消失模振動臺的電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)＊

原云峰

（山西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西長治 046011）

1 前言

消失模鑄造技術(shù)是將與鑄件尺寸形狀相似的發(fā)泡塑料模型粘結(jié)組合成模型簇，刷涂耐火涂層并烘干后，埋在干石英砂中振動造型，在一定條件下澆注液體金屬，使模型氣化并占據(jù)模型位置，凝固冷卻后形成所需鑄件的方法。與傳統(tǒng)的鑄造技術(shù)相比，消失模鑄造技術(shù)具有與無倫比的優(yōu)勢，因此被國內(nèi)外鑄造界譽(yù)為“二十一世紀(jì)的鑄造技術(shù)”和“鑄造工業(yè)的綠色革命”。

根據(jù)工藝特點(diǎn)，消失模鑄造可分為如下幾個部分：一是泡沫塑料模樣的成形加工及組裝部分，通常稱為白區(qū)；二是造型、澆注、清理及型砂處理部分，又稱為黑區(qū)；三是涂料的制備及模樣上涂料、烘干部分，也稱為黃區(qū)。消失模鑄造的關(guān)鍵技術(shù)包括制造泡沫模樣的材料及模具技術(shù)、涂料技術(shù)、多維振動緊實(shí)技術(shù)等。

2 振動臺

振實(shí)臺屬于黑區(qū)部分，是消失模鑄造中的關(guān)鍵設(shè)備，它能使砂子充滿模樣束內(nèi)外空間，并保證砂子達(dá)到足夠的緊實(shí)度而不會使模樣束變形。

振動臺在造型的過程中主要是起到對泡沫模型填充和緊實(shí)的作用，一方面要使型砂能充分填充到模型的型腔里，同時還要使填充的型砂緊實(shí)，具有非常好的剛性；最理想的效果就是，不但保證型腔能夠填充緊實(shí)，而且要保證模型的變形的尺度在產(chǎn)品技術(shù)要求允許的范圍之內(nèi)?，F(xiàn)在國內(nèi)使用的振動臺在生產(chǎn)一些型腔比較簡單或者比較厚大不容易變形的產(chǎn)品時，一般都能滿足要求，但是在生產(chǎn)壁厚較薄容易變形的以及有復(fù)雜型腔的產(chǎn)品時往往就會顯示出很大的不足；主要的原因是國內(nèi)現(xiàn)階段生產(chǎn)的振動臺在設(shè)計(jì)原理和加工精度上都存在著一些不足。

現(xiàn)在國內(nèi)使用的振動臺，大多都是仿照日本八十年代生產(chǎn)管件的振動臺而制作的。一般的結(jié)構(gòu)是，六臺三對振動電機(jī)，空氣彈簧舉升，四個氣缸上下卡緊，這種振動臺雖然號稱是三維振動臺，但是實(shí)際使用過程中只起到了一維的作用，因?yàn)闊o論同時使用幾對振動電機(jī)，它們最終都會有一個合力的方向；另外這種振動臺完全靠空氣彈簧自身的彈性模量來傳遞振動電機(jī)的激振力，因此往往會損耗掉很大的激振能量，在造型過程中型砂的懸浮能力差，很難對模型的型腔填充緊實(shí)，所以這類的振動臺只適合生產(chǎn)沒有復(fù)雜型腔對變形要求不嚴(yán)的管件類的產(chǎn)品，在生產(chǎn)汽車配件類的產(chǎn)品時往往會出現(xiàn)凹角部分和細(xì)小的流道或者橫向的型腔振不實(shí)，出現(xiàn)滲鐵的現(xiàn)象。針對這樣的現(xiàn)象，很多廠家采用在振不實(shí)的位置上涂抹樹脂砂來解決，但是這種方法一方面會增加成本，另一方面在上樹脂砂的部位出現(xiàn)鑄造缺陷的幾率會大大增加，嚴(yán)重影響產(chǎn)品的成品率。

3 電氣控制

電控系統(tǒng)是整套振實(shí)裝置的控制中樞與大腦，它將各分部系統(tǒng)以及雨淋加砂與振動緊實(shí)的工藝過程有機(jī)地聯(lián)成一體，形成一個填充與振動緊實(shí)的可控制的整體系統(tǒng)。

本文的電氣設(shè)計(jì)方案采用模塊化設(shè)計(jì)，它由四個子系統(tǒng)構(gòu)成：人機(jī)界面系統(tǒng)、PLC控制器、變頻器、振動電機(jī)。該人機(jī)界面選用性能穩(wěn)定、功能強(qiáng)大的WEINVIEW MT6056i人機(jī)。該人機(jī)采用400MHz RISC CPU，高品質(zhì)寬屏設(shè)計(jì)，采用LED背光模組，內(nèi)置電源隔離保護(hù)器，保證了在復(fù)雜環(huán)境下的穩(wěn)定性；即拔即插的USB2.0接口和PC的MiniUSB下載線提供高速下載和數(shù)據(jù)存儲，事件記錄和數(shù)據(jù)存儲空間高達(dá)128MB。通過在人機(jī)界面，可以顯示填充型砂與振動的重要參數(shù)如振動頻率、振動時間、加砂時間等操作參數(shù)，使得在更改鑄件模型時可以輕松調(diào)整相應(yīng)系統(tǒng)參數(shù)，非常方便。如圖1所示為人機(jī)界面系統(tǒng)界面。

控制中樞選用PLC，S7-200是一種小型的可編程序控制器，適用于各行各業(yè)，各種場合中的檢測、監(jiān)測及控制的自動化。S7-200系列的強(qiáng)大功能使其無論在獨(dú)立運(yùn)行中，還是相連成網(wǎng)絡(luò)均能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制功能，因此S7-200系列具有極高的性價比。

圖1 人機(jī)界面系統(tǒng)界面

雨淋加砂振動臺在工作中，加砂與振實(shí)的整個過程實(shí)行計(jì)算機(jī)控制。型砂的填充與振動緊實(shí)是一個復(fù)雜的工藝過程，沿砂箱高度，根據(jù)鑄件的形狀與內(nèi)部結(jié)構(gòu)分為多個工藝控制區(qū)，采用分層填充與振動緊實(shí)的方式，每個工藝控制區(qū)內(nèi)，分步調(diào)整振動時間、加砂速度、振動頻率及加砂時間，可分為10個或10個以上的區(qū)段，沿砂箱填充的高度，隨著砂箱填充高度的增加以及該部位鑄件模片充填緊實(shí)的要求，增加或減小激振力與振動頻率。根據(jù)不同產(chǎn)品的造型工藝要求，每箱鑄件的造型循環(huán)中可設(shè)置多達(dá)10個加砂段，分步調(diào)整振動時間、加砂速度、振動頻率及加砂時間，實(shí)行加砂量、振動頻率及振動時間等參數(shù)的全過程編程控制，從而找出該鑄件的最佳的緊實(shí)參數(shù)，并存儲于電腦中，作為該鑄件品種的造型程序，重復(fù)使用，最多可存儲20個鑄件品種的造型程序，再次使用時只需調(diào)出程序即可，程序化的指令可以再現(xiàn)其復(fù)雜的工藝過程與參數(shù)控制。

4 控制程序

為使操作工人實(shí)現(xiàn)雨淋加砂系統(tǒng)全自動、手動雙運(yùn)行，本振動臺電氣系統(tǒng)采用中斷控制系統(tǒng)，在人機(jī)界面設(shè)定自動／手動按鈕，當(dāng)工作人員點(diǎn)擊自動，系統(tǒng)便按照事先設(shè)定的程序和參數(shù)完成振動的全部過程，并自動進(jìn)入下一個階段；若在振動中發(fā)現(xiàn)有異?，F(xiàn)象，可迅速按下停止按鈕，并選擇手動按鍵，則雨淋加砂振動臺會在每一個過程完成后停下來等待下一指令的到來，只有工作人員按下下一步按鈕后，振動臺才會進(jìn)入下一階段工作過程。系統(tǒng)流程如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)流程圖

數(shù)據(jù)參數(shù)采用配方法，利用MT6056i的配方功能，將鑄件的各項(xiàng)參數(shù)存儲在CF卡，以方便下次使用時調(diào)出。

人機(jī)MT6056i的所謂配方是指將資料存在RW與RW_A地址上，讀寫這些地址的方式與讀寫一般word地址的方式并無不同，配方資料的特殊在于關(guān)機(jī)后這些數(shù)據(jù)將保存在機(jī)器上，重新開機(jī)后RW與RW_A地址上的數(shù)據(jù)將維持前一次記錄的內(nèi)容。RW與RW_A地址上的配方資料大小皆為64K words，操作人員可以利用CF卡或Ethernet更新配方資料，并利用這些資料更新PLC上的數(shù)據(jù)；也可以利用CF卡或Ethernet上傳配方數(shù)據(jù)至指定位置；此外，操作人員也可以將PLC上的數(shù)據(jù)保存在配方資料中。

5 結(jié)束語

振動臺是消失模鑄造的關(guān)鍵設(shè)備之一，它直接決定了鑄造模型的成功與否，電氣控制系統(tǒng)又是振動臺的控制中樞，本文設(shè)計(jì)的振動臺電氣系統(tǒng)以人機(jī)界面為操作面，PLC為控制核心，具有參數(shù)輸入、調(diào)試方便、操作可靠的優(yōu)點(diǎn)。實(shí)現(xiàn)了變頻、振動時間、振動階段、加砂時間的控制，且可以選擇自動、手動兩種工作方式，經(jīng)現(xiàn)場試驗(yàn)，滿足了消失模鑄造的生產(chǎn)工藝要求。如圖3所示為雨淋加砂振動臺樣機(jī)。

圖3 振動臺樣機(jī)

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