多功能反重力铸造设备是用于实现差压铸造

1、概述 多功能反重力铸造设备是用于实现差压铸造、低压铸造和调压铸造的专用系统。成套设备主要由电控部分、气控部分、干燥部分、液压锁紧部分、承压部分、熔化炉和真空系统等组成。三种工作模式通过操作台面板上的模式切换开关切换。 系统的控制核心是升液、充型和保压，亦称液面加压控制。该系统采用了离散控制方式，替代了传统的气动薄膜阀或电动调节阀，在保证调节精度的前提下大大加快了系统的响应速度，提高了系统的动态响应品质。PID+模糊控制算法对液面加压过程中存在的冲击进行了有效的处理，改善了系统的闭环控制特性。 在控制系统的设计过程中，充分考虑到了介质的种类和铸件的复杂程度，在工艺参数的设置过程中，除升液充型相关

2、参数外，还提供了介质密度和阻力系数，使用户可更加灵活地控制优质铸件的生产。 该系统是郝启堂教授结合自己多年铸造设备及工艺研究方面的经验研制成功的，无论是从主体设备方面，还是从控制系统硬件和软件的设计方面，均考虑到了设备在铸造生产现场的可靠性、可使用性、可维护性，使该系统成为技术含量较高的生产型设备。参数设置 “参数设置”部分完成该系统工作时所涉及主要参数的设置，包括工艺参数、触点控制参数、工作信息参数、跟踪特性控制参数和PID参数。 工艺参数包括同步压力、升液速度、升液压力、充型速度、充型压力、结壳时间、结壳增压压力、结壳增压速度、结晶时间、结晶增压压力、结晶增压速度、金属液密度和阻力系数。触

3、点控制参数用于指定埋设于铸型中的液位跟踪触点是否参与过程控制，该参数的设置通过一组单选按钮指定。触点参与控制时，金属液是否到达型底或型顶，由触点或所设置升液压力和充型压力确定，先满足条件者占先；触点不参与控制时，无论触点是否接通，系统均不予理会，只根据设置的升液压力和充型压力判断金属液到达型底或型顶。 工作信息部分用于操作人员输入铸件生产时必要的检索信息,包括操作人员姓名、合金牌号、生产炉号和产品代号。这些信息中可包含任何文本字符，包括汉字。 组合阀控制参数用于指定系统模糊控制中使用的差压组合阀和低/调压组合阀的初始化参数，包括补偿开度、调节区间、保压开度。 PID参数包括比例、积分和微分参数

4、，用于PID算法。系统调试完成后，一般情况下不需每次工作时都修改PID参数，所以，进行软件设计时，已经把最佳PID参数固化在软件中。未经允许，用户不得随意更改这些参数。 温场设置部分可供用户选择要采集温度的通道，选中对应的复选框，则在液面跟踪过程中同时采集并记录该通道的温度数据。工艺参数 “工艺参数”部分设置完成反重力铸造工艺时涉及到的重要参数，包括同步压力(KPa)、升液速度(mm/s)、升液压力(KPa)、充型速度(mm/s)、充型压力(KPa)、结壳时间(s)、结壳增压压力(KPa)、结壳增压速度(KPa/s)、结晶时间(s)、结晶增压压力(KPa)、结晶增压速度(KPa/s)、金属液密

5、度(Kg/m3)和阻力系数。下面介绍每个参数的设置方法：1. 同步压力(KPa) 同步压力用于差压工作模式，指工作时上下罐体的同步压力，一般取值为400600KPa。理论上，该参数取值越大，对铸件质量越有利。2. 升液速度(mm/s) 升液速度指熔体在升液管中的上升速度，单位为mm/s。该参数取值太大，会造成充型不平稳现象。一般情况下，该参数的取值稍低于充型速度即可。3. 升液压力(KPa) 升液压力指熔体完成升液过程，到达升液管口，接通底部触点时对应的压力。该参数的取值与熔化保温炉内熔体的多少有关，炉内熔体越少，该参数取值越大。这里要指出的是，该参数的取值是近似值，主要用于这样的情况，即由于

6、某种原因，熔体到达升液管口但不能接通底部触点时，系统要根据这个值来确定升液过程结束，充型开始。当然，在这种情况下，该参数取值的正确与否，直接关系到铸件的充型质量，一般取值略大于实际值即可。4. 充型速度(mm/s) 充型速度指熔体在型腔中的上升速度，单位为mm/s。该参数的取值对铸件质量至关重要，取值太大，会造成充型不平稳，引起熔体飞溅或憋气；取值太小，会造成冷隔或欠铸。具体大小与铸件高度、壁厚、复杂程度有关，应针对具体铸件，进行摸索。5. 充型压力(KPa) 充型压力指熔体到达型腔顶部时的压力，单位为KPa。该参数的取值与熔化保温炉内熔体的多少及铸件的高度有关。炉内熔体越少，该值越大；铸件越

7、高，该值越大。与升液压力类似，该参数的取值也只能是近似的，主要用于熔体因某种原因不能接通型顶触点时的情况，这时系统需要根据此值确定熔体已到达型顶，并开始完成保压环节。该参数取值太小，会造成欠铸；取值太大，有可能导致粘砂，甚至破坏铸型。一般取值略大于实际值即可。6. 结壳时间(s) 结壳时间指从充满铸型到铸件表面凝固结壳所需要的时间，单位为秒。该参数取值太大，结壳太厚，甚至使铸件处于糊状凝固阶段，影响凝固补缩，最终导致出现缩松、微缩松。一般情况下，控制在2到5秒之间。7. 结壳增压压力(KPa) 结壳增压压力指为了使铸件在一定的压力下结壳而提供的压力增量，也就是在熔体充满型腔的基础上，再增加一定

8、的压力(结壳增压压力)，目的是保证熔体在压力下结壳的同时，不致于产生粘砂。该参数取值太大，会出现粘砂现象，甚至会使铸型发生变形。8. 结壳增压速度(KPa/s) 结壳增压速度指提供结壳增压压力所使用的速度。之所以提供该参数，是为了避免在PID控制中遇到阶跃函数，对气动薄膜阀产生冲击，产生较大的超调。事实上，对于给定压差值来说，不必要存在阶跃函数，因为任何执行机构的动作都具有连续性，动作速度无论有多快，实际上都要经历一定的时间段。所以，提供该参数是符合实际情况的。对于气动薄膜阀，该参数的取值一般为2-4KPa之间。9. 结晶时间(s) 结晶时间指铸件完成结壳凝固后，最终完全凝固所需要的时间，单位

9、为秒。该参数取值太小，铸件不能完全凝固，过早的泄压，会导致铸件组织不致密，达不到补缩目的；取值太大，会使升液管冻结，影响工作效率。该参数的具体取值与铸件重量、壁厚等有关，可在大致计算的基础上，结束经验予以修正。10. 结晶增压压力(KPa) 结晶增压压力指为了使铸件在较大的压力下结晶而提供的较大的增压值，单位为KPa。之所以，提供该增压值，是为了使铸件在凝固过程中达到更好的补缩，使组织更加致密。为了，根据所使用的工装和设备的额定工作压力，尽可能给予较大的值。11. 结晶增压速度(KPa/s) 该参数的意义与结壳增压速度相同，取值也基本相等。12. 熔体密度(Kg/m3) 之所以提供给参数，是为

10、了适应不同密度的合金。该参数影响一定压力所对应的压头高度。13. 阻力系数 阻力系数取值10-15之间，系统内部使该值除以10，所以，该参数的实际取值为1-1.5。主要是为了考虑型腔的复杂程度。对于相同的充型高度，型腔越复杂，需要的压力越大，所以，铸件越复杂，该参数取值越大。PID参数 本系统采用了PID调节与模糊算法相结合，完成系统的工作流程控制。为了针对具体对象获得最佳控制品质，需要对P(比例)、I(积分)、D(微分)参数进行调节。 一般情况下，调试系统时，已对PID参数进行了正确的调整，只要系统特征变化不是很大，这些参数不需要做重新调整，但在特殊情况下，也可对这些参数进行调整。调整后，只

11、要按“应用”按钮，即可利用新的PID控制参数，如需使用原来的默认参数，按“复位”按钮即可。 为了便于用户调整PID参数，下面对这三个参数的调整方法予以介绍： 1. 比例参数(P) 比例调节的特点是输出信号与输入信号间成比例关系，即实测值与给定值间的偏差乘以比例系数即为调节器输出变化的值。比例调节不能消除稳态偏差，但其突出特点是动作快。比例系数有一定的限制，取值过大，系统会由稳定变为不稳定。2. 积分参数(I)： 积分作用是指调节器的输出与输入的积分成比例的作用，其调节特点是：输出与偏差存在的时间有关。只要偏差存在，输出就会随时间不断增长，直到偏差消除，调节器的输出才不再变化。因此，积分作用能消

12、除稳定偏差。其缺点是：动作缓慢，偏差刚出现时，调节作用很弱，不能即时克服扰动的影响，致使被调参数的动态偏差增大，调节过程拖长。3. 微分参数(D) 微分作用是指调节器输出的变化量与输入变化的速度成正比。微分调节比积分调节动作快。偏差变化速度愈大，微分时间愈长，微分作用的输出变化愈大。微分作用可在很大程度上减小系统的动态偏差和调节时间，使调节过程的动态品质得到改善，但微分作用过强，反倒会使系统不稳定。 由于积分和微的特点所致，一般情况下它们不单独使用。相反，与比例环节结合使用。触点控制触点控制部分提供了两个单选按钮，分别为“触点信号参与控制”和“触点信号不参与控制”。选择“触点信号参与控制”时，

13、控制软件在充型控制过程中，随时监测埋设于铸型中的触点是否导通。如果操作人员想直观地了解金属液何时进入型腔、何时到达型顶，则可分别在升液管口和铸型顶部埋设两个触点(或者，如果想了解金属液在铸型中间的充填过程，也可在铸型的某个其它位置埋设触点)。计算机监测到型底触点导通时，表示金属液将开始进入型腔，充型过程开始；监测到型顶触点导通时，表示金属液到达铸型顶部，充型结束，即将进入保压阶段。为了确保浇注过程顺利完成，计算机在监测触点的同时，不断比较给定升液压力和充型压力，以免因触点的埋设出现问题而无法导通。也就是说，型底触点与升液压力先到者占先，而型顶触点和充型压力先到者占先。选择“触点信号不参与控制”

14、时，计算机只监测升液压力和充型压力。只要实测压力等于或大于升液压力，就认为金属液已进入型腔，充型过程开始。只要实测压力等于或大于充型压力，就认为金属液已到达型顶，充型过程结束。在这种情况下，无论在铸型中埋设触点与否，计算机都不予理会。工作信息工作信息部分供操作人员在浇注铸件时输入必要的管理信息，包括操作人员(姓名)、合金牌号、生产炉号和产品代号。操作人员可以在这些信息对应的文本框内输入包括汉字在内的任意信号。组合阀控制参数 系统使用了两套数字组合阀，差压铸造使用气控系统左边的组合阀，低压铸造和调压铸造使用气控系统右边的组合阀。由于差压铸造和低/调压铸造的控制特性不同，因此它们使用的特性控制参数

15、不一样。为此，本系统为两套组合阀提供了各自的控制参数。 组合阀控制参数提供补偿开度、调节区间和保压开度，供用户在过程跟踪期间动态调节。 补偿开度作为系统调节的基本开度，该参数的初始值应该略低于升液充型最小速度所对应的调节开度，可通过冷调确定。设置该参数可提高系统的跟踪精度，减小数字阀的动作频率，延长数字阀的使用寿命。 调节区间是数字阀在补偿开度的基础上调节的区间。调节过程中，最大开度等于补偿开度加上调节区间，最小开度等于补偿开度。这样，我们可以有意识地了限制系统的调节范围，避免引起不必要的冲击，提高系统调节的平稳性。 保压开度指保压过程中系统所使用的最大开度，该参数用于限制保压过程中组合阀能够

16、开启的最大开度，可以最大程度地提高保压精度。 这三个值在系统跟踪过程中均可动态调节。 提醒：我们对本系统的控制算法进行了全新设计，比以前具有更强的适应能力，因此，用户无需改变调节区间参数即可获得很好的控制效果。温场设置 温场设置部分用于选择用户需要监测的温场通道。该系统提供了8个温度监测通道，鼠标点击各通道对应的复选框，即可选中要监测的通道。未选中任何通道时，系统既不显示温场曲线，也不记录任何温场数据。只要选中1个以上的通道，系统在跟踪压力的同时，显示对应通道的温度值，未选中的通道均显示0.0，跟踪结束时，同时保存压力数据和温场数据。过程监控 本系统可同时实现差压铸造、低压铸造和调压铸造功能，

17、具体通过位于控制系统面板上的模式切换开关切换。该屏幕是执行过程监控的主要界面，提供结果监测、组合阀控制参数、压差跟踪曲线、温场监测曲线、给定工艺预览曲线、动作执行和系统工作状态等几个部分。 结果监测部分以数值的形式显示设定压差、实测压差、下罐压力、上罐压力和开度级别(共256级)。 压差跟踪曲线部分动态显示反重力成形过程中设定工艺和实测压差的曲线，用户可以由此直观看到实际成形过程。温场监测曲线可以动态显示铸件成形过程中被测点温度的变化趋势。给定工艺预览曲线以曲线的形式显示已设定工艺，用户从中可以了解铸件成形时将要达到的压差值及相关保压压力和保压时间。 动作执行部分提供了七个按钮，即卡环锁紧、卡

18、环松开、同步建压、紧急互通、系统进气、系统排气和过程监控，分别用于执行不同的动作。 组合阀控制参数提供补偿开度、调节区间和保压开度。用于在动态跟踪过程中改善调节品质，提高控制精度，主要用于控制算法中的模糊控制部分。 系统工作状态部分提供系统工作所涉及开关量的状态，用户可从中了解系统的当前动作情况。结果监测 结果监测部分以数值的方式显示设定压差(KPa)、实测压力(KPa)、上罐压力(KPa)、下罐压力(KPa)和开度级别(0-255)。 设定压差是计算机根据用户设置的参数计算出的给定压差，实测压差是压差传感器反馈回来的实际压差值。这里显示的设定压差和实测压差一一对应，计算机将根据这两个值的差值

19、完成PID+模糊控制计算，进而驱动执行机构，完成闭环调节。 开度级别指过程调节期间组合数字阀的组合级别，共256级。动作执行 动作执行部分提供了七个按钮，即卡环锁紧、卡环松开、同步建压、紧急互通、系统进气、系统排气和过程监控。 卡环锁紧和卡环松开按钮分别完成卡环的自动锁紧和松开。由于锁紧系统由液压系统驱动，所以，要执行这两个动作，必需启动液压站。此外，卡环锁紧时，计算机还要检查另外一个条件，即锁紧到位行程开关是否已经到位，若已到位，则不再执行锁紧操作。卡环松开时，除启动液压站外，还必需另外具备四个条件：松开到位行程开关处于断开状态；压力罐内的实测压差低于安全压力(3KPa)；上罐内的压力低于安

20、全压力；未处于跟踪状态。 同步建压用于差压铸造和调压铸造过程中建立同步压力。差压铸造时建立的是正压，调压铸造时建立的是负压。于是，要求用户工作在差压和调压模式时，正确设置同步压力参数。 紧急互通用于打开或关闭上下罐之间的互通阀，执行同步建压或过程跟踪操作时，系统会自动操作紧急互通阀。 系统进气按钮执行进气阀的打开和关闭。进气阀打开时，点击该按钮关闭进气阀；进气阀关闭时，点击该按钮打开进气阀。 系统排气按钮执行排气阀的打开和关闭。排气阀打开时，点击该按钮关闭排气阀；排气阀关闭时，点击该按钮打开排气阀。 过程监控按钮执行和停止调节过程。所有工作准备就绪后，点击该按钮开始调节过程。再次点击该按钮，停

21、止调节过程，也可以按面板上的“紧急停止”按钮来停止调节过程。在线调整参数 补偿开度、调节区间和保压开度与“参数设置”屏幕中组合阀控制参数中的对应值相同，意义完全相同。这些值在系统调节过程中可动态更改，以得到更好的控制效果。系统工作状态 系统工作状态部分提供系统运行状态指示，包括当前运行设备指示、当前工作液压站指示、调节状态指示、触点状态指示以及各阀体的开合状态指示。用户可以从中了解系统的当前状态。曲线显示 曲线显示部分提供了压差跟踪曲线、温场监测曲线和给定工艺预览曲线。 压差跟踪部分同时显示设定工艺曲线和实测工艺曲线；温场监测部分显示已设定通道所处位置的温度变化情况，所有数据与液面加压并行显示

22、。给定工艺预览部分以曲线的形式显示工艺的设定情况。数据处理 “数据处理”部分完成对已保存压力曲线的浏览、预览和打印，同时可看到各压力曲线对应的所使用工艺参数。为了更清楚地了解曲线上不同点的具体数值，可通过左边提供的列表框看到每个数据点的值。 注意，压力数据文件的扩展名为“.DAP”，保存在“Pressure”子目录中；对应所使用工艺参数文件的扩展名为“.PAR”，保存在“UsedParameter”子目录中。压力曲线 压力曲线部分以曲线的形式显示已保存的跟踪结果，同时在顶部显示对应结果的文件名称。压力数据 压力数据部分以列表的形式显示对应压力曲线的数据，用户可以从中查阅任何时刻的给定压力值和实

23、测压力值。所用参数 所用参数部分显示对应压力曲线的所使用的参信息，用户可以从中查阅成形该铸件时的工艺信息，以便跟踪和定位存在的问题。温场曲线 温场曲线部分用于显示已记录的温场曲线。温场曲线使用的数据文件采用“.DAT”扩展名，文件名与压力曲线相同。显示曲线的同时，在左边的列表框内提供温场数据。温场数据既可预览，也可打印。故障定位 “故障定位”部分完成对控制系统硬件的故障定位和测试，包括三部分，即开关量输入监测、开关量输出监测和其它信号监测。 开关量输入监测部分可监测各数字输入信号的状态，包括触点信号状态、各设备的锁紧与松开状态、各液压站的动作状态及工作设备状态指示等。开关量闭合，显示“ON”；开关量断开，显示“OFF”。 开关量输出监测部分可监测可执行单元的动作