低壓鑄造機(jī)技術(shù)方案書(shū)

1、低壓鑄造機(jī)技術(shù)方案書(shū)一、序言設(shè)計(jì)目標(biāo)低壓鑄造機(jī)是鋁合金低壓鑄造的通用設(shè)備，可廣泛應(yīng)用于汽車(chē)、摩托車(chē)、紡織機(jī) 械與航空航天等工業(yè)中鋁合金鑄件的生產(chǎn)。本技術(shù)方案是為了采用低壓鑄造機(jī)完成本公司鋁合金模具澆鑄使用而設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)原則安全，穩(wěn)定，可靠，有效設(shè)計(jì)依據(jù)和參考標(biāo)準(zhǔn)主要依據(jù)了國(guó)家統(tǒng)計(jì)局、國(guó)家商務(wù)部、國(guó)家發(fā)改委、國(guó)務(wù)院發(fā)展研究中心、中國(guó) 海關(guān)總署、低壓鑄造機(jī)行業(yè)相關(guān)協(xié)會(huì)、國(guó)內(nèi)外相關(guān)刊物的基礎(chǔ)信息以及低壓鑄造機(jī)行 業(yè)專(zhuān)業(yè)研究單位等公布和提供的大量資料。適用范圍本方案適用于本公司所有使用鋁合金鑄件的低壓灌澆注產(chǎn)品需求分析技術(shù)現(xiàn)狀我國(guó)低壓鑄造機(jī)技術(shù)經(jīng)過(guò)幾十年研究與發(fā)展，在結(jié)構(gòu)，原理，功能上基本接近進(jìn) 口機(jī)水

2、平，在國(guó)內(nèi)汽車(chē)缸蓋生廠商已經(jīng)得到用戶(hù)認(rèn)可，但國(guó)產(chǎn)機(jī)同進(jìn)口機(jī)相比在外 觀、鑄造工藝、機(jī)械精度、自動(dòng)控制及算法等精細(xì)方面還是有所差距。本公司產(chǎn)品在經(jīng)過(guò)一至五代液壓鑄造機(jī)的基礎(chǔ)上采用電控系統(tǒng)來(lái)完成鋁合金模型 的鑄造過(guò)程，有待于進(jìn)一步試驗(yàn)和使用驗(yàn)證。需求針對(duì)公司目前產(chǎn)品現(xiàn)狀，需完成采用電控設(shè)計(jì)的低壓鑄造機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)鋁合金澆鑄的 過(guò)程，達(dá)到降低生產(chǎn)成本，提高鑄件質(zhì)量和滿(mǎn)足生產(chǎn)安全，提高生產(chǎn)率，提升自動(dòng)化 程度的目的需求。三、硬件系統(tǒng)技術(shù)方案設(shè)計(jì)低壓鑄造機(jī)原理是將熔融的金屬液加入密閉的保溫爐內(nèi)，用液面加壓系統(tǒng)給密封 的保溫爐充一定的干燥的壓縮空氣，使保溫爐內(nèi)的金屬液通過(guò)升液管緩慢注入金屬模 型腔，在壓力作用下

3、結(jié)晶成形，再經(jīng)過(guò)自動(dòng)開(kāi)模并取件，完成低壓鑄造工藝過(guò)程。整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)架構(gòu)主要由數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)和通信系統(tǒng)構(gòu)成。采集處理系統(tǒng)在主控系統(tǒng)采 用 PLCPLC 的基礎(chǔ)上主要由以下幾部分：爐溫控制系統(tǒng)，液面加壓系統(tǒng)，開(kāi)合模及頂出系 統(tǒng)，模具冷卻系統(tǒng)，型腔溫度及液面檢測(cè)系統(tǒng)，人機(jī)界面，操控面板，工藝參數(shù)采集 系統(tǒng)和報(bào)警系統(tǒng)組成。 其中，型腔液面檢測(cè)與液面加壓系統(tǒng)共同構(gòu)成閉合回路。主控 通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)與服務(wù)器 / /客戶(hù)端建立聯(lián)系，進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊?？蛻?hù)端交換機(jī)PLC智能低壓鑄造機(jī)圖 1 主系統(tǒng)搭建框圖上位機(jī)系統(tǒng)采用 B/SB/S 架構(gòu)，即瀏覽器和服務(wù)器結(jié)構(gòu)。它是隨著InIn ternetternet

4、 技術(shù)的興服務(wù)器其他系統(tǒng)爐溫控制系統(tǒng)報(bào)警系統(tǒng),工藝參數(shù)采集操控面板U人機(jī)界面1J澆注口溫度控制1型腔液面檢測(cè)f!模具冷卻系統(tǒng)開(kāi)合模及頂出系統(tǒng)H液面加壓系統(tǒng)起，對(duì) C/SC/S 結(jié)構(gòu)的一種變化或者改進(jìn)的結(jié)構(gòu)。在這種結(jié)構(gòu)下，用戶(hù)工作界面是通過(guò)WWWWWW 瀏覽器來(lái)實(shí)現(xiàn)，極少部分事務(wù)邏輯在前端(Browser)(Browser)實(shí)現(xiàn)，但是主要事務(wù)邏輯在服務(wù)器端(Server)(Server)實(shí)現(xiàn)。B/SB/S 結(jié)構(gòu)最大的優(yōu)點(diǎn)就是可以在任何地方進(jìn)行操作而不用安裝任何專(zhuān)門(mén)的軟件。只 要有一臺(tái)能上網(wǎng)的電腦就能使用，客戶(hù)端零維護(hù)。系統(tǒng)的擴(kuò)展性非常容易，只要能上 網(wǎng)，再由系統(tǒng)管理員分配一個(gè)用戶(hù)名和密碼，就可以

5、使用了。遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)即 PLCPLC 和服務(wù)器工作站之間的通訊采用工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行通信，這樣 可以很方便的和其它系統(tǒng)進(jìn)行集成。本設(shè)計(jì)系統(tǒng)暫時(shí)不對(duì)上位機(jī)和遠(yuǎn)程通訊進(jìn)行設(shè)計(jì)，但在相關(guān)系統(tǒng)中預(yù)留相關(guān)接 口，以備后續(xù)工作中需要使用。方案設(shè)計(jì)本方案在 1010 路子系統(tǒng)的基礎(chǔ)上搭建低壓鑄造機(jī)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程，通過(guò)采集相關(guān)的電壓 電流信號(hào)、溫度和壓力信號(hào)等輸入主控器中，然后進(jìn)行相關(guān)算法的計(jì)算和數(shù)據(jù)分析處 理后進(jìn)行輸出，從而實(shí)現(xiàn)多路子系統(tǒng)同時(shí)可控，共同完成整體系統(tǒng)操作，實(shí)現(xiàn)鋁合金 鑄造過(guò)程。圖 2 系統(tǒng)流程圖設(shè)計(jì)特點(diǎn)本設(shè)計(jì)在液壓鑄造的基礎(chǔ)上采用變頻器通過(guò)電機(jī)來(lái)控制合分模的過(guò)程，實(shí)現(xiàn)電力 環(huán)節(jié)的節(jié)能環(huán)保；爐溫，型腔，

6、澆口實(shí)現(xiàn)溫度靈敏控制，通過(guò)主控器及時(shí)處理和反 饋，達(dá)到精度控制的要求；實(shí)時(shí)報(bào)警系統(tǒng)可以及時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)故障，保證生產(chǎn)安全有序 進(jìn)行；上位機(jī)控制可以及時(shí)觀測(cè)到系統(tǒng)整體運(yùn)行狀態(tài)，保證作業(yè)的順利進(jìn)行，并利于 告警和故障信息的及時(shí)處理；整機(jī)系統(tǒng)配合完整，達(dá)到生產(chǎn)任務(wù)需求。分系統(tǒng)設(shè)計(jì)分系統(tǒng)搭建主要由以下各個(gè)環(huán)節(jié)構(gòu)成，各個(gè)子系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行保證了整體系統(tǒng)的 功能實(shí)現(xiàn)，從而滿(mǎn)足系統(tǒng)穩(wěn)定可靠安全有效的運(yùn)行。PLC 主控系統(tǒng)主控系統(tǒng)由幾個(gè)小系統(tǒng)搭建完成，包括輸入采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、實(shí)時(shí)顯示 系統(tǒng)、操作系統(tǒng)和數(shù)據(jù)輸出系統(tǒng)。除了實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控外，還需要采集設(shè) 備工作狀態(tài)的信息，故障信息以及生產(chǎn)工藝參數(shù)，以提

7、供給服務(wù)器進(jìn)行工藝分析及優(yōu) 化使用。本系統(tǒng)主要完成模擬物理量的采集，將其送入控制器中，在控制器中進(jìn)行數(shù)據(jù)處 理和分析，然后將有關(guān)模擬量分別同步進(jìn)行顯示和輸出；通過(guò)以太網(wǎng)交換機(jī)上傳至服 務(wù)器，進(jìn)行數(shù)據(jù)儲(chǔ)存和調(diào)用，在瀏覽器可以直接進(jìn)行系統(tǒng)觀測(cè)和設(shè)定，直觀方便的對(duì) 系統(tǒng)進(jìn)行全程監(jiān)控和處理。爐溫控制系統(tǒng)本子系統(tǒng)主要完成保溫爐內(nèi)溫度的檢測(cè)，通過(guò)硅碳棒輻射加熱，利用熱電偶采 集，將爐內(nèi)溫度信號(hào)送入主控制器進(jìn)行處理，同時(shí)在已經(jīng)設(shè)定的溫度值基礎(chǔ)上進(jìn)行比 較，通過(guò)誤差控制借助溫控儀和調(diào)功器來(lái)調(diào)整實(shí)時(shí)溫度，達(dá)到滿(mǎn)足系統(tǒng)溫度穩(wěn)定運(yùn)行 的要求。圖 3 爐溫控制流程型腔溫度及液面控制系統(tǒng)本子系統(tǒng)主要完成型腔內(nèi)溫度和位置

8、的檢測(cè)，將型腔內(nèi)溫度信號(hào)送入主控制器， 在已經(jīng)設(shè)定的溫度值基礎(chǔ)上進(jìn)行比較，通過(guò)誤差控制借助電加熱棒或模溫機(jī)來(lái)調(diào)整實(shí) 時(shí)溫度，達(dá)到系統(tǒng)溫度運(yùn)行的需求；同時(shí)使用超聲波傳感器來(lái)檢測(cè)液面位置，使模具 在壓力值下保持位置穩(wěn)定，通過(guò)壓控儀器或主控系統(tǒng)來(lái)控制壓力維持液面高度，以利 于更好的鑄模。圖 4 型腔溫度控制流程設(shè)定液面-壓控儀-J型腔超聲波傳感器圖 5 型腔液面控制流程澆口溫度控制系統(tǒng)為了防止鋁液在澆注口溫度過(guò)低結(jié)晶，從而影響澆注質(zhì)量，需要對(duì)澆注口的溫度 進(jìn)行檢測(cè)并控制。本子系統(tǒng)主要通過(guò)熱電偶完成澆口內(nèi)溫度的檢測(cè)，將澆口內(nèi)溫度信 號(hào)送入主控制器，在已經(jīng)設(shè)定的溫度值基礎(chǔ)上進(jìn)行比較，通過(guò)誤差控制借助溫控

9、儀調(diào) 節(jié)電加熱棒或硅碳棒來(lái)調(diào)整實(shí)時(shí)溫度，達(dá)到系統(tǒng)溫度運(yùn)行的需求。圖 6 澆口控制流程變頻合分?？刂葡到y(tǒng)本子系統(tǒng)主要完成對(duì)分合模臂的控制，通過(guò)變頻器驅(qū)動(dòng)電機(jī)正反轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)分合木 模臂的推進(jìn)和送出，并通過(guò)頻率的控制來(lái)進(jìn)行速度和行程的調(diào)節(jié)，其控制過(guò)程主要在 變頻器內(nèi)實(shí)現(xiàn)完成。圖 7 變頻控制流程液面夾壓力控制系統(tǒng)本子系統(tǒng)主要完成對(duì)型腔內(nèi)模具位置信號(hào)的檢測(cè)，通過(guò)控制液面夾壓力值來(lái)控制 液體位置，氣壓源壓力經(jīng)過(guò)濾減壓閥后達(dá)到穩(wěn)定值，實(shí)現(xiàn)過(guò)程是將壓力信號(hào)作為控制 信號(hào)，位置信號(hào)為輸出信號(hào)，通過(guò)閉環(huán)實(shí)現(xiàn)對(duì)位置的控制。本控制可集成于主控系統(tǒng) 內(nèi)來(lái)實(shí)現(xiàn)。圖 8 液面夾壓力控制流程模具冷卻系統(tǒng)本子系統(tǒng)主要完成采用熱

10、電偶采集后的模具溫度控制，通過(guò)與設(shè)定溫度值進(jìn)行比 較，當(dāng)溫度值高于設(shè)定值則進(jìn)行降溫，采用水冷或者風(fēng)冷的方式，當(dāng)溫度值低于設(shè)定 值時(shí)候，采用電加熱棒進(jìn)行加熱，主要目的是在于降溫，使模型迅速冷卻。圖 9 冷卻控制流程人機(jī)界面在設(shè)備工作現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置人機(jī)界面，用于顯示設(shè)備工作狀態(tài)參數(shù)以及工藝參數(shù)。人機(jī) 界面主要用于對(duì)工作模式的選擇（自動(dòng) / /手動(dòng)），系統(tǒng)參數(shù)的獲?。▔簭?qiáng)，溫度，電 壓，電流等），并顯示相關(guān)參數(shù)趨勢(shì)曲線，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，為系統(tǒng)運(yùn)行運(yùn)行 進(jìn)行保障。操作面板操作面板主要用來(lái)控制電源的通斷，電機(jī)的啟停，以及各個(gè)機(jī)械臂的推進(jìn)和縮 出，同時(shí)進(jìn)行各個(gè)位置量的檢測(cè)輸出等，如電源指示，合分模到位信號(hào)

11、等。在現(xiàn)場(chǎng)適 用于對(duì)設(shè)備進(jìn)行調(diào)試以及人工操作。報(bào)警系統(tǒng)本部分報(bào)警主要對(duì)各個(gè)子系統(tǒng)內(nèi)溫度、電壓電流、壓強(qiáng)等實(shí)時(shí)物理量超過(guò)閾值的 及時(shí)報(bào)警，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)響應(yīng)及時(shí)，處理故障有效的檢測(cè)作用，保證系統(tǒng)在無(wú)誤差的系統(tǒng) 環(huán)境下安全可靠運(yùn)行。四、軟件系統(tǒng)技術(shù)方案設(shè)計(jì)在以上硬件系統(tǒng)架構(gòu)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)。軟件部分主要包括以下部 分：溫控軟件設(shè)計(jì)（主要包括爐溫控制，型腔溫度控制，澆口溫度控制），功率（電 壓電流）軟件設(shè)計(jì)，位置信號(hào)軟件設(shè)計(jì)，壓力控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)，人機(jī)界面和報(bào)警軟 件設(shè)計(jì)。其中，溫控部分包括保溫爐內(nèi)溫度控制，澆口溫度控制，型腔溫度控制；功 率（電壓電流）控制主要針對(duì)電機(jī)控制；壓強(qiáng)控制主要指液面壓

12、力控制；人機(jī)界面包 括各顯示和操作軟件設(shè)計(jì)；報(bào)警主要針對(duì)故障報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)。本部分可外協(xié)完成，通過(guò)系統(tǒng)集成實(shí)現(xiàn)整機(jī)系統(tǒng)的安全運(yùn)作。溫控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)溫控軟件設(shè)計(jì)主要包三大部分，上述已經(jīng)介紹，其基本控制原理相同，主要流程 框圖可參考同一設(shè)計(jì)。主要系統(tǒng)檢測(cè)量為實(shí)時(shí)溫度值，本溫度值通過(guò)溫度傳感器或熱電偶取得。圖 10 溫控程序流程圖爐溫控制系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)器主要是調(diào)功器和硅碳棒；型腔溫度控制系統(tǒng)中，主要指 的是可控硅和電加熱棒或模溫機(jī)；澆口溫度也可采用可控硅和電加熱棒；此流程在模 具冷卻中也可能用到，如果模具溫度低于設(shè)定值，也可能需要電加熱器進(jìn)行加熱處 理。注：此處調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)過(guò)程涉及到下節(jié)中介紹的功率調(diào)節(jié)，

13、功率調(diào)節(jié)可視為其一部分流程控 制，為便于理解，將功率調(diào)節(jié)方式單獨(dú)列成一節(jié)，功率調(diào)節(jié)不僅僅在溫度調(diào)節(jié)中使用，在電機(jī) 控制環(huán)節(jié)也采用。功率系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)功率系統(tǒng)主要指的是對(duì)電流電壓或功率的控制，通過(guò)移相調(diào)節(jié)或頻率改變占空比 等來(lái)調(diào)節(jié)輸出電流電壓功率值，此處也指單獨(dú)的電流調(diào)節(jié)或電壓調(diào)節(jié)。功率調(diào)節(jié)涉及到以下幾個(gè)環(huán)節(jié)：爐溫控制中調(diào)功器用以調(diào)節(jié)硅碳棒加熱功率，型 腔溫度調(diào)節(jié)中通過(guò)控制環(huán)節(jié)使得電加熱設(shè)備或模溫機(jī)改變功率大小，澆口溫度控制系 統(tǒng)中電加熱功率的大小，電機(jī)通過(guò)變頻器控制合分模速度和位置。本節(jié)主要介紹變頻 器控制電機(jī)進(jìn)行合分模樣過(guò)程。系統(tǒng)初始化變頻器控制電機(jī)運(yùn)行是一個(gè)串級(jí)調(diào)速過(guò)程，內(nèi)環(huán)為速度控制，外環(huán)

14、為位置控制， 通過(guò)調(diào)節(jié)變頻器的頻率來(lái)改變占空比，從而輸出電壓或電流值，進(jìn)而控制速度大小， 實(shí)現(xiàn)位置到達(dá)的過(guò)程。在此過(guò)程中由于電壓電流發(fā)生變化引起功率變動(dòng)，因而歸于功 率調(diào)節(jié)。由于負(fù)載變化引起的功率變化可以實(shí)現(xiàn)節(jié)約電能的過(guò)程，實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)最大 化，達(dá)到控制負(fù)載，節(jié)約能量的效果?？梢酝ㄟ^(guò)控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)分模和合模過(guò) 程。圖 11 系統(tǒng)控制流程圖開(kāi)始圖 12 系統(tǒng)程序流程圖變頻器內(nèi)部通過(guò)設(shè)定的頻率來(lái)調(diào)節(jié)電流和電壓值，根據(jù)輸出來(lái)控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn) 以及速度和位置，在運(yùn)行過(guò)程中不斷的進(jìn)行速度和位置校正，最終穩(wěn)定停止。位置系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)位置控制系統(tǒng)主要通過(guò)測(cè)量裝置完成對(duì)最終停止或動(dòng)態(tài)變化量的取值，然后送入

15、 控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后送入執(zhí)行結(jié)構(gòu)進(jìn)行輸出，最終達(dá)到系統(tǒng)穩(wěn)定要求。系統(tǒng)中執(zhí)行結(jié)構(gòu)包括型腔液面控制的執(zhí)行器，當(dāng)液面壓力低于預(yù)定值時(shí)，需要通 過(guò)加壓使得鋁液上升至型腔內(nèi)某位置，此時(shí)可以通過(guò)控制器發(fā)出指令或通過(guò)壓控相關(guān) 器件發(fā)出指令，能夠發(fā)出指令的控制單元構(gòu)成執(zhí)行機(jī)構(gòu)。初始位置圖 12 系統(tǒng)流程圖初始位置設(shè)定圖 13 系統(tǒng)程序流程圖壓力系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)壓力系統(tǒng)與型腔液面構(gòu)成閉環(huán)控制熊，單純壓力系統(tǒng)為開(kāi)環(huán)控制，通過(guò)檢測(cè)液面液位 來(lái)增加或減少壓力，使得鋁液結(jié)晶在型腔內(nèi)，達(dá)到鑄造模型的要求，開(kāi)環(huán)流程圖如 下：初始?jí)毫χ祱D 14 系統(tǒng)程序流程圖人機(jī)界面在設(shè)備工作現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置人機(jī)界面，用于顯示設(shè)備工作狀態(tài)參數(shù)以及工藝參數(shù)。人機(jī)界 面主要實(shí)現(xiàn)兩大功能，一是完成對(duì)工作方式和模式的控制，二是對(duì)物理量采集后計(jì)算 結(jié)果的輸出，包括數(shù)字量輸出和圖形輸出。此部分流程圖相對(duì)復(fù)雜，在此不作具