低压铸造机技术方案书Word格式.docx

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2.1技术现状

我国低压铸造机技术经过几十年研究与发展，在结构，原理，功能上基本接近进口机水平，在国内汽车缸盖生厂商已经得到用户认可，但国产机同进口机相比在外观、铸造工艺、机械精度、自动控制及算法等精细方面还是有所差距。

本公司产品在经过一至五代液压铸造机的基础上采用电控系统来完成铝合金模型的铸造过程，有待于进一步试验和使用验证。

2.2需求

针对公司目前产品现状，需完成采用电控设计的低压铸造机来实现铝合金浇铸的过程，达到降低生产成本，提高铸件质量和满足生产安全，提高生产率，提升自动化程度的目的需求。

三、硬件系统技术方案设计

低压铸造机原理是将熔融的金属液加入密闭的保温炉内，用液面加压系统给密封的保温炉充一定的干燥的压缩空气，使保温炉内的金属液通过升液管缓慢注入金属模型腔，在压力作用下结晶成形，再经过自动开模并取件，完成低压铸造工艺过程。

3.1整体系统设计

系统架构主要由数据采集处理系统和通信系统构成。

采集处理系统在主控系统采用PLC的基础上主要由以下几部分：

炉温控制系统，液面加压系统，开合模及顶出系统，模具冷却系统，型腔温度及液面检测系统，人机界面，操控面板，工艺参数采集系统和报警系统组成。

其中，型腔液面检测与液面加压系统共同构成闭合回路。

主控通过工业以太网交换机与服务器/客户端建立联系，进行数据通讯。

图1主系统搭建框图

上位机系统采用B/S架构，即浏览器和服务器结构。

它是随着Internet技术的兴起，对C/S结构的一种变化或者改进的结构。

在这种结构下，用户工作界面是通过WWW浏览器来实现，极少部分事务逻辑在前端（Browser）实现，但是主要事务逻辑在服务器端（Server）实现。

B/S结构最大的优点就是可以在任何地方进行操作而不用安装任何专门的软件。

只要有一台能上网的电脑就能使用，客户端零维护。

系统的扩展性非常容易，只要能上网，再由系统管理员分配一个用户名和密码，就可以使用了。

远程通信系统即PLC和服务器工作站之间的通讯采用工业以太网进行通信，这样可以很方便的和其它系统进行集成。

本设计系统暂时不对上位机和远程通讯进行设计，但在相关系统中预留相关接口，以备后续工作中需要使用。

3.1.1方案设计

本方案在10路子系统的基础上搭建低压铸造机的实现过程，通过采集相关的电压电流信号、温度和压力信号等输入主控器中，然后进行相关算法的计算和数据分析处理后进行输出，从而实现多路子系统同时可控，共同完成整体系统操作，实现铝合金铸造过程。

图2系统流程图

3.1.2设计特点

本设计在液压铸造的基础上采用变频器通过电机来控制合分模的过程，实现电力环节的节能环保；

炉温，型腔，浇口实现温度灵敏控制，通过主控器及时处理和反馈，达到精度控制的要求；

实时报警系统可以及时检测系统故障，保证生产安全有序进行；

上位机控制可以及时观测到系统整体运行状态，保证作业的顺利进行，并利于告警和故障信息的及时处理；

整机系统配合完整，达到生产任务需求。

3.2分系统设计

分系统搭建主要由以下各个环节构成，各个子系统的稳定运行保证了整体系统的功能实现，从而满足系统稳定可靠安全有效的运行。

3.2.1PLC主控系统

主控系统由几个小系统搭建完成，包括输入采集系统、数据处理系统、实时显示系统、操作系统和数据输出系统。

除了实现对各个子系统进行监控外，还需要采集设备工作状态的信息，故障信息以及生产工艺参数，以提供给服务器进行工艺分析及优化使用。

本系统主要完成模拟物理量的采集，将其送入控制器中，在控制器中进行数据处理和分析，然后将有关模拟量分别同步进行显示和输出；

通过以太网交换机上传至服务器，进行数据储存和调用，在浏览器可以直接进行系统观测和设定，直观方便的对系统进行全程监控和处理。

3.2.2炉温控制系统

本子系统主要完成保温炉内温度的检测，通过硅碳棒辐射加热，利用热电偶采集，将炉内温度信号送入主控制器进行处理，同时在已经设定的温度值基础上进行比较，通过误差控制借助温控仪和调功器来调整实时温度，达到满足系统温度稳定运行的要求。

图3炉温控制流程

3.2.3型腔温度及液面控制系统

本子系统主要完成型腔内温度和位置的检测，将型腔内温度信号送入主控制器，在已经设定的温度值基础上进行比较，通过误差控制借助电加热棒或模温机来调整实时温度，达到系统温度运行的需求；

同时使用超声波传感器来检测液面位置，使模具在压力值下保持位置稳定，通过压控仪器或主控系统来控制压力维持液面高度，以利于更好的铸模。

图4型腔温度控制流程

图5型腔液面控制流程

3.2.4浇口温度控制系统

为了防止铝液在浇注口温度过低结晶，从而影响浇注质量，需要对浇注口的温度进行检测并控制。

本子系统主要通过热电偶完成浇口内温度的检测，将浇口内温度信号送入主控制器，在已经设定的温度值基础上进行比较，通过误差控制借助温控仪调节电加热棒或硅碳棒来调整实时温度，达到系统温度运行的需求。

图6浇口控制流程

3.2.5变频合分模控制系统

本子系统主要完成对分合模臂的控制，通过变频器驱动电机正反转来实现分合木模臂的推进和送出，并通过频率的控制来进行速度和行程的调节，其控制过程主要在变频器内实现完成。

图7变频控制流程

3.2.6液面夹压力控制系统

本子系统主要完成对型腔内模具位置信号的检测，通过控制液面夹压力值来控制液体位置，气压源压力经过滤减压阀后达到稳定值，实现过程是将压力信号作为控制信号，位置信号为输出信号，通过闭环实现对位置的控制。

本控制可集成于主控系统内来实现。

图8液面夹压力控制流程

3.2.7模具冷却系统

本子系统主要完成采用热电偶采集后的模具温度控制，通过与设定温度值进行比较，当温度值高于设定值则进行降温，采用水冷或者风冷的方式，当温度值低于设定值时候，采用电加热棒进行加热，主要目的是在于降温，使模型迅速冷却。

图9冷却控制流程

3.2.8人机界面

在设备工作现场设置人机界面，用于显示设备工作状态参数以及工艺参数。

人机界面主要用于对工作模式的选择（自动/手动），系统参数的获取（压强，温度，电压，电流等），并显示相关参数趋势曲线，实时监测系统运行状态，为系统运行运行进行保障。

3.2.9操作面板

操作面板主要用来控制电源的通断，电机的启停，以及各个机械臂的推进和缩出，同时进行各个位置量的检测输出等，如电源指示，合分模到位信号等。

在现场适用于对设备进行调试以及人工操作。

3.2.10报警系统

本部分报警主要对各个子系统内温度、电压电流、压强等实时物理量超过阈值的及时报警，实现系统响应及时，处理故障有效的检测作用，保证系统在无误差的系统环境下安全可靠运行。

四、软件系统技术方案设计

在以上硬件系统架构的基础上，进行软件系统设计。

软件部分主要包括以下部分：

温控软件设计（主要包括炉温控制，型腔温度控制，浇口温度控制），功率（电压电流）软件设计，位置信号软件设计，压力控制系统软件设计，人机界面和报警软件设计。

其中，温控部分包括保温炉内温度控制，浇口温度控制，型腔温度控制；

功率（电压电流）控制主要针对电机控制；

压强控制主要指液面压力控制；

人机界面包括各显示和操作软件设计；

报警主要针对故障报警系统设计。

本部分可外协完成，通过系统集成实现整机系统的安全运作。

4.1温控系统软件设计

温控软件设计主要包三大部分，上述已经介绍，其基本控制原理相同，主要流程框图可参考同一设计。

主要系统检测量为实时温度值，本温度值通过温度传感器或热电偶取得。

图10温控程序流程图

炉温控制系统中，调节器主要是调功器和硅碳棒；

型腔温度控制系统中，主要指的是可控硅和电加热棒或模温机；

浇口温度也可采用可控硅和电加热棒；

此流程在模具冷却中也可能用到，如果模具温度低于设定值，也可能需要电加热器进行加热处理。

注：

此处调节器调节过程涉及到下节中介绍的功率调节，功率调节可视为其一部分流程控制，为便于理解，将功率调节方式单独列成一节，功率调节不仅仅在温度调节中使用，在电机控制环节也采用。

4.2功率系统软件设计

功率系统主要指的是对电流电压或功率的控制，通过移相调节或频率改变占空比等来调节输出电流电压功率值，此处也指单独的电流调节或电压调节。

功率调节涉及到以下几个环节：

炉温控制中调功器用以调节硅碳棒加热功率，型腔温度调节中通过控制环节使得电加热设备或模温机改变功率大小，浇口温度控制系统中电加热功率的大小，电机通过变频器控制合分模速度和位置。

本节主要介绍变频器控制电机进行合分模样过程。

变频器控制电机运行是一个串级调速过程，内环为速度控制，外环为位置控制，通过调节变频器的频率来改变占空比，从而输出电压或电流值，进而控制速度大小，实现位置到达的过程。

在此过程中由于电压电流发生变化引起功率变动，因而归于功率调节。

由于负载变化引起的功率变化可以实现节约电能的过程，实现功率因数最大化，达到控制负载，节约能量的效果。

可以通过控制电机的正反转实现分模和合模过程。

图11系统控制流程图

图12系统程序流程图

变频器内部通过设定的频率来调节电流和电压值，根据输出来控制电机的正反转以及速度和位置，在运行过程中不断的进行速度和位置校正，最终稳定停止。

4.3位置系统软件设计

位置控制系统主要通过测量装置完成对最终停止或动态变化量的取值，然后送入控制器进行数据处理后送入执行结构进行输出，最终达到系统稳定要求。

图12系统流程图

图13系统程序流程图

系统中执行结构包括型腔液面控制的执行器，当液面压力低于预定值时，需要通过加压使得铝液上升至型腔内某位置，此时可以通过控制器发出指令或通过压控相关器件发出指令，能够发出指令的控制单元构成执行机构。

4.4压力系统软件设计

压力系统与型腔液面构成闭环控制熊，单纯压力系统为开环控制，通过检测液面液位来增加或减少压力，使得铝液结晶在型腔内，达到铸造模型的要求，开环流程图如下：

图14系统程序流程图

4.5人机界面

在设备工作现场设置人机界面，用于显示设备工作状态参数以及工艺参数。

人机界面主要实现两大功能，一是完成对工作方式和模式的控制，二是对物理量采集后计算结果的输出，包括数字量输出和图形输出。

此部分流程图相对复杂，在此不作具体绘制。

4.6报警系统

报警主要是对设定值与实际值比较后的结果输出进行处理，流程图相对简单，即输出结果与设定结果比较，如果输出值大于设定值则报警系统启动，可以通过指示灯或报警器提示。

五、系统功能与应用

六、器件选型与安全

七、附录

7.1使用手册

7.2产品目录

7.3技术参数

7.4安装与调试