擠壓機(jī)的控制系統(tǒng)分析

賈杰

(南山集團(tuán)航材園擠壓廠,山東 龍口 265700)

擠壓機(jī)的控制系統(tǒng)分析

賈杰

(南山集團(tuán)航材園擠壓廠,山東 龍口 265700)

隨著制造業(yè)的快速發(fā)展,工業(yè)鋁型材已被廣泛的應(yīng)用到各個(gè)高新產(chǎn)業(yè),如航空、動(dòng)車、船舶等.金屬鋁型材的成型工藝方法主要包含擠壓、鍛造、壓延.根據(jù)擠壓的成型工藝,重點(diǎn)闡述擠壓機(jī)的控制系統(tǒng).該套控制系統(tǒng)結(jié)合了PLC、MES、上位機(jī)四大系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)工藝過程的在線智能化管理、可視化管理、過程控制、過程分析及產(chǎn)品的可追溯性.

擠壓機(jī);控制;自動(dòng)化

目前用于鋁型材擠壓的150MN正反向雙動(dòng)短行程擠壓機(jī),為國(guó)際鋁擠壓生產(chǎn)線噸位最大、技術(shù)最先進(jìn)的擠壓設(shè)備,并通過采用大量的編碼器、傳感器、接近開關(guān)、通訊等輔助元件控制擠壓機(jī)各部件的動(dòng)作,以達(dá)到控制精度準(zhǔn)確,實(shí)現(xiàn)等溫恒速擠壓,以確保擠壓的型材斷面尺寸、表面質(zhì)量、各項(xiàng)力學(xué)性能等均合格的型材.

1 擠壓機(jī)的基本組成

1.1 機(jī)械部分

機(jī)械包括框架前、后梁,壓余剪刀,移動(dòng)梁,擠壓桿,機(jī)械手,液壓側(cè)缸,擠壓筒,裝錠機(jī),推料器,交接臺(tái),壓余清理站等.

1.2 液壓部分

液壓包括液壓泵站、閥站(插裝閥、換向閥、單向閥、比例閥、節(jié)流閥、調(diào)速閥、溢流閥、穩(wěn)壓閥、截止閥)管路等.

1.3 電氣部分

電氣包括斷路器、接觸器、繼電器、接近開關(guān)、光電開關(guān)、傳感器、編碼器、變頻器、PLC控制模塊、伺服電機(jī)、通訊模塊等.

1.4 軟件部分

軟件包括西門子S7編程軟件、上位機(jī)軟件等.

2 擠壓工藝流程

擠壓工藝流程分為正向與反向擠壓.

正向擠壓:型材的流出方向與擠壓軸運(yùn)動(dòng)方向相同,特點(diǎn)是應(yīng)用廣泛,操作簡(jiǎn)單,生產(chǎn)靈活,截面跨度大但是摩擦力較大,對(duì)模具的磨損程度高.

反向擠壓:型材的流出方向與擠壓軸運(yùn)動(dòng)方向相反,特點(diǎn)是摩擦力小但是生產(chǎn)局限性較大,性能優(yōu)越.

以上兩種擠壓方式雖然不同,但是整個(gè)生產(chǎn)的工藝流程基本一致.(1)準(zhǔn)備工作:鋁棒、模具、擠壓筒等加熱到適宜的溫度,啟動(dòng)液壓站,校準(zhǔn)各部件的位置編碼器、將各部件歸初始位;(2)上模,將模具裝到擠壓機(jī)的模座上;(3)上棒,利用推料器已加熱的鋁棒送到裝錠機(jī)鉗口內(nèi);裝錠機(jī)將鋁棒送到擠壓筒與模具中間;移動(dòng)擠壓筒,將鋁棒放置到擠壓筒內(nèi);(4)擠壓桿進(jìn)行加壓,開始擠壓;(5)利用牽引機(jī)從出料口牽引帶料;(6)繼續(xù)擠壓至該支鋁棒擠壓完;(7)切壓余,后退擠壓筒,利用壓余剪刀剪掉鋁棒尾部的壓余;(8)利用壓余傳送裝置將壓余傳到壓余料斗;(9)完成一次擠壓工作,同時(shí)進(jìn)入下一次循環(huán).

3 擠壓機(jī)的控制系統(tǒng)

3.1 上位機(jī)系統(tǒng)

上位機(jī)指能夠直接發(fā)出相應(yīng)操控指令的人機(jī)界面計(jì)算機(jī),能夠設(shè)定各種參數(shù)、顯示各種動(dòng)作及信號(hào)的變化.包括擠壓溫度、擠壓速度、擠壓力、溫度、液位、各部件的動(dòng)作狀態(tài)及相關(guān)工藝參數(shù)的設(shè)定及報(bào)警故障顯示,既方便了我們操作,使我們能夠隨時(shí)掌握設(shè)備的動(dòng)作狀態(tài)及設(shè)備的故障報(bào)警信息,又便于我們能夠快速而準(zhǔn)確的排除故障,實(shí)現(xiàn)可視化操作及管理.

3.2 PLC控制系統(tǒng)

PLC可編程邏輯控制器,主要包含電源模塊、CPU模塊、輸入模塊、輸出模塊、通訊模塊等,通過編程軟件STEP7-V5.5編寫控制程序,當(dāng)擠壓機(jī)由正向擠壓切換為反向擠壓時(shí),只需選擇反向功能切換按鈕,即可激活并執(zhí)行反向控制程序,操作極為方便.

3.3 通訊系統(tǒng)

PLC控制系統(tǒng)與現(xiàn)場(chǎng)的傳感器、編碼器及上位機(jī)均是可以互相通訊交換數(shù)據(jù)信息的,整個(gè)擠壓生產(chǎn)線各設(shè)備之間也是通過通訊系統(tǒng)進(jìn)行信息數(shù)據(jù)的交換及傳遞,達(dá)到各設(shè)備之間動(dòng)作協(xié)調(diào)與配合,減少等待時(shí)間,提高生產(chǎn)效率.各設(shè)備之間的信息傳遞與交換均是通過以太網(wǎng)及Profibus-DP 等通訊方式實(shí)現(xiàn)的.

3.4 MES系統(tǒng)

MES制造執(zhí)行系統(tǒng),把物料需求計(jì)劃通過執(zhí)行系統(tǒng)同車間作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)聯(lián)系起來,主要負(fù)責(zé)車間的生產(chǎn)管理及調(diào)度執(zhí)行.并通過系統(tǒng)收集擠壓生產(chǎn)的相關(guān)數(shù)據(jù)(同時(shí)包括設(shè)備的運(yùn)行、點(diǎn)檢、巡檢、保養(yǎng)、檢修、易損備件等)并對(duì)該數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,既可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的可追溯性又可有效的做好設(shè)備保養(yǎng)、預(yù)防設(shè)備故障等.

4 擠壓工藝參數(shù)控制

4.1 擠壓速度的控制

擠壓機(jī)在進(jìn)行擠壓工藝的過程中,要求必須保持恒定的擠壓速度,如果擠壓速度不穩(wěn)定,那么擠出的型材表面必定會(huì)呈現(xiàn)波紋狀態(tài),造成表面光潔度差,且型材容易發(fā)生變形,造成斷面尺寸不合格等嚴(yán)重影響產(chǎn)品的質(zhì)量問題,因此控制擠壓速度的穩(wěn)定是擠壓工藝過程的關(guān)鍵因素之一.為了精確的控制擠壓速度,我們采用了閉環(huán)反饋的控制方式,即在上位機(jī)上手動(dòng)設(shè)定一擠壓速度值,然后通過模擬量轉(zhuǎn)換,經(jīng)液壓泵站的輸出流量傳遞形成擠壓運(yùn)動(dòng)速度,根據(jù)各傳感器等檢測(cè)并將其轉(zhuǎn)換為電壓或電流信號(hào),再將該信號(hào)與設(shè)定的速度模擬信號(hào)量進(jìn)行比較,然后根據(jù)這兩個(gè)信號(hào)量的差值經(jīng)放大器等處理器來進(jìn)行信號(hào)放大或轉(zhuǎn)換成電磁比例閥等能夠識(shí)別的電壓、電流信號(hào),這個(gè)可識(shí)別的信號(hào)反饋控制相應(yīng)的電磁閥、比例閥等以控制閥開比例及液壓泵站輸出的流量,從而達(dá)到控制速度穩(wěn)定的效果.

4.2 擠壓筒的加熱控制

型材的擠壓工藝采用的是熱擠壓方式,所以擠壓所用的鋁棒、模具、擠壓筒等都需要控制在一定的溫度范圍內(nèi),但是也不是溫度越高越好,因?yàn)闇囟仍礁?金屬的內(nèi)部組織晶粒生長(zhǎng)加快,焊縫組織粗大,影響焊縫質(zhì)量.由于不同的合金加熱的溫度有所不同,在此就不一一列舉,只重點(diǎn)說明一下擠壓筒的加熱及控制.鋁棒成型的工藝過程是鋁棒在擠壓筒內(nèi)承受三個(gè)方向的不均勻壓力,使其產(chǎn)生塑性變形,然后通過相應(yīng)的模具孔或縫隙而形成的截面積較小、長(zhǎng)度較長(zhǎng)的型材.在此過程中擠壓筒需要承受擠壓過程中的高溫、高壓、高摩擦作用.考慮到擠壓筒內(nèi)襯、中襯、外襯的膨脹系數(shù)不同,本套系統(tǒng)采用梯度多段式加熱,可以降低擠壓筒內(nèi)、中、外襯的溫度分布梯度,縮小之間膨脹差,從而有效地防止內(nèi)、中、外襯產(chǎn)生裂紋或脫出,進(jìn)而提高擠壓筒的使用壽命.

4.3 型材的等溫?cái)D壓控制

等溫?cái)D壓是指在整個(gè)擠壓工藝過程中,確保出料口的溫度始終保持恒定的狀態(tài).下面簡(jiǎn)述等溫?cái)D壓的特點(diǎn).(1)等溫?cái)D壓能夠使型材內(nèi)部組織保持穩(wěn)定的變形,良好的改善并提高材料塑性,從而形成復(fù)雜的斷面型材.(2)在等溫的條件下完成成型工作可以有效的保證型材的質(zhì)量.(3)在等溫的條件下擠壓可以使得鋁棒在受力的情況流過模具時(shí),保證模具的溫度基本一致,從而減少模具的磨損.

擠壓速度與擠壓溫度之間存在一定的關(guān)系,比如,提高擠壓速度必定會(huì)導(dǎo)致擠壓溫度的升高,擠壓溫度升高反過來直接影響鋁棒的受力變形速度,相當(dāng)于改變了擠壓速度.為了提高對(duì)擠壓溫度的控制,我們?cè)跀D壓成型的出料口增加了高精度的紅外測(cè)溫儀,實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)擠壓溫度,并將此溫度上傳給PLC控制系統(tǒng),PLC控制系統(tǒng)再將其與設(shè)定的擠壓溫度進(jìn)行比較.(1)如果比較的結(jié)果是當(dāng)前溫度在預(yù)設(shè)的擠壓溫度范圍內(nèi),那PLC繼續(xù)按照當(dāng)前的狀態(tài)控制主缸速度繼續(xù)擠壓.(2)如果當(dāng)前溫度低于預(yù)設(shè)的擠壓溫度,那PLC控制系統(tǒng)會(huì)慢慢的增加主缸的速度從而提高擠壓速度以達(dá)到溫度一致(3)如果當(dāng)前溫度高于預(yù)設(shè)的擠壓溫度,那PLC控制系統(tǒng)會(huì)逐漸的減少主缸的速度,進(jìn)而降低擠壓速度以達(dá)到溫度一致.

擠壓機(jī)最為完善的控制擠壓方式采用的是將擠壓筒的梯度加熱、在擠壓筒中通入冷卻介質(zhì)、恒速擠壓及等溫?cái)D壓4種方式結(jié)合起來,以實(shí)現(xiàn)整個(gè)擠壓過程的自動(dòng)控制.

5 擠壓模具的液氮冷卻系統(tǒng)

5.1 液氮冷卻的原理

為了更好的控制擠壓溫度,我們正在考慮增加擠壓模具液態(tài)氮冷卻系統(tǒng)進(jìn)行恒溫控制,同時(shí),氮?dú)鈱俣栊詺怏w,對(duì)擠壓的型材不會(huì)產(chǎn)生影響,且氮?dú)獾姆悬c(diǎn)溫度為-196℃,1kg液氮?dú)饣?196℃的氮?dú)鈺r(shí)會(huì)吸收198J的熱量,因此,在擠壓過程中通過液氮對(duì)擠壓模具溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)的控制,確保在恒速擠壓過程中的擠壓溫度保持恒定,從而真正的實(shí)現(xiàn)恒速等溫?cái)D壓,若采用該套冷卻系統(tǒng),就可以將擠壓速度進(jìn)一步提升,可有效的提高生產(chǎn)效率.

5.2 液氮冷卻的方法

液氮冷卻模具是在模套上增加冷卻通道,通過控制系統(tǒng)控制液氮通過冷卻通道噴射在模具工作帶上亦或是直接噴到模套、模墊上,吸收熱量,降低模具溫度,使模具溫度、型材出料口溫度保持在穩(wěn)定溫度范圍內(nèi),達(dá)到恒溫的目的;同時(shí),液氮?dú)饣?形成惰性保護(hù),可有效提高型材表面光潔度.

6 結(jié)語

擠壓工藝中最為關(guān)鍵的兩因素是擠壓速度與擠壓溫度.擠壓速度過高,金屬變形功增大,擠壓溫度就會(huì)升高,擠壓力降低,結(jié)果導(dǎo)致焊合力降低,直接影響產(chǎn)品的表面質(zhì)量及力學(xué)性能等.要做到真正意義上的恒溫等速擠壓就必須不斷的探索研究新思路,盡可能的準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)并控制相關(guān)的工藝參數(shù),同時(shí)加強(qiáng)優(yōu)化完善控制程序,爭(zhēng)取在控制方面取得進(jìn)一步突破.

[1]張君,楊合,何養(yǎng)民,韓炳濤,詹梅. 鋁及鋁合金型材等溫?cái)D壓關(guān)鍵技術(shù)研究進(jìn)展[J].重型機(jī)械 2003.

TG334.9

A

1671-0711(2017)11(下)-0127-02