實時控制壓鑄機的技術優勢及應用*

張新華，孔曉武

（1.廣東伊之密精密機械股份有限公司，廣東 順德 528306；2.浙江大學流體傳動及控制國家重點實驗室，浙江 杭州 310027）

1 壓鑄機控制系統的簡介

壓鑄機控制系統從硬件構成上分，目前主要有如下三種方案。

第一種配置是基于高性能PLC及觸摸屏的解決方案[1]。這是目前國內普遍采用的壓鑄機開環控制系統。但由于PLC的采樣率低，不能精確檢測壓射過程的速度和增壓工藝數據，無法實現大量數據的分析和處理（見圖1）。

第二種配置是工控機（PC機）及數據采集卡的通用解決方案[2-4]。工控機具有充足的存儲空間和強大的數據采集處理能力。但是工控機作為通用計算機器件，在Windows操作系統平臺上，由于引入多線程、動態鏈接庫及ActiveX技術，其文件管理系統脆弱，系統易受病毒干擾，開發軟件與資源沖突等造成死機，使整個系統運行效率和可靠性低，對隨機斷電比較敏感，啟動速度太慢（見圖2）。

第三種配置是基于嵌入式技術開發的專用的壓鑄機壓射數據采集和分析模塊。這種方案的優點是硬件的可靠性高，能適應壓鑄工業現場較為惡劣的工作環境。基于C語言編制的數據采集、存儲和分析處理軟件能實現各種復雜的功能（見圖3）。本文主要針對此種配置展開應用研究。

圖1 開環配置

圖2 工控機&采集卡配置

圖3 嵌入式技術配置

2 嵌入式實時壓射控制的工作原理

嵌入式系統是以應用為中心，以計算機技術為基礎，并軟硬件可裁剪，適用于應用系統對功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴格要求的專用計算機系統。它一般由嵌入式處理器，外圍硬件設備，嵌入式操作系統以及用戶的應用程序四個部分組成，用于實現對其他設備的控制、監視或管理等功能。

嵌入式控制器本身把具有實時閉環反饋的功能嵌入到整個系統內部，完成特定的控制要求。如圖3所示，壓射過程中，速度很快，時間很短，管路及壓射缸內油流量變化非常大，其引起的沖量變化也很大，所以控制系統必須做到快響應和實時。嵌入式實時控制器根據用戶設定的壓射速度，再根據反饋回來的信號，進行綜合算法處理，控制高響應大流量伺服閥系統的流量大小，使輸出實時達到參數設定輸入要求。

壓射系統電液原理如圖4所示。電液伺服閥②置于壓射缸⑦的出口。壓射缸入口采用邏輯插裝閥③和④，但不進行節流控制。壓射缸活塞前后壓力傳感器⑨對壓力參數實時采集。采用高精度非接觸式的磁柵尺⑩對壓射位置進行檢測。由于伺服閥頻響較高，嵌入式控制器可以在壓射過程中對壓射的速度實現實時連續閉環控制，實現對任意壓射速度曲線的快速平穩跟蹤。提高了壓射系統的準確性和穩定性，使得壓射系統能夠滿足任意壓射工藝曲線的要求。

圖4 壓鑄工藝參數閉環調節的電液系統原理圖

3 技術特點和參數

嵌入式實時控制壓鑄機的技術特點：

（1）采用嵌入式微處理器實現的實時控制模塊對射料過程進行高速數據采樣和實時閉環控制；

（2）整機控制由PLC與嵌入式實時控制單元共同完成，人機界面采用WCINCE嵌入式平臺；

（3）具備精確的曲線顯示、操作、測量、保存、查詢功能；

（4）具備壓射工藝參數的自動識別、存儲、統計分析、超差和智能報警功能；

（5）具有10段慢速速度和位置的設定功能，各段速度采用線性差值平滑過渡；

（6）具有實時剎車功能，減少飛邊，提高模具壽命；

（7）超大的存儲空間和隨意的斷電保護功能；

（8）維修和裝配簡單方便，不需要復雜的專業知識。

嵌入式實時控制壓鑄機的技術參數：

（1）慢速速度和位置分段數為10段；可以任意使用多段；

（2）最低壓射慢壓射速度≤0.05 m/s；

（3）最高快壓射速度≥8 m/s；

（4）增壓建壓時間≤15 ms（以機型不同有差別）；

（5）快壓射速度穩態精度≤0.2 m/s；

（6）慢壓射速度到快壓射速度的轉換時間≤15 ms（以0.5 m/s～5 m/s范圍）；

（7）具有勻加速功能（可根據設定選擇是否使用）。

4 嵌入式實時控制系統的應用優勢

穩定性和重復性（即降低鑄件的廢品率）——壓鑄機的先進性主要體現在生產過程中的穩定性和可再現性，即每次壓射盡可能接近預先設定的理想的壓射曲線。在壓鑄過程中存在很多變量影響壓鑄過程的穩定性，如：在充型過程中，壓室中的金屬量、沖頭運行時所受的阻力、模具溫度等對壓射的壓力和速度產生影響，而這兩方面又是影響充型條件最為重要的參數。人為因素所引起的變量(如儲能壓力、涂料的噴涂質量、人為設定的參數、環境溫度對壓力的影響、電源電源的波動等等)，也需要系統進行修正[5]。

可靠性（即實現專家級生產）——實時控制機具有對整個壓射過程實施閉環控制，保證了外界和人為對壓射過程的影響；也就是說同傳統的壓鑄機相比，實時控制機已不再是完全被動地進行控制，它能夠“主動”地適應外部條件的變化，對控制的參數進行自動跟蹤和調整，保證了產品的可靠性，并大大降低了操作工的勞動強度。

可視性和靈活性（即操作簡單易學）——曲線顯示以及對曲線的功能性操作非常強大，具有通過曲線和特征值的兩種狀態下顯示，直接反映出機器的穩定性和產品壓射數據的穩定性，通過不同的形式可以反映出產品在生產過程中的變化和自動修正，滿足自動化生產的需求；參數的設定和操作直觀、方便，可以根據鑄件的需要，靈活地調節壓射過程。

對品質的控制和生產的控制（即控制質量提高效率）——針對10個或更多的特征值顯示，通過統計學的方法，對產品壓射數據進行概率分析，經與標準數據（合格產品的工藝數據）進行比較后，能夠判斷產品的品質優劣，進而提高產品的可重復性，降低工件的廢品率。

對工藝參數的優化（即提高競爭力）——當更多的產品被生產出來后，系統將記錄下越來越準確的概率分布，特別是對10個特征值的概率分布圖，分析工藝參數的狀態，進一步優化工藝數據。

對模具和機器的壽命提高（延長模具壽命）——采用實時控制后，由于外界因素對壓射過程的影響降到最低，所以對提高生產的效率有很大的提高；采用壓射后的減速功能，可以節省鋁液的消耗（減少了飛邊），降低能源的消耗；延長模具的壽命；由于機器穩定性的提高，可以提高機器的生產自動化程度。

對產品的追溯性和及時調整（調整靈活）——采用大容量存儲卡保存射料過程的數據，可以對產品的質量進行追溯；通過對實時數據的對比，及時發現工藝參數的偏離狀態而進行調整，避免不合格產品大量產生。

5 實時控制曲線顯示與分析

簡潔的壓射工藝設定畫面和清晰的曲線顯示畫面如圖5、圖6所示。

圖5 壓射設定畫面

圖6 曲線顯示畫面

曲線顯示畫面最多可以顯示6條以上的曲線，能夠滿足顯示、研究的需要，壓射列表中可以以數據形式顯示所有特征值。通過曲線可以觀察壓射過程是否正常、可以優化工藝、合理快速設定工藝參數等。例如：增壓觸發的壓力或位置設定、剎車位置設定、慢速沖擊問題的調整等。通過對壓力曲線的分析可以有效地判斷壓射條件是否合理以及壓鑄件的好壞。例如：入口壓力在快速開始如果下降過多則儲能壓力不合理、出口壓力在剎車時沒有變化則表明剎車效果不理想、等效壓力不正常則說明壓力傳感器有問題等。

6 智能在線品質管控

智能在線品質系統是在曲線顯示過程中采用統計概率學的概念，對檢測的數據通過與標準數據對比進行判斷分析，從而確定出產品的缺陷，提醒給操作人員注意壓射參數的變化，及時調整避免擴大范圍。設定畫面見圖7。

圖7 智能品管界面

偏差控制：原則：以標準值為基礎，輸入的數據為標準值的正負偏離大小；適用狀態：對批量小、工藝要求具有特殊性的產品能起到良好的效果。這種控制形式簡單方便，比較容易理解。

注意事項：

一般的標準壓鑄機采用入油口控制，因此壓射過程的穩定性較差。所以偏差控制數據設定時，一定要將偏差偏大設定，或者通過查閱“壓射列表”中的連續壓射數據作為基礎，分析6個特征值的偏差大致范圍。

如果是實時控制機，由于穩定性較高，則可以將偏差設定的嚴格一些。

根據產品對質量的要求進行設定，例如：有些產品對某幾個特征值要求不是很高，則可以設定為0，不判斷或設定較大的偏差，從而減少報警。

適用狀態：對批量小、工藝要求具有特殊性的產品能起到良好的效果。這種控制形式簡單方便，比較容易理解。

智能品管：原則：以本模具號記錄的數據庫為基礎，建立壓射數據的概率分布規律，輸入的數據為抽檢率（或報警率）。適用狀態：對批量大、生產周期長，品質管控嚴格等產品的生產方式比較常選用

注意事項：

一般標準壓鑄機不要采用此方法，主要原因是穩定性不好，概率分布比較分散。

如果是實時控制機，由于穩定性較高，則使用此方法比較好。

適用狀態：對批量大、生產周期長，品質管控嚴格等產品的生產方式比較常選用。

當然，必須要清楚，智能品質管制系統僅是產品品質控制眾多環節中的關于工藝參數穩定的一個平臺，只有采用全面的質量管理才能實現產品達到優秀品質的目的。

7 結束語

實時控制壓射系統是由嵌入式控制器、電液伺服閥以及人機界面三部分為主體所組成的閉環電液控制系統。該系統用于壓鑄機上反應靈敏，穩定性和可靠性很高，能提高生產效率和產品的一致性，降低廢品率，節約金屬消耗量，操作過程中不會受到人為條件的影響，有利于延長模具壽命。但實時壓射控制系統中所采用的電液伺服閥，對液壓油的清潔度和粘度的要求較高，必須對液壓油的過濾定期維護檢查。

實時控制技術，迎合了客戶高品質追求的同時考慮經濟可靠的手段。先進的技術必將為客戶帶來實實在在的效益，成為市場環境中的新的競爭優勢。

［1］彭繼慎，任寶棟.基于PLC和觸摸屏技術的壓鑄機控制系統研究［J］.特種鑄造及有色合金，2006，26（3）：154-155.

［2］姜國定，葉景樓.壓鑄機工控機控制系統設計［J］.特種鑄造及有色合金，2002，22（5）：118-119.

［3］W.Brugger.用于壓鑄機的CNC-計算機化數控-自動控制-與監控系統（二）［J］.特種鑄造及有色合金，1990，20（6）：40-43.

［4］ALLCHIN T.Quality assurance with modern CNC die casting systems［J］.Die Casting Engineer，1988，32（5）：20-23.

［5］宋才飛，王益志.壓鑄機實時壓射控制系統對鑄件質量的影響［J］.特種鑄造及有色合金，2001（5）：43-46.