（机械电子工程专业论文）压铸机实时控制压射系统的研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 压铸机是加工外形复杂的合金铸件的重要设备。压铸机压射过程中速度和压力的 实时控制对提高铸件的质量和精度有着至关重要的作用，为此，对现有的基于开关阀 控制的压铸机压射系统进行改型设计，研制出速度、压力可以连续精确控制的电液比 例控制压射系统已提上了我国压铸机制造厂家的议事日程。 本文首先对压铸机实时控制压射系统进行了方案设计，其中包括压射系统液压回 路的设计、控制方案的确定及其硬件的选型和软件框架设计。压射过程是一个高速高 压的过程，要求控制阀响应时间快，传感器堕应时问短和测试精度高，采集卡采样频 率高，同时还要求软件实时性好。 文中对压铸机压射系统的电液控制原理进行了阐述。为了对实时控制压射系统性 能有一个较为深入和直观的了解和分析，本文利用m a t l a b 和s i m u l i n k 工具箱对 压射速度控制系统和压力控制系统进行建模、仿真和分析，得到了系统在常规p i d 控 制器作用下对不同控制信号的响应曲线和特性参数，定量地分析了系统的动态指标。 为了进一步改善速度控制系统的性能，寻求较优的控制策略，本文利用m a t l a b 模糊逻辑工具箱设计了一个常规模糊控制器和一个自适应模糊p i d 控制器，分别得到 了系统的动态响应曲线，并与已设计良好的常规p i d 控制的响应曲线进行了动态特性 的对比分析。常规模糊控制器在控制效果上与设计良好的p i d 控制器接近，但鲁棒性 更好；自适应模糊p i d 控制器在各方面性能上都优于常规p i d 控制器。 电液比例实日_ j 控制的压铸机压射系统在国内尚处于丌发研制阶段，本文的研究工 作对围产压铸机的升级换代，提高整机性能有工程实际意义。 关键词：压铸机压射系统电液比例控制建模 仿真 动态特性控制策略 自适应模糊p i d 控制 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t d i e - c a s t i n gm a c h i n ei st h ei m p o r t a n te q u i p m e n tu s e dt op r o c e s sa l l o yc a s t i n g sw i t h c o m p l e xs h a p e s r e a l t i m ev e l o c i t yc o n t r o la n dp r e s s u r ec o n t r o ld u r i n gi n j e c t i o np r o c e s so f d i e c a s t i n gm a c h i n ei sc r u c i a lt oo b t a i ng o o dq u a n t i t ya n dh i g ha c c u r a c y f o rt h i sp u r p o s e ， c o m m o nv a l v ea n dl o g i c a lc o n t r o lb a s e di n j e c t i o ns y s t e mi sr e f o r m e dt ob eap r e f e r a b l e e l e c t r o h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a lc o n t r o ls y s t e mi nw h i c hv e l o c i t ya n dp r e s s u r ecanb ew e l l c o n t r o l l e d f i r s t l y , t h eb l u ep r i n to fi n j e c t i o ns y s t e mo fd i e c a s t i n g ，w h i c hi n c l u d e sh y d r a u l i cc i r c l e d e s i g n ，c o n t r o ls c h e m ed e s i g n ，h a r d w a r ec h o o s e ，s o f t w a r es t r u c t u r ed e s i g n ，i sp r e s e n t e d t h ef a c tt h a tt h ei n j e c t i o np r o c e s si sa p r o c e s sw i t hh i g hs p e e da n dh i g hp r e s s u r er e q u i r e s t h ec o n t r o lv a l v e sa n ds e n s o r st oh a v er a p i dr e s p o n s ea n df i n ep r e c i s i o n ，s a m p l i n gp l a t et o h a sh i g hs a m p l i n gf k q u e n c y ，c o n t r o ls o f t w a r et oh a sb e t t e rr e a l t i m ep r o p e r t y i nt h i sp a p e lt h ep r i n c i p l eo fi n j e c t i o ns y s t e mo fd i e c a s t i n gm a c h i n eb a s e do n e l e c t r o h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a lc o n t r o li si n t r o d u c e di nd e t m l ：i no r d e rt og e tai n - d e p t ha n d v i s u a lu n d e r s t a n d i n go ft h ep e r f o r m a n c eo fr e a l t i m ec o n t r o l l e di n j e c t i o ns y s t e m ，m t a l b a n di t ss i m u l i n kt o o l b o xi su s e dt ob u i l dm o d e l ，s i m u l a t ea n da n a l y z ef o rv e l o c i t y c o n t r o ls y s t e ma n dp r e s s u r ec o n t r o ls y s t e mo fi n j e c t i o np r o c e s s a sr e s u l t ，r e s p o n s ec u r v e s a n dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r s ，w h i c hr o u n d l yr e p r e s e n tt h es y s t e mp e r f o r m a n c e ， a r eo b t a i n e du n d e rv a r i o u sc o n t r o ls i g n a l sd u r i n gc o m m o np i dc o n t r 0 1 t oo p t i m i z et h ep e r f o r m a n c eo fv e l o c i t yc o n t r o ls y s t e m ，ac o m m o nf u z z yc o n t r o l l e r a n da na d a p t i v ef u z z yp i dc o n t r o l l e ra r ed e s i g n e db ym a t l a bf u z z yl o g i ct o o l b o x a n d r e s p o n s ec u r v e su n d e rs u c ht w oc o n t r o l l e r s ，w h i c ha r eu s e dt oa n a l y z et h ed y n a m i c c h a r a c t e r i s t i co ft h es y s t e m ，a r eo b t a i n e d c o m p a r e dt ot h er e s p o n s ec u r v eu n d e rt h e w e l l d e s i g n e dc o m m o np i dc o n t r o l l e r , t h a tu n d e rt h ec o m m o nf u z z yc o n t r o l l e ri ss i m i l a rt o i tb u tm o r er o b u s t a n dt h a tu n d e rt h ea d a p t i v ef u z z yp i dc o n t r o l l e rh a sb e t t e rs h a p ew h i c h d e n o t e sm u c hm o r eb e t t e rp e r f o r m a n c eo fs y s t e m s i n c et h ed i e c a s t i n gm a c h i n eb a s e do ne l e c t r o h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a lc o n t r o li ss t i l l u n d e rd e v e l o p m e n t ，t h es t u d yo ft h i st h e s i sh a sp r a c t i c a lm e a n i n gt ot h eu p g r a d eo f d o m e s t i cd i e - c a s t i n gm a c h i n e k e y w o r d s ：d i e c a s t i n gm a c h i n ei n j e c t i o ns y s t e m e l e c t r o h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a lc o n t r o lm o d e l i n g s i m u l a t i o n d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c c o n t r o ls t r a t e g y a d a p t i v ef u z z yp 1 dc o n t r o l 独刨性声明 本人声明所星交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引，用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对 本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文r l ，以明确方式标明。本 人完全意识到本声叨的法律结果f l _ - i 本人承担。 学位论文作者签名：羽 h i 蓼i , 2 0 h 4 年5 月口日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。木人授权华中科技大学可以将本学位论 文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存和汇编木学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权二悟。 本论文属于 不保密囱。 ( 请在以上方框内打“妒) 学位论文作者签名：于仫、 日期：2 口口牛年萝月i o 日 指导教师龇蜘荔雅 日期：矽。绛3 n o h 华中科技大学硕士学位论文 1 1 概述 1 绪论 压铸机是加工外形复杂的合金铸件的重要设备，在汽车、摩托车、内燃机、电子、 仪表及航空等行业得到广泛的应用，具有十分良好的发展前景“1 。制造业的飞速发展， 对铸件的质量和精度的要求也越来越高，既要求铸件有尺寸准确的内外腔形状又要求 其具有良好的力学性能。这主要取决于如下三个因素啪： ( 1 ) 金属：成分、纯度、熔体及温度； ( 2 ) 压铸模具：模具浇道、浇口、排气口的设计及热力平衡； ( 3 ) 压铸机：主要是压射系统性能。 其中，对压铸机压射系统( 主要指压射参数，即压射速度和压射压力) 的连续实 时控制的研究是关注的焦点。这是大幅度提高压铸机自动化水平和铸件质量与精度的 关键技术之一，是集电液控制技术、传感器技术、信息处理及软件技术于一体的综合 研究，有较大的难度。这正是本课题立项的初衷。 1 1 1 压铸机及其压射系统简介 ( 1 ) 压铸机简介 压力铸造( 简称压铸) 是将熔化的金属，在高压作用f ，高速填充至型( 模) 具 型( 模) 腔内，并使会属在压力下凝固而形成高精度且铸造表面良好的铸件的一种方 法。与其它铸造方法棚比，压力铸造有以下几方面优点。“： ( 1 ) 铸件的尺寸精度高，尺寸偏差小； ( 2 ) 表而光滑，可获得良好的光洁度： ( 3 ) 可以压铸形状复杂的薄壁铸件； ( 4 ) 在压铸中可嵌铸其它材料： ( 5 ) 设计自由度大，可降低后续加工费用： 华中科技大学硕士学位论文 ( 6 ) 生产率高，生产过程易于自动化。 压铸的主要缺点是： ( 1 ) 压铸时由于液体金属在腔内的流动速度极高。通常，液流会包住大量空气最 后以气孔的形式留在铸件中，所以用一般压铸方法得到的铸件，不能进行较多余量的 机械加工。但是，如果压铸时能够对压射压速度进行很好的控制，可以改善甚至解决 这个问题，这也正是对压射系统进行控制的目的之一。 ( 2 ) 对内凹复杂的铸件压铸困难。 ( 3 ) 对于高熔点合金，压铸模具寿命低。 ( 4 ) 因压铸模具制造成本高，压铸机生产效率高，不宜小批量生产。 完成压力铸造的设备就是压铸机。压铸机一般分为热压室压铸机( 又称热室压铸 机) 和冷压室压铸机( 又称冷室压铸机) 两大类”1 。 热室压铸机的压室直接浸在坩埚内合金液中，长期处于被加热状态，压射部件装 在坩埚上方，压铸机每次循环时，不必特意给压室供给合金液。热室压铸机的优点是 生产工序简单，效率高；金属消耗量少；工艺稳定；压入型腔的合金液较干净，铸件 质量较好；合金液压入型腔时流动性好，适于压薄壁件。但是，压室、压射冲头及坩 埚长期浸在合金液中，影响压铸机使用寿命，且对热作件材料要求较高。 冷室压铸机压射时，先由自动定量给料机把合金液注入压射套简内，铸造周期比 热室压铸机要长些。冷室压铸机的特点是：压射压力高，压射速度快，可以生产薄壁 件，电可以是厚壁件，适应范围宽；压铸机可大型化：合金种类更换容易；压铸机的 消耗品比热室压铸机的便宜。 本文的主要研究任务是深圳力劲机械公司现生产的基于开关阀控制的d c c 4 0 0 m 型 【k 镁合金冷室压铸机的压射系统改型没汁。e 工作循环如图卜l 所示”1 。 ( 2 ) 压铸机压射系统简介 压铸机主要由合开模机构、压射系统、液压传动系统、电气控制系统、安全防护 装置h 部分构成。其中，压射系统是最核心的部件，完成将会属液压入型具型腔进 行填充成型的功能。其机械部分主要由压射液压缸组件、压射室、冲头组件、快压射 华中科技大学硕士学位论文 蓄能器组件、增压蓄能器组件等部分组成。它的结构性能及其控制系统对压铸过程中 的压铸压力、压射速度、增压压力和建压时间等起着决定性作用，并直接影响铸件的 力学性能、表面质量和铸件的致密性。 图1 - 1d c c 4 0 0 m 压铸机的工作循环 压射系统的压射过程可以细分为三个阶段。 第一阶段：压射冲头慢速推动金属液，使金属液充满压室前端并堆聚在内浇口前 沿，此阶段可使压室内空气有较充分的时问逸出，并防止金属液从浇口中溅出。 第二阶段：压射冲头快速运动，使会属液快速经浇道填充至型腔。 第三阶段：终压阶段，压射冲头继续移动，压实金属，冲头速度逐渐降为零，转 为压力控制。此阶段必须在机器压射系统有增压机构时才能实现。 压铸机压射系统的实时控制研究都是围绕这三个阶段展_ 丌的：第一阶段主要完成 压刳冲头的慢速控制，第二阶段主要完成压射冲头的快速控制，第三阶段主要要完成 压射腔的增压压力控制。 对于不同的铸件、不同的合金材料，压射曲线和压射参数是不一样的，只有通过 华中科技大学硕士学位论文 多次试验多次分析才能找到较为理想的压射参数和压射曲线。理想压射过程的速度、 位置、压力曲线的大致形状如图卜2 所示。速度曲线由慢速段( 匀加速、匀速) 和快 速段( 匀加速、匀速) 构成。 图1 2理想压射过程的速度、位置、压力曲线 1 1 2 国内外压铸机产品概况 国内压铸机的制造，虽然在改革开放后的短时间内取得了长足的进步，但不论产 量和技术都还远落后于世界先进水平，也满足不了日益发展的各行业生产的需求“1 。 目前，我国比较大的压铸机厂家约有2 0 多家，如：力劲机械有限公司、阜新压铸机 厂、灌南压铸机有限公司、宁波东方压铸机床有限公司、大力士压铸设备制造公司、 天水铸造机械总厂、广州震高机械有限公司、上海压铸机厂、南通压铸机床厂等。 国产压铸机以冷室小型压铸机为主，2 5 0 0 k n 以下的占总量的9 5 ，尤以1 2 5 0 k n 为最多，品种规格不全；自动化程度低，压铸件清理多为手工，很少采用机械化；计 算机在压铸机控制方面应用较少，以低端产品为主；铸件检验手段不够先进；压铸机 外围设备如定量浇注、自动喷涂、自动耿件装置( 机械手) 、模具加热与冷却装置，以 及切边压力机等还未定型生产，主要依赖进口”+ 。 目前世界上具备一定实力的压铸机制造工厂有6 0 家左右，其中有影响的工厂约 1 6 家，如瑞士的柑勒，斯洛伐克的维霍拉特，日本的东芝、宇部、东洋，德国的富来， 意大利的意特、意德拉，美国的王子、h p m 等“。 国外压铸机产品在总体设计，压射系统控制，压铸机外围设备等方面均有领先优 华中科技大学硕士学位论文 势；已经发展到了大型的、先进的数控压铸机阶段。以德国m u l l e rw e i n g a r t e n 公司，推出的g d k 系列大型压铸机为例。该压铸机吨位是2 2 0 0 - 4 4 0 0 吨，具备压铸 参数设定、操作程序预选、状态实时监控、故障自动诊断与显示、快速换模系统等一 系列功能，并配套有浇铸机器人、取件机器人、检查铸件及切除浇口装置、自动喷涂， 组成全自动压铸单元，为现代压铸大规模生产提供了保证。 这些国家的压铸机在压射性能、设备精度、机床刚性以及计算机控制和自动化程 度上各具特色。以下是各厂家的压铸机在压射实时控制方面的一些情况m 。 布勒公司将压铸机分为c l a s s i c ( 传统) 、e v o l u t i o n ( 渐进) 、v i s i o n ( 幻想) 三大类。 其具有实时控制压射系统的机型通常采用滑阀结构的电液伺服阀，灵敏度高；但要求 工作液的清洁度较高，须配置高精度的油液过滤装置。高档压铸机一般都配有先进的 计算机数控与压铸工艺监控系统( d a t a c e s s p r o c e s s t r o lc o n t r o ls y s t e m ) ，可以很好监 控压铸机的工艺过程，并能显示完整的压射曲线。 富来公司的m 系列压铸机，根据需要既可以进行标准压射，也可以进行实时控制 压射。压铸机配有专门的多处理器控制系统，该控制系统采用模块化的基于数据总线 的硬件结构设计，通过光缆传递数据避免电磁信号的二f 扰。该控制系统与控制柜上的 主计算机系统组成了一个网络，主汁算机采用w i n d o w s 操作系统，通过i n t e r n e t 可以实 现远程通信，这样公司总部就可以直接指导用户，实现远程故障诊断。系统配置完善 的可在线升级的软件包，可以完成多种功能： 在计算机上以图形方式显示机器参数( 时间，位移，速度，压力等) ； 显示机器运行参数( 压射曲线，顶出和合模过程的速度曲线) 的设定值和实际值 的比较，并能够提供参考曲线和误差范围； 提供各种语言的选择及切换； 提供生产过程监控( 质量统计表) 并附带有偏差监控； 实时显示机器信息( 警告，故障，状态，错误) 并提供服务和检修的提示； 提供压射参数的计算程序，以简化机器参数的设定； 对于不同级别的操作人员设置不同的权限。 意德拉公司实时控制压射系统的比例控制阀组比较特殊。采用r e x r o t h 插装阀并 华中科技大学硕士学位论文 可单独更换，不必整套阀组更换，插装阀可以进行维修，与滑阀相比有较大的优越性： 并设有独立的过滤装置，其精度可达5um ，保证了比例控制阀组的可靠运行。其控制 系统也是基于w i n d o w s ，并目可以联网，实现远程通信。 王子公司压铸机使用其独有的二进制压射速度控制阀。该阀由六个互相连锁的阀 芯构成，每个阀芯只有两个固定位置，行程都固定为前一个阀芯行程的二分之一，设有 6 3 种不同的速度。其i i 型系统适合常规高压铸造，可在2 0 m s 内完成中速压射到快速 压射的转变。i i m 系统适合镁合金高压铸造，压射速度可高达9 o 11 5 m s 。闭环 系统适合慢速充填的挤压铸造，可控制多个不同加速或减速过程。 1 1 3 电液比例控制技术的工程应用 国外先进压铸机压射系统的实时控制通常为电液比例控制系统，电液比例控制技 术是其关键技术。在液压传动与控制系统中，能够接受模拟式或数字式信号，使输出 的流量或压力连续成比例变化，都可以称之为电液比例控制系统“。 ( 1 ) 电液比例控制系统的组成 比较元件 幽1 3 电液比例控制系统组成框图 电液比例控制既可以用于丌环控制，又可以用于闭环控制。在控制精度要求较高 的场合，常常采用闭环控制。本系统就是闭环控制系统。各种电液比例闭环控制系统， 尽管其结构各异，功能也不相同，但它们存在着共性，可归纳为由功能相同的基本单 元组成的系统，如图1 3 所示。 华中科技大学硕士学位论文 其中，电控器主要起电信号的比例放大作用。由于装在比例阀内的电磁铁需要的 控制电流较大( o - 2 0 m a ) ，而比较元件产生的偏差控制电流信号较小，不足以推动电磁 铁工作，所以要对控制信号进行功率放大。又由于偏差信号的类型或形状都不一定能 满足高性能控制的要求，电控器的作用还在于对输入的信号进行加工、整形和放大， 使之达到电一机械转换装置的控制要求。 点划线方框中的是比例控制阀。比例阀内部又可分为两大部分，即电气一机械转 换部分和液压放大部分，此外，比例阀内还可能带有检测反馈元件。电气一机械转换 部分，是电液的接口元件。它把经过放大后的电信号转换成与其电流量成比例的力或 位移。这个输出力或位移改变了液压放大级的控制液阻，经液压放大作用，把不大的 电气控制信号放大到足以驱动系统负载。这是整个系统的功率放大部分。 从框图中可见，检测元件有内环和外环之分。内环检测元件通常包含在比例阀内， 用于改善比例阀的动、静态特性。外环检测元件直接检测输出量，用于提高整个系统 的性能和控制精度。 ( 2 ) 电液比例控制系统的特点“” 电液比例控制系统的控制精度一般不及电液伺服系统，但是，较电液伺服系统有更 强的抗污染能力，更高的可靠性，更低的价格，因而其工业应用更广。相对于传统的 液压开关阀控制系统，电液比例控制系统可以减少液压元件的使用，较大程度地简化 液压系统，节省能耗，更重要的是能够实现流量和压力的连续实时控制。 电液比例控制系统很好地利用了电信号快速灵活的特性和液压系统功率一重量比 大、力一质量比大、负载刚度大精度高、安全性好的优点。两者结合，则发挥了机电 一体化的优势。电液比例控制系统可以现实液压系统的远程控制，便于用户集中管理， 提高系统的臼动化水平。电液比例控制系统的维护和保养相对比较容易方便。 ( 3 ) 电液比例控制技术在压铸机中的应用” 国外先进的压铸机都已经将传统的开关阀控制的压射系统升级为电液比例实时控 制的压射系统。 华中科技大学硕士学位论文 作为2 0 世纪8 0 年代发展起来的液压技术的新发展，将比例技术和插装阀相结合， 丌发出了二通，三通比例插装阀系列。比例插装阀广泛应用于大流量、大功率液压控 制系统。其结构简单。通用性好；响应快，动、静态性能好，工作可靠；耐污染性好； 压力损失小；非常在适合标准化和系列化产品中使用。 在大功率、高速、高压压铸机系统中，比例插装阀得到较为广泛的应用。在这类 压铸机的压射系统中，瞬时流量往往有每分钟几千升，般的比例阀很难满足要求， 而且即使流量满足要求，其控制性能也很难企及比例插装阀。 控制策略也是电液比例控制技术的一个重要部分，不同的控制策略带来的系统控 制性能也是不一样的。在压铸机的实时控制压射系统中，不同的控制策略也得到了广 泛的应用。 最常用的是p i d 控制，p i d 控制的优点是简单、方便、适用范围广。利用系统在线 辨谚 等技术，也有使用自适应控制的系统，这使系统本身能随着系统参数、运行环境及 负载特性的改变自我调节。由于压铸机系统非线性程度比较严重，采用模糊控制技术也 是一种比较常见的策略，这样可以增加系统位置、速度、压力控制的可靠性和鲁棒性。 在一定的场合，还有使用预见控制技术的，通过对系统未来时刻要达到的目标或将遇到 的干扰进行预测，并将预测到的信息反馈到控制系统加以补偿，可以弥补系统响应速度 和能量供应不足的缺陷，提高系统控制效果。 1 2 课题的来源、目的及意义 本课题源于深圳力劲机械公司，受该公司委托，开展压铸机压射实时控制系统改 型设计的前期研究。目前f i i i l 幅一个合作意向项目。课题研究的主要目的是对该公司现 产的基于开关阀控制的d c c 4 0 0 m 型l k 镁合金冷室压铸机的压射系统进行改型设计，使 之成为具有速度、压力实时控制的电液比例控制压射系统 本谋题的研究具有工程应用意义。从目前国外压铸机产品的发展来看，对压射系 统采用电液比例控制技术是大势所趋。采用电液比例控制技术之后，可以明显提升铸 件的质量水平和精度等级，降低废品率，节约生产成本：从产品设计角度来说，可以 精简系统的液压回路，简化操作人员操作程序，降低操作人员劳动强度，减小设备的 华中科技大学硕士学位论文 体积，降低故障率增加可靠性。事实上，现在国产压铸机尚没有采用电液比例控制的 压射系统，该课题的研究对于促进国产压铸机高性能产品的开发有参考应用价值。 1 3 课题的主要研究内容 本课题主要研究压铸机压射速度和压力实时控制系统的硬、软件设计及控制策略 的研究与工程实现。主要的研究内容有： ( 1 ) 液压回路设计，控制主阀的选型( 设计) 。液压回路设计是基于电液比例控 制方式的，主要完成压射缸的推进和返回，蓄能器的充油；主要的电液控制阀有两个， 一个用阻完成压射速度控制，另一个用以完成压射压力控制。 ( 2 ) 控制系统总体方案的设计。既要满足控制系统的准确性和可靠性要求，又要 保证控制系统的开放性，即易于扩展功能，还要实现控制系统的人性化，即易于操作 者使用。 ( 3 ) 控制系统硬件设计。硬件设计包括主控制器( 工控机、p i , c 、采集卡等) 的 选型，位移、压力传感器的选型、装配设计、信号处理，伺服放大器的设计等。 ( 4 ) 控制系统软件设计。控制软件主要要实现压射速度实时控制、增压压力实时 控制、速度控制与压力控制之间的转换控制，此外还要实现系统的状态监控，并负责 为用户提供良好的操作平台。 ( 5 ) 对实时控制压射系统进行分析和改进设计。在对压铸机实时控制压射系统进 行现场安装、调试和试验后，对测试的结果进行分析，进一步优化设计。 本文所做研究工作仅是该课题的前期工作，主要有：压铸机实时控制压射系统的 方案设计，包括液压回路的设计、控制系统总体方案的确定、硬件的选型和软件框架 设计；电液比例控制压射系统模型的建立、仿真和分析；控制策略的选择和控制算法 的设计，及其计算机仿真和分析。 1 4 本文的章节安排 本文采用理论分析与建模仿真的方法，围绕压铸机的压射速度、压力实时控制系 华中科技大学硕士学位论文 统进行了动态性能、控制算法和工程实现等问题的研究。论文的章节安排如下： 第一章介绍压铸机及其压射系统的基本情况、国内外压铸机产品的概况、电液比 例控制技术在压铸机中的应用情况；课题的来源、目的与意义；本文主要内容研究内 容。 第二章讲述压铸机实时控制压射系统的方案设计，既有液压回路的设计，也有控 制系统的设计。 第三章为压铸机压射过程速度控制系统的建模和仿真分析。建模包括对压射速度 控制系统实际模型的简化，比例流量阀的建模，速度控制系统数学模型的建立。文中 对速度控制过程的各个阶段分别进行了仿真和分析。 第四章是对压铸机压射过程压力控制系统的建模和仿真。 第五章对模糊控制技术在压射速度控制系统中的应用进行了研究。本章简要阐述 了模糊控制的基本原理；并就速度控制中的快速压射过程设计了一个常规模糊控制 器，比较了其与常规r i d 控制的优缺点；最后设计了一个自适应模糊- - p i d 控制器， 较好地完成了压射速度控制系统控制器的设计。 第六章对全文进行了总结，对课题下一步的研究进行了展望。 华中科技大学硕士学位论文 2 压铸机实时控制压射系统的方案设计 2 1 压射系统的主要技术要求 根据深圳力劲机械公司的研制任务书，具有计算机实时控制压射系统的镁合金冷 室压铸机的主要技术要求如表2 1 。 表2 1 镁合金冷室压铸机实时控制压射系统的主要技术参数 项目单位技术指标备注 压射力( 增压) k n4 0 5 系统工作压力 m p a1 4 最大增压压力 m p a 3 5 油源额定流量l m i n2 0 8 7 射料行程m m5 0 0 最大行程 m m 1 0 0 0 最大压射速度 m s1 0 位置，速度传感器1 路 分辨率 m m ( m s ) 0 1o o m s ) 压力传感器1 路 测压范围 m p a0 - 5 0 响应时间 m s1 山口节流阎 1 路 采样间隔 m s 0 1 最大采样时n l js8 压射数据库，眨 3 0 0 0循环 速度转换位置重复精度 m m 1 5 速度、压力控制精度 l 闭环调整周期 m s2 建压时间m s1 0 增压压力峰值 3 华中科技大学硕士学位论文 2 2 压射系统液压回路设计 整个压射系统包括液压和电控两大部分，其中，电控部分主要完成电磁阀与比例 控制阀的控制，液压部分含油源，锤前锤后回路、出口节流调速回路、主蓄能器回路、 增压蓄能器回路和增压控制回路。 本课题设计的电液比例控制式压射系统的液压回路原理简图如图2 - 1 所示。三位 四通电磁阀7 处于中位时，控制电磁阀1 可使液压泵对主蓄能器充油，控制电磁阀2 可使液压泵对增压蓄能器充油；三位四通电磁阀7 处于右位时，完成压射过程的锤前 操作( 即压射冲头的推进，图中方向是向右) ，控制电磁换向阀阀4 打开主蓄能器可 实现压射速度的增速；三位四通电磁阀7 处于左位时，完成压射过程的回锤操作( 即 压射冲头的返回，图中方向是向右) 。 主蓄畿篇 图2 - 1 电液比例控制压射系统液压网路原理简图 l ，2 2 何3 通电磁换向阀3 ，6 一比例m 氚阀4 2 位4 通【乜磁换向阀 5 一插装阀7 3 位4 通电磁换向阁 在此，速度控制和压力控制都转化为了比例流量阀的流量控制。因为压射过程要 求很大的瞬时流量，所以采用蓄能器补充供油的方式。一般的电磁阀由于通流能力太 华中科技大学硕士学位论文 小不适合控制蓄能器的启闭，所以系统选用电磁阀控的插装阀5 作为蓄能器的控制阀。 为了完成增压压力控制，设计了增压控制回路。 压射速度控制由主蓄能器回路和出口节流调速回路实现，压射缸出口的比例流量 控制阀6 、位移速度传感器和控制器构成压射速度控制系统。增压压力控制由增压蓄 能器回路和增压缸控制，增压缸进口处的比例流量控制阀3 、压力传感器和控制器构 成增压压力控制系统。压射时，控制器控制压射缸出口节流控制阀6 的开度，使其按 主控制器选定的压射速度曲线进行压射。当压射冲头行进到一定位置( 或者压射腔压 力达到某个设定值) ，出口节流控制阀6 全开，经低冲击制动，使系统由速度控制转 化为增压压力控制。打开增压誉能器的控制阀3 ，控制器控制增压控制阀3 的开度， 使系统按设定的增压压力曲线进行增压。 之所以采用出口节流调速的设计方案，而没有采用进口节流调速和旁路节流调速， 是综合考虑系统机械特性及运动平稳性、负载能力、调速范围、发热及泄漏影响、功 率消耗等因素的结果。系统机械特性指的是速度特性和负载特性，若用式子表示，速 度特性即为：v2 f ( a ) l f = 常数，负载特性为：v ；，) l n i 常数，其中v 是速度，口 为节流阀的通流面积，f 为负载力。可以计算，进口节流和出口节流较旁路节流有更 “硬”的机械特性、更大的调速范围；而出口节流调速系统的平稳性较进口节流调速 系统更好，因为出口节流调速系统承受负载的能力大于进口节流调速系统。此外，在 山口节流调速系统中，汕液经节流后就返回油箱，故发热小，对泄漏影响也小。 2 3 控制系统的总体方案确定 根据j ：1 ：铸机电液控制压射系统的设计方案以及压射系统的主要技术指标，拟定了 压射擦制系统的总体方案。拟采用工控机与可编程控制器( p l c ) 构成的两级控制模 式，p l c 负责压铸机的动作顺序控制，工控机负责速度和压力的控制。 压铸机计算机实时控制压射系统的原理框图如图2 2 所示。在系统进入自动压射 工序后，根据主控制器选定的压射速度曲线和控制算法，伺服控制器的一路输出控制 出口节流调速回路中的电液控制阀的丌度调节压射速度；至终压阶段，伺服控制器的 l3 华中科技大学硕士学位论文 另一路输出则控制增压控制阀的开度，使压射缸按设定的增压曲线( 即增压规律) 进 行增压，控制增压延时、建压时间和增压稳定压力。这两路控制回路是压铸机计算机 实时控制压射系统的关键所在，也是技术难点。此外，压铸机的动作顺序由p l c 控 制。 人 工 七日罴f 卜- 鼍速度控制流量阀 h 压力控制流量阀 机 控 i 界 唾= 面 机 da d 。5 路压力输入 r - 1 一 开关量输入 压铸机液压系统 dp l c开关量控制输山 图2 - 2 压铸机实时控制压射系统的原理框图 压铸机压射系统的控制器所用到的主要软件和硬件如图2 3 所示。工控机内拟安 装w i n d o w s 2 0 0 0 操作系统，负责操作设定、控制、显示、数据存储、打印输出和网 络链接等功能。p l c 人机界面软件拟采用西门予p r o t o o l6 0 ；压力和速度的控制软件 由拟v b 或v c 实现，并与p r o t o o l 组合成同一个操作界面。p r o t o o l 和v b v c 之间 采用o p c 技术进行通信。 w ( 面板式蜘架式p c ) w i n d o w s 操作系统 p m t o o i 1 o p c i v b v c j 7 i s i e m e n s 数据采集 s 7 3 0 0多功能卡 图2 - 3 控制器的构成框图 p l c 的使用保证了系统的可靠性：工控机的使用增强了系统的丌放性：w i n d o w s 是应用最广泛的图形化操作系统，在其中丌发的实时控制软件不仅稳定性好，而且更 华中科技大学硕士学位论文 加直观，易于被操作人员使用。 2 4 控制系统的硬件设计 压铸机实时控制压射系统所需硬件的选型，主要基于压射系统的控制要求。工控 机拟采用s i e m e n ss i m a t i cp c 8 7 0 面板式工控机，它带有操作面板，方便现场操作。 多功能采集卡拟采用台湾研华p c l - 8 1 8 h d ，它具有1 6 路单端或8 路差分模拟量输 入，1 2 位1 0 0 k h z 的a ，d 转换器，并有1 k 字f i f o ( 先进先出) 缓冲器可获得更快 的数据传输，它可以对每个输入通道的增益进行编程，带有d m a 的自动通道增益 扫描，1 6 个数字量输入和1 6 个数字量输出，一个1 2 位模拟量输出通道及可编程定时 触发器计数器，并提供免费的d o s 驱动程序和w i n d o w sd l l 驱动程序。由于 p c l - 8 1 8 h d 只有一个模拟量输出，可以再增加一个隔离2 通道d a 输出卡p c l - 7 2 8 。 可编程控制器拟采用s i e m e n ss 7 3 0 0 系列。 位移速度传感器拟选用美国m t st e m p o s i n i c si i i 型位移传感器。该型号传感器为 内置磁致伸缩位移传感器，适用于多种不同的工业自动化环境，为非接触式，能在高 温、高压和高振荡等恶劣环境下正常工作，抗污染能力强，分辨率可达0 0 2 5 m m ，非 线性o 0 2 ( 满量程) ，能同时输出位移和速度信号，速度测量范围为0 1 1 0 m s ， 冲击指标为1 0 0 9 ( 单一冲击) ，由于位移和速度值都是在传感器内置电子系统先做处 理，所以可直接输出至控制器，从而省去了额外的转换时间和接口。 压铸机实时控制压射系统的压力信号检测要求传感器的压力测量范围为 0 - 5 0 m p a ，响应时间l m s ，信号输出0 - 1 0 v 。能满足此要求的压力传感器产品很多，高 档机可选关闷伊顿威格士( v i c k e r s ) 公司代理的u c c 产品和美国p c b 公司d c s 分 部的1 5 0 1 系列压力传感器。 压射速度控制系统所用的比例流量阀拟选用美国p a r k e r 公司的t d l 系列n g 5 0 型。该阀是个3 级结构先导式插装流量阀，通流量大，可以满足系统的流量要求( 参 见3 2 节) 。压力控制系统则选用p a r k e r 公司的t d l 系列n 0 4 0 型。 华中科技大学硕士学位论文 2 4 控制系统的软件框架 2 4 软件设计的方案 从整个软件的功能来说，可以细分为四个相对独立的软件包：实时控制软件，监 控软件，故障诊断软件，系统分析软件。 实时控制软件的功能在于很好地完成压射过程的实时控制，这是最重要的功能。 实时控制软件的功能模块如图2 - 4 所示。 f h 标速度值输入 i 与p l c 同步 l 速度采样采样值保存 l 数守滤波控制算法 l 控制输出 l 数据保存 ii t t t 线方式显示 i 曲线打印 图2 4 实时控制软件的功能模块 权限管理模块浚模块的功能是实现用户的权限管理，使得操作者、技术人员和 设备。家能够完成各自职责功能，保障了设备的安全性和可靠性。 速度f i i _ | 线编辑模块该模块的功能是提供用户一个通过工控机输入和编辑速度控 制线的方式。最终生成的数= l l ；列表将保存r 米作为控制h 标提供给速度控制模块。 速度控制模块速度控制模块是利用w i n d o w s 2 0 0 0 提供实时扩展r t x 5 1 提供的 a p i 编写的实时性很强的高优先级的线程。速度控制模块和压力控制模块可以组合成 一个模块，也可以单独设计。速度控制切换至压力控制的切换信号可以是位置信号也 可以是压力信号。 压力曲线编辑模块和l 压力控制模块的功能与速度曲线编辑模块和速度控制模块类 华中科技大学硕士学位论文 似。 数据处理模块该模块的功能是以曲线显示方式实时监控速度和压力的变化情 况，打印速度曲线和压力曲线，以文件方式永久保存数据。 参数设置模块该模块的功能是设置压射系统的一些参数，使得压射过程满足产 品工艺要求。 监控软件的用处在于使操作人员对压铸机工作状态能有一个快速直观的了解。软 件应具有对压铸过程中各个行程丌关、按钮、继电器、压射位置、压射速度、压射力 等状态实时监控、显示和报警功能。应在计算机屏幕上显示出压射过程曲线，以及实 际压射曲线与理想压射曲线的对比。监控软件可以用西门子的p r o t o o l6 0 完成大部分 量的监控，其余不能完成的用v c v b 编程完成，最后将两部分组织到统一的界面下。 在现在的大型先进压铸机中，故障诊断系统是必不可少的，良好的故障诊断系统 ( 软件) 可以大大简化用户维护压铸机的工作。在此，软件技术本身是次要的，如何 获得压铸机的故障知识是最重要也是最难的。 系统分析软件是提供给用户分析压铸机压射系统性能的专门工具。对于不同材料 的热作件，不同的压铸产品，要获得效果最好的压射参数是一件比较困难的事情。为 此，要做很多试验和分析，系统分析软件的作用即在于此。将系统获得的数据转换为 o f f i c e 和通用数据文件，然后使用其他专门的软件进行分析也是一个不错的方法。 2 4 2wn d o w s 下实时控制软件设计的关键技术 由于w i n d o w s 系统不是实时的操作系统，它使用非抢先式多任务调度机制，依靠 消息驱动。这种机制决定了常规w i n 3 2 应用程序是运行于搡作系统的r i n 9 3 层，是不 能做到实时的l 。 在w i n d o w s 系统下开发实时控制软件需要为w i n d o w s 加入实时能力，最方便的 方法就是为w i n d o w s 提供实时扩展。有很多厂商提供这类商用软件，例如v e n t u r c o m 公司的r t x5 1 ，r a d i s y s 公司的i n t i m e l 2 0 和i m a g i n a t i o n s y s t e m 公司的 h y p e r k e r n e t 4 3 。本系统拟采用r t x5 1 。r t x 5 1 的高精度定时器允许的最小时间单 位有四个：1 0 0 n s ，2 0 0 n s ，5 0 0 n s 和1 0 0 0 n s ，这对于实时控制来讲，有了足够的时问 华中科技大学硕士学位论文 精度的保证。r t x 5 1 完全实现了0 - 1 2 7 的进程优先级，中断延迟和线程切换时间小， 开发环境简单，可显著缩短软件丌发周期。2 “。 r t x 的内核结构如图2 5 所示。r t x 在w i n