鋁活塞雙腔機(jī)械模的開合控制

蘭自志，王宗陽

(1.武夷學(xué)院電子工程系，福建南平 354300;2.華閩南配集團(tuán)股份有限公司，福建南平 353000)

鑄造鋁活塞用的雙腔機(jī)械模屬于金屬型下抽芯鑄造工藝，具有產(chǎn)品質(zhì)量好、鑄造廢品率低、機(jī)械化程度高的特點(diǎn)，雙腔機(jī)械模鑄件產(chǎn)品如圖1所示。自20世紀(jì)七八十年代以來，西方發(fā)達(dá)國家逐步實(shí)現(xiàn)了汽車零部件鑄造的自動(dòng)化，近二十多年微控制器和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展和在工業(yè)中的廣泛應(yīng)用，使得鋁活塞澆注機(jī) (即模具主機(jī))、微控制器、計(jì)算機(jī)有機(jī)完美地結(jié)合在一起?？删幊踢壿嬁刂破鳎喎QPLC，是一種適應(yīng)現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的新型控制器，它具有很高的可靠性和極大的應(yīng)用靈活性，在各行各業(yè)的控制領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。介紹了基于三菱PLC的雙腔機(jī)械模開合控制研究，并在FX Developer編程環(huán)境下設(shè)計(jì)和編寫SFC控制程序，最后用GX Simulator進(jìn)行了仿真，程序簡潔、正確，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。

圖1 雙腔機(jī)械模鑄件

1 鋁活塞雙腔機(jī)械?；窘Y(jié)構(gòu)

雙腔機(jī)械模一模雙腔，生產(chǎn)率較高，采用的是垂直分型，如圖2所示。

圖2 雙腔機(jī)械模結(jié)構(gòu)

模具通常由外膜 (左、右)、芯模 (5片模)、頂模、銷孔模、止口圈等主要部分組成。外模由對(duì)開的兩半模構(gòu)成，銷孔模固定在外模上，外模構(gòu)成了鑄件的外形，并且澆注系統(tǒng)也設(shè)置在外模上，開、合模時(shí)沿Y方向做直線運(yùn)動(dòng);頂模構(gòu)成了鑄件的頂部形狀，冒口設(shè)置于此，它需沿Z方向做直線運(yùn)動(dòng);芯模構(gòu)成了產(chǎn)品內(nèi)腔的形狀，如圖3所示，為了便于抽芯，通常芯模設(shè)計(jì)成由5瓣型芯組成的組合件，左、右邊芯需沿Y方向做直線運(yùn)動(dòng)，而中芯又由中心芯和前、后中邊芯構(gòu)成，這3瓣通過線切割割出的斜“T”型槽聯(lián)動(dòng)，抽取中心芯即可實(shí)現(xiàn)拔模，中心芯沿Z方向做直線運(yùn)動(dòng)。止口圈固定在設(shè)備的機(jī)身上。

圖3 芯模結(jié)構(gòu)

2 控制開合的液壓系統(tǒng)

鑒于該機(jī)械模的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，模具開合運(yùn)動(dòng)選用油缸直接驅(qū)動(dòng)最為方便。圖4為液壓控制系統(tǒng)原理圖，系統(tǒng)主要由電磁換向閥、油缸等組成。該液壓系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)外模Y方向的開、合，芯模中心芯Z方向的抽取和頂上，頂模Z方向的降、升。雙腔模的中心芯有兩個(gè)，通過設(shè)計(jì)連接件，用一個(gè)油缸同時(shí)驅(qū)動(dòng)。同理，頂模也只用一個(gè)油缸即可。此外由于頂模油缸行程較遠(yuǎn)，為縮小澆注機(jī)輔助時(shí)間，下降時(shí)需用快降，但由于頂模和外膜是一種間隙較小的配合，為防止出現(xiàn)飛邊，所以它們接近合模時(shí)需慢降，以利于定位機(jī)構(gòu)的自調(diào)整，用回油節(jié)流調(diào)速可實(shí)現(xiàn)快降—慢降的要求。

圖4 開合控制液壓系統(tǒng)原理圖

該液壓系統(tǒng)由按鈕、行程開關(guān)、定時(shí)器控制工步的轉(zhuǎn)換和油缸行程，列出的自動(dòng)循環(huán)電磁鐵動(dòng)作順序如表1所示，“+”表示電磁鐵得電，否則不得電。模具的開合控制如下:在完成模具的清理、噴涂、加濾網(wǎng)等工作后，按下自動(dòng)循環(huán)按鈕SB1開始合模，首先是芯模左右邊芯同時(shí)分開;然后中心芯向上插入，在斜“T”型槽的作用下，帶動(dòng)前、后中邊芯上移并撐開，完成芯模拼合;再使左右外模同時(shí)合攏;最后頂模蓋下，并在合模前慢降，直至合模完畢。需要注意的是為保證合模力，得電的電磁閥不能失電。澆注完成后，按下SB3才能開始對(duì)凝固、冷卻計(jì)時(shí)，用PLC的定時(shí)器T可方便實(shí)現(xiàn)計(jì)時(shí)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)計(jì)時(shí)時(shí)間預(yù)設(shè)為1 min。計(jì)時(shí)時(shí)間到則自動(dòng)開模，開模時(shí)正好相反，頂模先上行，接著外模打開，中心芯下行抽出，左右邊芯合攏，開模完畢。活塞毛坯由人工取出。另外，為防止油缸撞擊缸底、減少噪聲，開模時(shí)所有液壓缸要按順序依次切換到中位，即電磁閥全部失電。

表1 自動(dòng)循環(huán)電磁鐵動(dòng)作順序表

3 PLC電氣控制系統(tǒng)

3.1 硬件連接電路

雙腔機(jī)械模的主機(jī)應(yīng)具有“手動(dòng)”調(diào)整和自動(dòng)“循環(huán)”兩種工作模式?！笆謩?dòng)”可以完成設(shè)備的各種調(diào)整工作，如更換工裝、模具，或遇故障停機(jī)后，能夠“手動(dòng)”調(diào)節(jié)設(shè)備的位置。根據(jù)自動(dòng)循環(huán)控制、手動(dòng)控制的要求，并考慮到系統(tǒng)其他功能的擴(kuò)展，例如:溫控系統(tǒng)、自動(dòng)澆注系統(tǒng)等，決定采用三菱FX2N-64MR-001，輸入輸出點(diǎn)各為32個(gè)，繼電器輸出型。該系列PLC工作穩(wěn)定，指令較多，有利于擴(kuò)展，硬件連接如圖5所示。

圖5 PLC硬件連接圖

需要說明的是，為了保護(hù)PLC，輸出點(diǎn)Y一般不能直接去驅(qū)動(dòng)電磁閥的線圈，而應(yīng)該通過驅(qū)動(dòng)中間繼電器來控制電磁閥的線圈。輸入回路所需的電源功率較小，且需要它有較高的穩(wěn)壓性能，故可直接連接。此外，空氣開關(guān)、熱繼電器等保護(hù)措施也是必須的。

3.2 SFC程序設(shè)計(jì)與仿真

在工業(yè)生產(chǎn)過程控制中，順序控制是常用的控制方法。所謂順序控制，是指按照預(yù)先規(guī)定的生產(chǎn)工藝順序，在各個(gè)轉(zhuǎn)移控制信號(hào)的作用下，根據(jù)內(nèi)部狀態(tài)和時(shí)間順序，各個(gè)被控執(zhí)行機(jī)構(gòu)自動(dòng)有序地進(jìn)行操作。一般編寫順序控制的方法是先要設(shè)計(jì)出程序流程圖，然后編寫梯形圖程序。用傳統(tǒng)梯形圖編程以實(shí)現(xiàn)順序控制的方法有:(1)使用啟—?！ｋ娐返脑O(shè)計(jì)方法;(2)使用置位/復(fù)位的設(shè)計(jì)方法;(3)使用STL/RET(步進(jìn)指令)的設(shè)計(jì)方法。但在編寫傳統(tǒng)梯形圖時(shí)，往往因?yàn)樵g復(fù)雜的自鎖和互鎖關(guān)系，使編程變得很困難。

為此，三菱公司開發(fā)了一種專用的“步進(jìn)梯形圖”語言，稱為順序功能圖 (SFC)，又稱為狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖，它主要由步、驅(qū)動(dòng)、轉(zhuǎn)移等部分組成，SFC集成在GX Developer編程軟件中。這種“圖”語言與程序流程圖很相似，區(qū)別在于程序流程圖并不是程序，而SFC實(shí)質(zhì)上是一種基于程序流程圖的模塊化編程方法，在設(shè)計(jì)好程序流程圖后，只要編寫初始步的激活、每步要驅(qū)動(dòng)的負(fù)載、當(dāng)前步向下一步轉(zhuǎn)換條件即可，編寫好的SFC程序經(jīng)過變換可直接給PLC運(yùn)行。SFC有單一序列、選擇序列、并行序列、循環(huán)序列以及復(fù)合序列的結(jié)構(gòu)形式，可方便編寫各種順序控制程序。但需要強(qiáng)調(diào)的是:SFC是程序，除了循環(huán)序列，程序只能從上向下運(yùn)行，SFC不僅結(jié)構(gòu)上有要求，而且編寫時(shí)還應(yīng)考慮電路間的關(guān)系。

鋁活塞雙腔機(jī)械模開合控制系統(tǒng)就是一種典型的順序控制。編寫好的SFC程序如圖6所示，程序主要是采用選擇序列的結(jié)構(gòu)形式，限于篇幅的關(guān)系只給出了部分程序。

圖6 SFC程序 (部分)

程序設(shè)計(jì)要點(diǎn):

(1)初始步激活。PLC上電運(yùn)行的第一個(gè)掃描周期先要把各電磁閥清零、狀態(tài)寄存器清零 (因?yàn)槟承顟B(tài)寄存器具有記憶功能)，這是為了安全考慮。

(2)控制結(jié)構(gòu)采用的是選擇序列，但因?yàn)镾FC的結(jié)構(gòu)要求，分支不能超過8條，而該控制系統(tǒng)手動(dòng)操作又多，所以程序使用了“虛擬步”，該步不做任何驅(qū)動(dòng)，只是為了滿足SFC結(jié)構(gòu)要求。如步4、5、8，“?”表示該步?jīng)]有做驅(qū)動(dòng)。

(3)手動(dòng)是點(diǎn)動(dòng)，設(shè)計(jì)方法是采用PLC同一輸入觸點(diǎn)的常開和常閉這兩個(gè)條件，即按下相應(yīng)按鈕點(diǎn)動(dòng)，松開則點(diǎn)動(dòng)結(jié)束，并跳至點(diǎn)動(dòng)開始步3，為下一次點(diǎn)動(dòng)做準(zhǔn)備。還需要注意點(diǎn)動(dòng)輸出必須用線圈的形式輸出，不能用置位指令，否則點(diǎn)動(dòng)無效。

(4)自動(dòng)循環(huán)過程中，如遇故障等事件，按下急停按鈕SB2(與手動(dòng)復(fù)用)則跳至手動(dòng)開始步3，等待操作者執(zhí)行手動(dòng)調(diào)整，如不需手動(dòng)，按下自動(dòng)循環(huán)按鈕 (SB1)則重新開始自動(dòng)運(yùn)行，即點(diǎn)動(dòng)部分還必須設(shè)計(jì)跳出點(diǎn)動(dòng)的分支。

(5)自動(dòng)循環(huán)時(shí)為了防止電磁閥得失電的錯(cuò)誤，先對(duì)輸出編碼，如表1所示，Y觸點(diǎn)用MOV指令輸出，可使在步轉(zhuǎn)移前保持，步轉(zhuǎn)移后實(shí)時(shí)更新，如:MOV H1 K3Y000。而如果用OUT指令，即Y觸點(diǎn)用線圈的輸出方式，則在步轉(zhuǎn)移后，STL觸點(diǎn)斷開，Y線圈失電，即輸出不能保持，這將使電磁閥失電回到中位，由于電磁閥的泄漏，處于中位將不能保證必要的合模力。

3.3 程序仿真運(yùn)行

在編程環(huán)境下啟動(dòng)GX Simulator對(duì)程序進(jìn)行運(yùn)行仿真。對(duì)照表1列出的各步輸入控制信號(hào)，找出與其連接的X觸點(diǎn)，在軟元件窗口中，根據(jù)控制順序一步一步的按下輸入觸點(diǎn)X(模擬按鈕、行程開關(guān)的閉合)，測試程序，并觀察各步輸出觸點(diǎn)Y的得失電。圖7所示為測試自動(dòng)循環(huán)到頂模慢降這一步，灰色標(biāo)記表示輸入X按下，輸出Y接通。該程序完整地、準(zhǔn)確地通過了測試。

圖7 SFC程序測試

4 結(jié)束語

鋁活塞雙腔機(jī)械模采用液壓驅(qū)動(dòng)、可編程序控制器作為電磁閥的主控單元，控制模具的開合動(dòng)作，使控制系統(tǒng)的可靠性大大提高，電氣部分調(diào)整簡單、維護(hù)方便，且SFC程序設(shè)計(jì)邏輯清晰、高效。程序通過仿真測試，實(shí)現(xiàn)了模具開合的自動(dòng)循環(huán)和手動(dòng)控制，滿足控制要求，PLC觸點(diǎn)使用較少，并有利于澆注機(jī)其他功能的擴(kuò)展，有很高的應(yīng)用推廣價(jià)值。

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