低壓鑄造螺旋砂芯智能射芯機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計

張智敏， 李澤豪， 梁家健， 陳楚濱， 劉文周， 段海峰

（華南理工大學(xué) 廣州學(xué)院，廣州510800）

0 引言

圖1為新能源汽車電動機(jī)水冷機(jī)殼，圖2為其剖視圖，圖3為一個呈螺旋狀的冷卻水道，要想制造成這樣的螺旋狀冷卻水道，就需要制造出如圖4所示的螺旋砂芯，這樣的砂芯則需要由射芯機(jī)成型，而我們這里采用PLC控制，對現(xiàn)有的射芯機(jī)的控制系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，利用觸摸屏設(shè)計出更能夠適應(yīng)螺旋砂芯的智能控制系統(tǒng)的控制面板，從而完成螺旋砂芯的射芯工作，提高其生產(chǎn)效率。

圖1 電動機(jī)水冷機(jī)殼

圖2 電動機(jī)水冷機(jī)殼剖視圖

圖3 冷卻水道

圖4 冷卻水道螺旋砂芯

1 研究方法及硬件選型

1）本文的研究方法是根據(jù)螺旋砂芯射芯機(jī)射芯的工藝流程設(shè)計出新的控制面板，通過軟件GT Designers設(shè)計出射芯機(jī)的控制面板，然后再通過編程軟件將設(shè)計出的控制面板編入觸摸屏，然后再連接PLC進(jìn)行編程控制，設(shè)計出可以通過觸摸屏實(shí)現(xiàn)控制的控制系統(tǒng)面板。

2）PLC和觸摸屏的選型。本項目選用的PLC為三菱FX1N-40MR-001，型號為MITSUBI/三菱/FX1N-40MR-001，如圖5所示；選用的觸摸屏為三菱觸摸屏，其型號為GOT1000，如圖6所示。

圖5 三菱FX1N-40MR-001

圖6 三菱觸摸屏GOT1000

2 控制面板的基本設(shè)計

2.1 螺旋砂芯的模具芯盒結(jié)構(gòu)設(shè)計及工藝分析

射芯機(jī)是一種針對性比較強(qiáng)的設(shè)備，根據(jù)所需射芯的產(chǎn)品不同，所需的模具便需要重新設(shè)計，其工藝也會不同，從而其控制系統(tǒng)也將不同。本文要做的是新能源汽車水冷機(jī)殼精密低壓鑄造螺旋砂芯的射芯機(jī)的控制面板設(shè)計。而要完成這個目的，我們先從其模具和工藝流程開始分析。

控制系統(tǒng)的設(shè)計本身就是對加工工藝的控制的設(shè)計，所以，要想設(shè)計控制系統(tǒng)的控制面板，就必須要先分析透螺旋砂芯的射芯機(jī)的工藝流程，如圖8所示。

1）合模。當(dāng)前期準(zhǔn)備好后，便可以合模，即5個芯盒合在一起，形成螺旋砂芯的型腔。5個芯盒的配合精度要求較高，不然無法保證精度。

2）芯盒加熱。合模以后，5個芯盒便要開始加熱(芯盒選用的是電偶加熱，電偶的分布需要均勻，以保證加熱的均勻)，需要強(qiáng)調(diào)的是由于5個芯盒是獨(dú)立的，需要獨(dú)立加熱，所以5個芯盒必須分別裝上溫度傳感器，并連接PLC以及觸摸屏，從而實(shí)現(xiàn)控制，且由于5個芯盒加熱速度可能不一致，所以一定要等到所有芯盒都達(dá)到射芯溫度（210℃），才可以進(jìn)行下一步操作，即射砂。

圖7 螺旋砂芯模具開模簡圖

圖8 螺旋砂芯射芯機(jī)工藝流程

3）射砂。當(dāng)芯盒加熱到預(yù)定溫度，便可以射砂。

4）加熱保溫。當(dāng)射砂完成后，為了保證砂芯的均勻成型，一般需要保溫30～50 s，不過需要注意的是，由于砂芯成型本身需要消耗熱量，所以在保溫的過程中還要適當(dāng)?shù)募訜?，以保證砂芯的成型溫度。

5）開模取件。當(dāng)砂芯成型后，開模即可取出成型砂芯，當(dāng)砂芯取出后（需要時要清理一下模具），便可準(zhǔn)備下一次成型。

2.2 控制系統(tǒng)的控制面板設(shè)計

現(xiàn)有的射芯機(jī)的控制面板基本上都是通過控制按鈕來實(shí)現(xiàn)，如圖9所示。

圖9 常見射芯機(jī)控制面板圖

圖10 GT Designers設(shè)計的控制面板

由于射芯機(jī)的特殊性，幾乎每種產(chǎn)品的射芯機(jī)的控制系統(tǒng)都不一樣，往往射芯機(jī)的控制面板都會做得比較隨意，不夠清晰，所以，這次我們選用了觸摸屏式的控制系統(tǒng)，一方面可以設(shè)計出更加清晰明白的控制系統(tǒng)，另一方面更新?lián)Q代時可以利用觸摸屏重新設(shè)計控制系統(tǒng)，既降低了成本，又可以減少制造控制面板的時間。

圖10是我們根據(jù)螺旋砂芯的工藝，利用軟件GT Designers初步設(shè)計的控制面板：首先，面板中設(shè)定了5個溫度顯示屏，分別對應(yīng)于5個芯盒的內(nèi)部溫度（采用溫度傳感器測量），下面為溫度設(shè)定按鈕，通過觸摸屏上的加減符號可以調(diào)整各個芯盒要加熱到的溫度；另設(shè)計了保溫時間的設(shè)定按鈕，通過加減符號也可以設(shè)定保溫時間的長短。其次，我們給每個芯盒設(shè)定了單獨(dú)加熱的按鈕，便于有需要時對各個芯盒進(jìn)行加熱。下面還設(shè)定了全部加熱的按鈕，按下時可以同時對5個芯盒進(jìn)行加熱。

啟動和急停按鈕分別對應(yīng)于開始工作和暫停工作的功能，而合模、全部加熱、射砂、保溫和開模為射芯機(jī)的5個工藝動作，當(dāng)處于手動狀態(tài)時，可以依次按下按鈕進(jìn)行操作，當(dāng)按下自動按鈕時，可以完成單次的5個工藝動作射芯循環(huán)操作。

3 觸摸屏PLC程序?qū)懭?/h2>

根據(jù)GT Designers設(shè)計的控制面板，我們必須寫出相應(yīng)的PLC程序，進(jìn)而寫入觸摸屏內(nèi)，表1為PLC程序的端口定義I/O表格，圖11為其中部分程序。

手動工作方式：1）程序步0～16，實(shí)現(xiàn)4個芯盒合模功能。X0~X3分別控制前后左右芯盒（Y0~Y3）合模，它與開模功能互鎖(Y10~Y13)；2） 程 序 步16～28實(shí)現(xiàn)射砂機(jī)的射砂(Y4)功能。當(dāng)合模完成后，開始射砂，為了防止射砂時間過久而導(dǎo)致模具破損，通過程序限制，射砂時間不能超過5 s。PLC寫入觸摸屏的效果如圖12所示。

表1 PLC程序I/O端口表格

圖11 智能射芯機(jī)觸摸屏控制系統(tǒng)部分梯形圖

圖12 寫入后的觸摸屏射芯機(jī)控制面板

4 射芯機(jī)選用觸摸屏控制系統(tǒng)的優(yōu)勢

觸摸屏控制系統(tǒng)是一種適用性很強(qiáng)的系統(tǒng)，尤其是面向這種針對性比較強(qiáng)的一種產(chǎn)品、一種控制系統(tǒng)的射芯機(jī)等設(shè)備，其優(yōu)勢如下：1）應(yīng)用時可以根據(jù)具體產(chǎn)品的工藝需求進(jìn)行調(diào)節(jié)和調(diào)整，尤其是當(dāng)某項產(chǎn)品更新升級時，只需要修改觸摸屏的控制系統(tǒng)就好，既可以減少更新時間，也可以降低成本。2）當(dāng)需要更換新的產(chǎn)品時，可以清空觸摸屏，重新設(shè)計控制系統(tǒng)，重新寫入，接入新的設(shè)備，既減少了更換設(shè)備的時間也降低了更換設(shè)備的的成本。

5 結(jié)語

上面的觸摸屏面板就是我們根據(jù)新能源汽車水冷機(jī)殼精密低壓鑄造螺旋砂芯射芯的模具，以及工藝設(shè)計的智能射芯機(jī)使用的觸摸屏控制系統(tǒng)面板，希望可以對新能源汽車行業(yè)起到一定的推進(jìn)作用。