【《低压铸造机控制系统结构分析案例》2700字】

低压铸造机控制系统结构分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u17238低压铸造机控制系统结构分析案例 1219311.1低压铸造的工艺原理 1316791.2低压铸造机控制系统总体设计 2269981.3低压铸造系统分部设计 3232701.3.1液面加压系统设计 319301.3.2温度控制系统设计 5要想实现低压铸造机的自动控制与系统的实时监测，首先需要充分了解低压铸造的原理与整体工艺流程，在此基础上，分析低压铸造机控制系统的控制方向与控制目标。本章将介绍低压铸造系统的工艺原理和系统结构设计。1.1低压铸造的工艺原理低压铸造的工艺可概括为：前期准备、浇注、开模取件这三个方面。在准备阶段需要完成坩埚密封试压、金属模具预热、升液管内杂质清除等工作，金属模具的开模与合模均由相应的机械装置控制。在实际生产中，影响铸件质量与生产速度的是浇注环节。当模具预热、升液管杂质清除等前期准备工作结束后，系统开启加压系统，将经过压缩的干燥空气通入坩埚中，坩埚内的金属液会沿着升液管自下而上地进入到预热好的模具里[5]。当铝液完全充满型腔后增加液体表面压力，等加压到设定数值后保持压力直到模具中的铸件完全凝固，然后解除液面压力，升液管中的金属液会因卸压而回流到坩埚中。外部的机械装置开模并取出铸件，这样便完成了一轮低压铸造的工艺流程，图2-1为低压铸造工艺示意图：图2-1低压铸造工艺示意图1.2低压铸造机控制系统总体设计掌握低压铸造的工艺流程与要求后便可以设计铸造机自动控制系统，该系统主要控制量是金属液面的压力与模具温度。本设计采用PLC进行整体控制，系统运行时，PLC需要先采集来自液位、温度、激光变送器的数据，根据工艺流程实时控制数字组合阀与冷却电磁阀，在液面加压的不同环节变频器接受PLC模拟信号调控空压机输出功率，浇注流程完成后系统通过机械装置完成开模取件工作，待铸件冷却后通过特种电机与轧辊的配合对轮毂毛坯件进行塑形等精加工工作，系统总体拓扑图如图2-2所示：图2-2系统硬件拓扑图1.3低压铸造系统分部设计本系统在分部设计方面主要分为液面加压系统设计，温度控制系统设计两个方面。通过对变量的检测，控制与协调各个分部系统的工作，实现低压铸造系统的正常运行。1.3.1液面加压系统设计上文已讲述浇注工艺在低压铸造系统中的重要性，而浇注工艺完成的关键是对液面加压的控制。对施加在金属液面的压力进行准确控制决定了金属液在升液管与金属模具中上升的速度与稳定性，液面加压影响着铸件的轮廓完整度、内部缺陷度与表面粗糙度[6]。现有工业的生产中，成熟的浇注工艺可大致分为：低压充型工艺、稳压结晶工艺、缓慢增压结晶工艺、急速增压结晶工艺四种。每一种浇注工艺对象面向的铸件特点不同，由于本系统用于汽车轮毂的铸造，根据其特点选用急速增压结晶工艺。急速增压结晶工艺主要针对于有对散热冷却速度要求比较高的铸件制造，其工艺过程如图2-3所示。图2-3激素增压结晶工艺由急速增压结晶工艺的折线图可知，金属成型的压力控制需要经过升液、充型、增压、保压、卸压五个阶段，各个阶段对液面加压的大小与持续时间的要求各不相同，系统对压力控制系统的要求比较高。现有成熟的液面加压执行机构主要为三种，分别是：由伺服电机控制的电-气比例阀式、数字组合阀式与高速开关式[7]。本系统通过分析三种加压方式的应用特点，最终选用数字组合阀式。该液面加压系统由PLC作为控制单元，数字组合阀作为执行装置，系统通过耐温且稳定的气压传感器、变频器与快速响应的加压阀、泄压阀组合成一个高速有效的负反馈系统。在加压系统中，变频器接受PLC输出的模拟信号并控制给空压机的输出功率，数字组合阀的各个阀门受PLC的开关量输出控制。加压系统开启后，PLC根据不同制造要求的铸件选择相应的组合阀开关组合，输出模拟信号给变频器以控制气泵的输出功率，传感器采集到的液面压力信号传送给PLC并通过相关算法将该信号进行处理并进一步控制组合阀的开启与变频器的输出。此外，系统根据浇注工艺中的不同环节选择相应的控制组合与控制方法，液面压力处理的系统框架基本完成，理想状态下的加压曲线是多段线性曲线。在实际的低压铸造中，随着浇注工艺的推进，坩埚中的金属液位会不断下降并且位于模具上部的排气槽会对型腔产生反压力，这些干扰都会造成实时压力的波动[8]。因为这些实际干扰会导致同一加压曲线不会重复出现，严重时系统将生产出不符合要求的铸件。考虑到实际情况，系统需要严格监测实时压力，同时配合算法对系统进行压力补偿与调整。另外，为实时了解坩埚内金属液位与在浇注工艺中铝液在模具中的位置，系统采用了激光传感器解决金属液位与位置监测问题。系统根据金属液位的变化调整加压，通过模具中铝液位置的监测进行浇注工艺的调整，比如铝液通过浇注口进入型腔之前能被位置检测器感知并将其信号传送给PLC，进而使加压控制系统进入充型阶段。1.3.2温度控制系统设计温度控制系统在低压铸造系统中一般指对模具温度与坩埚内铝液温度的控制，其中对模具温度的控制最为关键。对模具的温度控制是在浇注工艺的保压阶段，这个阶段里金属从熔融状态下凝结成固体，模具在此过程中所起到的作用是吸收金属液温度使其凝结并保持其自身温度。模具的温度在一定程度上决定着铸件内部以及其表面的缺陷率，模具温度的不当控制会在一定程度上降低企业效益。模具是有良好导热性的金属器件，其本身的温度会受到型腔内金属液的影响，会随着铸件大小、工艺周期以及冷却方式的变化而变化。因低压铸造工艺的特殊性，模具温度需要维持在一个范围内，当温度过高时将会使金属液粘连在型腔中，延长其冷却时间有可能产生废品；当温度过低时，金属液冷却速度过快，将会容易使冷凝后的铸件开裂，降低铸件性能[9]。模具温度的设定跟铸造系统所设计的铸件产品有关，归其原则便是模具的最佳设定温度为达到热稳定的温度。对于本系统所设计的汽车轮毂，模具温度控制在铝液浇铸温度的三分之一左右[10]。模具的温度可划为四种，分别是废品区，不稳定区，稳定区，不稳定区，如图2-5所示。如上文所言，A区温度过低将会使铝合金铸件产生破裂、欠铸等问题，生产出的铸件皆不合格；B区温度稍高接近C区的理想温度，模具处于该温度可能会生产出外表完整的产品，但质量得不到保证，多数存在缺陷；温度处于C区的模具是适合生产轮毂的，处于该区的铸件成型完好，良品率高，在铝合金轮毂的生产中一般使模具温度处于200-300℃之间。图2-5模具温度的划分温度控制系统的设计还包括冷却方式的选择，模具需要吸收型腔内金属液温度，但其自身的温度也会随之升高，模具温度过高会导致金属液凝固时间加长降低逐渐的良品率，所以需要外界冷却强制使模具处于热平衡的状态。常见的铸造冷却方式有风