低壓鑄造機技術(shù)方案設(shè)計書

低壓鑄造機技術(shù)案書一、序言1.1設(shè)計目標低壓鑄造機是鋁合金低壓鑄造的通用設(shè)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(chǎn)。本技術(shù)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(shè)計。1.2設(shè)計原則安全，穩(wěn)定，可靠，有效1.3設(shè)計依據(jù)和參考標準主要依據(jù)了統(tǒng)計局、商務部、發(fā)改委、國務院發(fā)展研究中心、中國海關(guān)總署、低壓鑄造機行業(yè)相關(guān)協(xié)會、國外相關(guān)刊物的基礎(chǔ)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適用圍本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。二、需求分析2.1技術(shù)現(xiàn)狀我國低壓鑄造機技術(shù)經(jīng)過幾十年研究與發(fā)展，在結(jié)構(gòu)，原理，功能上基本接近進口機水平，在國汽車缸蓋生廠商已經(jīng)得到用戶認可，但國產(chǎn)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面還是有所差距。本公司產(chǎn)品在經(jīng)過一至五代液壓鑄造機的基礎(chǔ)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。專業(yè)資料2.2需求針對公司目前產(chǎn)品現(xiàn)狀，需完成采用電控設(shè)計的低壓鑄造機來實現(xiàn)鋁合金澆鑄的過程，達到降低生產(chǎn)成本，提高鑄件質(zhì)量和滿足生產(chǎn)安全，提高生產(chǎn)率，提升自動化程度的目的需求。三、硬件系統(tǒng)技術(shù)案設(shè)計低壓鑄造機原理是將熔融的金屬液加入密閉的保溫爐，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(jié)晶成形，再經(jīng)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(shè)計系統(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PLC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(shù)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(gòu)成閉合回路。主控通過工業(yè)以太網(wǎng)交換機與服務器/客戶端建立聯(lián)系，進行數(shù)據(jù)通訊。服務器 客戶端交換機 其他系統(tǒng)PLC開澆爐液合模型工注溫面模具腔操藝報人控加及冷液口控參警機制壓頂卻面溫面數(shù)系界系系出系檢度板采統(tǒng)面統(tǒng)統(tǒng)系統(tǒng)測控集制統(tǒng)智能低壓鑄造機圖1主系統(tǒng)搭建框圖上位機系統(tǒng)采用 B/S架構(gòu)，即瀏覽器和服務器結(jié)構(gòu)。它是隨著 Internet 技術(shù)的興起，對C/S結(jié)構(gòu)的一種變化或者改進的結(jié)構(gòu)。在這種結(jié)構(gòu)下，用戶工作界面是通過專業(yè)資料瀏覽器來實現(xiàn)，極少部分事務邏輯在前端(Browser)實現(xiàn)，但是主要事務邏輯在服務器端(Server)實現(xiàn)。B/S結(jié)構(gòu)最大的優(yōu)點就是可以在任地進行操作而不用安裝任專門的軟件。只要有一臺能上網(wǎng)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(wǎng)，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(wǎng)進行通信，這樣可以很便的和其它系統(tǒng)進行集成。本設(shè)計系統(tǒng)暫時不對上位機和遠程通訊進行設(shè)計，但在相關(guān)系統(tǒng)中預留相關(guān)接口，以備后續(xù)工作中需要使用。3.1.1案設(shè)計本案在10路子系統(tǒng)的基礎(chǔ)上搭建低壓鑄造機的實現(xiàn)過程，通過采集相關(guān)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(guān)算法的計算和數(shù)據(jù)分析處理后進行輸出，從而實現(xiàn)多路子系統(tǒng)同時可控，共同完成整體系統(tǒng)操作，實現(xiàn)鋁合金鑄造過程。風冷/水冷變頻電機開合模人機界面主型腔溫控儀控數(shù)據(jù)型腔制采澆口溫控儀集澆口器系統(tǒng)操作面板 PLC

保溫爐爐溫溫控儀液壓夾壓控報警系統(tǒng)圖2 系統(tǒng)流程圖專業(yè)資料3.1.2設(shè)計特點本設(shè)計在液壓鑄造的基礎(chǔ)上采用變頻器通過電機來控制合分模的過程，實現(xiàn)電力環(huán)節(jié)的節(jié)能環(huán)保；爐溫，型腔，澆口實現(xiàn)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(chǎn)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(chǎn)任務需求。3.2分系統(tǒng)設(shè)計分系統(tǒng)搭建主要由以下各個環(huán)節(jié)構(gòu)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(xiàn)，從而滿足系統(tǒng)穩(wěn)定可靠安全有效的運行。3.2.1PLC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(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、實時顯示系統(tǒng)、操作系統(tǒng)和數(shù)據(jù)輸出系統(tǒng)。除了實現(xiàn)對各個子系統(tǒng)進行監(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(shù)據(jù)處理和分析，然后將有關(guān)模擬量分別同步進行顯示和輸出；通過以太網(wǎng)交換機上傳至服務器，進行數(shù)據(jù)儲存和調(diào)用，在瀏覽器可以直接進行系統(tǒng)觀測和設(shè)定，直觀便的對系統(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)主要完成保溫爐溫度的檢測，通過硅碳棒輻射加熱，利用熱電偶采集，將爐溫度信號送入主控制器進行處理，同時在已經(jīng)設(shè)定的溫度值基礎(chǔ)上進行比較，通過誤差控制借助溫控儀和調(diào)功器來調(diào)整實時溫度，達到滿足系統(tǒng)溫度穩(wěn)定運行的要求。設(shè)定爐溫T 溫控儀 調(diào)功器 保溫爐溫度傳感器專業(yè)資料圖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)主要完成型腔溫度和位置的檢測，將型腔溫度信號送入主控制器，在已經(jīng)設(shè)定的溫度值基礎(chǔ)上進行比較，通過誤差控制借助電加熱棒或模溫機來調(diào)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。溫控儀/可控 電加熱棒/模設(shè)定溫度T 型腔硅 溫機溫度傳感器圖4 型腔溫度控制流程設(shè)定液面 壓控儀 型腔超聲波傳感器圖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(jié)晶，從而影響澆注質(zhì)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溫度的檢測，將澆口溫度信號送入主控制器，在已經(jīng)設(shè)定的溫度值基礎(chǔ)上進行比較，通過誤差控制借助溫控儀調(diào)節(jié)電加熱棒或硅碳棒來調(diào)整實時溫度，達到系統(tǒng)溫度運行的需求。專業(yè)資料設(shè)定溫度T溫控儀/可控電加熱棒/硅型腔硅碳棒溫度傳感器圖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(qū)動電機正反轉(zhuǎn)來實現(xiàn)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(diào)節(jié)，其控制過程主要在變頻器實現(xiàn)完成。速度/變頻器電機分合模臂行程（5路）反饋圖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(jīng)過濾減壓閥后達到穩(wěn)定值，實現(xiàn)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(xiàn)對位置的控制。本控制可集成于主控系統(tǒng)來實現(xiàn)。電動氣泵 /壓液位 液面夾縮機壓力傳感器圖8 液面夾壓力控制流程專業(yè)資料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(shè)定溫度值進行比較，當溫度值高于設(shè)定值則進行降溫，采用水冷或者風冷的式，當溫度值低于設(shè)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。溫控儀/可控 風冷/水冷設(shè)定溫度T 模具硅 電加熱棒溫度傳感器圖9冷卻控制流程3.2.8人機界面在設(shè)備工作現(xiàn)場設(shè)置人機界面，用于顯示設(shè)備工作狀態(tài)參數(shù)以及工藝參數(shù)。人機界面主要用于對工作模式的選擇（自動/手動），系統(tǒng)參數(shù)的獲?。▔簭?，溫度，電壓，電流等），并顯示相關(guān)參數(shù)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(xiàn)場適用于對設(shè)備進行調(diào)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)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(xiàn)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。專業(yè)資料四、軟件系統(tǒng)技術(shù)案設(shè)計在以上硬件系統(tǒng)架構(gòu)的基礎(chǔ)上，進行軟件系統(tǒng)設(shè)計。軟件部分主要包括以下部分：溫控軟件設(shè)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(shè)計，位置信號軟件設(shè)計，壓力控制系統(tǒng)軟件設(shè)計，人機界面和報警軟件設(shè)計。其中，溫控部分包括保溫爐溫度控制，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(shè)計；報警主要針對故障報警系統(tǒng)設(shè)計。本部分可外協(xié)完成，通過系統(tǒng)集成實現(xiàn)整機系統(tǒng)的安全運作。4.1溫控系統(tǒng)軟件設(shè)計溫控軟件設(shè)計主要包三大部分，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。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。專業(yè)資料系統(tǒng)初始化溫度初始化設(shè)定初始溫度溫度判定高低調(diào)節(jié)器--降低調(diào)節(jié)器--升高測溫圖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；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行加熱處理。注：此處調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)過程涉及到下節(jié)中介紹的功率調(diào)節(jié)，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)式單獨列成一節(jié)，功率調(diào)節(jié)不僅僅在溫度調(diào)節(jié)中使用，在電機控制環(huán)節(jié)也采用。4.2功率系統(tǒng)軟件設(shè)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(diào)節(jié)或頻率改變占空比等來調(diào)節(jié)輸出電流電壓功率值，此處也指單獨的電流調(diào)節(jié)或電壓調(diào)節(jié)。專業(yè)資料功率調(diào)節(jié)涉及到以下幾個環(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)過控制環(huán)節(jié)使得電加熱設(shè)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(diào)速過程，環(huán)為速度控制，外環(huán)為位置控制，通過調(diào)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(xiàn)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(diào)節(jié)。由于負載變化引起的功率變化可以實現(xiàn)節(jié)約電能的過程，實現(xiàn)功率因數(shù)最大化，達到控制負載，節(jié)約能量的效果。可以通過控制電機的正反轉(zhuǎn)實現(xiàn)分模和合模過程。+位置控制模塊 速度控制單元速度反饋電機 位置檢測測量與反饋圖11 系統(tǒng)控制流程圖專業(yè)資料開始系統(tǒng)初始化設(shè)定位置采集各狀態(tài)量位置到達？ YN選擇方向頻率調(diào)節(jié)速度調(diào)節(jié)位置調(diào)節(jié)N位置到達？Y停止圖12 系統(tǒng)程序流程圖變頻器部通過設(shè)定的頻率來調(diào)節(jié)電流和電壓值，根據(jù)輸出來控制電機的正反轉(zhuǎn)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(shè)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(shù)據(jù)處理后送入執(zhí)行結(jié)構(gòu)進行輸出，最終達到系統(tǒng)穩(wěn)定要求。專業(yè)資料初始位置設(shè)定位置 位置控制器 執(zhí)行機構(gòu) 測量器件測量并反饋圖12 系統(tǒng)流程圖開始初始位置設(shè)定位置到達N調(diào)節(jié)壓力N位置到達Y結(jié)束圖13 系統(tǒng)程序流程圖系統(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某位置，此時可以通過控制器發(fā)出指令或通過壓控相關(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)行機構(gòu)。4.4壓力系統(tǒng)軟件設(shè)計壓力系統(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(jié)晶在型腔，達到鑄造模型的要求，開環(huán)流程圖如下：專業(yè)資料開始初始壓力值液面檢測到位？N增大壓力N位置到達

YY結(jié)束圖14 系統(tǒng)程序流程圖4.5人機界面在設(shè)備工作現(xiàn)場設(shè)置人機界面，用于顯示設(shè)備工作狀態(tài)參數(shù)以及工藝參數(shù)。人機界面主要實現(xiàn)兩大功能，一是完成對工作式和模式的控制，二是對物理量采集后計算結(jié)果的輸出，包括數(shù)字量輸出和圖形輸出。此部分流程圖相對復雜，在此不作具體繪制。4.6報警系統(tǒng)報警主要是對設(shè)定值與實際值比較后的結(jié)果輸出進行處理，流程圖相對簡單，即輸出結(jié)果與設(shè)