刘峰
广州驭风旭铝铸件有限公司
摘要：为了实现铝合金轮毂生产的智能化控制，对铝合金轮毂低压铸造成型原理及工艺进行了分析。运用PLC设计了铝合金轮毂低压铸造智能控制系统，对铸造过程的温度、气压压力等参数进行控制并实时调整，从而实现了对铝合金轮毂低压铸造连续生产的智能控制。
关键词：铝合金轮毂；低压铸造；智能控制
引言
随着汽车工业的发展，以汽车轮毂为代表的汽车零部件的需求与日俱增，从而带动了铸造等相关行业的快速发展，据统计，2010年低压铸造铝合金轮毂已占到了铝合金轮毂的3/4，由此可见当前低压铸造行业的市场价值。低压铸造机作为铝合金低压铸造的通用设备，在其生产过程中，对模具温度、液面压力等参数的控制的精准度要求较高，利用当前先进的自动控制技术，实现低压铸造机的精准控制，提高铸件生产的质量与效率，具有现实意义。
1低压铸造的工艺流程
低压铸造的主要工艺流程是将压缩后的干燥空气加入装有合金液的密封坩埚，由此在坩埚与型腔之间产生一定的压差，压差使坩埚内的合金液流经升液管进入型腔，当金属液完全进入型腔后，增大坩埚内气压，保证在此压力下实现铸件的凝固成型，升液管与浇道中剩余的金属液随着坩埚中压力的卸载，将流回到坩埚，待冷却后，开模即可获得铸件，一个完整的低压铸造工艺结束。
2铝合金轮毂低压铸造成型智能控制系统设计
2.1控制原理及控制过程
根据铝合金轮毂低压铸造成型工艺，通过温度、压力传感器，获得铝合金轮毂在低压铸造过程中熔融金属液温度及填充气压等参数，通过当前所测上述控制量适当调节熔融金属液目标温度及气压压力等参数。控制温度及充气压力参数由HMI人机界面设定参数给定，运用PLC的CPU计算和处理及控制功能实现对充气压力和温度的精准控制，从而达到对铝合金轮毂低压铸造成型工艺中的温度及压力等参数进行精确控制的目的，为生产综合力学性能优良、产品质量优异的铝合金轮毂提供重要的依据及参考。
2.2电气元件选型
根据设计的铝合金轮毂低压铸造成型智能控制方案，对相关电气元件进行选型，选型参数如下：PLC：采用FX系列的FX3U型号。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程；应用范围广、环境影响小，抗干扰强。
HMI人机界面：维纶TK6070IP人机界面，高彩度显示效果，高抗干扰能力强，满足系统需求。温度传感器：高铝刚玉管K型高温陶瓷热电偶，耐高温能达1500℃，适用于高温测试的温度传感器。
2.3总体设计
低压铸造工艺过程中，需要精准控制的两个物理参数分别是液面压力与模具温度，系统使用西门子S7-300PLC作为控制中心，完成整个液面压力与温度的控制，通过数据采集卡完成液面压力的检测，通过数字组合阀实现液面压力的调节，完成加压与卸压的操作。模具温度通过温度传感器检测，对获取到的温度参数根据实际情况，由PLC控制冷却电磁阀实现温度的调节。
2.4PLC系统选型
作为整个系统的控制中心，PLC负责的工作主要包括两个方面：首先是对温度、压力的参数采集，并进行处理，其次是完成低压铸造机的各种动作控制功能。根据系统实际控制功能的需要，需实现86个数字量的输入、74个数字量的输出，以及十余个模拟量的输入，为此设计中选用了西门子S7-300PLC完成系统控制功能，CPU选择了CPU314。
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2.5系统电气设计
系统中，PLC实现的具体功能包括主回路电机控制功能、操作命令的执行功能、低压铸造机动作状态监测功能、模具温度检测功能、冷却电磁阀操作功能、液面压力检测功能、数字组合阀操作调压功能。其中对模具温度的控制，具体通过对20条冷却回路控制实现温度的调节。系统主电气回路设计如图3。主电气回路中，当三相断路器全部闭合时，PLC将实现整个主电路的控制，根据预设程序与控制流程，完成对液压泵电机与冷却泵电机的控制，完成低压铸造中模具温度的控制。
3铝合金轮毂低压铸造成型智能控制系统流程图
在设计的铝合金轮毂低压铸造成型智能控制系统的PLC控制程序中，启动设备后，检测启动条件（温度系统是否开启），当温度系统未开启，则报警提示开启温度系统，按提示开启温度系统。为使温度系统达到高精度、高稳定、高寿命等性能，该温度系统采用DA模块调节交流调压模块控制，无级变压控制电热丝发热量。当前温度值（AD读取模块）小于设定温度值时，则把设定温度值减去当前温度值，再除以2，将此值加上当前给定模拟数值（DA给定模块）再赋值到当前模拟量数值（DA给定模块），使控制温度的模拟量数值增加，模拟量数值增加，调节交流调压器电压升高，从而控制电热丝发热亮更大；同理，当前温度值大于设定温度时，则把当前温度值减设定温度值再除以2，将此值和当前给出模拟数值相加后赋值到当前模拟量数值，从而控制电热丝发热减校此种控制方法在温度差别较大情况下，可以大幅度调整模拟量数值，在差别小的情况下可以小幅度调整模拟量数值，在控制精度范围内，可以稳定电热丝发热量，以达到精准温度的控制效果。在气压系统程序中，工作过程配备气压压力传感器测量压力数据，传感器将气压压力数据反映到PLC。当主气源气压未开启或者气压过低时，则报警提示开启主气源气压或者压力过低报警。
温度和气压条件报警系统，保证了铝合金轮毂低压铸造成型工艺整个流程的工作智能控制。当温度、压力开启条件检测条件均满足，由PLC计算并打开熔融金属液阀，定量充入熔融金属液，然后关闭熔融金属液阀，再控制比例阀按设定气压压力充入气体到熔融金属液坩埚密封腔内，金属熔融液在压差作用下，沿着填充杆注入到模具腔内，填满模具腔后延时设定工作时间，完成整个工作流程，如此往复循环，从而实现对铝合金轮毂低压铸造成型的智能化控制。
结语
为了实现铝合金轮毂低压铸造成型智能化，分析了铝合金轮毂低压铸造成型原理及工艺，设计了铝合金轮毂低压铸造成型智能控制系统，根据低压铸造熔融液的温度、压力实时反馈量可以实现对铝合金轮毂低压铸造系统中熔融液的温度、气压压力等参数进行智能控制及监控，且智能控制系统可以根据传感器数据实时调整。在上述智能控制系统的作用下，铝合金轮毂低压铸造成型中的气压压力及温度等主要参数被控制在合理的范围内。本研究设计的铝合金轮毂低压铸造智能控制系统控制精度高、反应灵敏，能为铝合金轮毂低压铸造及其它机械零件的低压铸造成型的智能化控制及低压铸造铸件生产成本的降低提供重要的参考。
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论文作者:刘峰
论文发表刊物:《中国西部科技》2019年第23期
论文发表时间:2019/11/27
标签：低压论文; 轮毂论文; 温度论文; 铝合金论文; 压力论文; 气压论文; 系统论文; 《中国西部科技》2019年第23期论文;