自動(dòng)澆注系統(tǒng)的智能控制

1、自動(dòng)澆注系統(tǒng)的智能控制（蘇州蘇鑄成套裝備制造有限公司）摘要：鑄造是獲得機(jī)械產(chǎn)品毛坯鑄件的主要工藝，也是機(jī)械裝備制造業(yè)生產(chǎn) 的重要基礎(chǔ)環(huán)節(jié)。提高澆注的自動(dòng)化程度，是實(shí)現(xiàn)高精度、高品質(zhì)鑄件生產(chǎn)的技 術(shù)保證，還是鑄造工人從繁重的體力勞動(dòng)和惡劣的生產(chǎn)環(huán)境中解脫出來的重要技 術(shù)手段。正是由于國(guó)內(nèi)目前對(duì)鑄造用自動(dòng)澆注機(jī)的研究和制造相對(duì)國(guó)外已有的較 成熟技術(shù)相比，仍處于剛剛起步階段。本課題在收集和分析國(guó)外傾轉(zhuǎn)澆注機(jī)的技 術(shù)和控制原理的基礎(chǔ)上，研究并設(shè)計(jì)伺服控制傾轉(zhuǎn)式自動(dòng)澆注機(jī)的智能控制系 統(tǒng)，為開發(fā)和研制經(jīng)濟(jì)、實(shí)用、可靠的自動(dòng)傾轉(zhuǎn)澆注機(jī)創(chuàng)造條件。關(guān)鍵詞：控制算法圖像系統(tǒng)稱重系統(tǒng)前言蘇鑄成套裝備制造有限公司是

2、國(guó)內(nèi)最具影響力的鑄造設(shè)備設(shè)計(jì)制造單位。其 主要產(chǎn)品為全自動(dòng)靜壓造型線，射芯機(jī)，澆注機(jī)等。目前該單位澆注機(jī)為半自動(dòng) 操作方式，其澆注過程仍為手動(dòng)操作方式，為了提高澆注工作的生產(chǎn)效率，節(jié)省 人力和減少原料的浪費(fèi)，需要對(duì)澆注機(jī)的澆注過程控制方法進(jìn)行系統(tǒng)的分析和設(shè) 計(jì)。圖1.1自動(dòng)澆注系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖研究?jī)?nèi)容本次研究的內(nèi)容包括：1）針對(duì)本臺(tái)澆注機(jī)所設(shè)計(jì)的具有U型澆嘴的扇形澆包進(jìn)行系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析2）針對(duì)澆口杯進(jìn)行圖像系統(tǒng)分析；3）為了為今后的稱重系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作提供理論依據(jù)，對(duì)稱重系統(tǒng)的安裝方式以及可靠性的分析，結(jié)合流量以及稱重系統(tǒng)達(dá)到全自動(dòng)。智能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)（1）控制算法本公司所設(shè)計(jì)的澆注機(jī)是屬于傾轉(zhuǎn)式澆注機(jī)，輸

3、入方式是電機(jī)的角速度轉(zhuǎn)化 為澆包的傾轉(zhuǎn)，輸出是澆包內(nèi)鐵水的流量。需要對(duì)澆注過程進(jìn)行建模，得出輸入 輸出之間的函數(shù)關(guān)系，以此作為對(duì)流量校正的基礎(chǔ)。扇形澆包側(cè)視圖見圖3.1所示，俯視圖見圖3.2，澆嘴外形如圖3.3所示，可見 在扇形澆包傾轉(zhuǎn)時(shí)，其澆嘴上方的液面表面積是恒定不變的。每轉(zhuǎn)動(dòng)1其體積 變化量不變；當(dāng)系統(tǒng)是穩(wěn)態(tài)時(shí)，流量和角速度之間是線性的關(guān)系，這與最初的扇 形包設(shè)計(jì)初衷是吻合的。但是，如果角速度為發(fā)生變化，或者非勻速，其流量響 應(yīng)是非線性的。此處的模型是建立在標(biāo)準(zhǔn)的型腔基礎(chǔ)上的，如果考慮拔模斜度的 影響，只需計(jì)算出截面積，可以計(jì)算出在單位時(shí)間內(nèi)所流出的流量。要做到完全掌握控制流量的勻速輸出

4、的數(shù)據(jù)，這就還要采用圖像系統(tǒng)，直接 掃描澆口杯的金屬液面，而后根據(jù)澆口杯金屬液面的高低，自動(dòng)調(diào)整澆注速度， 始終保持澆口杯液面充滿（液面高度可以隨時(shí)隨意調(diào)整和設(shè)定），確保澆注質(zhì)量 達(dá)到最佳澆注的效果。圖3.1扇形澆包主視圖圖3.2扇形澆包俯視圖圖3.3圖像系統(tǒng)的建立從圖中可以1.1中可以看出攝像機(jī)拍攝澆口杯澆注時(shí)的圖像,該圖像經(jīng)圖像 采集卡送入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)經(jīng)圖像處理后計(jì)算出液體高度、流量、液面波動(dòng)系數(shù), 然后按一定的控制規(guī)則進(jìn)行實(shí)時(shí)決策,求出相應(yīng)控制量輸出給電機(jī)，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶 動(dòng)澆筑執(zhí)行裝置,改變澆包頃轉(zhuǎn)角度控制鐵水的流量，從而調(diào)節(jié)澆口杯的鐵水液 位高度。澆注過程工藝要求:總的要求是快速、連續(xù)

5、將鐵水從澆包的一端澆注到砂模的澆 口杯中，鐵水在澆口杯下的型腔內(nèi)冷卻后形成鑄件。在澆注開始時(shí),為迅速建立澆 口杯中的液面高度，澆筑執(zhí)行機(jī)構(gòu)應(yīng)將澆包頃轉(zhuǎn)角度加大。當(dāng)澆口杯中的金屬液 面建立起來以后，必須維持設(shè)定在80%高度附近，以保持澆筑過程的平穩(wěn)性。當(dāng) 澆口杯的液位達(dá)到95%以后，應(yīng)快速停止?jié)仓?，防止金屬液面溢出。稱重系統(tǒng)稱重系統(tǒng)是由稱重衍生出來的現(xiàn)代名詞。我們通常所說的稱重是指生活中的 度量，然而稱重運(yùn)用到精密儀器或者相關(guān)行業(yè)的時(shí)候，認(rèn)為的稱重是無法保證其 精度的，這時(shí)候便誕生了稱重系統(tǒng)。系統(tǒng)指的是軟件與硬件的結(jié)合體，目的是為了減少勞動(dòng)力，提高管理效率。 就像我們常說的電腦操作系統(tǒng)、圖書管理

6、系統(tǒng)等，稱重系統(tǒng)就是為了減少稱重中 出現(xiàn)的問題，減少勞動(dòng)力的冗余等問題而出現(xiàn)的。全美的稱重系統(tǒng)才是最專業(yè)的 稱重系統(tǒng)。稱重系統(tǒng)指的是稱重軟件和相關(guān)硬件的整體，兩者的協(xié)同工作構(gòu)成了 稱重系統(tǒng)。在我公司所用的稱重傳感器未形成系統(tǒng)，所以在設(shè)備的稱重上所獲得的信息 徐符合或者接近正態(tài)分布特性，這需要在機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)上得以保證，不允許有 其他外力對(duì)稱重傳感器進(jìn)行干擾。另外，非線性濾波器對(duì)模型精度要求較高，所 以對(duì)澆包的內(nèi)腔尺寸和澆嘴形狀得以保證。在機(jī)械機(jī)構(gòu)以及稱重傳感器的安裝方式也是至關(guān)重要。在國(guó)外比較著名是 sinto以及hws的全自動(dòng)澆注機(jī)。如圖3.4所示是目前sinto稱重系統(tǒng)，其中包 括四個(gè)稱重

7、傳感器以及信息處理器，如圖3.5所示其結(jié)構(gòu)是安裝在澆注機(jī)橫移機(jī) 構(gòu)底部圖3.4圖3.5如圖3.6所示是目前hws稱重系統(tǒng)，如圖3.5所示其結(jié)構(gòu)是安裝在澆注機(jī)機(jī) 架上方，圖3.6圖3.7兩種不同的安裝方式得出的結(jié)論是一樣的，精確數(shù)據(jù)，離不開對(duì)采集的數(shù)據(jù) 進(jìn)行大量的計(jì)算處理，以及濾除各種的干擾。安裝可靠性和穩(wěn)定性也是非常重要 的，要考慮到澆注機(jī)行走，澆注移動(dòng)時(shí)的震動(dòng)以及沖擊。綜上所述：整個(gè)自動(dòng)澆注的單一控制系統(tǒng)比較簡(jiǎn)單，而要使自動(dòng)澆注協(xié)調(diào)的工作 則是需要將控制算法的數(shù)據(jù)，圖像系統(tǒng)，及稱重的數(shù)據(jù)結(jié)合起來由控制器推理機(jī) 構(gòu)進(jìn)行處理，得出結(jié)果以控制澆注機(jī)的澆筑過程，達(dá)到自動(dòng)澆筑的效果。推理機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)推理

8、機(jī)構(gòu)的功能是實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)推理決策，和使整個(gè)自動(dòng)澆注以邏輯的方式協(xié)調(diào)的工 作。因?yàn)榭刂埔?guī)則比較簡(jiǎn)單，因此推理機(jī)構(gòu)直接采用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的正向推理策略即 可。這樣也可以保證控制決策的實(shí)時(shí)性。控制器的推理機(jī)構(gòu)一般用如下模型表示U=f(E,K,I)式中：E-控制算法輸出集K-圖像系統(tǒng)輸出集I推理機(jī)的輸出集U控制器的輸出集而f為一種智能算子，其基本形式為IF E AND K THEN IF THEN即根據(jù)控制算 法輸出的流量集E和圖像系統(tǒng)的輸出值K進(jìn)行推理，然后根據(jù)推理結(jié)果I輸出相 應(yīng)的控制U.6.總結(jié)傾轉(zhuǎn)式澆注機(jī)主要應(yīng)用于氣沖和靜壓造型線上的中大件澆注。傾轉(zhuǎn)式澆注機(jī) 主要從國(guó)外引進(jìn)，大都是手動(dòng)控制，價(jià)格很高。隨著國(guó)內(nèi)控制技術(shù)及元件可靠性 的提高，國(guó)內(nèi)企業(yè)研制出了適合中國(guó)國(guó)情的澆注機(jī)，并很快占領(lǐng)了國(guó)內(nèi)市場(chǎng)。國(guó) 內(nèi)好多