劉 睿， 黎志勇， 楊 斌

(廣東理工學(xué)院 工業(yè)自動(dòng)化系， 廣東 肇慶 526114)

基于PLC的熔模鑄造模樣成型控制研究*

劉 睿， 黎志勇， 楊 斌

(廣東理工學(xué)院 工業(yè)自動(dòng)化系， 廣東 肇慶 526114)

在分析消失模鑄造模樣成型工藝過(guò)程的基礎(chǔ)上， 重點(diǎn)討論了共聚物珠粒經(jīng)預(yù)發(fā)泡后的模樣成型過(guò)程， 配置了熔模模樣成型機(jī)控制系統(tǒng)的硬件組成. 系統(tǒng)以西門(mén)子S7-200PLC為控制核心， TD200文本顯示器為參數(shù)設(shè)置工具， 該控制系統(tǒng)在軟件設(shè)計(jì)時(shí)， 將模具型腔射料、 蒸汽加熱二次發(fā)泡、 噴水冷卻、 負(fù)壓干燥等成型工藝過(guò)程結(jié)合起來(lái)， 使消失模樣成型過(guò)程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化， 同時(shí)可以進(jìn)行手動(dòng)單工序操作. 最后對(duì)成型階段中模具型腔溫度過(guò)熱導(dǎo)致模樣密度和強(qiáng)度過(guò)低的情況進(jìn)行了分析討論， 提出了雙電磁閥互補(bǔ)調(diào)節(jié)的溫度閉環(huán)控制. 結(jié)果表明， 基于PLC的熔模鑄造模樣成型控制系統(tǒng)在熔模造型實(shí)踐中是有效的， 優(yōu)化了熔模鑄造模樣， 提升了成品率.

熔模鑄造； 泡沫模樣； 成型控制； PLC； 閉環(huán)控制

0 引 言

熔模鑄造又稱消失模鑄造， 是將聚合物泡沫做成與鑄件相同的模樣預(yù)埋在砂型中， 高溫金屬液澆鑄時(shí)泡沫氣化， 金屬冷凝后經(jīng)脫殼、 清理等一系列處理后而得到鑄件的方法. 消失模鑄造作為一種新型先進(jìn)的鑄造工藝， 與傳統(tǒng)鑄造方法相比， 該方法能夠鑄造出復(fù)雜的零件， 在一定程度上提高了鑄件精度， 被廣泛應(yīng)用于鑄造生產(chǎn)過(guò)程中， 并取得了較大的經(jīng)濟(jì)效益[1-3]. 但消失模鑄造工藝復(fù)雜， 仍存在鑄件質(zhì)量不穩(wěn)定， 成品率不高， 批量生產(chǎn)能力及生產(chǎn)效率低等缺陷. 為了保證消失模鑄造的生產(chǎn)效率和鑄件品質(zhì)， 本文針對(duì)熔模模樣成型工藝， 提出了雙電磁閥互補(bǔ)調(diào)節(jié)溫度閉環(huán)控制的模樣成型機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì). 首先對(duì)消失模鑄造工藝進(jìn)行分析， 重點(diǎn)討論了共聚物珠粒經(jīng)預(yù)發(fā)泡后的模樣成型過(guò)程， 提出了該控制系統(tǒng)的軟硬件配置， 并通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)證明該系統(tǒng)在保證鑄件質(zhì)量的前提下， 成功實(shí)現(xiàn)了成型過(guò)程自動(dòng)化， 克服了生產(chǎn)效率低、 成品率不高的問(wèn)題.

1 模樣成型工藝分析

由于鑄件是熔模模樣的替代品， 除了砂型造型和澆鑄方面的原因， 熔模模樣的尺寸形狀和表面光潔度很大程度上決定了鑄件的最終質(zhì)量， 而預(yù)發(fā)泡是制模的重要基礎(chǔ)環(huán)節(jié)， 良好的預(yù)發(fā)泡工藝能獲得合格的消失模模樣和鑄件[4-5]. 目前國(guó)內(nèi)鑄造行業(yè)采用最廣泛的預(yù)發(fā)泡方法是真空預(yù)發(fā)泡. 聚合物獲得可成型的低密度的預(yù)發(fā)共聚物珠粒后， 經(jīng)成型機(jī)射料制模、 粘接澆冒口、 涂耐火材料等工序便得到可用于消失模鑄造的熔模模樣. 如圖 1 所示為從蒸汽預(yù)發(fā)泡到成型機(jī)制模、 涂裝的完整工藝過(guò)程.

圖 1 真空預(yù)發(fā)泡的工藝過(guò)程Fig.1 Vacuum pre foaming process

預(yù)發(fā)泡環(huán)節(jié)是制模的基礎(chǔ)， 而模樣成型是制模的決定性環(huán)節(jié)， 除了成型模具自身精度外， 模樣成型機(jī)的機(jī)械性能和控制精度對(duì)最終的成型模樣質(zhì)量也有重要影響. 在熔失熔模時(shí)， 模樣會(huì)受到體積逐漸增大的熔融模料的壓力； 在焙燒和澆注時(shí)， 模樣各部分會(huì)產(chǎn)生相互牽制而又不均勻的膨脹和收縮， 因此， 金屬還可能與型殼材料發(fā)生高溫化學(xué)反應(yīng)[6-7]. 這就要求模樣要具有較小的膨脹率和收縮率、 較高的機(jī)械強(qiáng)度和抗熱震性、 好的高溫穩(wěn)定性以及一定的透氣性等性能， 這些性能都與模樣制造的工藝密切相關(guān). 為實(shí)現(xiàn)消失模樣成型過(guò)程自動(dòng)化， 可以同時(shí)進(jìn)行手動(dòng)單工序操作， 現(xiàn)將根據(jù)成型工藝中對(duì)溫度、 時(shí)間的一般要求， 對(duì)本文提出的智能控制系統(tǒng)的控制原理進(jìn)行分析.

2 模樣成型機(jī)控制系統(tǒng)原理

模樣成型機(jī)結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單， 主要由成型機(jī)本體、 模具、 射料管路、 蒸汽管路、 壓縮空氣管路、 冷卻水管路、 油霧器、 真空泵、 真空罐以及各種電磁控制閥組成. 為了便于根據(jù)工藝要求進(jìn)行準(zhǔn)確控制， 該系統(tǒng)對(duì)各組成部分參數(shù)實(shí)時(shí)采集. 射料時(shí)真空泵動(dòng)作使模具型腔內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓， 便于聚合物珠粒在復(fù)雜鑄件模具型腔的填充. 填充完畢后， 蒸汽管路電磁閥打開(kāi)， 對(duì)填充的珠粒進(jìn)行二次發(fā)泡融合， 形成密度較高的模樣， 在此過(guò)程中， 電磁換線閥控制蒸汽氣流的方向和時(shí)間， 保證珠粒得到有效融合. 融合完成后， 冷卻水管路電磁閥動(dòng)作， 使模具的上下兩個(gè)模具分別噴水， 降低融合珠粒的內(nèi)應(yīng)力， 防止共聚物珠粒的繼續(xù)膨脹和模樣過(guò)熱變形[6]. 負(fù)壓脫水干燥階段是使泡沫模樣在模具中迅速干燥定型以提高模樣強(qiáng)度， 同時(shí)對(duì)模具進(jìn)行水冷卻， 保證模具循環(huán)使用. 模樣經(jīng)充分干燥后， 模具打開(kāi)， 在壓縮空氣和冷卻水的共同作用下完成脫模動(dòng)作. 各管路系統(tǒng)與電磁閥連接情況如圖 2 所示. 電磁閥通電后，A、B、C等氣控閥閥芯打開(kāi)， 使得蒸汽或壓縮空氣按設(shè)定時(shí)序進(jìn)入模具型腔， 順序控制射料填充、 二次發(fā)泡、 模具成型、 冷卻脫模等模樣成型的各個(gè)階段.

圖 2 各管路系統(tǒng)與電磁閥連接示意圖Fig.2 Schematic diagram of each piping system and solenoid valve

3 模樣成型機(jī)控制系統(tǒng)硬件

通過(guò)梳理模樣成型的各個(gè)階段動(dòng)作， 可以得出各電磁閥的動(dòng)作時(shí)序圖， 用以指導(dǎo)控制系統(tǒng)硬件的選型和軟件的設(shè)計(jì). 由于控制系統(tǒng)較為簡(jiǎn)單， 選用西門(mén)子S7-200系列PLC作為系統(tǒng)控制器， 由I/O點(diǎn)數(shù)選型， 具體型號(hào)為CPU222+EM221+EM222的主CPU增加兩個(gè)擴(kuò)展模塊的形式， 人機(jī)界面選用西門(mén)子TD200文本顯示器， 主要針對(duì)不同模具制模的程序選擇切換， 選用力士樂(lè)電磁閥和費(fèi)斯托真空泵和氣動(dòng)閥產(chǎn)品. 該控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的總體架構(gòu)如圖 3 所示.

圖 3 控制系統(tǒng)硬件架構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of control system

圖 3 中TD200為觸摸液晶屏， 可用于工藝參數(shù)的設(shè)定及實(shí)時(shí)溫度及壓力的顯示； 溫度及壓力采集模塊可對(duì)工作過(guò)程中模具型腔中聚合物的溫度及壓力進(jìn)行采集， 將采集的信號(hào)送于S7-200中進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換， 然后進(jìn)行PID運(yùn)算得出控制量； 主控器再根據(jù)控制量對(duì)晶閘管的導(dǎo)通角進(jìn)行調(diào)節(jié)， 從而控制蒸汽管電磁閥和冷卻水電磁閥的閥門(mén)開(kāi)度.

4 控制系統(tǒng)軟件編程

模樣成型機(jī)控制方式主要有自動(dòng)成型和手動(dòng)成型兩種， 自動(dòng)成型程序中的定時(shí)器時(shí)間參數(shù)是在現(xiàn)場(chǎng)工藝實(shí)踐中得來(lái)的， 對(duì)于不同的模型， 射料時(shí)間、 加熱時(shí)間等都不相同. 手動(dòng)模式下， 成型機(jī)各個(gè)階段動(dòng)作都由操作者手動(dòng)按鈕完成， 主要用于新產(chǎn)品試制和工藝試驗(yàn)等， 大批量生產(chǎn)時(shí)則選用自動(dòng)成型模式， 每個(gè)循環(huán)開(kāi)始的合模命令是由操作者腳踩踏板按鈕發(fā)出啟動(dòng)信號(hào)， 既提高了效率又很好地保證了生產(chǎn)節(jié)奏. 控制系統(tǒng)流程圖如圖 4 所示.

圖 4 模樣成型程序設(shè)計(jì)流程圖Fig.4 Flow chart of the process design

在自動(dòng)模式下， 可以通過(guò)文本顯示設(shè)備TD200對(duì)各個(gè)子程序中的時(shí)間參數(shù)進(jìn)行設(shè)置和更改， 選擇程序完成后， CPU自動(dòng)初始化程序清除所有中間變量至初設(shè)值， 并對(duì)成型過(guò)程各階段進(jìn)行復(fù)位[8-9]. 時(shí)間設(shè)定程序和初始化程序如圖 5 所示.

圖 5 時(shí)間設(shè)定程序和初始化程序Fig.5 Time setting program and initialization program

在制模過(guò)程中對(duì)模具型腔中的融合共聚物進(jìn)行蒸汽加熱和噴水冷卻階段， 為了更好地控制模樣成型后的密度和質(zhì)量， PLC程序中采用基于模具溫度的PID閉環(huán)控制對(duì)模樣成型機(jī)二次發(fā)泡融合階段和冷卻階段進(jìn)行精確控制， 間接防止共聚物珠粒過(guò)大膨脹導(dǎo)致模樣密度和強(qiáng)度過(guò)低以及模樣的過(guò)熱變形. 所以溫度控制的精確程度是影響模樣及鑄件質(zhì)量的關(guān)鍵因素， 因而軟件設(shè)計(jì)的核心環(huán)節(jié)就是改進(jìn)PID算法. PID控制為線性控制， 其輸出量為對(duì)設(shè)定值與輸入信號(hào)之差c(t)進(jìn)行計(jì)算得出的. 如式(1)所示，s(t)為設(shè)定值，i(t)為輸入信號(hào)[10],

則輸出量u(t)計(jì)算如式(2)所示：

根據(jù)數(shù)字量的計(jì)算需求， 式(2)可演變成數(shù)字PID算法， 即

Δu(t)=KP[c(t)-c(t-1)]+KIc(t)+

式中：KP為比例系數(shù)，KD為微分系數(shù)，KI為積分系數(shù)， 這3個(gè)系數(shù)均為可調(diào)系數(shù).

由于熔模鑄造過(guò)程中干擾因素較多， 且溫度與壓力的變化存在實(shí)時(shí)性， 故僅通過(guò)KP、KD、KI3個(gè)參數(shù)很難實(shí)現(xiàn)控制的實(shí)時(shí)性與最優(yōu)性， 對(duì)此引入采集信號(hào)的偏差d和偏差變化率dr， 用以對(duì)KP、KD、KI3個(gè)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整， 調(diào)整過(guò)程如下[9，11]

圖 6 溫度調(diào)節(jié)框圖Fig.6 Temperature regulation diagram

5 仿真實(shí)驗(yàn)

自動(dòng)成型程序中的定時(shí)器時(shí)間參數(shù)是在現(xiàn)場(chǎng)工藝實(shí)踐中得來(lái)的， 對(duì)于不同的模型， 射料時(shí)間、 加熱時(shí)間等都不相同.

為了體現(xiàn)本系統(tǒng)的優(yōu)越性， 將模樣成型溫度采用其它控制方法和本系統(tǒng)中的方法作對(duì)照， 圖 7 展示了不同控制方法的模樣成型溫度分布曲線.

圖 7 優(yōu)化控制系統(tǒng)對(duì)成型溫度分析Fig.7 Analysis of optimal control system for molding temperature

從圖 7 可見(jiàn)， 本文方法的模樣成型溫度分布曲線(如圖7(b)所示)比未采用本系統(tǒng)控制的模樣成型溫度分布曲線(如圖7(a)所示)更接近標(biāo)稱曲線， 控制精度較高， 且實(shí)時(shí)控制效果也較好. 同時(shí)本系統(tǒng)以西門(mén)子S7-200PLC為控制核心， TD200文本顯示器為參數(shù)設(shè)置工具也具備較快的計(jì)算速度與較高的計(jì)算精度， 故提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性與控制精度[15-16].

6 結(jié) 論

本文在分析消失模鑄造模樣成型工藝過(guò)程的基礎(chǔ)上， 重點(diǎn)討論了共聚物珠粒經(jīng)預(yù)發(fā)泡后的模樣成型過(guò)程， 配置了焊接熔模模樣成型機(jī)控制系統(tǒng)的硬件組成. 系統(tǒng)以西門(mén)子S7-200PLC為控制核心， TD200文本顯示器為參數(shù)設(shè)置工具， 該控制系統(tǒng)在軟件設(shè)計(jì)時(shí)， 將模具型腔射料、 蒸汽加熱二次發(fā)泡、 噴水冷卻、 負(fù)壓干燥等成型工藝過(guò)程結(jié)合起來(lái)， 使消失模樣成型過(guò)程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化， 同時(shí)可以進(jìn)行手動(dòng)單工序操作. 最后對(duì)成型階段中模具型腔溫度過(guò)熱導(dǎo)致模樣密度和強(qiáng)度過(guò)低的情況進(jìn)行了分析討論， 提出了雙電磁閥互補(bǔ)調(diào)節(jié)的溫度閉環(huán)控制， 該系統(tǒng)用于熔模造型實(shí)踐可獲得完整充型、 表面平整、 強(qiáng)度較好的優(yōu)質(zhì)消失模鑄造模樣， 從而大大提高了模樣成品率和生產(chǎn)效率.

[1] 史楊. 精鑄中溫模料配方及工藝參數(shù)優(yōu)化[D]. 合肥： 合肥工業(yè)大學(xué)， 2013.

[2] 王剛， 周恩俊. 我國(guó)鋁(鎂)合金消失模鑄造技術(shù)研究現(xiàn)狀[J]. 鑄造工程， 2016, 40(3)： 44-47.

Wang Gang， Zhou Enjun. Present status of research on lost foam casting technology for aluminum (magnesium) alloy in China[J]. Foundry Engineer， 2016, 40(3)： 44-47. (in Chinese)

[3] 樊自田， 蔣文明. 消失模鑄造技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J]. 鑄造， 2012, 61(6)： 583-591.

Fan Zitian， Jiang Wenming. Present situation and development trend of lost foam casting[J]. Foundry， 2012, 61(6)： 583-591. (in Chinese)

[4] 李芳. 前饋-模糊控制在低壓鑄造中的應(yīng)用研究[J]. 信陽(yáng)師范學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)， 2005， 18(2)： 234-237.

Li Fang. Application of feed forward fuzzy control in low pressure casting[J]. Journal of Xinyang Normal University (Natural Science Edition), 2005， 18(2)： 234-237. (in Chinese)

[5] 厲三于， 章舟. 消失模白模發(fā)泡成形設(shè)備及模具[J]. 鑄造工程， 2008， 32(3)： 30-33.

Li Sanyu， Zhang Zhou. Foam forming equipment and mould for lost foam[J]. Foundry Engineer, 2008， 32(3)： 30-33. (in Chinese)

[6] 蔣文明， 樊自田， 劉德均. 消失模殼型鑄造A356鑄態(tài)和T6態(tài)鋁合金的組織、 性能及拉伸斷口[J]. 中國(guó)有色金屬學(xué)會(huì)會(huì)刊： 英文版， 2012(S1)： 7-13.

Jiang Wenming， Fan Zitian， Liu Dejun. Microstructure and mechanical properties of A356 as cast and T6 alloy in lost foam casting[J]. Transactions of Nonferrous Metals Society of China， 2012(S1)： 7-13. (in Chinese)

[7] 周文斌. 鋯熔體與氧化物型殼的界面反應(yīng)研究[D]. 南京： 南京航空航天大學(xué)， 2014.

[8] 葉升平， 孫之珹. 美國(guó)鋁合金消失模鑄造現(xiàn)狀及我國(guó)鋁合金消失模鑄造技術(shù)攻關(guān)建議[J]. 鑄造， 2008， 57(3)： 203-206.

Ye Shengping， Sun Zhicheng. Application of aluminum lost foam castings in America and suggestions for promoting LFC of aluminum alloys in China[J]. Foundry， 2008， 57(3)： 203-206. (in Chinese)

[9] 杜軍特， 李揚(yáng). 參數(shù)自整定模糊PID控制方法及其在漆包機(jī)中的應(yīng)用[J]. 廣東工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)， 2014， 2(31)： 58-63.

Du Junte， Li Yang. Parameter self-tuning fuzzy PID control method and its application in the paint charter[J]. Journal of Guangdong University of Technology， 2014， 2(31)： 58-63. (in Chinese)

[10] 杜井慶， 高世橋， 羅創(chuàng), 等. 基于PID算法的控制量按任意函數(shù)變化的一種控制方法[J]. 儀器儀表學(xué)報(bào)， 2011， 6(32)： 1317-1323.

Du Jingqing， Gao Shiqiao， Luo Chuang, et al. A control method based on PID algorithm for the change of control quantity according to arbitrary function[J]. Journal of Instrumentation， 2011， 6(32)： 1317-1323. (in Chinese)

[11] 楊政秋， 李響， 席隆. 基于PID的空間精密溫控研究[J]. 計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展， 2014， 8(21)： 143-146.

Yang Zhengqiu， Li Xiang， Xi Long. Computer technology and development of precision temperature control based on PID[J]. Computer Technology and Development, 2014， 8(21)： 143-146. (in Chinese)

[12] 向召偉， 鄧珍波， 殷國(guó)富. 基于熔融沉積技術(shù)的快速熔模鑄造工藝實(shí)踐[J]. 金屬世界， 2015(1)： 38-41

Xiang Zhaowei， Deng Zhenbo， Yin Guofu. Practice of rapid investment casting process based on fused deposition technology[J]. Metal World， 2015(1)： 38-41. (in Chinese)

[13] 王明巖， 孫占新. PLC在熔模鑄造生產(chǎn)中的組態(tài)應(yīng)用[J]. 鑄造縱橫， 2010(7)： 46.

Wang Mingyan， Sun Zhanxin . Application of PLC in investment casting production[J]. Casting Vertical and Horizontal， 2010(7)： 46. (in Chinese)

[14] 張英光. 基于模糊理論和 PID 控制的低壓鑄造機(jī)溫控系統(tǒng)研究[J]. 鑄造技術(shù)， 2013， 9(34)： 1214-1215.

Zhang Yingguang. Research on temperature control system of low pressure casting machine based on fuzzy theory and PID control[J]. Foundry Technology， 2013， 9(34)： 1214-1215. (in Chinese).

[15] 劉睿， 黎志勇. 低壓鑄造智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]. 鑄造技術(shù)， 2016, 37(12)： 2727-2729.

Liu Rui， Li Zhiyong. Design of intelligent control system for low-pressure casting[J]. Foundry Technology， 2016, 37(12)： 2727-2729. (in Chinese)

[16] 朱曉. 低壓鑄造液面加壓系統(tǒng)充型信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)， 2014， 5(43)： 68-69.

Zhu Xiao. Design and implementation of filling signal generator for liquid level pressurization system of low pressure casting[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering， 2014， 5(43)： 68-69. (in Chinese)

ResearchonShapeControlofInvestmentCastingPatternBasedonPLC

LIU Rui, LI Zhi-yong, YANG Bin

(Dept. of Industrial Automation, Guangdong Institute of Science and Technology, Zhaoqing 526114, China)

Based on the analysis of lost foam casting mould forming process and discussed the forming process of copolymer beads by pre foaming after the configuration of the hardware components of mold pattern molding machine control system. The system used SIEMENS S7-200PLC as the control core and TD200 text display tools for setting parameters as well as the control system in software design combined the mold cavity injection, steam heating two foam, spray cooling and vacuum drying process engineering together to make lost foam casting molding process automation. At the same time it can be manually operated single procedure. Finally, the low molding density and low strength caused by the mold cavity temperature overheating were analyzed and discussed; the double solenoid valve temperature control loop regulation complementary was put forward. The results show that the molding control system based on PLC is effective in the practice of melt-molding, optimizing the investment casting mold and improving the yield.

investment casting; foam patten; molding control； PLC； closed-loop control

1673-3193(2017)03-0316-06

2016-09-14

劉 睿(1974-)， 男， 講師， 碩士， 主要從事先進(jìn)制造技術(shù)的研究.

TH16

A

10.3969/j.issn.1673-3193.2017.03.012