淺談負壓鑄造工藝智能控制系統設計范文

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摘要：傳統負壓鑄造中的負壓控制主要依靠人的經驗及設備運行狀態，其控制精度及智能化較低。對汽車車橋支撐板負壓鑄造工藝進行了分析，針對負壓鑄造系統運用PLC中的PID模糊算法對變頻器的運行頻率進行了精確控制，變頻器控制真空泵驅動電機的轉速得到了不同的負壓值，實現對負壓的實時控制、調整及監控。在實際生產中進行了應用。結果表明，負壓智能控制穩定迅速，實時控制誤差在0.5kPa以內，控制精度較高。該智能化控制系統高效、可靠，能為負壓鑄造及成型工藝的智能化生產提供參考。

關鍵詞：PLC(可編程邏輯控制器)；負壓鑄造；智能控制；負壓；PID(比例-積分-微分)控制

隨著科技不斷發展，智能制造及智能控制在各行各業中應用廣泛，尤其是現代化生產企業，為了降低能耗、提升產品質量，不斷應用智能化控制系統對設備進行升級改造。負壓鑄造作為重要機械設備零件的生產工藝之一，其生產鑄件尺寸精確高、輪廓清晰、表面光潔、適于澆注厚壁及薄壁鑄件，并且氣孔缺陷少，在零件鑄造中得到了廣泛的應用[1]。負壓鑄造關鍵參數是鑄造過程中的負壓值，現有大多數企業一般憑借經驗進行取值，且設定參數不可調，導致生產效率低下、能耗居高不下，是現在眾多企業鑄造生產的瓶頸問題[2]。為了實現生產的自動化，國內外眾多學者對于鑄造及其控制系統等進行了較深入的研究。其中李瑞霞等[3]以差壓鑄造設備為研究對象，運用計算機自動對其控制系統進行設計，為差壓鑄造設備智能化控制提供了重要的參考；朱曉[4]以低壓鑄造為研究對象，對其液面加壓系統充型信號發生器進行設計，同時實現其智能化控制；文獻[5]對3Cr2W8V鋼鋁壓鑄模真空熱處理進行研究，并設計其自動控制系統，為其智能化控制提供基礎；文獻[6]以消失模隨著科技不斷發展，智能制造及智能控制在各行各業中應用廣泛，尤其是現代化生產企業，為了降低能耗、提升產品質量，不斷應用智能化控制系統對設備進行升級改造。負壓鑄造作為重要機械設備零件的生產工藝之一，其生產鑄件尺寸精確高、輪廓清晰、表面光潔、適于澆注厚壁及薄壁鑄件，并且氣孔缺陷少，在零件鑄造中得到了廣泛的應用[1]。負壓鑄造關鍵參數是鑄造過程中的負壓值，現有大多數企業一般憑借經驗進行取值，且設定參數不可調，導致生產效率低下、能耗居高不下，是現在眾多企業鑄造生產的瓶頸問題[2]。為了實現生產的自動化，國內外眾多學者對于鑄造及其控制系統等進行了較深入的研究。其中李瑞霞等[3]以差壓鑄造設備為研究對象，運用計算機自動對其控制系統進行設計，為差壓鑄造設備智能化控制提供了重要的參考；朱曉[4]以低壓鑄造為研究對象，對其液面加壓系統充型信號發生器進行設計，同時實現其智能化控制；文獻[5]對3Cr2W8V鋼鋁壓鑄模真空熱處理進行研究，并設計其自動控制系統，為其智能化控制提供基礎；文獻[6]以消失模鑄造為研究對象，對其砂處理控制系統進行設計，并實現智能控制，在相關生產中得到應用。上述學者對鑄造及其生產智能化控制及應用進行了研究，取得了一定的成就，但是對于負壓鑄造及其智能化控制的研究相對較少，存在較大的研究空間。基于此，本文以某型汽車車轎支撐板負壓鑄造為研究對象，分析其負壓鑄造工藝，根據工藝運用PLC和變頻器，設計其負壓智能控制系統；根據負壓鑄造零件的材料、結構、工藝、壁厚智能調節其負壓，為零件負壓鑄造生產效率提高、成本降低、鑄件產品質量的提高提供重要的參考。

1負壓鑄造工藝分析

負壓鑄造又稱真空密封鑄造。負壓鑄造造型時，先在模具模腔上覆蓋一層塑料薄膜，用真空泵抽氣，使薄膜緊貼在模板上，然后套上砂箱，再往砂箱中充填造型材料，經振實刮平之后，用塑料薄膜覆蓋砂箱頂面，接通真空泵吸出模腔砂粒間的空氣，使砂型模腔內形成負壓，同時撤除模具模腔真空，讓塑料薄膜轉而吸附在鑄型內腔面上，砂型靠壓力差的作用具有一定的強度和硬度[7]。經起模、合箱、澆注、凝固冷卻后撤除負壓，即可得到所需鑄件，負壓鑄造工藝如圖1所示。由圖可知，本研究負壓鑄造工藝設備主要由振動臺、砂箱、干砂、試樣、塑料薄膜、試樣定位裝置、閥、真空罐、真空表及真空泵組成。熔融金屬液體經過澆注口進入覆蓋一層塑料薄膜的模腔中，底部的振動臺驅動整個砂箱進行振動，振實抹平后，在砂箱頂面覆蓋塑料薄膜，接通真空泵吸出模腔砂粒間的空氣，在閥作用下控制負壓大小，使砂型模腔內形成負壓，同時撤除試樣模具模腔真空，讓塑料薄膜吸附在鑄型內腔面上，試樣模具靠試樣定位裝置進行定位，當金屬熔融液完全充滿型腔后保持一段時間，待型腔內部鑄件成型，撤出負壓后開模，從而成型為所需鑄件。

2負壓智能控制系統設計

根據設計的負壓鑄造工藝，對其負壓進行精確控制，從而保持負壓鑄造一直保持在合理的工藝參數范圍內，為獲得力學性能優良、加工特性好的鑄件提供重要的保證。為了實現對負壓鑄造的智能精確控制，根據負壓鑄造原理可知，負壓鑄造中的負壓是由真空泵產生真空，從而形成負壓，因此可以通過對真空泵進行精確控制，從而實現對整個系統中的負壓進行精確控制[8]。基于此，本研究設計的負壓鑄造智能控制方案如圖2所示。由圖2可知，設計的負壓鑄造智能控制方案主要由HMI（人機界面）、PLC、負壓傳感器、變頻器等組成。運用PLC中的PID模糊算法對變頻器的運行頻率進行精確控制，而變頻器再控制真空泵驅動電機得到不同的負壓值，從而實現對負壓鑄造系統的智能化控制。根據負壓傳感器實時反饋的負壓信息，PID模糊算法實時對變頻器進行調整和控制，實現對真空泵的實時調整與控制，從而使得負壓實時調整，負壓穩態誤差逐漸趨于穩定。基于上述原理設計的智能控制系統能夠穩定快速達到設定負壓值，當系統到達設定負壓值后，PLC進行計時，并實時監測負壓鑄造系統中的主要工藝參數值。在本研究設計的負壓鑄造智能控制系統中，實際生產根據不同材料、形狀選擇相對應的最優工藝參數，在此系統中進行設定并使最工藝參數實時保持在的合理范圍內，從而獲得最佳鑄造成型效果。根據設計的智能化控制系統，利用變頻器實時調整真空泵運行轉速來達到實時穩定負壓鑄造系統的負壓。設計的智能化控制系統采用STEP7編制負壓鑄造智能控制程序，以實現鑄造負壓的PID智能控制，本研究設計的負壓鑄造智能控制程序如圖3所示。由圖3可知，設計的基于PLC負壓鑄造智能控制系統，通過HMI將設定負壓值及模糊控制參數傳送至PLC，負壓檢測傳感器將檢測到的實時負壓信息迅速反饋至PLC，PLC根據反饋回來的實時負壓信息與HMI設定的負壓值進行比較，程序運用PID模糊控制算法進行比例、積分、微分計算，從而輸出所需控制量。根據輸出控制量，PLC程序對其進行換算，將控制量轉換成變頻器所需頻率值，并通過RS485通訊協議將計算所得頻率值傳送至變頻器，通過實時控制的變頻器實現對真空泵電機轉速的實時控制，從而實現負壓鑄造系統快速穩定達到設定負壓值，且控制精度較高。變頻器也將自身的運行數據通過RS485協議實時快速反饋至PLC，實現對異常情況進行實時監控，發生異常時提醒生產人員進行相對應的操作，減小生產損失。根據設計的智能控制程序得到負壓鑄造智能控制系統中的負壓控制流程，如圖4所示。根據圖4中的控制流程圖，從而實現對負壓鑄造系統中的負壓進行智能化精確控制。

3控制界面、控制效果及其應用

根據設計的工藝方案、控制方案、控制程序及控制流程圖，將其運用到汽車車轎支撐板負壓鑄造生產中，運用EasyBuilderPro軟件編程得到汽車車轎支撐板負壓鑄造智能控制系統的操作界面，如圖5所示。在圖5界面上設定負壓鑄造所需的工藝參數值，將自動按鈕按下，切換到變頻運行模式，按下啟動按鈕從而實現對負壓鑄造生產實現智能控制。當變頻器發生故障時，為保證生產不受影響，可切換至工頻運行模式，繼續自動運行。基于設計的智能化控制系統，將其運用到某型汽車車橋支撐板負壓鑄造實際生產中，支撐板材料為ZG20SiMn鑄造低合金鋼，鑄造模具為H13模具鋼，經過調質處理；實際汽車車橋支撐板負壓鑄造生產工藝參數為：負壓-81kPa，澆注溫度1480℃，填充時間為5min，保壓時間為10min，振動臺頻率為40Hz，振幅為2.5mm。負壓、真空泵等主要與負壓有關的參數由設計的負壓控制系統進行精確控制，而澆注溫度1480℃、填充時間5min，保壓時間10min，振動臺頻率40Hz，振幅2.5mm等參數由主控制系統控制，在此不做過多描述。根據上述工藝參數進行汽車車橋支撐板負壓鑄造。鑄件尺寸如圖6所示。根據圖6汽車車橋支撐板成型件尺寸及其負壓鑄造實際運行參數，得到該零件負壓鑄造工藝過程中負壓相關控制參數為：負壓（-81±0.25）kPa，真空泵轉速為（245±2）r/min，真空泵電流為（2.0±0.5）A，真空泵溫度≤65℃，真空泵轉矩輸出率≤100%。根據上述控制工藝參數得到汽車車橋支撐板在實際負壓鑄造成型工藝過程中的實時負壓調整參數及負壓控制曲線的操作界面如圖7所示。由圖7可知，汽車車橋支撐板負壓鑄造實際生產設定負壓值為-81kPa，而實測負壓值為-80.2kPa，在控制誤差±0.25kPa以內；真空泵轉速為246r/min在設定的（245±2）r/min內；真空泵電流為1.9A，在設定的（2.0±0.5）A范圍內；真空泵溫度為48℃＜65℃，真空泵轉矩輸出率12%≤100%均滿足設計要求。本研究設計的汽車車橋支撐板負壓鑄造智能控制系統實現了對鑄造系統中的關鍵參數負壓進行實時調整及監測，控制精度為±0.25kPa，控制誤差為0.5kPa，為負壓鑄造生產過程中負壓的智能化控制及成本降低提供了重要保障。本研究設計的負壓鑄造智能化控制系統可以在各行各業中的零件的負壓鑄造中進行應用，且其控制原理及控制方式可以推廣應用到其他鑄造成形工藝的智能化控制中，應用前景廣闊。

4結語

本設計的負壓鑄造智能化控制系統可以實現對鑄造系統中的負壓進行實時控制、調整及監控。設計智能控制系統實時負壓誤差為0.5kPa，在某型汽車車橋支撐板負壓鑄造實際生產中進行了實際應用，為鑄造工藝的智能化控制、性能優良的鑄件生產及生產提供借鑒。

參考文獻：

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[3]李瑞霞，周麗．差壓鑄造設備計算機自動控制系統設計[J]．熱加工工藝，2015，44(17)：71-75．

[4]朱曉．低壓鑄造液面加壓系統充型信號發生器的設計與實現[J]．熱加工工藝，2014，43(5)：68-69．

[5]王晶．3Cr2W8V鋼鋁壓鑄模真空熱處理及其自動控制[J]．熱加工工藝，2015，44(6)：226-228．

[6]同志學，吳曉君，史麗晨．消失模鑄造砂處理系統智能控制研究與應用[J]．熱加工工藝，2010，39(13)：45-47．

[7]韋賀．WCp/鋼(鐵)基復合材料微觀界面形成機制及壓縮性能的研究[D]．昆明：昆明理工大學，2016．

[8]廖常初．PLC編程及應用[M]．北京：機械工業出版社，2010.

作者：史瓊艷 張江華 單位：常州機電職業技術學院