n - s ，5 1 0 “ c 。：活塞腔外泄漏系数，m5 n s ，0 v l ：活塞腔1 的容积，m 3 v 】= v i o + a x 。+ v o v l o ：活塞腔1 的初始容积，x1 0 4 m 3 ，( n g 4 0 ：6 7 6 5 、n g 6 3 ：1 9 7 5 2 ) a ：活塞腔1 、2 的端面积，x 1 0 。3 m 2 ，( n g 4 0 ：0 6 8 3 3 5 、n g 6 3 ：1 8 4 6 ) x 。：插装阀阀芯位移，m v o ：管道容积0 7 8 5 4 x1 0 6 m 3 v 2 ：活塞腔2 的容积，m 3 浙江大学硕士学位论文 蟛= v 2 0 a x 。手蛎 v 2 0 ：活塞腔2 的初始容积，1 0 。m3 ，( n g 4 0 ：8 5 4 2 、n g 6 3 ：3 6 9 2 0 ) o 。：有效体积弹性模量，其最大值取1 4 0 0 1 0 6 p a 有效体积弹性模量b 。的修正嘟1 ： 有效体积弹性模量由容器的弹性模量、油液弹性模量、油液含气量、气体弹性 模量等因素决定，通常要小于油液的体积弹性模量。另外，它还受液压系统工作压力的 影响。因此，对液压系统进行动态分祈时，必须对油液弹性模量进行修正，否则动态分 析的误差会比较大。对弹性模量的修正如下所示： 1 0( p 0 p a ) 屈( p ) = t | 6 9 7 7 3 6 4 1 3 8 2 p 6 p + 7 0 3 8 6 7 4 1 。( ( 1 0 - 1 p 。 l p x l o ) s i g n ( y ) = 0g = 0 ) i 一1 ( y o ) af ：作用在插装阀阀芯两端面上的液压力之差，n a f = a s ( p b - p a ) s ：阀芯两端面积差，1 0 4 m 2 ，( n g 4 0 ：0 4 0 1 3 3 、n g 6 3 ：1 0 7 4 ) f ：稳态液动力n 设计的专用二通比例插装阀为内流式阀口，阀芯上的稳态液动力总是令阀口关闭。 应用动量定理分析液动力可以不必了解液流内部情况。利用平均流速可将稳态液动力表 示为： f = 2 c t 2 ( ) x p 0 b p a ) c o s b ( 5 1 2 ) 式中： ：插装阀阀e l 面积梯度，m u=ns m8 ( d 一s i n ( 2 b ) ) ( b ：阀座锥角，取4 5 。) p a ：插装阀a 口压力，p a p b ：插装阀b 口压力，即系统工作压力，取1 4 1 0 6 p a p b p a = p ：- - n 箍3 n n = i = n 口压差，p a 稳态液动力f 的修正： 实验结果表明：液动力f 与阀芯位移x 。并不呈现严格地线性关系。在j 、开度 ( o 0 0 6 m ) 的情况下，液动力随位移增加而近似呈线性关系增加：当增加到虽大值后， 液动力开始沿抛物线下降，所以，进行动态仿真时应对其进行如下修正： 浙江大学硕士学位论文 2 + 0 0 0 3 ( p b p a ) c o s b 0 0 2 2 5 ( p b p a ) c o s b 对n g 4 0 的二通插装阀在取如下参数时 2 c t 2c i ) ( p b p a ) c o s b = 2 0 8 2 2 ( x 。 o 0 0 9 m ) 1 ( 5 1 3 ) ( x 。o 0 0 9 r r ) ( m 一( p b p a ) 譬 = 2 - 1 1 2 3 4 4 6 ( p b 叱) ( o 0 4 一) 1 1 2 3 4 4 6 1 4 1 0 6 ( 0 0 4 一) n g 4 0 稳态液动力f 的修正曲线如图5 - 3 ： 阀芯开度轴如) 图5 - 3n g 4 0 稳态液动力f 的修正曲线 5 2 = 通比例插装阀静特性仿真 对静态数学模型( 5 - 1 ) 整理可得 q ( x pp ) 一巾x p s i l l 双d 一手s i n ) 】 2 ，、 、石诤n p a ) = o 0 9 1 1 x 。( d 一- ) 4 ( 1 4 x 1 0 6 - p a ) ( 5 1 4 ) ( 取d ：0 8 2 、口= h 4 、p b = 1 4 m p a 、p = 8 0 0 ) 4 5 莓 一鲁h长薄垮 浙江大学硕士学位论文 依5 1 4 式可建立s i m u l l n k 仿真模块1 ( 1 季15 - 4 ) 盱i 鎏哥湖 ra m p l插楚阀罔口孙量 。ga f n x y r d _ 图5 - 4 插装阀静特性仿真模块1 其中阴影部分的插装阀流量子系统见图5 - 5 孕砧3 - 祗多j i o j l n r ，! 一 岬r 卜 司一f 习广 圈5 - 5 插装阀流量子系统 在图5 - 4 插装阀静特性仿真模块1 中代入n 0 4 0 二通插装阀的阀芯直径4 0 m m ，阀 口全开尺寸x p = o ，0 1 0 m 等参数可得n g 4 0 的流量一压力特性曲线如图5 - 6 ，从图可知阀 的名义流量为1 4 0 0 l m i n 。 图5 - 6n g 4 0 流量压力特性仿真曲线 浙江大学硕士学位论文 在图5 - 4 插装阀静特性仿真模块1 中代入n g 6 3 二通插装阀的阀芯直径6 3 r a m ，阀 口全开尺寸x p = o 0 2 0 m 等参数可得n g 6 3 的流量一压力特性曲线如图5 - 7 ，从图可知阀 的名义流量为4 0 0 0 l m i n 。 ( 阀口全开) 图5 7n g 6 3 流量一压力特性仿真曲线 为了得到在阀口压差恒定时插装阀的静态特性，依5 1 4 式可建立如图5 - 8 所示的仿 真模型2 ： 插童州嘲0 讯最 躅5 - 8 插装阀静特性仿真模块2 在图5 - 8 插装阀静特性仿真模块2 中代入n g 6 3 ( n 6 4 0 ) _ - 通插装阀的参数可得压差恒 定时，n g 6 3 ( n g 4 0 ) 阀的流量开度特性曲线( 图5 - 9 、图5 1 0 ) 。 4 7 浙江大学硕士学位论文 j 墨 裂 固5 - 9n g 4 0 阀流量一开度特性曲线 c 闽口压差p = 5 h n - ) 图5 - 1 0 n g 6 3 阀流量一开度特性曲线 5 3 二通比例插装阀动特性仿真 l a t l a b 中的s i m u l i n k 为系统仿真提供了强大的工具软件。对于复杂的数学模型，可 以将其分解为若干个子系统。对子系统进行仿真，可以检验该子系统数学模型的正确性， 还可以对该子系统进行参数选择。依据上述数学模型，建立如下几个仿真子模块：比例 阀流量模块、阀芯运动连续性模块、力平衡模块等旧】t 6 4j 。 5 3 1 比例阀流量模块 根据n g 6 的比倒阎流量系数c d = 0 7 2 ，面积梯度6 0 = 0 0 1 8 8 4 m 2 ，及阀口压差 p = 3 ，5 m p a 肘，阀的名义流量为4 0 i 肺i n 等参数，由公式q = c d g o x v 庠可得正常 浙江大学硕士学位论文 工作时比例阀的开度在0 5 2 5 4 - - , + 0 5 2 5 4 m r n 的范围内。 在比例阀流量方程5 - 4 、5 - 5 、5 - 6 、5 - 7 中代入相关参数，并整理可得 q - 2 i 。0 。0 0 0 6 6 ，7 。8 ：2 4 4 。x 。v 浮州0 6 - p l 描； q ，：l o 0 0 0 6 7 8 2 4 x v 啦! ( x v ( 5 _ 1 6 ) 一1 0 0 0 0 6 7 8 2 4 x 。托西( x ， 7 0 i。矽 珏矽 00 0 20 a 40 0 帕0 10 1 20 1 40 1 80 1 80 2 时闻t ( s ) 图6 - 2 4 增压仿真曲线( p b = 7 2 e 6 ) 2 减压阀设于不同压力，输入电压为5 v 时的增压仿真曲线( 图6 - 2 5 ) 7 盛25 扣s 锚1 创0 5 x 1 0 ： p b 2 1 1 e b： ； 移 ：p b = 9 8 8 ；p b = 72 e 8 ， ：p b = f e 6 v ! ；p b = 3 e 6 ； ， ； i ； i 0 0 200 40 0 80 0 80 1口1 20 1 40 1 8 时间t ( s ) 图6 2 5 增压仿真曲线( u i = 5 v ) 7 1 浙江大学硕士学位论文 由图6 - 2 4 、6 - 2 5 所示的增压仿真曲线可知：通过给定输入电压u i 可对增压过程中 的建压时间进行控制；增压压力的大小可通过调整减压阀压力设定值p b 来控制。 稳态时，在上述仿真参数不变的条件下，输入电压u i 与建压时问t 具有下列关系 u i ( v ) 0 20 2 5o 30 3 5o 404 50 5 5 0 7 0 l 23 4 5 t ( m s ) 2 0 01 5 81 3 81 l o9 88 57 66 44 9 3 】2 52 2】9 根据上表中的数据可得建压时间t 与输入电压u i 的关系曲线f 图6 - 2 6 ) ： 气 皇 v 一 厘 苗 蒯 删 输入电压u i ( v ) 匣6 - 2 6 建压时间输入电压曲线 结论： 1 将图6 7 与图6 - 2 0 相比较可知：改造后系统快压射过程的最大速度提高了约 3 5 ，升速时间由约1 0 0 m s 缩短到了约2 5 m s ，升速时间明显缩短，能满足快压 射过程的要求。 2 从图6 - 2 1 可知：通过给定不同的斜坡信号，快压射升速时间可调。 3 从图6 - 2 2 可知：快压射速度与输入电压之间具有近似线性的关系，通过给定不 同的u i ，可对快压射速度进行控制。 4 将图6 - 1 5 与图6 - 2 4 相比较可知：改造后系统增压过程的建压时间由约2 7 m s 缩 短到了约2 0 m s ，建压时间缩短不是很明显。 5 从图6 - 2 5 可知：通过调整减压阀压力设定值p b ，可对增压压力大小进行控制。 6 从图6 2 6 可知：建压时间在2 0 7 0 m s 对应的曲线段较为平坦，即具有较高的分 辨率，因此建压时间在2 0 - 7 0 m s 内具有较高的控制精度，这是原系统所不能获 得的。 浙江大学硕士学位论文 第七章结论与展望 对原系统的仿真表明原系统在快压射、增压过程中性能存在不足，为此设计了专用 比例二通插皱阀及插装阀控制电路板。同时，提供了电液比例改造方案并对改造后的电 液系统进行仿真，仿真结果表明： 1 侠压射的升速时间缩短蓟了约2 5 m s ，通过给定不同的斜坡信号可对快压射的升速 时间进行控制，快压射速度的大小可通过给定电压进行无级调整。 2 增压过程的所建压力大小可通过调节减压阀的压力设定值进行控制，建压时间的 长短可通过给定电压的大小在2 0 - 7 0 r u s 内调节。 从仿真结果可知，改造后的电液比例控制系统能够满足压铸机所提的要求。这一方 面解决了国产压铸机普遍存在的因快压射速度、压射压力及建压时间等性能指标波动较 大而造成废品率较高的问题；另一方面也使压铸机操作更方便对快压射速度、建压 时间的调节不必凭经验手动设定插装阎的开口大小，反复调试，只需直接给定电压信号 即可，使工艺参数稳定可靠，保证了铸件质量的稳定。但与先进的压铸机相比，还存在 有待改进的地方： 1 由于对快压射、增压过程的控制是间接实现的，即通过对比例二通插装阀的阀 芯位置进行闭环控制来实现的。这就使得快压射过程中当受干扰而使压射速度发生偏差 时，控制系统不能实时地加以调整【”。解决的方案可以是：将压射头的速度引回控制 器，实时监测和控制压铸系统的压射压力和压射速度，在压射过程中实现对速度的调控。 使实际的压射曲线与理想的压射曲线非常接近。 2 由于快压射启动、结束瞬间的快速制动是由行程传感器控制的，因此，其准确 性受浇铸定量精度的影响。为了精确的实现快压射终了前的快速制动而不受定量误差的 影响，可在内浇口处安装金属液传感器，以精确控制快压射阶段。 3 由于本次改造中来涉及慢压射系统，慢压射过程仍旧采用开关阀控制，不能进 行抛物线控制。为了有效的排出压室中的气体，在将来有必要采用比例阀控制慢压射过 程，以改善铸