伺服倾转式自动浇注机电气控制系统的研究

华北电力大学（保定）
硕士学位论文
伺服倾转式自动浇注机电气控制系统的研究
姓名：曾重
申请学位级别：硕士
专业：电气工程
指导教师：颜湘武
2011-05
华北电力大学硕士学位论文
摘要
铸造是获得机械产品毛坯——铸件的主要工艺，也是机械装备制造业生产的重要基础环节。

提高浇注的自动化程度，是实现高精度、高品质铸件生产的技术保证，还是铸造工人从繁重的体力劳动和恶劣的生产环境中解脱出来的重要技术手段。

本课题采用激光定位、超声波液位测量技术、先进伺服驱动技术以及人工示教方法，通过工业可编程序控制器（PLC）数字化平台，实现了自动瞄准浇口杯，自动检测铁水液面变化，模拟人工示教方法自动完成浇注。

在线参数修正技术，实时补偿浇注包因铁水高温长时侵蚀挂渣所导致的浇注状态的变化，进一步提高了倾转式自动浇注机控制的精确度，改善了自动浇注机的性能。

关键词：伺服控制系统；传感器；人工示教；瞄准；自动浇注
Abstract （Times New Roman 小5号字）
Abstract
The founding is a principal technique and a importantly radical link of machine equipment building , by which embryo of machine product—the foundry is made. Heightening automation of pouring is a technical guarantee by which the producing foundry is assured with high accuracy and quality, which is still the important technical mean to free workers from strenuous manual labor and disgusting circumstances. There are technologies of locating with laser which takes aim at the poured cap automatically, of measuring the high degree of iron liquid in the pouring container with supersonic, of advanced servomechanism driving and of artificial teaching through manual work by imitating which the auto-making pouring is completed, by digital intermediary of Programmable Logic Controller in my thesis. Though the state of pouring has been changing for the pouring container corroded by high temperature iron liquid, the changing parameters of pouring are compensated at real time by the technology of parameters modified online, which further enhanced the control accuracy to the tilting type auto-pouring machine , improved its function.
Keywords: Servomechanism driving system； Sensor；Artificial teaching；Take aim at；Auto-pouring
华北电力大学硕士学位论文原创性声明
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本声明的法律结果将完全由本人承担。

作者签名：日期：年月日华北电力大学硕士学位论文使用授权书
《伺服倾转式自动浇注机电气控制系统的研究》系本人在华北电力大学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。

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作者签名：日期：年月日
导师签名：日期：年月日
第1章绪论
1.1 课题背景及研究的目的和意义
铸造生产是机械制造工业和装备制造业的重要基础环节，它在国民经济中占有举足轻重的位置。

在许多机械设备中，铸件重量占整机重量的比例相当高，如内燃机80%，拖拉机70～80%，液压件、泵类机械70～90%。

作为我国经济支柱产业——正在大力发展的汽车工业，其心脏部分—发动机的零件，几乎全部由铸造生产而成。

另外，冶金、矿山、电站等重大关键设备无一例外都需求优质的大型和超大型铸件。

我国从2000年起，铸件产量就已达到年产1700万吨，开始位居全球首位。

2008年我国的铸件产量已达到了2600万吨，成为世界铸造生产基地。

随着中国加入WTO和经济全球化的影响，以及中国装备制造业技术水平的进步，我国机械制造行业基础环节之一的铸造行业的机械自动化装备的水平和数量，在近几年有很大发展，越来越多的铸造工厂采用了自动化高速造型生产线。

原来依靠大量人工的低精度低效率的铸件生产方式得到了很大的改善。

但在这些自动化铸造工厂中一个非常重要的工序之一—铁水浇注环节，却仍采用人工浇注的方式。

尽管有些经济实力较强的工厂采用了自动浇注设备，但大多数是从国外引进的，价格非常昂贵（一般价格在人民币200～500万）。

目前，国产全自动化，控制准确，可靠性高的自动浇注设备仍有待于研发。

1.2 铸造生产线及浇注机基本类型、特点和适用范围
铸造是生产获得具有一定形状尺寸的成型金属制品或零件的工艺方法和过程，铸造工艺流程图如图1-1所示。

一、铸造的生产过程一般分为三个基本环节：
第一个基本环节是产生高温液态的金属液体，即固态金属转变为液态
金属的过程，也称为金属熔化，其最典型的设备是冲天炉和电炉，如图1-2和图1-3所示。

第二个基本环节是将散状砂子按一定形状的模子制成具有一定内腔形状的模型，即造型。

所造模型用来容纳或包容金属液体，使之成型凝固，并能抵抗金属液体高温而保持内腔形状不变的模型物体，也称为溶模。

溶摸物体是金属的称为金属模；溶模物体是由耐高温的砂子构成的模型，称为砂模或砂型。

造型由人工方式完成称为人工造型；造型由自动化设备完成，称为自动造型；由一系列设备完成造型的叫造型生产线。

第三个基本环节是将金属液体注入到溶模物体内腔中的过程，称为浇注。

浇注由人工完成，称为人工浇注；浇注由自动化设备完成，称为自动浇注。

图1-1 铸造工艺流程
送风管水冷炉排
增热前炉
炉身
陶瓷球床
燃气嘴
虹吸出铁口图1-2冲天炉
图1-3 电炉
二、自动铸造生产线
用粘土砂（由沙子、粘土和煤粉按一定比例混合）来完成造型、浇注、成型的型砂铸造方式是最古老、最经济、最广泛、铸造产量所占比例最大的铸造工艺。

由一系列设备按自动顺序完成溶化、造型、浇注、冷却成型、型砂铸件分离、型砂循环准备的系统，称为自动铸造生产线。

粘土砂铸造生产线大致分为两类：一类是以丹麦迪沙公司为代表发明制造的高速垂直无箱造型线，其历经50年的不断技术进步和更新换代，从当初的200型/小时生产率提高到现在的550型/小时；第二类是以德国KW 公司和日本新东公司为代表的水平分型有箱和脱模的水平生产线，其生产率从当初的60型/小时发展到现在的160型/小时。

三、自动浇注机
在铸造行业使用的自动浇注机，按铁水流出方式可大致分为两类：一类是铁水流经耐火塞杆和塞杯的环型沟隙，从浇注包底部流出，并浇注到砂型的底注式自动浇注机如图1-4所示；另一类是铁水流出方式与手工浇包相似，但铁水浇包倾转方式为自动机械电气控制的自动化倾转式浇注机如图1-5所示。

底注式大多应用于生产率在200～400型/小时的高速垂直无箱
式自动铸造生产线如图1-6所示。

倾转式自动浇注机实物如图1-7所示，大多应用于生产率在100～150型/小时，单型铁水用量范围30～150kg的水平式自动铸造生产线如图1-8所示。

图1-4 底注式自动浇注机
图1-5 倾转式自动浇注机
图1-6 底注式自动浇注机应用于垂直无箱造型线
图1-7 倾转式自动浇注机实物
图1-8 倾转式自动浇注机应用水平有箱造型线
1.3 自动倾转式浇注机国内外研究的动态和发展趋势
铸造用自动倾转式浇注机的研究和制造是一个多学科汇合交叉的课题，内容涉及自动化技术、电力电子、测控、工业计算机控制、伺服技术、信息通信与处理、机械、液压、人工智能、铸造工艺等多个学科领域。

其中先进的伺服技术、传感器技术、信号和信息处理分析技术、人工智能控制技术，以及这些技术在铸造工厂比较恶劣的环境下可靠应用的相关实验和修正都面临许多需要解决的问题。

国外铸造装备的发展趋势归纳起来有四方面的特点：第一减少用人或无人化生产；第二保护环境以至消除污染；第三集约化、集成化大批量生产；第四降低生产成本。

发达国家铸造装备普遍实现了机械化、自动化、智能化(计算机控制、机器人操作)。

具体来说，倾转式自动浇注机控制技术有以下几个发展趋势：
（1）具有人示教工功能。

针对某一个铸件的最初自动浇注参数，如倾转的角度，倾转后停顿的时间，停止浇注时浇包反向倾转的角度等，可以通过操作工人手工操作浇注一包铁水，由PLC及计算机记忆储存人工浇注逐次操作的各项参数。

当采用自动控制式浇注时，浇注机即可按人工示教的各项运动参数，自动重复完成一包铁水浇注过程。

（2）具有人工智能。

根据某一铸件的主要工艺参数（例如：浇注温度、浇注时间、每一铸型的浇注铁水量等），通过计算机按储存的计算模式，计算出每一包铁水逐次浇注的各种控制参数。

在自动浇注方式下，浇注机按照计算得出的各种控制参数，自动完成一包铁水的自动浇注过程。

（3）具有浇注参数在线修正功能。

当浇注机自动进行浇注时，操作人员可根据观察到的浇注情况，实时的进行增量或减量程度的修正。

当需要存储时，计算机系统可根据增量或减量参数，在线修正原存储的对应的浇注参数并存储。

在下一包铁水自动浇注时，按修改后参数自动完成浇注过程。

当不需储存时，当次的修正参数不影响下次的自动控制。

（4）在砂型运动方向上，自动对准浇口杯的功能。

各水平式自动生产线由于制造厂家的不同，其浇口杯的停止位置，有的固定不变，而有的生产线是在小范围内变化的，因而要求自动浇注机具有自动调节瞄准浇口杯后，再开始浇注的功能。

手动调整浇注机对准浇口杯，对低速生产线是可以的。

但对高速浇注铁水量较大的生产线，则会降低生产率。

如何在较短的时间里检测浇口杯的位置变化，并使浇注机的出铁水口对准浇口杯？选择什么种类的检测传感器？即能适合检测表面比较粗糙呈黑色的砂型，又能在距离铁水较近、温度较高、尘气较多的环境下，性能可靠，响应速度
满足要求，这些问题都有待通过研究和实验解决。

（5）具有随流孕育功能。

为了满足生产高性能铸件的目的，要求在铁水浇注过程中，适量的随着铁水浇注，随流添加一定的合金材料。

其加入量对每一种铸件产品是不同的。

因此要求浇注机能根据不同的产品，自动地添加，并测量加入合金材料的量。

（6）具有按铸造产品的编号和名称，将浇注工艺参数进行存储并调出使用的功能。

（7）具有多维直线和旋转伺服控制功能。

水平线上生产的铸造产品，每型浇注的铁水量相差较大（针对品种而言）。

当浇注的铁水重量超过50 kg/每型时，为了保证均匀浇注和浇包的出水口始终对准浇口杯，就需在浇包连续倾转的过程中，浇包出铁口的高度和位置随之自动调整，这样才能保证铸造生产有更高的成品率。

（8）更先进的自动浇注机可以对浇口杯中铁水充盈状态进行实时检测并自动调节，以保证在整个浇注中，铁水在浇口杯中的充盈状态稳定。

这样可以避免铁水在浇注包中流出的速度太快，而导致铁水溢出现象。

也可以避免由于出铁水速度太慢而造成浇口杯充盈不满而卷入空气，产生气孔的缺陷。

实现此过程和状态检测方法，一种是摄像传感器；另一种是最先进的线激光传感器。

但目前这两种传感器在市场并无现成产品可以购买，都是浇注制造商二次开发的专门技术产品。

我国铸造行业虽然在五年前就成为世界第一生产大国，但与发达国家相比，在质量、效率、能源与材料消耗、劳动条件与环境保护等方面都存在差距。

其原因之一就是我国铸造行业的机械化、自动化、信息化水平低，所采用的技术装备落后。

大量采用人工浇注生产就是一个典型方面。

目前，国外铸造工厂90%以上的水平式生产线都是采用自动浇注机来完成，而国内工厂95%以上是采用手工方式来浇注。

1.4 本文研究的主要工作
正是由于国内目前对铸造用自动浇注机的研究和制造相对国外已有的较成熟技术相比，仍处于刚刚起步阶段。

本课题在收集和分析国外倾转浇注机的技术和控制原理的基础上，研究并设计伺服控制倾转式自动浇注机的电气控制系统，为开发和研制经济、实用、可靠的自动倾转浇注机创造条件。

本文主要工作如下：
（1）研究浇注机实现自动化的关键技术，设计伺服倾转浇注机电气控制系统方案。

（2）采用高可靠性的PLC编程，构建了人工示教自动浇注的控制平台，实现人工示教过程中各项浇注参数（如倾转角度和角速度、停顿时间、反向倾转角度、浇包内液位高度等）的自动采集、存储；并结合铸件自动浇注的实际情形在线修正浇注参数。

（3）通过PLC控制平台自动采集并存储人工逐次操作浇注一包铁水的各项参数，伺服倾转浇注机即可按人工示教的各项运动参数自动重复完成一包铁水浇注过程，实现伺服倾转浇注机人工示教自动浇注功能。

（4）通过比较论证，选取两种精确度高、性价比高、适应浇注现场环境的传感器，用于瞄准浇口杯、测量浇包中铁水液位。

第2章自动浇注机电气控制方案设计
在铸件的生产过程中，如何提高生产效率和成品率，降低能源与材料消耗，改善工作环境和降低工人的劳动强度，实现伺服倾转浇注机全过程的自动控制是本课题主要目标。

2.1 自动浇注机方案的比较
2.1.1 早期人工浇注
早期浇注机主要以机械化方式进行驱动和运行。

浇包的浇口嘴瞄准砂型浇口杯是以操作者操纵减速器及电机，驱动浇注机行走台车，以目测方式来完成。

往往出现一次对不准而需要重复瞄准的现象，降低生产率。

浇包旋转驱动大多采用液压油缸驱动方式，由操作者以目测方式进行操作控制。

此种旋转控制方式往往出现浇注流量不稳定，而产生欠浇和过浇，溢出铁水现象，导致铸件成品率下降和浪费铁水的结果。

2.1.2 自动浇注机的工作方式
针对早期人工浇注的不足之处，采用浇注机电气自动控制改善了浇口杯瞄准的准确度和浇包旋转的精确度。

通常自动浇注机的工作过程可分为两种形态，一种是定点自动浇注，另一种是浇注机行走自动瞄准浇注。

一、定点自动浇注
定点自动浇注是指浇注机静止不动，即不移动浇注机的整体位置，而铸造造型线按自动程序连续完成自动造型过程。

在这种状态下，放置需要浇注砂型的运载小车，依次行走通过浇注机。

当一个未浇注的砂型小车移动到浇注机浇口下方停止时，已对准砂型浇口杯的浇注机随即启动自动浇注程序，完成对该砂型的自动浇注控制。

当浇注机未完成浇注时，会持续向铸造造型线发一个联锁指示信号，使造型线只执行自动浇注工序，而不执行砂型运载小车移动行走
动作程序。

当浇注机完成浇注后，联锁信号解除，造型线执行推送指令，使已浇注砂型小车向前移动行走，下一个未浇注砂型小车移动一个小车节距至浇注机浇口下方停止。

如此连续运行，即完成了浇注机配合自动造型线的连续自动浇注。

当一包铁水依次连续工作，接近浇空铁水时，浇注机会向造型线发出换包停止运载小车移动信号，并控制铁水浇包反向旋转到水平换包位置。

当换上一个新的注满铁水的浇注包并旋转到起始浇注角度位置后，向造型线发出连续运行工作信号。

二、浇注机行走自动瞄准
浇注机行走自动瞄准浇注方式是指造型线已造出一行连续需浇注的砂型后，停止造型。

而浇注机从一行运载小车的一端向另一端逐次对砂型完成自动浇注。

在此形情下，首先选定浇注行走方向，并手动将浇注机浇口对准第一个未浇注砂型的浇口杯，启动自动瞄准浇注程序，进行浇注；浇注机完成对一个砂型的自动浇注后，向选定的行走方向自动移动，搜索到下一个砂型后，再次启动自动瞄准程序；在瞄准好未浇注砂型的浇口杯后，浇注机停止行走，随即执行自动浇注。

如此连续运行，即完成浇注机对一行需浇注砂型的连续自动瞄准浇注。

当瞄准自动浇注需停止时，将连续运行状态选为单次运行状态（双位旋钮），浇注机完成当前自动浇注过程停止，不再执行下一个砂型的瞄准和浇注。

2.2 伺服倾转式自动浇注机的基本功能
为了实现伺服倾转式自动浇注机全过程的自动控制功能，其电气控制系统将采用中央可编程序控制器（PLC）作为核心部件，配以耐高温、高可靠性的传感测量单元，以及精确的伺服驱动单元，构成伺服倾转式自动浇注机电气控制系统，实现以下六项基本功能。

（1）采用伺服控制电机驱动实现铁水浇注时浇包旋转运动控制。

通过伺服电机驱动系统和PLC连接构成一个精确的角速度和角位置检测及旋转运动执行控制系统，针对浇注机浇包旋转控制的特点和需要，实现浇注机浇包重复旋转的精确控制]1[。

（2）实现浇注机对准浇口杯的移动控制。

为了在浇注机的运动中实现对浇
口杯的精确对准或瞄准，需要对电机加速和减速及停止状态进行有效的控制，故本方案选择中央PLC控制变频器，进而变频器控制大车电机的控制方案，由变频器和大车移动电机来完成浇注机对准浇口杯控制。

（3）浇口杯的位置检测和瞄准。

本方案采用点激光测距传感器，模数转换器（A/D）模块，以及PLC连接组成瞄准浇口杯的自动检测环节，通过所设计的自动瞄准控制程序实现浇注机自动瞄准浇口杯的检测功能。

（4）浇包铁水液面的变化检测。

由于浇注机浇包逐次进行自动浇注，每浇完一个砂型结束浇注需反向旋转，使铁水液面低于浇包出铁水口拦坝一定高度差，而这个高度差尺寸稳定不变，对下一个砂型的稳定浇注关系很大。

所以需要对浇包铁水的液面高度进行检测和控制。

浇包铁水液面的变化检测采用响应速度比较快，由压缩空气冷却的超声波传感器，以克服铁水高温辐射对传感器性能产生的影响。

（5）人工示教执行指令的传感与检测。

在电气操作台上，若人工示教的执行装置采用与人工浇注铁水包尺寸一样的示教执行装置，将即不方便也占用空间。

本方案选择采用比例角度控制器（手柄推拉电位器）执行装置，来模拟人工操作浇包转动浇注的动作过程。

以向前推动手柄的角度和角速度，来模拟人工浇注铁水的位置和动作速度；以停止和向后拉动手柄，来模拟人工停止浇注，并反向转动浇包的动作和过程。

其人工模拟的角度和角速度以及停顿时间，通过A/D模块向中央PLC传递示教参数。

（6）伺服倾转式自动浇注机控制参数在线修正功能。

为了在自动浇注过程中实现对参数的在线调整，本方案采用三个双向复位旋转按钮，通过分别控制按钮闭合时间的长短，按一定系数关系对增量脉冲数和减量脉冲数来修正浇包旋转角度、角速度、浇注停顿时间三个参数。

2.3 伺服倾转式自动浇注机电气控制系统
为了达到上述功能，伺服倾转式自动浇注机电气控制系统原理框图设计如图2-1所示。

图2-1 倾转式浇注机电气原理框图
2.3.1 电气控制系统的工作过程
一、电气控制系统根据功能和控制需要由以下几个部分组成：
1）中央PLC及其控制程序；
2）触摸屏及其菜单画面程序；
3）浇注机人工示教执行器；
4）浇注机浇包旋转、角位置伺服驱动控制单元；
5）铁水液位检测及控制单元；
6）浇口杯激光检测传感及控制单元；
7）手动/自动方式选择按钮、实时修正增减量脉冲旋钮与触摸屏构成操作台控制部分；
8）变频器及电机构成浇注机台车行走控制部分；
9）资料打印输出设备部分。

二、电气控制系统的工作过程
1）人工示教
当电气控制系统执行人工示教动作时，示教操作者操纵比例角度控制器手柄，控制伺服电机驱动浇包旋转进行示教浇注砂型。

PLC对示教过程中的浇包伺服驱动的起始角度、旋转角速度、停顿浇注角度位置、停顿时间长短、反向旋转角度及反向旋转角度位置等一系列过程参数进行数据读取和存储，形成人工示教控制参数数据。

2）自动浇注及在线参数修正
当进行自动浇注时，PLC通过自动浇注执行程序将人工示教控制参数调出，由伺服电机驱动浇注机浇包完成人工浇注的示教过程。

同时操纵者在浇注机自动执行示教浇注的过程中，根据目测观察到的浇注情况，对各种浇注运动相关参数进行脉冲增量和减量实时修正。

PLC在浇注过程中不断对增减量脉冲进行采样读取，形成新的修正过的人工示教自动浇注参数数据并进行存储。

当下次进行自动浇注时，程序按新形成的示教修正浇注控制数据，执行自动浇注过程。

经过几次修正自动浇注过程，形成浇注效果满意的自动浇注程序参数数据，并按产品的规格编号存储到铸件产品自动浇注参数数据库。

以备再次生产浇注同规格编号产品时，自动浇注机进行调用。

3）瞄准浇口杯
当浇注机执行自动激光瞄准浇口杯的功能时，浇口杯激光测量传感部分将检测数据传送到PLC中，按程序进行分析和判断，并通过变频器和浇注机台车行走控制部分将浇注机的出铁水口准确的停止在对准砂型浇口杯的位置，然后再执行自动倾转浇注控制。

2.4小结
本章通过对系统方案的比较和功能的论证，提出采用激光传感器瞄准浇口杯，超声波传感测量浇包内铁水的液位，中央PLC综合平台控制，构成伺服倾转式自动浇注机的电气控制系统，浇注机具备自动瞄准浇口杯、自动浇注，完成人工示教以及在线参数修正等功能。