多功能反重力鑄造設備是用于實現(xiàn)差壓鑄造

1、概述 多功能反重力鑄造設備是用于實現(xiàn)差壓鑄造、低壓鑄造和調壓鑄造的專用系統(tǒng)。成套設備主要由電控部分、氣控部分、干燥部分、液壓鎖緊部分、承壓部分、熔化爐和真空系統(tǒng)等組成。三種工作模式通過操作臺面板上的模式切換開關切換。 系統(tǒng)的控制核心是升液、充型和保壓，亦稱液面加壓控制。該系統(tǒng)采用了離散控制方式，替代了傳統(tǒng)的氣動薄膜閥或電動調節(jié)閥，在保證調節(jié)精度的前提下大大加快了系統(tǒng)的響應速度，提高了系統(tǒng)的動態(tài)響應品質。PID+模糊控制算法對液面加壓過程中存在的沖擊進行了有效的處理，改善了系統(tǒng)的閉環(huán)控制特性。 在控制系統(tǒng)的設計過程中，充分考慮到了介質的種類和鑄件的復雜程度，在工藝參數(shù)的設置過程中，除升液充型相關

2、參數(shù)外，還提供了介質密度和阻力系數(shù)，使用戶可更加靈活地控制優(yōu)質鑄件的生產(chǎn)。 該系統(tǒng)是郝啟堂教授結合自己多年鑄造設備及工藝研究方面的經(jīng)驗研制成功的，無論是從主體設備方面，還是從控制系統(tǒng)硬件和軟件的設計方面，均考慮到了設備在鑄造生產(chǎn)現(xiàn)場的可靠性、可使用性、可維護性，使該系統(tǒng)成為技術含量較高的生產(chǎn)型設備。參數(shù)設置 “參數(shù)設置”部分完成該系統(tǒng)工作時所涉及主要參數(shù)的設置，包括工藝參數(shù)、觸點控制參數(shù)、工作信息參數(shù)、跟蹤特性控制參數(shù)和PID參數(shù)。 工藝參數(shù)包括同步壓力、升液速度、升液壓力、充型速度、充型壓力、結殼時間、結殼增壓壓力、結殼增壓速度、結晶時間、結晶增壓壓力、結晶增壓速度、金屬液密度和阻力系數(shù)。觸

3、點控制參數(shù)用于指定埋設于鑄型中的液位跟蹤觸點是否參與過程控制，該參數(shù)的設置通過一組單選按鈕指定。觸點參與控制時，金屬液是否到達型底或型頂，由觸點或所設置升液壓力和充型壓力確定，先滿足條件者占先；觸點不參與控制時，無論觸點是否接通，系統(tǒng)均不予理會，只根據(jù)設置的升液壓力和充型壓力判斷金屬液到達型底或型頂。 工作信息部分用于操作人員輸入鑄件生產(chǎn)時必要的檢索信息,包括操作人員姓名、合金牌號、生產(chǎn)爐號和產(chǎn)品代號。這些信息中可包含任何文本字符，包括漢字。 組合閥控制參數(shù)用于指定系統(tǒng)模糊控制中使用的差壓組合閥和低/調壓組合閥的初始化參數(shù)，包括補償開度、調節(jié)區(qū)間、保壓開度。 PID參數(shù)包括比例、積分和微分參數(shù)

4、，用于PID算法。系統(tǒng)調試完成后，一般情況下不需每次工作時都修改PID參數(shù)，所以，進行軟件設計時，已經(jīng)把最佳PID參數(shù)固化在軟件中。未經(jīng)允許，用戶不得隨意更改這些參數(shù)。 溫場設置部分可供用戶選擇要采集溫度的通道，選中對應的復選框，則在液面跟蹤過程中同時采集并記錄該通道的溫度數(shù)據(jù)。工藝參數(shù) “工藝參數(shù)”部分設置完成反重力鑄造工藝時涉及到的重要參數(shù)，包括同步壓力(KPa)、升液速度(mm/s)、升液壓力(KPa)、充型速度(mm/s)、充型壓力(KPa)、結殼時間(s)、結殼增壓壓力(KPa)、結殼增壓速度(KPa/s)、結晶時間(s)、結晶增壓壓力(KPa)、結晶增壓速度(KPa/s)、金屬液密

5、度(Kg/m3)和阻力系數(shù)。下面介紹每個參數(shù)的設置方法：1. 同步壓力(KPa) 同步壓力用于差壓工作模式，指工作時上下罐體的同步壓力，一般取值為400600KPa。理論上，該參數(shù)取值越大，對鑄件質量越有利。2. 升液速度(mm/s) 升液速度指熔體在升液管中的上升速度，單位為mm/s。該參數(shù)取值太大，會造成充型不平穩(wěn)現(xiàn)象。一般情況下，該參數(shù)的取值稍低于充型速度即可。3. 升液壓力(KPa) 升液壓力指熔體完成升液過程，到達升液管口，接通底部觸點時對應的壓力。該參數(shù)的取值與熔化保溫爐內熔體的多少有關，爐內熔體越少，該參數(shù)取值越大。這里要指出的是，該參數(shù)的取值是近似值，主要用于這樣的情況，即由于

6、某種原因，熔體到達升液管口但不能接通底部觸點時，系統(tǒng)要根據(jù)這個值來確定升液過程結束，充型開始。當然，在這種情況下，該參數(shù)取值的正確與否，直接關系到鑄件的充型質量，一般取值略大于實際值即可。4. 充型速度(mm/s) 充型速度指熔體在型腔中的上升速度，單位為mm/s。該參數(shù)的取值對鑄件質量至關重要，取值太大，會造成充型不平穩(wěn)，引起熔體飛濺或憋氣；取值太小，會造成冷隔或欠鑄。具體大小與鑄件高度、壁厚、復雜程度有關，應針對具體鑄件，進行摸索。5. 充型壓力(KPa) 充型壓力指熔體到達型腔頂部時的壓力，單位為KPa。該參數(shù)的取值與熔化保溫爐內熔體的多少及鑄件的高度有關。爐內熔體越少，該值越大；鑄件越

7、高，該值越大。與升液壓力類似，該參數(shù)的取值也只能是近似的，主要用于熔體因某種原因不能接通型頂觸點時的情況，這時系統(tǒng)需要根據(jù)此值確定熔體已到達型頂，并開始完成保壓環(huán)節(jié)。該參數(shù)取值太小，會造成欠鑄；取值太大，有可能導致粘砂，甚至破壞鑄型。一般取值略大于實際值即可。6. 結殼時間(s) 結殼時間指從充滿鑄型到鑄件表面凝固結殼所需要的時間，單位為秒。該參數(shù)取值太大，結殼太厚，甚至使鑄件處于糊狀凝固階段，影響凝固補縮，最終導致出現(xiàn)縮松、微縮松。一般情況下，控制在2到5秒之間。7. 結殼增壓壓力(KPa) 結殼增壓壓力指為了使鑄件在一定的壓力下結殼而提供的壓力增量，也就是在熔體充滿型腔的基礎上，再增加一定

8、的壓力(結殼增壓壓力)，目的是保證熔體在壓力下結殼的同時，不致于產(chǎn)生粘砂。該參數(shù)取值太大，會出現(xiàn)粘砂現(xiàn)象，甚至會使鑄型發(fā)生變形。8. 結殼增壓速度(KPa/s) 結殼增壓速度指提供結殼增壓壓力所使用的速度。之所以提供該參數(shù)，是為了避免在PID控制中遇到階躍函數(shù)，對氣動薄膜閥產(chǎn)生沖擊，產(chǎn)生較大的超調。事實上，對于給定壓差值來說，不必要存在階躍函數(shù)，因為任何執(zhí)行機構的動作都具有連續(xù)性，動作速度無論有多快，實際上都要經(jīng)歷一定的時間段。所以，提供該參數(shù)是符合實際情況的。對于氣動薄膜閥，該參數(shù)的取值一般為2-4KPa之間。9. 結晶時間(s) 結晶時間指鑄件完成結殼凝固后，最終完全凝固所需要的時間，單位

9、為秒。該參數(shù)取值太小，鑄件不能完全凝固，過早的泄壓，會導致鑄件組織不致密，達不到補縮目的；取值太大，會使升液管凍結，影響工作效率。該參數(shù)的具體取值與鑄件重量、壁厚等有關，可在大致計算的基礎上，結束經(jīng)驗予以修正。10. 結晶增壓壓力(KPa) 結晶增壓壓力指為了使鑄件在較大的壓力下結晶而提供的較大的增壓值，單位為KPa。之所以，提供該增壓值，是為了使鑄件在凝固過程中達到更好的補縮，使組織更加致密。為了，根據(jù)所使用的工裝和設備的額定工作壓力，盡可能給予較大的值。11. 結晶增壓速度(KPa/s) 該參數(shù)的意義與結殼增壓速度相同，取值也基本相等。12. 熔體密度(Kg/m3) 之所以提供給參數(shù)，是為

10、了適應不同密度的合金。該參數(shù)影響一定壓力所對應的壓頭高度。13. 阻力系數(shù) 阻力系數(shù)取值10-15之間，系統(tǒng)內部使該值除以10，所以，該參數(shù)的實際取值為1-1.5。主要是為了考慮型腔的復雜程度。對于相同的充型高度，型腔越復雜，需要的壓力越大，所以，鑄件越復雜，該參數(shù)取值越大。PID參數(shù) 本系統(tǒng)采用了PID調節(jié)與模糊算法相結合，完成系統(tǒng)的工作流程控制。為了針對具體對象獲得最佳控制品質，需要對P(比例)、I(積分)、D(微分)參數(shù)進行調節(jié)。 一般情況下，調試系統(tǒng)時，已對PID參數(shù)進行了正確的調整，只要系統(tǒng)特征變化不是很大，這些參數(shù)不需要做重新調整，但在特殊情況下，也可對這些參數(shù)進行調整。調整后，只

11、要按“應用”按鈕，即可利用新的PID控制參數(shù)，如需使用原來的默認參數(shù)，按“復位”按鈕即可。 為了便于用戶調整PID參數(shù)，下面對這三個參數(shù)的調整方法予以介紹： 1. 比例參數(shù)(P) 比例調節(jié)的特點是輸出信號與輸入信號間成比例關系，即實測值與給定值間的偏差乘以比例系數(shù)即為調節(jié)器輸出變化的值。比例調節(jié)不能消除穩(wěn)態(tài)偏差，但其突出特點是動作快。比例系數(shù)有一定的限制，取值過大，系統(tǒng)會由穩(wěn)定變?yōu)椴环€(wěn)定。2. 積分參數(shù)(I)： 積分作用是指調節(jié)器的輸出與輸入的積分成比例的作用，其調節(jié)特點是：輸出與偏差存在的時間有關。只要偏差存在，輸出就會隨時間不斷增長，直到偏差消除，調節(jié)器的輸出才不再變化。因此，積分作用能消

12、除穩(wěn)定偏差。其缺點是：動作緩慢，偏差剛出現(xiàn)時，調節(jié)作用很弱，不能即時克服擾動的影響，致使被調參數(shù)的動態(tài)偏差增大，調節(jié)過程拖長。3. 微分參數(shù)(D) 微分作用是指調節(jié)器輸出的變化量與輸入變化的速度成正比。微分調節(jié)比積分調節(jié)動作快。偏差變化速度愈大，微分時間愈長，微分作用的輸出變化愈大。微分作用可在很大程度上減小系統(tǒng)的動態(tài)偏差和調節(jié)時間，使調節(jié)過程的動態(tài)品質得到改善，但微分作用過強，反倒會使系統(tǒng)不穩(wěn)定。 由于積分和微的特點所致，一般情況下它們不單獨使用。相反，與比例環(huán)節(jié)結合使用。觸點控制觸點控制部分提供了兩個單選按鈕，分別為“觸點信號參與控制”和“觸點信號不參與控制”。選擇“觸點信號參與控制”時，

13、控制軟件在充型控制過程中，隨時監(jiān)測埋設于鑄型中的觸點是否導通。如果操作人員想直觀地了解金屬液何時進入型腔、何時到達型頂，則可分別在升液管口和鑄型頂部埋設兩個觸點(或者，如果想了解金屬液在鑄型中間的充填過程，也可在鑄型的某個其它位置埋設觸點)。計算機監(jiān)測到型底觸點導通時，表示金屬液將開始進入型腔，充型過程開始；監(jiān)測到型頂觸點導通時，表示金屬液到達鑄型頂部，充型結束，即將進入保壓階段。為了確保澆注過程順利完成，計算機在監(jiān)測觸點的同時，不斷比較給定升液壓力和充型壓力，以免因觸點的埋設出現(xiàn)問題而無法導通。也就是說，型底觸點與升液壓力先到者占先，而型頂觸點和充型壓力先到者占先。選擇“觸點信號不參與控制”

14、時，計算機只監(jiān)測升液壓力和充型壓力。只要實測壓力等于或大于升液壓力，就認為金屬液已進入型腔，充型過程開始。只要實測壓力等于或大于充型壓力，就認為金屬液已到達型頂，充型過程結束。在這種情況下，無論在鑄型中埋設觸點與否，計算機都不予理會。工作信息工作信息部分供操作人員在澆注鑄件時輸入必要的管理信息，包括操作人員(姓名)、合金牌號、生產(chǎn)爐號和產(chǎn)品代號。操作人員可以在這些信息對應的文本框內輸入包括漢字在內的任意信號。組合閥控制參數(shù) 系統(tǒng)使用了兩套數(shù)字組合閥，差壓鑄造使用氣控系統(tǒng)左邊的組合閥，低壓鑄造和調壓鑄造使用氣控系統(tǒng)右邊的組合閥。由于差壓鑄造和低/調壓鑄造的控制特性不同，因此它們使用的特性控制參數(shù)

15、不一樣。為此，本系統(tǒng)為兩套組合閥提供了各自的控制參數(shù)。 組合閥控制參數(shù)提供補償開度、調節(jié)區(qū)間和保壓開度，供用戶在過程跟蹤期間動態(tài)調節(jié)。 補償開度作為系統(tǒng)調節(jié)的基本開度，該參數(shù)的初始值應該略低于升液充型最小速度所對應的調節(jié)開度，可通過冷調確定。設置該參數(shù)可提高系統(tǒng)的跟蹤精度，減小數(shù)字閥的動作頻率，延長數(shù)字閥的使用壽命。 調節(jié)區(qū)間是數(shù)字閥在補償開度的基礎上調節(jié)的區(qū)間。調節(jié)過程中，最大開度等于補償開度加上調節(jié)區(qū)間，最小開度等于補償開度。這樣，我們可以有意識地了限制系統(tǒng)的調節(jié)范圍，避免引起不必要的沖擊，提高系統(tǒng)調節(jié)的平穩(wěn)性。 保壓開度指保壓過程中系統(tǒng)所使用的最大開度，該參數(shù)用于限制保壓過程中組合閥能夠

16、開啟的最大開度，可以最大程度地提高保壓精度。 這三個值在系統(tǒng)跟蹤過程中均可動態(tài)調節(jié)。 提醒：我們對本系統(tǒng)的控制算法進行了全新設計，比以前具有更強的適應能力，因此，用戶無需改變調節(jié)區(qū)間參數(shù)即可獲得很好的控制效果。溫場設置 溫場設置部分用于選擇用戶需要監(jiān)測的溫場通道。該系統(tǒng)提供了8個溫度監(jiān)測通道，鼠標點擊各通道對應的復選框，即可選中要監(jiān)測的通道。未選中任何通道時，系統(tǒng)既不顯示溫場曲線，也不記錄任何溫場數(shù)據(jù)。只要選中1個以上的通道，系統(tǒng)在跟蹤壓力的同時，顯示對應通道的溫度值，未選中的通道均顯示0.0，跟蹤結束時，同時保存壓力數(shù)據(jù)和溫場數(shù)據(jù)。過程監(jiān)控 本系統(tǒng)可同時實現(xiàn)差壓鑄造、低壓鑄造和調壓鑄造功能，

17、具體通過位于控制系統(tǒng)面板上的模式切換開關切換。該屏幕是執(zhí)行過程監(jiān)控的主要界面，提供結果監(jiān)測、組合閥控制參數(shù)、壓差跟蹤曲線、溫場監(jiān)測曲線、給定工藝預覽曲線、動作執(zhí)行和系統(tǒng)工作狀態(tài)等幾個部分。 結果監(jiān)測部分以數(shù)值的形式顯示設定壓差、實測壓差、下罐壓力、上罐壓力和開度級別(共256級)。 壓差跟蹤曲線部分動態(tài)顯示反重力成形過程中設定工藝和實測壓差的曲線，用戶可以由此直觀看到實際成形過程。溫場監(jiān)測曲線可以動態(tài)顯示鑄件成形過程中被測點溫度的變化趨勢。給定工藝預覽曲線以曲線的形式顯示已設定工藝，用戶從中可以了解鑄件成形時將要達到的壓差值及相關保壓壓力和保壓時間。 動作執(zhí)行部分提供了七個按鈕，即卡環(huán)鎖緊、卡

18、環(huán)松開、同步建壓、緊急互通、系統(tǒng)進氣、系統(tǒng)排氣和過程監(jiān)控，分別用于執(zhí)行不同的動作。 組合閥控制參數(shù)提供補償開度、調節(jié)區(qū)間和保壓開度。用于在動態(tài)跟蹤過程中改善調節(jié)品質，提高控制精度，主要用于控制算法中的模糊控制部分。 系統(tǒng)工作狀態(tài)部分提供系統(tǒng)工作所涉及開關量的狀態(tài)，用戶可從中了解系統(tǒng)的當前動作情況。結果監(jiān)測 結果監(jiān)測部分以數(shù)值的方式顯示設定壓差(KPa)、實測壓力(KPa)、上罐壓力(KPa)、下罐壓力(KPa)和開度級別(0-255)。 設定壓差是計算機根據(jù)用戶設置的參數(shù)計算出的給定壓差，實測壓差是壓差傳感器反饋回來的實際壓差值。這里顯示的設定壓差和實測壓差一一對應，計算機將根據(jù)這兩個值的差值

19、完成PID+模糊控制計算，進而驅動執(zhí)行機構，完成閉環(huán)調節(jié)。 開度級別指過程調節(jié)期間組合數(shù)字閥的組合級別，共256級。動作執(zhí)行 動作執(zhí)行部分提供了七個按鈕，即卡環(huán)鎖緊、卡環(huán)松開、同步建壓、緊急互通、系統(tǒng)進氣、系統(tǒng)排氣和過程監(jiān)控。 卡環(huán)鎖緊和卡環(huán)松開按鈕分別完成卡環(huán)的自動鎖緊和松開。由于鎖緊系統(tǒng)由液壓系統(tǒng)驅動，所以，要執(zhí)行這兩個動作，必需啟動液壓站。此外，卡環(huán)鎖緊時，計算機還要檢查另外一個條件，即鎖緊到位行程開關是否已經(jīng)到位，若已到位，則不再執(zhí)行鎖緊操作。卡環(huán)松開時，除啟動液壓站外，還必需另外具備四個條件：松開到位行程開關處于斷開狀態(tài)；壓力罐內的實測壓差低于安全壓力(3KPa)；上罐內的壓力低于安

20、全壓力；未處于跟蹤狀態(tài)。 同步建壓用于差壓鑄造和調壓鑄造過程中建立同步壓力。差壓鑄造時建立的是正壓，調壓鑄造時建立的是負壓。于是，要求用戶工作在差壓和調壓模式時，正確設置同步壓力參數(shù)。 緊急互通用于打開或關閉上下罐之間的互通閥，執(zhí)行同步建壓或過程跟蹤操作時，系統(tǒng)會自動操作緊急互通閥。 系統(tǒng)進氣按鈕執(zhí)行進氣閥的打開和關閉。進氣閥打開時，點擊該按鈕關閉進氣閥；進氣閥關閉時，點擊該按鈕打開進氣閥。 系統(tǒng)排氣按鈕執(zhí)行排氣閥的打開和關閉。排氣閥打開時，點擊該按鈕關閉排氣閥；排氣閥關閉時，點擊該按鈕打開排氣閥。 過程監(jiān)控按鈕執(zhí)行和停止調節(jié)過程。所有工作準備就緒后，點擊該按鈕開始調節(jié)過程。再次點擊該按鈕，停

21、止調節(jié)過程，也可以按面板上的“緊急停止”按鈕來停止調節(jié)過程。在線調整參數(shù) 補償開度、調節(jié)區(qū)間和保壓開度與“參數(shù)設置”屏幕中組合閥控制參數(shù)中的對應值相同，意義完全相同。這些值在系統(tǒng)調節(jié)過程中可動態(tài)更改，以得到更好的控制效果。系統(tǒng)工作狀態(tài) 系統(tǒng)工作狀態(tài)部分提供系統(tǒng)運行狀態(tài)指示，包括當前運行設備指示、當前工作液壓站指示、調節(jié)狀態(tài)指示、觸點狀態(tài)指示以及各閥體的開合狀態(tài)指示。用戶可以從中了解系統(tǒng)的當前狀態(tài)。曲線顯示 曲線顯示部分提供了壓差跟蹤曲線、溫場監(jiān)測曲線和給定工藝預覽曲線。 壓差跟蹤部分同時顯示設定工藝曲線和實測工藝曲線；溫場監(jiān)測部分顯示已設定通道所處位置的溫度變化情況，所有數(shù)據(jù)與液面加壓并行顯示

22、。給定工藝預覽部分以曲線的形式顯示工藝的設定情況。數(shù)據(jù)處理 “數(shù)據(jù)處理”部分完成對已保存壓力曲線的瀏覽、預覽和打印，同時可看到各壓力曲線對應的所使用工藝參數(shù)。為了更清楚地了解曲線上不同點的具體數(shù)值，可通過左邊提供的列表框看到每個數(shù)據(jù)點的值。 注意，壓力數(shù)據(jù)文件的擴展名為“.DAP”，保存在“Pressure”子目錄中；對應所使用工藝參數(shù)文件的擴展名為“.PAR”，保存在“UsedParameter”子目錄中。壓力曲線 壓力曲線部分以曲線的形式顯示已保存的跟蹤結果，同時在頂部顯示對應結果的文件名稱。壓力數(shù)據(jù) 壓力數(shù)據(jù)部分以列表的形式顯示對應壓力曲線的數(shù)據(jù)，用戶可以從中查閱任何時刻的給定壓力值和實

23、測壓力值。所用參數(shù) 所用參數(shù)部分顯示對應壓力曲線的所使用的參信息，用戶可以從中查閱成形該鑄件時的工藝信息，以便跟蹤和定位存在的問題。溫場曲線 溫場曲線部分用于顯示已記錄的溫場曲線。溫場曲線使用的數(shù)據(jù)文件采用“.DAT”擴展名，文件名與壓力曲線相同。顯示曲線的同時，在左邊的列表框內提供溫場數(shù)據(jù)。溫場數(shù)據(jù)既可預覽，也可打印。故障定位 “故障定位”部分完成對控制系統(tǒng)硬件的故障定位和測試，包括三部分，即開關量輸入監(jiān)測、開關量輸出監(jiān)測和其它信號監(jiān)測。 開關量輸入監(jiān)測部分可監(jiān)測各數(shù)字輸入信號的狀態(tài)，包括觸點信號狀態(tài)、各設備的鎖緊與松開狀態(tài)、各液壓站的動作狀態(tài)及工作設備狀態(tài)指示等。開關量閉合，顯示“ON”；開關量斷開，顯示“OFF”。 開關量輸出監(jiān)測部分可監(jiān)測可執(zhí)行單元的動作