王圓圓，劉志豪，陳 蕾，孫元良，王艷杰，趙宏俊，侯心洋

（濰柴（濰坊）材料成型制造中心有限公司，山東濰坊 261100）

0 引言

隨著鑄造行業(yè)的快速發(fā)展，澆注機(jī)的使用也由半自動澆注設(shè)備向全自動澆注設(shè)備發(fā)展。我公司澆注機(jī)是由瑞士SLS 公司生產(chǎn)，為當(dāng)前世界上較先進(jìn)的全自動澆注機(jī)。該澆注機(jī)由X、Y、Z 軸驅(qū)動實現(xiàn)澆注機(jī)水平和垂直運動，A 軸驅(qū)動實現(xiàn)澆注機(jī)的重心傾轉(zhuǎn)從而實現(xiàn)鐵水澆注，IX 軸驅(qū)動實現(xiàn)隨流孕育劑加入功能，在澆注過程中隨流孕育裝置根據(jù)配方將孕育劑均勻輸送到鐵水中。濰柴材料成型中心自2006 年以來陸續(xù)安裝4 條PUMA 澆注生產(chǎn)線，原隨流孕育裝置設(shè)計能較好實現(xiàn)閉環(huán)控制，正常使用時穩(wěn)定可靠。但隨著使用最長年限達(dá)15 年、關(guān)鍵備件的陸續(xù)更換，其中一臺隨流孕育裝置使用過程中孕育劑系統(tǒng)精度下降，當(dāng)出現(xiàn)不穩(wěn)定時，調(diào)試難度大，成為維修的一大難題；且存在部分關(guān)鍵備件停產(chǎn)或即將停產(chǎn)，維護(hù)成本加大；孕育劑加入量波動范圍較大，不能滿足生產(chǎn)工藝要求，直接導(dǎo)致鑄件質(zhì)量問題。針對我公司孕育劑材料供應(yīng)商穩(wěn)定特點，本文結(jié)合現(xiàn)狀通過摸索分析，對本臺澆注機(jī)孕育劑裝置進(jìn)行改進(jìn)，通過選用一種螺旋送料定量加注方式代替原有動態(tài)稱重、振動輸送方式，達(dá)到設(shè)備維護(hù)簡單、運行可靠、備件維護(hù)成本低的效果。

1 原隨流孕育裝置介紹

原有隨流孕育裝置采用動態(tài)稱重、振動輸送方式進(jìn)行孕育劑定量加注，主要有稱重系統(tǒng)、振動輸送系統(tǒng)、檢測反饋系統(tǒng)組成；稱重系統(tǒng)主要起標(biāo)定及偏差校準(zhǔn)作用，主要由稱重傳感器及稱重控制器組成，通過自動反饋調(diào)節(jié)，實現(xiàn)精準(zhǔn)加料（如圖1、圖2 所示）。

圖1 原隨流孕育裝置原理

圖2 原裝置結(jié)構(gòu)圖

實際使用過程中，振動電機(jī)、振動電機(jī)控制器、稱重傳感器性能發(fā)生下降時，比如稱重傳感器零位有時發(fā)生漂移，均會造成孕育劑加入量不穩(wěn)定情況，維修人員維修難度大。隨著使用年限增加，備件故障現(xiàn)象也時有發(fā)生，隨著備件停產(chǎn)或即將停產(chǎn)，采購難度大、周期長、采購成本高，維修成本大大增加，若備件供應(yīng)不及時，將影響功能使用，直接制約現(xiàn)場生產(chǎn)運行?；诖?，本文對本臺澆注機(jī)隨流孕育裝置進(jìn)行研究及改進(jìn)。

2 澆注機(jī)隨流孕育裝置改進(jìn)

2.1 設(shè)計原理

新裝置選定伺服驅(qū)動加螺旋給料的方式，結(jié)構(gòu)簡單、中間控制環(huán)節(jié)較少，可提高設(shè)備運行可靠性與定量精度。新裝置由料倉、加料閘板、螺旋、裝置底座、送料管、料位傳感器、流量監(jiān)測傳感器、送料管管路堵塞檢測傳感器、孕育劑吹送裝置、送料管吹掃裝置、氣動回路、電機(jī)及伺服控制器組成。調(diào)試過程中測試并記錄變頻器頻率與孕育劑流速關(guān)系，通過數(shù)據(jù)擬合曲線得到固定關(guān)系后進(jìn)行PLC 編程，伺服控制器根據(jù)設(shè)備運行人員設(shè)定的孕育劑加入量和時間，進(jìn)行電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)來旋轉(zhuǎn)給料，同時隨著螺旋磨損，擬合的曲線會存在偏差，針對該情況，通過PLC 程序計算偏差值，從而得到新的電機(jī)運行頻率，使孕育劑驅(qū)動裝置按照新頻率運行，將孕育劑均勻地由送料管送入鐵水中，達(dá)到投料準(zhǔn)確的效果（如圖3 所示）。

圖3 新裝置原理

設(shè)定變頻器頻率為Y，孕育劑流速為X，調(diào)試時通過曲線擬合得到Y(jié)=AX+B，（本設(shè)備中A=906.26，B=480.55），A,B 數(shù)值受孕育劑顆粒體積、螺旋結(jié)構(gòu)等影響。當(dāng)隨著螺旋使用頻次增加會出現(xiàn)一定程度磨損，導(dǎo)致校準(zhǔn)曲線精度達(dá)不到工藝要求時，可采用校準(zhǔn)功能。比如測試模式下，操作人員測試1 組數(shù)值即為孕育劑的實際測試重量m，可得到速度偏移V1=（實際測試重量m- 設(shè)定測試重量n）/孕育劑加入時間，新速度V2=（速度偏移V1×運行時間+設(shè)定重量）/運行時間，新速度V2更新為曲線Y=AX+B 中的X 參數(shù)，變頻器采用得到的新的頻率來工作，從而達(dá)到校準(zhǔn)功能。

新裝置孕育參數(shù)主要是孕育劑加入時間（s）和孕育劑總量（g），控制參數(shù)選定控制孕育總量的方式，可更精準(zhǔn)的控制孕育劑加入量。另外，新孕育系統(tǒng)與澆注機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行交互，盡可能的利用澆注機(jī)系統(tǒng)信號，減少新孕育系統(tǒng)的檢測信號，以降低成本。

2.2 動作流程

新裝置工作模式包含測試模式及工作模式，其中工作模式采用工藝配方中的孕育劑添加重量及加入時間，測試模式用于日常校準(zhǔn)使用。根據(jù)輸入值，程序自動控制變頻器動作，實現(xiàn)孕育劑的加入及擠壓閥、吹清閥、清料閥的動作。具體流程見圖4 所示。

圖4 動作流程圖

2.3 實施步驟

2.3.1 機(jī)械裝置選型

根據(jù)現(xiàn)場安裝環(huán)境，測繪隨流孕育裝置安裝尺寸，根據(jù)工藝要求測算裝置技術(shù)參數(shù)，根據(jù)工藝要求確定螺旋裝置供應(yīng)效率，功率為100 W，速比為1/20，如圖5 所示。由于孕育劑顆粒度小，料流下后擠壓在螺旋上，起步時出現(xiàn)過載，在我們設(shè)計中，在進(jìn)料處增加減壓板以降低負(fù)載，同時在電機(jī)選型時，建議在100 W 基礎(chǔ)上可適當(dāng)提高電機(jī)功率。

圖5 機(jī)械裝置圖

2.3.2 控制系統(tǒng)設(shè)計

控制系統(tǒng)由控制柜、可編程控制器、WINCC7.3、變頻器及電氣管線等組成。電控系統(tǒng)采用西門子S7-1200 系列可編程控制器，變頻器采用0.75 kW 的G120C 變頻器，通過PROFINET 通訊分別與澆注機(jī)CPU 和WINCC 通訊（圖6）構(gòu)成孕育劑控制網(wǎng)絡(luò)，完成檢測信號讀取、加料、吹掃、蝶閥等動作控制、故障報警、孕育劑加入偏差校正等功能，實現(xiàn)孕育劑隨鐵水連續(xù)、穩(wěn)定加入。安裝完實物圖見圖7。

圖6 工程畫面

圖7 實物安裝圖

為便于孕育劑參數(shù)隨生產(chǎn)件號變化，特將孕育劑參數(shù)納入配方管理，在WINCC 中添加參數(shù)I/O 域n_Recipes_dat_1 和In_Recipes_dat_2，代表孕育劑加入重量和加入時間設(shè)定值，使用腳本HMIRuntime.Tags ("@UA_Recipes_dat_1").Write(HMIRuntime.Tags（"In_Recipes_dat_1"）.Read)下載型板數(shù)據(jù)至WINCC 內(nèi)部變量，在配方歸檔中進(jìn)行顯示，歸檔中關(guān)聯(lián)新的名稱Recipes_dat_1，在WINCC 的VBS 編 輯 器RW_Recipe_PLC.bac 中，增 加 HMIRuntime.Tags（"SetWeight_run"）.Write（objRecordset.fields（"Recipes_dat_1"）.value），即可將重量和時間傳遞給PLC 中參與計算與控制。另外，通過修改WINCC 腳本，將原先澆注數(shù)據(jù)歸檔中的孕育劑加入量替換為新裝置變量地址，從而實現(xiàn)新裝置與原澆注系統(tǒng)完全融合。

設(shè)備操作人員定期檢查顯示控制器中定義的孕育量是否與實際量相符，如果實際和設(shè)定值不一致，將通過【孕育劑校準(zhǔn)】按鍵進(jìn)行校準(zhǔn)，如圖8。

圖8 新增WINCC 畫面

3 總結(jié)

通過近一年的使用驗證，螺旋給料孕育劑添加裝置運行可靠、可保證較高的添加精度，能有效提高鑄件質(zhì)量及工藝保障能力，可有效解決原裝置維護(hù)成本高，調(diào)試難度大的缺點。

進(jìn)口設(shè)備原理一般較為先進(jìn)，當(dāng)出現(xiàn)使用瓶頸時，要大膽探索，積極嘗試，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整改進(jìn)，徹底擺脫使用過程中各種束縛，同時該改造可在同類設(shè)備中進(jìn)行推廣。