实时控制压铸机的技术优势及应用*

张新华，孔晓武

（1.广东伊之密精密机械股份有限公司，广东 顺德 528306；2.浙江大学流体传动及控制国家重点实验室，浙江 杭州 310027）

1 压铸机控制系统的简介

压铸机控制系统从硬件构成上分，目前主要有如下三种方案。

第一种配置是基于高性能PLC及触摸屏的解决方案[1]。这是目前国内普遍采用的压铸机开环控制系统。但由于PLC的采样率低，不能精确检测压射过程的速度和增压工艺数据，无法实现大量数据的分析和处理（见图1）。

第二种配置是工控机（PC机）及数据采集卡的通用解决方案[2-4]。工控机具有充足的存储空间和强大的数据采集处理能力。但是工控机作为通用计算机器件，在Windows操作系统平台上，由于引入多线程、动态链接库及ActiveX技术，其文件管理系统脆弱，系统易受病毒干扰，开发软件与资源冲突等造成死机，使整个系统运行效率和可靠性低，对随机断电比较敏感，启动速度太慢（见图2）。

第三种配置是基于嵌入式技术开发的专用的压铸机压射数据采集和分析模块。这种方案的优点是硬件的可靠性高，能适应压铸工业现场较为恶劣的工作环境。基于C语言编制的数据采集、存储和分析处理软件能实现各种复杂的功能（见图3）。本文主要针对此种配置展开应用研究。

图1 开环配置

图2 工控机&采集卡配置

图3 嵌入式技术配置

2 嵌入式实时压射控制的工作原理

嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并软硬件可裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。它一般由嵌入式处理器，外围硬件设备，嵌入式操作系统以及用户的应用程序四个部分组成，用于实现对其他设备的控制、监视或管理等功能。

嵌入式控制器本身把具有实时闭环反馈的功能嵌入到整个系统内部，完成特定的控制要求。如图3所示，压射过程中，速度很快，时间很短，管路及压射缸内油流量变化非常大，其引起的冲量变化也很大，所以控制系统必须做到快响应和实时。嵌入式实时控制器根据用户设定的压射速度，再根据反馈回来的信号，进行综合算法处理，控制高响应大流量伺服阀系统的流量大小，使输出实时达到参数设定输入要求。

压射系统电液原理如图4所示。电液伺服阀②置于压射缸⑦的出口。压射缸入口采用逻辑插装阀③和④，但不进行节流控制。压射缸活塞前后压力传感器⑨对压力参数实时采集。采用高精度非接触式的磁栅尺⑩对压射位置进行检测。由于伺服阀频响较高，嵌入式控制器可以在压射过程中对压射的速度实现实时连续闭环控制，实现对任意压射速度曲线的快速平稳跟踪。提高了压射系统的准确性和稳定性，使得压射系统能够满足任意压射工艺曲线的要求。

图4 压铸工艺参数闭环调节的电液系统原理图

3 技术特点和参数

嵌入式实时控制压铸机的技术特点：

（1）采用嵌入式微处理器实现的实时控制模块对射料过程进行高速数据采样和实时闭环控制；

（2）整机控制由PLC与嵌入式实时控制单元共同完成，人机界面采用WCINCE嵌入式平台；

（3）具备精确的曲线显示、操作、测量、保存、查询功能；

（4）具备压射工艺参数的自动识别、存储、统计分析、超差和智能报警功能；

（5）具有10段慢速速度和位置的设定功能，各段速度采用线性差值平滑过渡；

（6）具有实时刹车功能，减少飞边，提高模具寿命；

（7）超大的存储空间和随意的断电保护功能；

（8）维修和装配简单方便，不需要复杂的专业知识。

嵌入式实时控制压铸机的技术参数：

（1）慢速速度和位置分段数为10段；可以任意使用多段；

（2）最低压射慢压射速度≤0.05 m/s；

（3）最高快压射速度≥8 m/s；

（4）增压建压时间≤15 ms（以机型不同有差别）；

（5）快压射速度稳态精度≤0.2 m/s；

（6）慢压射速度到快压射速度的转换时间≤15 ms（以0.5 m/s～5 m/s范围）；

（7）具有匀加速功能（可根据设定选择是否使用）。

4 嵌入式实时控制系统的应用优势

稳定性和重复性（即降低铸件的废品率）——压铸机的先进性主要体现在生产过程中的稳定性和可再现性，即每次压射尽可能接近预先设定的理想的压射曲线。在压铸过程中存在很多变量影响压铸过程的稳定性，如：在充型过程中，压室中的金属量、冲头运行时所受的阻力、模具温度等对压射的压力和速度产生影响，而这两方面又是影响充型条件最为重要的参数。人为因素所引起的变量(如储能压力、涂料的喷涂质量、人为设定的参数、环境温度对压力的影响、电源电源的波动等等)，也需要系统进行修正[5]。

可靠性（即实现专家级生产）——实时控制机具有对整个压射过程实施闭环控制，保证了外界和人为对压射过程的影响；也就是说同传统的压铸机相比，实时控制机已不再是完全被动地进行控制，它能够“主动”地适应外部条件的变化，对控制的参数进行自动跟踪和调整，保证了产品的可靠性，并大大降低了操作工的劳动强度。

可视性和灵活性（即操作简单易学）——曲线显示以及对曲线的功能性操作非常强大，具有通过曲线和特征值的两种状态下显示，直接反映出机器的稳定性和产品压射数据的稳定性，通过不同的形式可以反映出产品在生产过程中的变化和自动修正，满足自动化生产的需求；参数的设定和操作直观、方便，可以根据铸件的需要，灵活地调节压射过程。

对品质的控制和生产的控制（即控制质量提高效率）——针对10个或更多的特征值显示，通过统计学的方法，对产品压射数据进行概率分析，经与标准数据（合格产品的工艺数据）进行比较后，能够判断产品的品质优劣，进而提高产品的可重复性，降低工件的废品率。

对工艺参数的优化（即提高竞争力）——当更多的产品被生产出来后，系统将记录下越来越准确的概率分布，特别是对10个特征值的概率分布图，分析工艺参数的状态，进一步优化工艺数据。

对模具和机器的寿命提高（延长模具寿命）——采用实时控制后，由于外界因素对压射过程的影响降到最低，所以对提高生产的效率有很大的提高；采用压射后的减速功能，可以节省铝液的消耗（减少了飞边），降低能源的消耗；延长模具的寿命；由于机器稳定性的提高，可以提高机器的生产自动化程度。

对产品的追溯性和及时调整（调整灵活）——采用大容量存储卡保存射料过程的数据，可以对产品的质量进行追溯；通过对实时数据的对比，及时发现工艺参数的偏离状态而进行调整，避免不合格产品大量产生。

5 实时控制曲线显示与分析

简洁的压射工艺设定画面和清晰的曲线显示画面如图5、图6所示。

图5 压射设定画面

图6 曲线显示画面

曲线显示画面最多可以显示6条以上的曲线，能够满足显示、研究的需要，压射列表中可以以数据形式显示所有特征值。通过曲线可以观察压射过程是否正常、可以优化工艺、合理快速设定工艺参数等。例如：增压触发的压力或位置设定、刹车位置设定、慢速冲击问题的调整等。通过对压力曲线的分析可以有效地判断压射条件是否合理以及压铸件的好坏。例如：入口压力在快速开始如果下降过多则储能压力不合理、出口压力在刹车时没有变化则表明刹车效果不理想、等效压力不正常则说明压力传感器有问题等。

6 智能在线品质管控

智能在线品质系统是在曲线显示过程中采用统计概率学的概念，对检测的数据通过与标准数据对比进行判断分析，从而确定出产品的缺陷，提醒给操作人员注意压射参数的变化，及时调整避免扩大范围。设定画面见图7。

图7 智能品管界面

偏差控制：原则：以标准值为基础，输入的数据为标准值的正负偏离大小；适用状态：对批量小、工艺要求具有特殊性的产品能起到良好的效果。这种控制形式简单方便，比较容易理解。

注意事项：

一般的标准压铸机采用入油口控制，因此压射过程的稳定性较差。所以偏差控制数据设定时，一定要将偏差偏大设定，或者通过查阅“压射列表”中的连续压射数据作为基础，分析6个特征值的偏差大致范围。

如果是实时控制机，由于稳定性较高，则可以将偏差设定的严格一些。

根据产品对质量的要求进行设定，例如：有些产品对某几个特征值要求不是很高，则可以设定为0，不判断或设定较大的偏差，从而减少报警。

适用状态：对批量小、工艺要求具有特殊性的产品能起到良好的效果。这种控制形式简单方便，比较容易理解。

智能品管：原则：以本模具号记录的数据库为基础，建立压射数据的概率分布规律，输入的数据为抽检率（或报警率）。适用状态：对批量大、生产周期长，品质管控严格等产品的生产方式比较常选用

注意事项：

一般标准压铸机不要采用此方法，主要原因是稳定性不好，概率分布比较分散。

如果是实时控制机，由于稳定性较高，则使用此方法比较好。

适用状态：对批量大、生产周期长，品质管控严格等产品的生产方式比较常选用。

当然，必须要清楚，智能品质管制系统仅是产品品质控制众多环节中的关于工艺参数稳定的一个平台，只有采用全面的质量管理才能实现产品达到优秀品质的目的。

7 结束语

实时控制压射系统是由嵌入式控制器、电液伺服阀以及人机界面三部分为主体所组成的闭环电液控制系统。该系统用于压铸机上反应灵敏，稳定性和可靠性很高，能提高生产效率和产品的一致性，降低废品率，节约金属消耗量，操作过程中不会受到人为条件的影响，有利于延长模具寿命。但实时压射控制系统中所采用的电液伺服阀，对液压油的清洁度和粘度的要求较高，必须对液压油的过滤定期维护检查。

实时控制技术，迎合了客户高品质追求的同时考虑经济可靠的手段。先进的技术必将为客户带来实实在在的效益，成为市场环境中的新的竞争优势。

［1］彭继慎，任宝栋.基于PLC和触摸屏技术的压铸机控制系统研究［J］.特种铸造及有色合金，2006，26（3）：154-155.

［2］姜国定，叶景楼.压铸机工控机控制系统设计［J］.特种铸造及有色合金，2002，22（5）：118-119.

［3］W.Brugger.用于压铸机的CNC-计算机化数控-自动控制-与监控系统（二）［J］.特种铸造及有色合金，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］宋才飞，王益志.压铸机实时压射控制系统对铸件质量的影响［J］.特种铸造及有色合金，2001（5）：43-46.