實(shí)時(shí)控制壓鑄機(jī)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)及應(yīng)用*

張新華，孔曉武

（1.廣東伊之密精密機(jī)械股份有限公司，廣東 順德 528306；2.浙江大學(xué)流體傳動(dòng)及控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310027）

1 壓鑄機(jī)控制系統(tǒng)的簡(jiǎn)介

壓鑄機(jī)控制系統(tǒng)從硬件構(gòu)成上分，目前主要有如下三種方案。

第一種配置是基于高性能PLC及觸摸屏的解決方案[1]。這是目前國(guó)內(nèi)普遍采用的壓鑄機(jī)開環(huán)控制系統(tǒng)。但由于PLC的采樣率低，不能精確檢測(cè)壓射過(guò)程的速度和增壓工藝數(shù)據(jù)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)大量數(shù)據(jù)的分析和處理（見圖1）。

第二種配置是工控機(jī)（PC機(jī)）及數(shù)據(jù)采集卡的通用解決方案[2-4]。工控機(jī)具有充足的存儲(chǔ)空間和強(qiáng)大的數(shù)據(jù)采集處理能力。但是工控機(jī)作為通用計(jì)算機(jī)器件，在Windows操作系統(tǒng)平臺(tái)上，由于引入多線程、動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)及ActiveX技術(shù)，其文件管理系統(tǒng)脆弱，系統(tǒng)易受病毒干擾，開發(fā)軟件與資源沖突等造成死機(jī)，使整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行效率和可靠性低，對(duì)隨機(jī)斷電比較敏感，啟動(dòng)速度太慢（見圖2）。

第三種配置是基于嵌入式技術(shù)開發(fā)的專用的壓鑄機(jī)壓射數(shù)據(jù)采集和分析模塊。這種方案的優(yōu)點(diǎn)是硬件的可靠性高，能適應(yīng)壓鑄工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)較為惡劣的工作環(huán)境?；贑語(yǔ)言編制的數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)和分析處理軟件能實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的功能（見圖3）。本文主要針對(duì)此種配置展開應(yīng)用研究。

圖1 開環(huán)配置

圖2 工控機(jī)&采集卡配置

圖3 嵌入式技術(shù)配置

2 嵌入式實(shí)時(shí)壓射控制的工作原理

嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，并軟硬件可裁剪，適用于應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。它一般由嵌入式處理器，外圍硬件設(shè)備，嵌入式操作系統(tǒng)以及用戶的應(yīng)用程序四個(gè)部分組成，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)其他設(shè)備的控制、監(jiān)視或管理等功能。

嵌入式控制器本身把具有實(shí)時(shí)閉環(huán)反饋的功能嵌入到整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)部，完成特定的控制要求。如圖3所示，壓射過(guò)程中，速度很快，時(shí)間很短，管路及壓射缸內(nèi)油流量變化非常大，其引起的沖量變化也很大，所以控制系統(tǒng)必須做到快響應(yīng)和實(shí)時(shí)。嵌入式實(shí)時(shí)控制器根據(jù)用戶設(shè)定的壓射速度，再根據(jù)反饋回來(lái)的信號(hào)，進(jìn)行綜合算法處理，控制高響應(yīng)大流量伺服閥系統(tǒng)的流量大小，使輸出實(shí)時(shí)達(dá)到參數(shù)設(shè)定輸入要求。

壓射系統(tǒng)電液原理如圖4所示。電液伺服閥②置于壓射缸⑦的出口。壓射缸入口采用邏輯插裝閥③和④，但不進(jìn)行節(jié)流控制。壓射缸活塞前后壓力傳感器⑨對(duì)壓力參數(shù)實(shí)時(shí)采集。采用高精度非接觸式的磁柵尺⑩對(duì)壓射位置進(jìn)行檢測(cè)。由于伺服閥頻響較高，嵌入式控制器可以在壓射過(guò)程中對(duì)壓射的速度實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)連續(xù)閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)任意壓射速度曲線的快速平穩(wěn)跟蹤。提高了壓射系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，使得壓射系統(tǒng)能夠滿足任意壓射工藝曲線的要求。

圖4 壓鑄工藝參數(shù)閉環(huán)調(diào)節(jié)的電液系統(tǒng)原理圖

3 技術(shù)特點(diǎn)和參數(shù)

嵌入式實(shí)時(shí)控制壓鑄機(jī)的技術(shù)特點(diǎn)：

（1）采用嵌入式微處理器實(shí)現(xiàn)的實(shí)時(shí)控制模塊對(duì)射料過(guò)程進(jìn)行高速數(shù)據(jù)采樣和實(shí)時(shí)閉環(huán)控制；

（2）整機(jī)控制由PLC與嵌入式實(shí)時(shí)控制單元共同完成，人機(jī)界面采用WCINCE嵌入式平臺(tái)；

（3）具備精確的曲線顯示、操作、測(cè)量、保存、查詢功能；

（4）具備壓射工藝參數(shù)的自動(dòng)識(shí)別、存儲(chǔ)、統(tǒng)計(jì)分析、超差和智能報(bào)警功能；

（5）具有10段慢速速度和位置的設(shè)定功能，各段速度采用線性差值平滑過(guò)渡；

（6）具有實(shí)時(shí)剎車功能，減少飛邊，提高模具壽命；

（7）超大的存儲(chǔ)空間和隨意的斷電保護(hù)功能；

（8）維修和裝配簡(jiǎn)單方便，不需要復(fù)雜的專業(yè)知識(shí)。

嵌入式實(shí)時(shí)控制壓鑄機(jī)的技術(shù)參數(shù)：

（1）慢速速度和位置分段數(shù)為10段；可以任意使用多段；

（2）最低壓射慢壓射速度≤0.05 m/s；

（3）最高快壓射速度≥8 m/s；

（4）增壓建壓時(shí)間≤15 ms（以機(jī)型不同有差別）；

（5）快壓射速度穩(wěn)態(tài)精度≤0.2 m/s；

（6）慢壓射速度到快壓射速度的轉(zhuǎn)換時(shí)間≤15 ms（以0.5 m/s～5 m/s范圍）；

（7）具有勻加速功能（可根據(jù)設(shè)定選擇是否使用）。

4 嵌入式實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

穩(wěn)定性和重復(fù)性（即降低鑄件的廢品率）——壓鑄機(jī)的先進(jìn)性主要體現(xiàn)在生產(chǎn)過(guò)程中的穩(wěn)定性和可再現(xiàn)性，即每次壓射盡可能接近預(yù)先設(shè)定的理想的壓射曲線。在壓鑄過(guò)程中存在很多變量影響壓鑄過(guò)程的穩(wěn)定性，如：在充型過(guò)程中，壓室中的金屬量、沖頭運(yùn)行時(shí)所受的阻力、模具溫度等對(duì)壓射的壓力和速度產(chǎn)生影響，而這兩方面又是影響充型條件最為重要的參數(shù)。人為因素所引起的變量(如儲(chǔ)能壓力、涂料的噴涂質(zhì)量、人為設(shè)定的參數(shù)、環(huán)境溫度對(duì)壓力的影響、電源電源的波動(dòng)等等)，也需要系統(tǒng)進(jìn)行修正[5]。

可靠性（即實(shí)現(xiàn)專家級(jí)生產(chǎn)）——實(shí)時(shí)控制機(jī)具有對(duì)整個(gè)壓射過(guò)程實(shí)施閉環(huán)控制，保證了外界和人為對(duì)壓射過(guò)程的影響；也就是說(shuō)同傳統(tǒng)的壓鑄機(jī)相比，實(shí)時(shí)控制機(jī)已不再是完全被動(dòng)地進(jìn)行控制，它能夠“主動(dòng)”地適應(yīng)外部條件的變化，對(duì)控制的參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)跟蹤和調(diào)整，保證了產(chǎn)品的可靠性，并大大降低了操作工的勞動(dòng)強(qiáng)度。

可視性和靈活性（即操作簡(jiǎn)單易學(xué)）——曲線顯示以及對(duì)曲線的功能性操作非常強(qiáng)大，具有通過(guò)曲線和特征值的兩種狀態(tài)下顯示，直接反映出機(jī)器的穩(wěn)定性和產(chǎn)品壓射數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，通過(guò)不同的形式可以反映出產(chǎn)品在生產(chǎn)過(guò)程中的變化和自動(dòng)修正，滿足自動(dòng)化生產(chǎn)的需求；參數(shù)的設(shè)定和操作直觀、方便，可以根據(jù)鑄件的需要，靈活地調(diào)節(jié)壓射過(guò)程。

對(duì)品質(zhì)的控制和生產(chǎn)的控制（即控制質(zhì)量提高效率）——針對(duì)10個(gè)或更多的特征值顯示，通過(guò)統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法，對(duì)產(chǎn)品壓射數(shù)據(jù)進(jìn)行概率分析，經(jīng)與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)（合格產(chǎn)品的工藝數(shù)據(jù)）進(jìn)行比較后，能夠判斷產(chǎn)品的品質(zhì)優(yōu)劣，進(jìn)而提高產(chǎn)品的可重復(fù)性，降低工件的廢品率。

對(duì)工藝參數(shù)的優(yōu)化（即提高競(jìng)爭(zhēng)力）——當(dāng)更多的產(chǎn)品被生產(chǎn)出來(lái)后，系統(tǒng)將記錄下越來(lái)越準(zhǔn)確的概率分布，特別是對(duì)10個(gè)特征值的概率分布圖，分析工藝參數(shù)的狀態(tài)，進(jìn)一步優(yōu)化工藝數(shù)據(jù)。

對(duì)模具和機(jī)器的壽命提高（延長(zhǎng)模具壽命）——采用實(shí)時(shí)控制后，由于外界因素對(duì)壓射過(guò)程的影響降到最低，所以對(duì)提高生產(chǎn)的效率有很大的提高；采用壓射后的減速功能，可以節(jié)省鋁液的消耗（減少了飛邊），降低能源的消耗；延長(zhǎng)模具的壽命；由于機(jī)器穩(wěn)定性的提高，可以提高機(jī)器的生產(chǎn)自動(dòng)化程度。

對(duì)產(chǎn)品的追溯性和及時(shí)調(diào)整（調(diào)整靈活）——采用大容量存儲(chǔ)卡保存射料過(guò)程的數(shù)據(jù)，可以對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量進(jìn)行追溯；通過(guò)對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的對(duì)比，及時(shí)發(fā)現(xiàn)工藝參數(shù)的偏離狀態(tài)而進(jìn)行調(diào)整，避免不合格產(chǎn)品大量產(chǎn)生。

5 實(shí)時(shí)控制曲線顯示與分析

簡(jiǎn)潔的壓射工藝設(shè)定畫面和清晰的曲線顯示畫面如圖5、圖6所示。

圖5 壓射設(shè)定畫面

圖6 曲線顯示畫面

曲線顯示畫面最多可以顯示6條以上的曲線，能夠滿足顯示、研究的需要，壓射列表中可以以數(shù)據(jù)形式顯示所有特征值。通過(guò)曲線可以觀察壓射過(guò)程是否正常、可以優(yōu)化工藝、合理快速設(shè)定工藝參數(shù)等。例如：增壓觸發(fā)的壓力或位置設(shè)定、剎車位置設(shè)定、慢速?zèng)_擊問(wèn)題的調(diào)整等。通過(guò)對(duì)壓力曲線的分析可以有效地判斷壓射條件是否合理以及壓鑄件的好壞。例如：入口壓力在快速開始如果下降過(guò)多則儲(chǔ)能壓力不合理、出口壓力在剎車時(shí)沒(méi)有變化則表明剎車效果不理想、等效壓力不正常則說(shuō)明壓力傳感器有問(wèn)題等。

6 智能在線品質(zhì)管控

智能在線品質(zhì)系統(tǒng)是在曲線顯示過(guò)程中采用統(tǒng)計(jì)概率學(xué)的概念，對(duì)檢測(cè)的數(shù)據(jù)通過(guò)與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)對(duì)比進(jìn)行判斷分析，從而確定出產(chǎn)品的缺陷，提醒給操作人員注意壓射參數(shù)的變化，及時(shí)調(diào)整避免擴(kuò)大范圍。設(shè)定畫面見圖7。

圖7 智能品管界面

偏差控制：原則：以標(biāo)準(zhǔn)值為基礎(chǔ)，輸入的數(shù)據(jù)為標(biāo)準(zhǔn)值的正負(fù)偏離大??；適用狀態(tài)：對(duì)批量小、工藝要求具有特殊性的產(chǎn)品能起到良好的效果。這種控制形式簡(jiǎn)單方便，比較容易理解。

注意事項(xiàng)：

一般的標(biāo)準(zhǔn)壓鑄機(jī)采用入油口控制，因此壓射過(guò)程的穩(wěn)定性較差。所以偏差控制數(shù)據(jù)設(shè)定時(shí)，一定要將偏差偏大設(shè)定，或者通過(guò)查閱“壓射列表”中的連續(xù)壓射數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)，分析6個(gè)特征值的偏差大致范圍。

如果是實(shí)時(shí)控制機(jī)，由于穩(wěn)定性較高，則可以將偏差設(shè)定的嚴(yán)格一些。

根據(jù)產(chǎn)品對(duì)質(zhì)量的要求進(jìn)行設(shè)定，例如：有些產(chǎn)品對(duì)某幾個(gè)特征值要求不是很高，則可以設(shè)定為0，不判斷或設(shè)定較大的偏差，從而減少報(bào)警。

適用狀態(tài)：對(duì)批量小、工藝要求具有特殊性的產(chǎn)品能起到良好的效果。這種控制形式簡(jiǎn)單方便，比較容易理解。

智能品管：原則：以本模具號(hào)記錄的數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ)，建立壓射數(shù)據(jù)的概率分布規(guī)律，輸入的數(shù)據(jù)為抽檢率（或報(bào)警率）。適用狀態(tài)：對(duì)批量大、生產(chǎn)周期長(zhǎng)，品質(zhì)管控嚴(yán)格等產(chǎn)品的生產(chǎn)方式比較常選用

注意事項(xiàng)：

一般標(biāo)準(zhǔn)壓鑄機(jī)不要采用此方法，主要原因是穩(wěn)定性不好，概率分布比較分散。

如果是實(shí)時(shí)控制機(jī)，由于穩(wěn)定性較高，則使用此方法比較好。

適用狀態(tài)：對(duì)批量大、生產(chǎn)周期長(zhǎng)，品質(zhì)管控嚴(yán)格等產(chǎn)品的生產(chǎn)方式比較常選用。

當(dāng)然，必須要清楚，智能品質(zhì)管制系統(tǒng)僅是產(chǎn)品品質(zhì)控制眾多環(huán)節(jié)中的關(guān)于工藝參數(shù)穩(wěn)定的一個(gè)平臺(tái)，只有采用全面的質(zhì)量管理才能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品達(dá)到優(yōu)秀品質(zhì)的目的。

7 結(jié)束語(yǔ)

實(shí)時(shí)控制壓射系統(tǒng)是由嵌入式控制器、電液伺服閥以及人機(jī)界面三部分為主體所組成的閉環(huán)電液控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)用于壓鑄機(jī)上反應(yīng)靈敏，穩(wěn)定性和可靠性很高，能提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品的一致性，降低廢品率，節(jié)約金屬消耗量，操作過(guò)程中不會(huì)受到人為條件的影響，有利于延長(zhǎng)模具壽命。但實(shí)時(shí)壓射控制系統(tǒng)中所采用的電液伺服閥，對(duì)液壓油的清潔度和粘度的要求較高，必須對(duì)液壓油的過(guò)濾定期維護(hù)檢查。

實(shí)時(shí)控制技術(shù)，迎合了客戶高品質(zhì)追求的同時(shí)考慮經(jīng)濟(jì)可靠的手段。先進(jìn)的技術(shù)必將為客戶帶來(lái)實(shí)實(shí)在在的效益，成為市場(chǎng)環(huán)境中的新的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

［1］彭繼慎，任寶棟.基于PLC和觸摸屏技術(shù)的壓鑄機(jī)控制系統(tǒng)研究［J］.特種鑄造及有色合金，2006，26（3）：154-155.

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