低壓鑄造機技術方案書.doc

低壓鑄造機技術方案書一、 序言1.1設計目標低壓鑄造機是鋁合金低壓鑄造的通用設備，可廣泛應用于汽車、摩托車、紡織機械與航空航天等工業(yè)中鋁合金鑄件的生產 。本技術方案是為了采用低壓鑄造機完成本公司鋁合金模具澆鑄使用而設計。 1.2設計原則安全，穩(wěn)定，可靠，有效1.3設計依據和參考標準主要依據了國家統(tǒng)計局、國家商務部、國家發(fā)改委、國務院發(fā)展研究中心、中國海關總署、低壓鑄造機行業(yè)相關協(xié)會、國內外相關刊物的基礎信息以及低壓鑄造機行業(yè)專業(yè)研究單位等公布和提供的大量資料。1.4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品。二、 需求分析2.1技術現狀我國低壓鑄造機技術經過幾十年研究與發(fā)展，在結構，原理，功能上基本接近進口機水平，在國內汽車缸蓋生廠商已經得到用戶認可，但國產機同進口機相比在外觀、鑄造工藝、機械精度、自動控制及算法等精細方面還是有所差距。本公司產品在經過一至五代液壓鑄造機的基礎上采用電控系統(tǒng)來完成鋁合金模型的鑄造過程，有待于進一步試驗和使用驗證。2.2需求針對公司目前產品現狀，需完成采用電控設計的低壓鑄造機來實現鋁合金澆鑄的過程，達到降低生產成本，提高鑄件質量和滿足生產安全，提高生產率，提升自動化程度的目的需求。三、 硬件系統(tǒng)技術方案設計低壓鑄造機原理是將熔融的金屬液加入密閉的保溫爐內，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，使保溫爐內的金屬液通過升液管緩慢注入金屬模型腔，在壓力作用下結晶成形，再經過自動開模并取件，完成低壓鑄造工藝過程。3.1整體系統(tǒng)設計系統(tǒng)架構主要由數據采集處理系統(tǒng)和通信系統(tǒng)構成。采集處理系統(tǒng)在主控系統(tǒng)采用PLC的基礎上主要由以下幾部分：爐溫控制系統(tǒng)，液面加壓系統(tǒng)，開合模及頂出系統(tǒng)，模具冷卻系統(tǒng)，型腔溫度及液面檢測系統(tǒng)，人機界面，操控面板，工藝參數采集系統(tǒng)和報警系統(tǒng)組成。 其中，型腔液面檢測與液面加壓系統(tǒng)共同構成閉合回路。主控通過工業(yè)以太網交換機與服務器/客戶端建立聯(lián)系，進行數據通訊。圖1 主系統(tǒng)搭建框圖上位機系統(tǒng)采用B/S架構，即瀏覽器和服務器結構。它是隨著Internet技術的興起，對C/S結構的一種變化或者改進的結構。在這種結構下，用戶工作界面是通過WWW瀏覽器來實現，極少部分事務邏輯在前端(Browser)實現，但是主要事務邏輯在服務器端(Server)實現。B/S結構最大的優(yōu)點就是可以在任何地方進行操作而不用安裝任何專門的軟件。只要有一臺能上網的電腦就能使用，客戶端零維護。系統(tǒng)的擴展性非常容易，只要能上網，再由系統(tǒng)管理員分配一個用戶名和密碼，就可以使用了。遠程通信系統(tǒng)即PLC和服務器工作站之間的通訊采用工業(yè)以太網進行通信，這樣可以很方便的和其它系統(tǒng)進行集成。本設計系統(tǒng)暫時不對上位機和遠程通訊進行設計，但在相關系統(tǒng)中預留相關接口，以備后續(xù)工作中需要使用。3.1.1方案設計本方案在10路子系統(tǒng)的基礎上搭建低壓鑄造機的實現過程，通過采集相關的電壓電流信號、溫度和壓力信號等輸入主控器中，然后進行相關算法的計算和數據分析處理后進行輸出，從而實現多路子系統(tǒng)同時可控，共同完成整體系統(tǒng)操作，實現鋁合金鑄造過程。圖2 系統(tǒng)流程圖3.1.2設計特點本設計在液壓鑄造的基礎上采用變頻器通過電機來控制合分模的過程，實現電力環(huán)節(jié)的節(jié)能環(huán)保；爐溫，型腔，澆口實現溫度靈敏控制，通過主控器及時處理和反饋，達到精度控制的要求；實時報警系統(tǒng)可以及時檢測系統(tǒng)故障，保證生產安全有序進行；上位機控制可以及時觀測到系統(tǒng)整體運行狀態(tài)，保證作業(yè)的順利進行，并利于告警和故障信息的及時處理；整機系統(tǒng)配合完整，達到生產任務需求。3.2分系統(tǒng)設計分系統(tǒng)搭建主要由以下各個環(huán)節(jié)構成，各個子系統(tǒng)的穩(wěn)定運行保證了整體系統(tǒng)的功能實現，從而滿足系統(tǒng)穩(wěn)定可靠安全有效的運行。3.2.1 PLC主控系統(tǒng)主控系統(tǒng)由幾個小系統(tǒng)搭建完成，包括輸入采集系統(tǒng)、數據處理系統(tǒng)、實時顯示系統(tǒng)、操作系統(tǒng)和數據輸出系統(tǒng)。除了實現對各個子系統(tǒng)進行監(jiān)控外，還需要采集設備工作狀態(tài)的信息，故障信息以及生產工藝參數，以提供給服務器進行工藝分析及優(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，在控制器中進行數據處理和分析，然后將有關模擬量分別同步進行顯示和輸出；通過以太網交換機上傳至服務器，進行數據儲存和調用，在瀏覽器可以直接進行系統(tǒng)觀測和設定，直觀方便的對系統(tǒng)進行全程監(jiān)控和處理。3.2.2 爐溫控制系統(tǒng)本子系統(tǒng)主要完成保溫爐內溫度的檢測，通過硅碳棒輻射加熱，利用熱電偶采集，將爐內溫度信號送入主控制器進行處理，同時在已經設定的溫度值基礎上進行比較，通過誤差控制借助溫控儀和調功器來調整實時溫度，達到滿足系統(tǒng)溫度穩(wěn)定運行的要求。 圖3 爐溫控制流程3.2.3 型腔溫度及液面控制系統(tǒng)本子系統(tǒng)主要完成型腔內溫度和位置的檢測，將型腔內溫度信號送入主控制器，在已經設定的溫度值基礎上進行比較，通過誤差控制借助電加熱棒或模溫機來調整實時溫度，達到系統(tǒng)溫度運行的需求；同時使用超聲波傳感器來檢測液面位置，使模具在壓力值下保持位置穩(wěn)定，通過壓控儀器或主控系統(tǒng)來控制壓力維持液面高度，以利于更好的鑄模。圖4 型腔溫度控制流程圖5 型腔液面控制流程3.2.4澆口溫度控制系統(tǒng)為了防止鋁液在澆注口溫度過低結晶，從而影響澆注質量，需要對澆注口的溫度進行檢測并控制。本子系統(tǒng)主要通過熱電偶完成澆口內溫度的檢測，將澆口內溫度信號送入主控制器，在已經設定的溫度值基礎上進行比較，通過誤差控制借助溫控儀調節(jié)電加熱棒或硅碳棒來調整實時溫度，達到系統(tǒng)溫度運行的需求。圖6 澆口控制流程3.2.5變頻合分?？刂葡到y(tǒng)本子系統(tǒng)主要完成對分合模臂的控制，通過變頻器驅動電機正反轉來實現分合木模臂的推進和送出，并通過頻率的控制來進行速度和行程的調節(jié)，其控制過程主要在變頻器內實現完成。圖7 變頻控制流程3.2.6液面夾壓力控制系統(tǒng)本子系統(tǒng)主要完成對型腔內模具位置信號的檢測，通過控制液面夾壓力值來控制液體位置，氣壓源壓力經過濾減壓閥后達到穩(wěn)定值，實現過程是將壓力信號作為控制信號，位置信號為輸出信號，通過閉環(huán)實現對位置的控制。本控制可集成于主控系統(tǒng)內來實現。圖8 液面夾壓力控制流程3.2.7模具冷卻系統(tǒng)本子系統(tǒng)主要完成采用熱電偶采集后的模具溫度控制，通過與設定溫度值進行比較，當溫度值高于設定值則進行降溫，采用水冷或者風冷的方式，當溫度值低于設定值時候，采用電加熱棒進行加熱，主要目的是在于降溫，使模型迅速冷卻。圖9 冷卻控制流程3.2.8人機界面在設備工作現場設置人機界面，用于顯示設備工作狀態(tài)參數以及工藝參數。人機界面主要用于對工作模式的選擇（自動/手動），系統(tǒng)參數的獲?。▔簭?，溫度，電壓，電流等），并顯示相關參數趨勢曲線，實時監(jiān)測系統(tǒng)運行狀態(tài)，為系統(tǒng)運行運行進行保障。3.2.9操作面板操作面板主要用來控制電源的通斷，電機的啟停，以及各個機械臂的推進和縮出，同時進行各個位置量的檢測輸出等，如電源指示，合分模到位信號等。在現場適用于對設備進行調試以及人工操作。3.2.10報警系統(tǒng)本部分報警主要對各個子系統(tǒng)內溫度、電壓電流、壓強等實時物理量超過閾值的及時報警，實現系統(tǒng)響應及時，處理故障有效的檢測作用，保證系統(tǒng)在無誤差的系統(tǒng)環(huán)境下安全可靠運行。四、 軟件系統(tǒng)技術方案設計在以上硬件系統(tǒng)架構的基礎上，進行軟件系統(tǒng)設計。軟件部分主要包括以下部分：溫控軟件設計（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）軟件設計，位置信號軟件設計，壓力控制系統(tǒng)軟件設計，人機界面和報警軟件設計。其中，溫控部分包括保溫爐內溫度控制，澆口溫度控制，型腔溫度控制；功率（電壓電流）控制主要針對電機控制；壓強控制主要指液面壓力控制；人機界面包括各顯示和操作軟件設計；報警主要針對故障報警系統(tǒng)設計。本部分可外協(xié)完成，通過系統(tǒng)集成實現整機系統(tǒng)的安全運作。4.1溫控系統(tǒng)軟件設計溫控軟件設計主要包三大部分，上述已經介紹，其基本控制原理相同，主要流程框圖可參考同一設計。主要系統(tǒng)檢測量為實時溫度值，本溫度值通過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，調節(jié)器主要是調功器和硅碳棒；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；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定值，也可能需要電加熱器進行加熱處理。注：此處調節(jié)器調節(jié)過程涉及到下節(jié)中介紹的功率調節(jié)，功率調節(jié)可視為其一部分流程控制，為便于理解，將功率調節(jié)方式單獨列成一節(jié)，功率調節(jié)不僅僅在溫度調節(jié)中使用，在電機控制環(huán)節(jié)也采用。4.2功率系統(tǒng)軟件設計 功率系統(tǒng)主要指的是對電流電壓或功率的控制，通過移相調節(jié)或頻率改變占空比等來調節(jié)輸出電流電壓功率值，此處也指單獨的電流調節(jié)或電壓調節(jié)。功率調節(jié)涉及到以下幾個環(huán)節(jié)：爐溫控制中調功器用以調節(jié)硅碳棒加熱功率，型腔溫度調節(jié)中通過控制環(huán)節(jié)使得電加熱設備或模溫機改變功率大小，澆口溫度控制系統(tǒng)中電加熱功率的大小，電機通過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進行合分模樣過程。變頻器控制電機運行是一個串級調速過程，內環(huán)為速度控制，外環(huán)為位置控制，通過調節(jié)變頻器的頻率來改變占空比，從而輸出電壓或電流值，進而控制速度大小，實現位置到達的過程。在此過程中由于電壓電流發(fā)生變化引起功率變動，因而歸于功率調節(jié)。由于負載變化引起的功率變化可以實現節(jié)約電能的過程，實現功率因數最大化，達到控制負載，節(jié)約能量的效果?？梢酝ㄟ^控制電機的正反轉實現分模和合模過程。圖11 系統(tǒng)控制流程圖圖12 系統(tǒng)程序流程圖變頻器內部通過設定的頻率來調節(jié)電流和電壓值，根據輸出來控制電機的正反轉以及速度和位置，在運行過程中不斷的進行速度和位置校正，最終穩(wěn)定停止。4.3位置系統(tǒng)軟件設計位置控制系統(tǒng)主要通過測量裝置完成對最終停止或動態(tài)變化量的取值，然后送入控制器進行數據處理后送入執(zhí)行結構進行輸出，最終達到系統(tǒng)穩(wěn)定要求。圖12 系統(tǒng)流程圖圖13 系統(tǒng)程序流程圖系統(tǒng)中執(zhí)行結構包括型腔液面控制的執(zhí)行器，當液面壓力低于預定值時，需要通過加壓使得鋁液上升至型腔內某位置，此時可以通過控制器發(fā)出指令或通過壓控相關器件發(fā)出指令，能夠發(fā)出指令的控制單元構成執(zhí)行機構。4.4壓力系統(tǒng)軟件設計壓力系統(tǒng)與型腔液面構成閉環(huán)控制熊，單純壓力系統(tǒng)為開環(huán)控制，通過檢測液面液位來增加或減少壓力，使得鋁液結晶在型腔內，達到鑄造模型的要求，開環(huán)流程圖如下：圖14 系統(tǒng)程序流程圖4.5人機界面 在設備工作現場設置人機界面，用于顯示設備工作狀態(tài)參數以