（机械设计及理论专业论文）低压铸造智能控制系统的研究.pdf

摘要 压铸是镁合金最主要、应用最广泛的成型工艺，本文研究涉及的镁合金铸造机是 低压铸造机。低压铸造工艺是一种特种铸造工艺，良好的低压铸造过程控制是实现低 压铸造工艺的关键，本文重点讨论低压铸造智能控制系统的设计开发过程。 低压铸造过程的控制主要包括电炉温度的控制和液面加压控制，本文通过对比研 究多种低压铸造控制系统提出了合理的控制系统的设计方案。详细介绍了嵌入式控制 器的主要部分的硬件设计，同时说明了液面加压曲线设定的实现方法，并且阐述了模 糊控制和神经网络的基本理论，探讨了各自优缺点并在此基础上建立了基于模糊神经 网络的电炉温度控制器。 文章最后对模糊神经网络控制器进行了仿真并得到了较为满意的结果，同时，通 过一系列的实验证实液面压力曲线的设置方法比较合理，输出的电流信号质量较好， 整体设计可以满足生产需要。 关键词：嵌入式控制器，模糊控制，神经网络，低压铸造 a b s t r a c t d i e c a s t i n gi st h em o s ti m p o r t a n ta n dm o s tw i d e l yp r o c e s so fm a g n e s i u ma l l o y , t h e p a p e rs t u d i e st h ec o n t r o l l e ro fl o wp r e s s u r ec a s t i n gm a c h i n e , w h i c hi so n ek i n do f d i e - c a s t i n g l o wp r e s s u r ec a s t i n gp r o c e s si sas p e c i a lc a s t i n gp r o c e s s i ti sv e r yi m p o r t a n t f o rl o wp r e s s u r ec a s t i n gt od e s i g na g o o dl o wp r e s s u r ec a s t i n gc o n t r o ls y s t e m t h ep a p e ri s f o c u so nt h ed e s i g no fl o wp r e s s u r ec a s t i n gi n t e l l i g e n tc o n t r o ls y s t e m l o wp r e s s u r ec a s t i n gp r o c e s s ，i n c l u d i n gt h ec o n t r o lo ft h et e m p e r a t u r ec o n t r o lo ft h e f u r n a c ea n dp r e s s u r ec o n t r o lo fc a s t i n gs u r f a c e ，m a n yk i n d so fl o wp r e s s u r ec a s t i n g c o n t r o l l e ra r ec o m p a r e di nt h i sp a p e r o w i n gt ot h ec o m p a r e , ar e a s o n a b l eb l u ep r i n to fl o w p r e s s u r ec a s t i n gc o n t r o ls y s t e mi sg i v e ni nt h ep a p e r e m b e d d e dc o n t r o l l e r , w h i c hi st h e m o s ti m p o r t a n tp a r to ft h es y s t e m ，i si n t r o d u c e di nd e t m lc o n c e r n i n gt h ec i r c u i td e s i g na n d p r o g r a m m i n go fm c u a n dc p l d a tt h es a m et i m e ，t h es u r f a c e p r e s s u r ec u r v es e tm e t h o d i se x p l a i n e d a l s ot h eb a s i ct h e o r yo ff u z z yc o n t r o la n dn e u r a ln e t w o r k sa r ei n t r o d u c e dt o o ， u s i n gt h e s et h e o r i e s ，f n n cm e t h o d , w h i c hi si n t e n dt ob eu s e di nt h ef u r n a c et e m p e r a t u r e c o n t r o l ，i se s t a b l i s h e d f i n a l l y ，t h es i m u l a t i o no ff n n ci sr e s u l ti ns u c c e s s s y n c h r o n o u s l y , as e r i e so f e x p e r i m e n t si sp r o c e s s e dt oc o n f i r mt h a tt h ep r e s s u r ec u r v es e ti sr e a s o n a b l e ，i n c l u d i n gt h a t t h ec o n t r o l l e ri sa d a p tt ob eu s e d ，a n dt h eo u t p u ts i g n a lo ft h ec u r r e n ti sg o o de n o u g h t h e o v e r a l ld e s i g ni sm e e tt h en e e d so ft h el o wp r e s s u r ec a s t i n gp r o c e s s k e yw o r d s ：e m b e d d e dc o n t r o l l e r , f u z z yc o n t r o l ，a n n ，l o wp r e s s u r ec a s t i n g 北京工商大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作所 取得的研究成果。除了文中已经注明引用的内容外，论文中不包含其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均己在文中以明确方式标明。本声明的法律后果完全由本人承担。 学位论文作者签名卜；巴 一日期： 们彤年y 月。9 日 北京工商大学学位论文授权使用声明 本人完全了解北京工商大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生 在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京工商大学。学校有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其它复 制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 学位论文电子版同意提交后，可于口当年忆仁年口二年后在学校图 书馆网站上发布，供校内师生测览。 学位论文作者签名：至j 兰二导师签名：日期：矽。亨年 月，亨日 北京工商大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题研究背景及内容 本课题研究的低压铸造智能控制系统是与宁波耐特镁业科技发展有限公司合作 开发的企业级横向项目，主要用于镁合金汽车轮毂的铸造。由于原有控制系统主要针 对其它镁合金铸造的，而汽车轮毂的镁合金铸造对铸造过程中的保温炉温度的控制和 液面加压过程的控制有更高的要求。为此，本课题在原有设备的基础上改进了工频铁一 芯感应电炉的温度控制方式，并且将液面加压过程中对电器比例阀的设定功能整合到 本系统之中，以便于生产过程中的操作。 本课题主要研究了低压铸造智能控制系统的控制器硬件设计、加压曲线设定输出 系统的设计和温度控制器的设计。 1 控制器的设计充分考虑了系统的工作环境以及工作强度，在电路设计、p c b 布线以及机械结构上均运用了相应的可靠性设计理论。 2 控制器具备良好的人机交互界面，整合了低压铸造液面压力曲线设定功能， 可以根据用户设定的加压曲线，在生产过程中对电气比例阀实施精确控制。 3 本课题采用模糊神经网络控制方法，相对原有的p i d 控制能对低压铸造过程 中的电炉温度进行更好的控制，能有效提高产品的成品率。 1 2 低压铸造的发展 低压铸造最早由英国人e f l a k e 于1 9 1 0 年提出并申请专利。其目的是解决重 力铸造中浇注系统充型和补缩的矛盾。在重力铸造中为了充型平稳，避免气孔、夹渣， 一般都采用底注式，因此铸型内温度场分布不利于冒口补缩。低压铸造则巧妙地利用 增锅内气压，将金属液由下而上充填铸型，在低气压下保持下浇道与补缩通道合二为 一，始终维持铸型温度梯度与压力梯度的一致性，从而解决了重力铸造中充型平稳性 与补缩的矛盾，而且使铸件品质大大提高。 低压铸造真正被推广应用是在“二战 以后，当时发现低压铸造可解决厚大断面 铝合金铸件的壁厚效应，即因壁厚增加力学性能急剧下降的缺点。低压铸造由于有较 高的补缩压力和温度梯度，有效地提高了厚大断面铸件的致密性。这一技术至今仍被 北京 商大学硕士学位论文 应用于厚大断面铸件的铸造。1 9 5 0 年以后由于汽车工业的发雕，使低压铸造工艺和 设备有r 一个e 跃，汽车轮毂山丁质量要求高，本身结构又适于低压铸造，而且需_ 求 量大，因此极大地推动r 低压铸造技术的发展。英困在6 0 年代率先发展低压铸造汽 车轮毂，其后荚困、【| 本、西德相继发展。据1 9 8 9 年统计，美国p a r k f i e l d _ 午轮有限 公司低压铸造轮毂年产量达到2 5 0 万只，同本h 立金属制作所采用1 4 台自动化低压 铸造机，年产铝合金轮毂18 0 万只。德国s t a h l s c h m i d t & m a i w o m 公司使用3 0 台低 压铸造机每年t 产2 0 万只铸铝轮教。8 0 供应oem 市场，包括a u d i ，f o r d ，g m m e r c e d e s ，b e n z ，p o r s c h e 和v o l v o 等名车制造商。法目雷诺公司所有汽乍发动机缸 盖均采用低压铸造法生产，共1 1 台低j t 铸机，h 产5 5 0 只缸盖川。 国外低雎铸造机与成套设备著名厂家有：美国e m p i r e 公司，h 木i s u z u 公司，英 国p l u m e 公司，丹麦公司和德国g i m a 和k u r t z 公t d 产品舰格比较齐仝保温炉锅台 金容量3 0 0 1 0 0 0 k g 。 口前固内也宵不少低脏铸造 jl - l j 成套设备的j 家，图11 所示为济南豪迎铸造机 械有| 5 6 1 公r q 生产的j 4 5 8 型8 0 0 k g 低压铸造机是铝合金低压祷遗的通用设备，可广泛 应川于汽4 三、摩托牟、纺织机械与航空航天：i _ 业中铝台金铸件的生产。 钢 图1 l 怔压铸造机 f i g i1l o wp r e s s u r ec a s t i n g m a c h i n e 低雎铸造工艺在亚洲的h 本、韩国等国家应用 分广泛，如日本的马自达、朝日 铝业、本田技研、人发龙t 、雅马晴发动机、日产自动车，本田金属，爱知机械等用 落 北京i 商大学硕十学位论文 低压铸造生产气缸盖，光轻金属工业、九州轮毂、神户制钢、旭可锻、占河电气工业、 光洋精机等用低压铸造生产铝轮毂，韩国的起亚自动车、东西机工等用低压铸造生产 气缸盖，二善上业等用低j 七铸造生产锚轮毂。其它陶家如印度尼西亚的本田技研用低 压铸造生产气缸盖，马束西亚的j r i 片j 低压铸造生产铝轮毂。中国台湾的羽田机械、 六和机械等用低压铸造生产铝轮毂【2 1 旺 近年来随着中国汽车工业的发展和国际问技术合作与交流的增强，国内也有许多 低压铸造厂商，如广州本盱l 、长安汽车、沈阳三菱等纷纷引进低压铸造工艺用于生产 气缸盖铸件，六丰机械、扶顺轮毅、秦宁岛戴卡轮毅公司和广东中南铝含盒轮毂公司 等用低压铸造生产铝轮毂5 1 1 “。 13 镁合金压铸概述 人类在认识和驾驳镁台会及兑制品的，卜产技术方面，经历了漫长的探索历程。从 1 9 2 7 年推出高强度m g a l 9 z n l 开始，镁台金的工业应用获得了实质性的进展。1 9 3 6 年 德国人众汽车公刊开始削压铸镁合金生产甲壳虫汽车的发动机传动系统零件，1 9 4 6 年单车使用镁合盒量达1 8 k g 左右。美国在1 9 4 8 1 9 6 2 年间用热室压铸机生产的汽车 用镁台金压铸件达数百万件。图l2 所示为美国三大汽午集团1 9 9 7 至2 0 0 2 年镁合 金消耗量，图13 所示为宝马轿车镁合金缸盖。 图12 美国三大汽车集团1 9 9 7 至2 0 0 2 年镁台金消耗 f i g 12 m a g n e s i u ma l l o y w a s t a g e o f t h e m o s t t h r e e l a r g e v e h i c l e p r o d u c 日i n a m e r i c a n f r o m l 9 9 7 t o2 0 0 2 刻 北京丁商大学矾士学位埝文 图13 宝马轿车镁台金缸盖 f i g 13 m a g n i u ma l l o y o f b m w 与锅台盒相比，镁台金的密度、比热和凝固潜热较小，熔点较低，熔化和压铸时 不与铁反应，凼此其熔化耗能少，凝固速度快，压射周期可缩短2 9 一3 0 ，压铸型 寿命k ，一般可达2 0 万玖以r ，荚旧还有膻铸型寿命达3 0 0 ，j 次的报道。但镁合金 被易氧化燃烧，铸造时热裂倾向比铝合金大，也熔化、浇注及 铸型温控制等方面部 比铝台盒压铸复杂。镁台金惟铸时，合金液填雎型腔时的高速湍流运动，使腔内的气 体无法排出，会导致组织疏松，甚至铸件表面鼓包或变形。 压铸是镁台金最丰要、应用最广泛的成型工艺。镁合金有优良的胝铸t 艺陡能： 镁台会流动性好，易于先满复杂型腔。月j 镁合金可以很容易的生产壁厚1 2 m m 的压 铸件现在最小壁厚u 】达到住6 t a r o 。镬台会的铸造斜度为15 ，而钒合盒是2 - 3 1 r i m 。 镁合金压铸件的尺寸精度比铝铸什的高5 0 ，馈合盒的熔点干n 结晶潜热都低丁铝合 余，监铸过程中刘模具的冲蚀比钔合金的小，且不易粘型，其模具寿命a t 比铝合会件 长2 - 4 倍，镁合余压铸周期比铝合金短，因而生产效率可比铝合金提高2 5 ，镁合金 铸件的加工性能优干铝台金铸件，镁合金件的切削速度u f 比铝合会件提高5 0 ，加t 耗能比铝合会件低5 0 ，e 产经验表明山于生产效率高，热室压铸的镁台会小件的总 成本低于玲室压铸的铝合盒同样件1 7 j 。 l4 神经网络的发展 人工神经删络的研究与汁算机的研究几乎是l 叫步发展的。1 9 4 3 年，心理学家 m c c u l l o c h 和数学家p i t l s 台作提出了形式神经元的数学模型，称为人_ 神经网络研究 的开端。1 9 4 9 年，心理学家h e b b 提出了神经元之间突触联系强度可变的假设，并据 此提出神经元的学习准则，为神经网络的学刊算法奠定了基础。现在串行计算机的奠 北京工商大学硕士学位论文 5 基人v o nn e u m a n n 在2 0 世纪5 0 年代就已注意到计算机与人脑结构的差异，对类似 于神经网络的分布系统做了许多研究。5 0 年代末，r o s e n b l a t t 提出了感知器模型，首 次把神经网络的研究付诸工程实践，引起了许多科学家的兴趣。1 9 6 9 年，人工智能 创始人之一的m i n s k y 和p a p e r t 以感知器为名出版了一本书，从数学上深入分析 了感知器的原理，指出其局限性。加之当时串行计算机正处于全盛发展时期，早期的 人工智能研究也取得了很大发展，从而掩盖了发展新的计算模型的迫切性，使有关神 经网络的研究热潮低落下来。在此期间仍有不少科学家坚持这一领域的研究，对此后 的神经网络研究提供了很好的理论基础。 1 9 8 2 年，h o p f i e l d 提出了神经网络的一种数学模型，引入了能量函数的概念，研 究了网络的动力学性质；紧接着又设计出用电子线路实现这一网络的方案，同时开拓 了神经网络用于联想记忆和优化计算的新途径，大大促进了神经网络的研究。1 9 8 6 年有学者提出了多层感知器的反向传播算法，克服了当初阻碍感知器模型继续发展的 重要障碍。另一方面，2 0 世纪8 0 年代以来，传统的基于符号处理的人工智能在解决 工程问题时遇到了许多困难。现代的串行计算机尽管有很好的性能，但在解决像模式 识别、学习等对人来说轻而易举的问题上显得非常困难。这就促使人们怀疑当前的 v o nn e u m a n n 机是否能解决智能问题，也促使人们探索更接近人脑的计算模型，于是 又形成了对神经网络研究的热潮。现在神经网络的应用已渗透到多个领域，如智能控 制、模式识别、信号处理、计算机视觉、知识处理、生物医学工程等。 1 5 模糊控制的发展 1 9 5 6 年，美国加利福尼亚大学著名教授l a z a d e h 在他的模糊集合论中首先 提出了模糊数学的概念，由此莫定了模糊控制的基础。模糊理论建立在模糊集合和模 糊逻辑基础上，引入隶属度函数的概念来描述那些介入“属于”和“不属于的中间 过渡过程，使得每个元素不仅以“o ”或“1 ”属于某一集合，而且还以一定的介于“0 和“l ”之间的程度属于某一集合。模糊理论提出的年代，由于科学技术尤其是计算 机技术发展的限制以及科技界对“模糊含义的误解，使得模糊理论没有得到应有的 发展。从1 9 6 5 年至本世纪8 0 年代，在美国、欧洲、中国和日本，只有少数科学家研 究模糊理论，并且研究主要集中在理论方面，实际应用寥寥无几。到8 0 年代后期， 随着计算机技术的发展，日本科学家才成功地将模糊理论运用于工业控制和消费产品 北京工商大学硕士学位论文6 控制，在世界范围内掀起模糊控制应用地高潮。 模糊控制的发展大致可分为：基本模糊控制器的应用阶段、自组织模糊控制器应 用阶段、智能模糊控制器应用阶段。 基本模糊控制器主要工作是建立在人工手动控制基础上，操作人员往往并没有从 精确的数学模型出发去了解被控制系统，但他们却能根据实践经验，采取适当的对策， 对被控过程进行定量的控制。对带基本模糊控制器的被控过程，在运行中当测量到输 出偏差e 时，计算出相应的偏差变化e c ，根据e 和e c ，从查询表中找出相应的控制 量u ，便可实现实时控制。对于一些复杂的被控过程，人们很难精确完整地总结出操 作者的操作经验，致使控制规则比较粗糙，很不完善，从而势必影响控制效果；另一 方面，即使控制规则总结得比较完善，但由于被控过程在运行中工况的变化，始终按 一组控制规则对其进行控制，也不可能取得理想的效果。这便是基本的模糊控制器的 不足之处。 为克服基本模糊控制器的缺陷，人们基于基本模糊控制器研制出一种能在运行中 自动修改、完善和调整的规则，使被控过程的控制效果不断提高，直至达到预定的理 想效果。具有这种自调整功能的模糊控制器称为自组织模糊控制器。与基本的模糊控 制器相比，尽管自组织模糊控制器能较好的解决一些问题，但由于在自组织模糊控制 中，仍然是依照操作者的经验，事先做了适当的划分，使之在容许范围内进行调整， 因此调整是有限的，进而有必要研制更高层次的模糊控制器一智能模糊控制器。 智能模糊控制器能够在不断了解掌握过程机理的同时，结合操作经验，利用模糊 语义及模糊条件语句构成原始的人工智能专家系统，再通过产生式学习系统，对照实 际生产过程不断修改、完善、扩充，从而构造机理、操作经验型专家系统，利用产生 式学习系统软件决定处理问题的过程，并对原有知识不断进行反馈修正。 自从模糊集合理论引进控制领域后，在各方面取得了一系列可喜的研究成果。最 早取得应用成果的是英国伦敦大学教授e h m a m d a n i ，1 9 7 4 年他利用模糊控制语句 组成模糊控制器，对一个试验性的蒸汽机使用了2 4 条“i f aa n dbt h e nc ”形式的语 言规则实现了控制，取得了优于常规调节器的控制品质。1 9 7 5 年英国的p j k i n g 和 e h m a m d a n i 将模糊控制系统应用于工业反应过程的温度控制，也取得了较好的控制 效果。1 9 8 3 年，日本日立制造厂系统开发研究所的安信等人，用预测模糊控制方法 6 北京工商大学硕士学位论文 7 对电气铁路列车的运行和停止进行控制，运行结果表明模糊控制与熟练驾驶员控制结 果相当，而电能节约1 1 1 4 。日本富士电机公司、明电舍公司、立石电机公司分别 在1 9 8 7 1 9 8 9 年生产出通用模糊控制器及相应的控制软件，如富士电机公司在日本市 场上推出的通用模糊控制系统f r u i t a x 产品为f r u i t a x - 独立型和f r u i t a x - 系统 组合型。 模糊控制在美国、西欧、中国、东南亚引起普遍的重视，并受到国际控制理论学 术界的关注。1 9 8 4 年，国际模糊控制学会成立；1 9 8 5 年，召开了第一届国际模糊控制 学会的学术交流会，各国相继成立了模糊控制工程研究所，世界上一些大公司开始了 模糊产品的开发，模糊理论与应用研究及模糊产品的开发像一股强劲的风浪席卷世界 各地。 目前模糊控制技术同趋成熟和完善，模糊芯片也己研制成功且功能不断加强。除 了简单模糊控制技术不断发展以外，自适应模糊控制、混合模糊控制以及神经模糊控 制也取得较大发展。随着其他学科新理论新技术的建立和发展，模糊理论的应用将变 得更加广泛。 1 。6 本文工作内容 本文的主要目的是对低压铸造智能控制系统设计过程进行详细说明，阐述作者在 系统研究和设计过程中的主要思路。本文主要包括以下几个方面的内容： 1 介绍低压铸造的基本原理和特点，了解低压铸造的过程和原理更好的把握课 题研究的重点与难点并对课题研究的最终解决方案做了简要的介绍； 2 详细说明了嵌入式智能控制器的设计思路和主要电路的设计，介绍了单片机 和c p l d 软件设计中的主要工作流程； 3 介绍了模糊控制技术和神经网络控制技术，详细说明了模糊神经网络控制器 的原理、结构以及设计； 4 对压力曲线的输出信号以及温度控制器的阶跃响应进行了测试和仿真。 北京t 商大学硕+ 学位皓立 2 低压铸造控制系统概述 21 低压铸造的基本原理 低压铸造工艺是一种特种铸造_ 下艺，低压铸造的基本原理在装有合金液的密封容 器坩埚中通入干燥的爪缩空气。在保持定浇注温度的台金液面上造成密封容器内与 铸型型腔的压力差使台金液在鞍低的充型压力作用下沿着升液管内孔自f 而上地经 输液过道铸型浇口平稳地充入铸型待合金液充满型腔后增大气压使型腔罩的合金液 在较高的压力作用下结晶凝固然后卸除密封容器内的压力让爿液管输液过道内尚未 凝固的合金液依靠自重回落到坩蜗中至此即完成了一个低压浇注工艺过程再经脱模 取件而得到所需要的铸件。 低压铸造装置如图21 所示。低压铸造是在密闭的保温炉的金属液表面上施加 o0 1 o o s m p a 的1 燥的压缩空气( 或惰性气体) ，使金属液在气体压力的作用下沿升 液管自下而上通过浇道进入模具型腔，待金属液充满型腔后，增火气压并使液面上 的气体压力保持至铸件完全凝固。然后解除气体压力，使升液管和浇道中末凝固的金 属回落到坩埚中，即完成一个低压铸造过程。凝固足从产品上部开始向浇口方向转移， 浇u 部分凝固的时刻就是加压结束的时问。然后冷却至可以取出产品的强度后从模具 中脱离。于是就凭借浇口的方向性凝同和从浇口开始的冒口压力效果得到丁完美的铸 件。 图2 l 低压铸造装置示意圉 f i g21l o w 口c a s t i n gc q u i p m e n ( s k e t c h m a p 低压俦迅过程如图22 所示，首先缓慢地向坩埚炉内通八千垛的压缩空气，金属 液受气体压力的作用，山f 而上沿着升液管和浇注系统流进型腔，如圈22 ( a ) 和( b ) 所示。然后开脑铸犁，取出铸件，如图z 2 ( c ) 所示。 晕阜冀 画画画 8 加压 b 成型 b m 【d d i n g 图2 2 低压铸造过程 f i g22l o w p r 嚣s h r cc a s t i n gp r o c e s s c 取模 22 低压铸造的特点 生产实践证明低压铸造有许多优越性归纳起咪有如下土要特点： i 低胜铸造的浇注下三参数均可人为控制，鄙可根据铸件的不同结构和铸型的 不同材料柬确定浇注时合会液在可控的胜力作f 充型，能有效地控制充型 速度，使合盒液充型平稳。田此减少或避免合会波在先型时的翻腾冲击飞溅 现蒙，从而减少了氧化渣的形成，避免或减少铸件的缺陷，提高了铸件质量， 台格率一般可达9 5 左右： 2合金液在压力作川f 克型可以提高台金液的流动性，有利于获得轮廓清晰的 铸件，它可适用十不同壁厚、不同大小、不同高低和不同结构的铸件； 3 铸件在压力作用下结晶和凝固并能得到充分地补缩，使之获得组织致密的铸 件，从而提高了铸件的机械性能： 4 金属利用率高，低压铸造铸型的浇注系统简单，并可大大减少，甚至完全去 除冒口因而提高丁金埽利h j 率，通常可达9 0 9 5 ： 北京工商大学硕士学位论文1 0 5 生产效率高，加工余量小，机械加工工时少； 6 低压铸造对铸型材料没有特殊的要求，凡可作为铸型的各种材料都可以用作 为低压铸造的铸型材料，与重力铸造和特种铸造的铸型基本相同。如砂型、 壳型、金属型、石墨型、熔模、精铸壳型、陶瓷型等都可应用。总之低压铸 造对铸型材料要求没有严格的限制； 7 设备简单，便于制造投资少，占地面积小，易于实现机械化自动化生产； 8 改善了浇注时的劳动条件。低压铸造的浇注过程操作人员只要控制气阀或按 动电钮就可进行了，同时浇包置于密封的压力罐中，也减少了高温合金液对 人体的热辐射，有利于工人的健康； 9 低压铸造对合金牌号的适用范围较宽，基本上可用于各种铸造合金，特别是 对于易氧化的有色合金更显示它的优越性能，即能有效地防止合金液在浇注 过程中产生氧化夹渣。 2 1 2 低压铸造与压力铸造的比较 1 低压铸造适用的合金范围广，而采用压力铸造对于铝镁合金，球墨铸铁合金， 铸铁，铸钢等若尚存在许多技术问题； 2 压力铸造一般用于生产批量大的中小铸件，而低压铸造可适用于不同大小、 不同批量的铸件； 3 压力铸造是在高速高压下充型，型腔中的气体不易全部被排除，易于产生气 孔，而低压铸造则与此相反； 4 压力铸造所用铸型、金属型其要求高、制造困难、周期长、成本高，低压铸 造应用的金属模要求较低，制造容易模具费用只相当于压铸模费用的1 4 ， 采用石墨型、壳型、砂型低压铸造，它的模具费用比压力铸造金属模费用就 更低，而且低压铸造适用的铸型种类多、范围广； 5 低压铸造的设备比压力铸造的设备简单制造较容易，根据日本介绍，低压铸 造的设备费用只有压力铸造设备费用1 7 ； 6 压力铸造一般用于中小型有色合金铸件，而低压铸造不仅适用于中小铸件， 而且适用于大型铸件，如可浇注重达几十吨的铜合金螺旋桨； 7 低压铸造的生产效率比压力铸造低，一般为压力铸造的1 4 到1 3 。 1 0 北京工商大学硕士学位论文 2 1 3 低压铸造与金属型重力铸造的比较 1 低压铸造除具有金属型重力铸造的优点之外，还有以下的特点； 2 低压铸造可以大大简化浇注系统，这样就减少了金属熔化量，节省了能源， 并降低了金属烧损，节约了金属，提高了金属利用率： 3 低压铸造更易于实现机械化自动生产，1 人可操作几台低压铸造机，所以生 产率比金属型高2 3 倍，而且劳动强度低劳动条件好； 4 低压铸造的设备投资比金属型铸造稍高。 2 1 4 低压铸造与一般砂型重力铸造的比较 1 低压铸造浇包中的合金液自下而上的从底部注入型腔，浇注平稳，这样就避免 了砂型重力铸造在浇注中易于出现的氧化夹渣缺陷，因此铸件的成品率要比 砂型铸造高； 2 低压铸造是在低压下充型，又在较高的压力下结晶凝固，使铸件的组织机械性 能、气密性、耐压性能均比砂型重力铸造好； 3 低压铸造的浇注系统比砂型重力铸造简单并可以大大减小冒口，有的铸件甚 至可以不设置冒口，从而简化了工艺，节省了金属材料。 2 2 低压铸造控制系统介绍 低压铸造过程的控制主要包括电炉温度的控制和液面加压控制系统，本课题研究 的控制系统主要是对电炉温度进行控制，设置液面加压曲线，利用电液比例阀自动控 制液面压力。 低压铸造设备的电控制系统有继电器接点控制、无触点逻辑控制、顺序控制器控 制及计算机控制8 1 。最早的电控方式是继电器接点控制，虽然它的触点开关容易损坏、 允许的工作频率较低，但由于它结构简单、造价低、抗干扰能力强、调整维修容易， 所以至今它还是一种主要的控制方法。这种控制方法主要用于控制炉温。随后发展起 来的无触点逻辑控制，虽然解决了继电器接点控制中触点容易损坏及工作频率低的问 题，但是在生产工艺流程改变时要重新配线，而且还要解决线路干扰问题。 顺序控制器是2 0 世纪6 0 年代末在继电器控制系统上发展起来的一种新技术，按 其功能大小可分为矩阵式顺控器和可编程序控制器。顺控器具有体积小、编制程序容 北京工商大学硕士学位论文1 2 易、可靠性高、通用性较强等优点，但抗干扰能力差，价格较高。尤其是当生产程序 较多、系统复杂时，顺序控制器就变得非常庞大。另外，当控制系统要求进行工艺参 数间的逻辑运算时，顺序控制器就很难胜任。 随着计算机技术和现代控制理论的发展，低压铸造的控制技术水平也有了很大的 提高【9 1 0 1 。计算机控制系统把自动控制理论和计算机技术相结合，用数字计算机代替 了自动控制中的常规控制设备，可实现程序控制、数字控制、实时控制和综合控制， 且控制质量高、控制规律更改方便。按照应用功能，计算机控制系统可分为数据采集 和处理系统、操作指导控制系统、监督控制系统( s c c ) 、直接数字控制系统( d c c ) 和 多级分布式计算机控制系统几种类型1 1 。15 1 。 2 2 1 数据采集和处理系统 一个计算机控制系统离不开数据采集和处理的功能。图2 3 所示是计算机数据采 集和处理系统的一般结构。计算机通过过程输入通道对生产现场的过程参数进行巡回 检测，利用其可以储存大量信息并能进行逻辑判断和快速运算的性能对所记录的数据 进行判断、计算、统计和显示等处理，实现对整个生产过程的集中监督，指导控制操 作对象，使被控参数按照某一规范要求进行变化。 图2 3 计算机数据采集和处理系统的一般结构 f i g 2 3s t r u c t u r ed i a g r a mo fc o m p u t e rd a t aa c q u i s i t i o na n d 哪s 她s y s t e m 1 2 北京工商大学硕士学位论文 1 3 2 2 2 直接数字控制系统( d d c ) 直接数字控制系统的一般结构如图2 4 所示。这种系统通常只有一个或若干个输 入量控制量，首先通过输入通道检测被控对象参数，然后依给定值和某一控制规律 对所测参数进行处理，处理结果( 控制量) 通过输出通道提供给受控对象，使被控参数 按照某一规范要求进行变化。 工 计 业 算 对 机 象 图2 4 直接数字控制系统( d d c ) f i g 2 4s t r u c t u r ed i a g r a mo f d i r e c td i g i t a lc o n t r o ls y s t e m 2 2 3 监督控制系统( s c c ) 监督控制系统的一般结构如图2 5 所示。这种系统是在直接数字控制系统的基础 上增加了一台给回路控制系统提供给定值并监督控制过程的计算机。谁监督计算机， 按照描述生产过程的数学模型，对输入通道采集的数据进行处理，自动地改变或修正 各简单回路控制系统的给定值，从而使生产过程始终保持最优生产状态。 图2 5 监督控制系统( s c c ) f i g 2 5s t r u c t u r ed i a g r a mo fs u p e r v i s o r yc o n t r o ls y s t e m 北京工商大学硕士学位论文 1 4 2 2 4 分级控制系统 分级控制系统是在监督控制系统的基础上，利用通信技术和c r t 显示技术组成 的系统，如图2 6 所示。这种系统不仅具有对生产过程的控制和监督功能，而且还有 对工厂和或企业的集中监督和管理决策功能。 图2 6 分级控制系统一般结构简图 f i g 2 6s t n l c t u r ed i a g r a mo f h i e r a r c h yc o n t r o ls y s t e m 2 2 5 分布式计算机控制系统 分布式计算机控制系统以微型计算机或微处理器为核心的基本控制器，实现地理 和功能上的分散控制，同时通过高速数据通道将各个分散点的信息集中起来进行监 督、管理和控制，从而实现对生产过程的各种复杂控制。其一般结构如图2 7 所示。 这种系统不仅易于实现各种复杂的控制规律外，而且具有易扩充、可靠性高、结构可 大可小、控制监督操作方便等优点。 1 4 北京工商大学硕士学位论文 1 5 图2 7 分布式计算机控制系统一般结构简图 f i g 2 7s t r u c t u r ed i a g r a mo fd i s t r i b u t e dc o m p u t e rc o n t r o ls y s t e m 2 3 低压铸造系统控制方案 低压铸造中选择合理的温度控制算法有利于提高铸件的质量，目前温度控制系统 的控制算法主要有以下几种： 2 3 1 模拟器调节控制 模拟调节控制器主要有比例调节器( p ) 、比例积分调节器( p i ) 、比例积分微分调节 器( p a d ) 。这种调节方式主要采用比例调节控制，不能消除静态误差。 2 3 2 数字p i d 控制 数字p i d 调节可改善动态特性和消除静态误差，具有较好的跟踪性能和泄漏补偿 能力【1 6 1 。但p i d 算法是建立在对象精确的数学模型上的，而低压铸造过程是个动态、 时变、非线性过程，难以用数学模型描述，因而实际铸造过程中p i d 调节的最佳参数 时刻在变化。因此低压铸造控制系统的控制精度和性能受到了很大的影响。 2 3 3 智能控制 智能控制是一类无需人的干预就能独立驱动智能机械而实现其目标的自动控制， 主要有专家控制、模糊控制和神经网络控制三种典型控制方式。模糊控制是近十多年 来发展起来的一种智能控制技术，它不依赖于对象或少依赖于对象的数学模型，利用 北京工商大学硕士学位论文 1 6 模糊数学推理来实现控制算法，具有响应快和鲁棒性强等特点。模糊控制不仅适用于 小规模线性单变量系统，而且逐渐向大规模、非线性复杂系统扩展，从已经实现的控 制系统来看，它具有易于熟悉、输出量连续、可靠性高、能发挥熟练专家操作的良好 自动化效果等优点。但通常的模糊控制器在设计中只考虑系统误差的大小及其变化 率，相当于一般的p d 调节器作用，因此，一般的模糊控制系统均有静态误差，也就 是有差模糊控制系统【1 刀。由线性控制理论可知，积分控制作用能消除稳态误差，因此 在模糊控制器中也引入积分作用，则可以将有差模糊控制系统存在的余差抑制到最小 限度，从而达到模糊控制系统的无差要求，实现无差模糊控制。其中典型的有规则自 适应模糊和积分的混和控制方梨1 阳和f u z z y - p i 冲型压力控制系统【1 9 】。这些控制具有 较好的动态和静态性能，不但具有很好的工艺曲线跟踪性能，而且对过程参数的变化 有很强的适应性。 2 4 本课题总体设计方案 本课题通过对低压铸造系统的特点研究，综合分析了大量铸造控制系统的功能和 特点，着重对比研究了铸造控制系统的液面加压系统和电炉温度控制系统，确定了一 个可行的设计方案。 2 4 1 控制系统的组成及功能 本课题研究的控制系统主要由监控计算机、嵌入式控制器、电器比例阀、智能温 度传感器( 温度控制仪表) 以及键盘、l c d 、电气按钮、固态继电器等输入输出设备组 成，其结构简图如图2 8 所示。 嵌入式控制器是进行低压铸造过程控制的核心部分，它是液面压力曲线设置的主 体，也是电炉温度控制的主处理器。 监控计算机通过r s 4 8 5 总线从控制器中获取监测信息，同时对控制记录进行在 线学习，从而改善控制器中模糊神经网络控制的控制参数，提高成品率和生产速度。 系统保留了原有低压控制系统的温度控制仪表，但主要用来进行温度测量，并通 过4 8 5 总线向控制器传递信息。保留温控仪可以降低成本并较好的测量温度，也可以 作应急控制。 1 6 北京工商大学硕士学位论文 1 7 图2 8 低压铸造智能控制系统结构简图 f i g 2 8s t r u c t u r ed i a g r a mo fl o wp r e s s u r cc a s t i n gi n t e l l i g e n tc o n t r o ls y s t e m 2 4 2 液面加压控制方案 本课题研究的控制系统在液面加压控制上主要是完成液面加压曲线的设定和输 出。用户通过键盘和l c d 显示屏进行液面加压曲线的设定，设置如图2 9 所示的类 似曲线，设置完成后保存在控制器中。控制器根据液面加压曲线输出相应的4 - 2 0 m a 电流信号给电器比例阀，实现浇注液面压力的调节控制。 藿 r 出 时间如 图2 9 液面加压曲线 f i g 2 9p r e s s u r ec o n l i o lc u r v e 北京t 商大学碘l 学位论文 液面加j 匍鼙制电流信号质量的醴计要求不是很高，具体要求其误差在a ：00 5 m a 没有口月显的尖脉冲。液加压控制的实现方案如图2l o 所示。 习 i 一 图2 1 0 液面加压控制方案 f i g21 0p r e s s u r ec o n t r o ls c h e m e 2 43 电炉温度控制方案 电路温度控制包括电炉平u 升液管的温度控制。本谋题采用温控仪对温度进行测 量，限 式拱，制器通过r s 4 9 5 总线从温控仪获取当前的温度信息，温度传感器采用 如图2ll 所示k 型热电偶，测量温度在一2 0 1 2 0 0 c ，满足测量要求。所用温拧仅如 罔2 1 2 所示。 醪醪 图2 1 1k 型热电偶 f i g2i ik t y p e t h e r m o c o u p l e 图2 1 2 温控仪 f i g2 1 2t 啪。啪t u c o n t r o li n s t n l j n e n t 北京工商大学硕士学位论文 1 9 电炉温度控制采用了模糊神经网络控制方法，采用模糊神经网络控制方法，相对 原有的p i d 控制能对低压铸造过程中的电炉温度进行更好的控制，能有效提高产品的 成品率。系统采用嵌入式控制器进行相应的测量控制，利用计算机进行学习优化，电 炉温度控制方案如图2 1 3 所示。 图2 1 3 电炉温度控制方案 f i g 2 13e l e c t r i cc o o k e rc o n t r o ls c h e m e 北京工商大学硕士学位论文2 0 3 嵌入式控制器的设计 3 1 嵌入式控制器的可靠性设计要求 嵌入式控制器是实现低压铸造智能控制的主控制单元，是实现各种控制思想的基 础。因此，嵌入式控制器必须满足以下几个要求： 1 满足可靠性设计，充分考虑电磁兼容和机械特性等方面，根据实际生产需要， 能够在现场恶劣的工作环境下长时间可靠稳定运行； 2 具有较强的处理速度和运算能力，能够满足控制过程中的各种计算要求； 3 具备一定的数据存储和分析能力，有较好的数据通信接口； 4 具有良好的人机交互界面，易于操作。 提高控制器的可靠性，应根据系统所面临的具体的可靠性问题，针对引起或影响 系统不可靠的因素采取不同的处理措施，尽量提高系统自身抗干扰能力及降低自身运 行的不稳定性。首先，控制器设计过程中必须充分考虑到以下问题【2 0 】： 1 使用功耗小的元件，所有元件的选取都满足- 4 0 。c 8 5 度的工作范围； 2 集成度高，绝大部分的操作在芯片内部完成，减少干扰错误； 3 c p u 和外部的元件的通讯都通过专用硬件完成，c p u 访问外部只对内部寄 存器操作，和集成电路引脚不直接打交道，克服引脚上的可能的干扰； 4 整体为小板结构，机械强度好，具有较高的抗振动，冲击性能； 5 印制电路板要充分考虑电磁兼容性问题，合理配置去耦电容； 6 采用滤波技术、隔离技术、屏蔽技术等抑制电源的噪声和环境干扰信号； 7 采用看门狗电路、软件抗干扰技术、备份技术等； 8 尽量减少引起系统不可靠或影响系统可靠的外界因素。 、 3 2 嵌入式控制器总体设计方案 为了提高单片机系统的可靠性，控制器中单片机和可编程逻辑器件等主要器件都 应该使用集成度高，稳定性好的芯片。因此，本课题所设计控制器采用f r e e s c a l e 的 高性能1 6 单片机作为处理器，利用a l t e r a 的复杂可编程逻辑芯片实现接口转换和扩 展。 匕京工商大学碰士学位论立 3 21 控制器构成与功能 控制器主要由m c 9 s 1 2 u f 3 2 单片机、e p m 7 1 2 8 s 复杂可编程逻辑器件、f l a s h 、 实时时钟、l c d 显示屏、键盘、电流环输出电路和周夺继电器控制电路组成。结构 简图如| 垒| 3 1 示。