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·鑄造工藝·

缸套離心鑄造智能單元的研究及應(yīng)用

王皓，李昭奇，潘建平

（寧夏共享集團(tuán)股份有限公司，寧夏銀川750021）

通過一套缸套離心鑄造智能單元，實(shí)現(xiàn)了缸套離心鑄造的智能化生產(chǎn)控制。該系統(tǒng)能夠根據(jù)生產(chǎn)計劃中不同種類的產(chǎn)品智能調(diào)整相應(yīng)的關(guān)鍵控制參數(shù)，并能夠?qū)ιa(chǎn)過程中的關(guān)鍵控制參數(shù)進(jìn)行智能化控制，形成了一套完整的缸套離心鑄造智能生產(chǎn)線。

智能單元；離心鑄造；系統(tǒng)設(shè)計

缸套是內(nèi)燃機(jī)發(fā)動機(jī)核心零部件之一，多采用離心鑄造。傳統(tǒng)的離心鑄造多為離散式生產(chǎn)，除離心鑄造采用單機(jī)離心鑄造機(jī)以外，模具預(yù)熱、澆注、取件、模具清理、換模、施涂、鑄件轉(zhuǎn)運(yùn)等其他輔助工序多依靠工人手工操作，造成生產(chǎn)過程中的工藝、設(shè)備、成本等關(guān)鍵過程控制參數(shù)無法被準(zhǔn)確控制及采集，且生產(chǎn)效率低、產(chǎn)品質(zhì)量波動大、勞動強(qiáng)度大、工作環(huán)境惡劣。近年來隨著顧客對缸套質(zhì)量要求的不斷提高，以及鑄造裝備自動化程度的不斷攀升，當(dāng)前已是設(shè)計及研發(fā)一條提高產(chǎn)品質(zhì)量、提升生產(chǎn)效率、降低勞動強(qiáng)度、改善生產(chǎn)環(huán)境、促進(jìn)行業(yè)轉(zhuǎn)型升級的智能化的缸套離心鑄造生產(chǎn)線的最佳時機(jī)。

1 系統(tǒng)設(shè)計思路

整個智能單元控制系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計分為控制層、設(shè)備層、感知層三個層面，如圖1所示。

控制層：建立一套用以控制鐵模噴涂溫度、涂料波美度、噴涂次數(shù)、澆注溫度、澆注重量、模型內(nèi)溫度等生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵過程控制參數(shù)的實(shí)時數(shù)據(jù)庫、歷史數(shù)據(jù)庫和專家知識庫，利用O P C接口，通過現(xiàn)場總線、以太網(wǎng)通訊與P L C或控制器進(jìn)行通訊集成控制離心鑄造設(shè)備，可根據(jù)不同產(chǎn)品調(diào)用不同的關(guān)鍵過程控制參數(shù)。同時通過設(shè)備的感知元器件采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)，與專家知識庫設(shè)定值實(shí)時比對，優(yōu)化決策后進(jìn)行閉環(huán)調(diào)整控制。

設(shè)備層：由離心鑄造機(jī)、澆注機(jī)、輔機(jī)、涂料攪拌系統(tǒng)、冷卻水循環(huán)系統(tǒng)和鑄件翻轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)構(gòu)組成。單機(jī)設(shè)備均具備數(shù)控化能力，可利用O P C技術(shù)和以太網(wǎng)接口聯(lián)網(wǎng)與控制層進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。

感知層：為控制層的數(shù)據(jù)采集提供數(shù)據(jù)支撐。設(shè)備配備有編碼器、壓力傳感器、稱重傳感器、溫度傳感器、密度傳感器等感知傳感器，能夠?qū)崟r感知產(chǎn)品生產(chǎn)狀態(tài)、質(zhì)量、設(shè)備動作、設(shè)備安全和生產(chǎn)成本等關(guān)鍵信息。信息可通過設(shè)備層P L C及控制器模塊進(jìn)行實(shí)時采集并進(jìn)行邏輯分析與計算。

2 控制層的建立

整個智能單元的控制層主要由實(shí)時數(shù)據(jù)庫、歷史數(shù)據(jù)庫以及專家知識庫三部分組成，其基礎(chǔ)數(shù)據(jù)主要來源于鑄造工藝設(shè)計模擬分析、歷史生產(chǎn)數(shù)據(jù)記錄及專家經(jīng)驗(yàn)調(diào)整數(shù)據(jù)。將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成可控的數(shù)字化控制參數(shù)，并通過系統(tǒng)與系統(tǒng)之間的協(xié)議通訊及格式轉(zhuǎn)換，最終在智能單元的控制層形成設(shè)備可控的關(guān)鍵控制參數(shù)數(shù)據(jù)庫。

2.1 鑄造工藝集成設(shè)計及模擬分析

通過對產(chǎn)品鑄造工藝設(shè)計，以及利用鑄造模擬軟件對產(chǎn)品在離心鑄造過程中的熱力場、流動速度場、應(yīng)力場等進(jìn)行仿真模擬，不斷修訂澆注溫度、冷卻速度等工藝參數(shù)，解決產(chǎn)品在生產(chǎn)過程中可能出現(xiàn)的氣孔、夾渣、縮松等缺陷，從而得到期望的金相組織和表面硬度，并最終形成影響缸套產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵過程控制參數(shù)（部分見表1、表2）.

圖1 離心鑄造智能單元控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

表1 離心鑄造工藝參數(shù)卡1

表2 離心鑄造工藝卡2

2.2 生產(chǎn)歷史數(shù)據(jù)

通過現(xiàn)場設(shè)備的感知系統(tǒng)不斷統(tǒng)計、匯總缸套實(shí)際生產(chǎn)過程中離心機(jī)轉(zhuǎn)速、澆注時間、孕育與澆注溫度、冷卻速度及冷卻時間、生產(chǎn)時間、產(chǎn)品編號等關(guān)鍵控制參數(shù)及產(chǎn)品型；另一方面，通過質(zhì)量系統(tǒng)提取產(chǎn)品的機(jī)械性能、廢品、硬度、金相、鐵水成分、產(chǎn)品編號等相關(guān)信息，將產(chǎn)品的實(shí)際關(guān)鍵控制參數(shù)與產(chǎn)品的檢測結(jié)果進(jìn)行一一對應(yīng)及存儲。

2.3 專家經(jīng)驗(yàn)調(diào)整數(shù)據(jù)

工藝技術(shù)人員通過智能單元的專用統(tǒng)計、分析系統(tǒng)結(jié)合智能單元數(shù)據(jù)庫進(jìn)行關(guān)鍵過程控制參數(shù)與產(chǎn)品質(zhì)量檢測的關(guān)聯(lián)分析，從而進(jìn)一步優(yōu)化關(guān)鍵過程控制參數(shù)及鑄造模擬參數(shù)，并將優(yōu)化后的數(shù)據(jù)導(dǎo)入專家經(jīng)驗(yàn)調(diào)整數(shù)據(jù)庫及工藝模擬參數(shù)庫，形成了一套不斷優(yōu)化的最優(yōu)關(guān)鍵控制參數(shù)（部分表3、表4、表5、表6）.

表3 專家經(jīng)驗(yàn)調(diào)整參數(shù)卡—離心澆注機(jī)轉(zhuǎn)速

表4 專家經(jīng)驗(yàn)調(diào)整參數(shù)卡—鐵模噴涂溫度

表5 專家經(jīng)驗(yàn)調(diào)整參數(shù)卡—鐵模澆注溫度

表6 專家經(jīng)驗(yàn)調(diào)整參數(shù)卡——產(chǎn)品的澆注溫度

3 設(shè)備層及感知層智能化控制系統(tǒng)

3.1 澆注重量控制

離心鑄造智能化生產(chǎn)線的澆注系統(tǒng)可根據(jù)專家?guī)焯峁┑漠a(chǎn)品澆注重量，通過系統(tǒng)配備的高精度稱重設(shè)備和P L C閉環(huán)控制澆注時鐵水的重量，并將鐵水重量數(shù)據(jù)實(shí)時傳輸給智能單元，實(shí)現(xiàn)了澆注系統(tǒng)定量澆注的目標(biāo)。

3.2 涂料質(zhì)量控制

噴涂系統(tǒng)利用噴嘴的自動行走對整個模具的型腔進(jìn)行噴涂料作業(yè)。噴涂機(jī)行走采用伺服電機(jī)和伺服控制器+P L C聯(lián)合控制，機(jī)械傳動方式采用齒條，位移定位采用編碼器控制，通過噴涂桿的行走速度來控制涂料的厚度，前后端蓋采用特用的噴嘴進(jìn)行球面噴涂，并且與模具溫度和噴涂作業(yè)連鎖，達(dá)不到噴涂溫度，不能進(jìn)行噴涂作業(yè)。涂料罐配備變頻攪拌器及波美度檢測裝置，可通過攪拌電機(jī)將涂料充分?jǐn)嚢?，并通過水和涂料的自動配比使涂料達(dá)到指定波美度要求。同時，系統(tǒng)將檢測到的涂料用量、涂料玻美度等檢測值通過P L C及以太網(wǎng)傳輸給智能單元。

3.3 澆注溫度控制

澆注機(jī)配備有紅外測溫裝置，能夠檢測每次澆入模具中鐵水的溫度，并將數(shù)據(jù)反饋給智能單元專家系統(tǒng)，專家系統(tǒng)根據(jù)單位時間內(nèi)溫降速度及紅外測溫系統(tǒng)偏差曲線對實(shí)際鐵水溫度進(jìn)行誤差校正，從而彌補(bǔ)了紅外線測溫裝置誤差大的弊端，同時對超出工藝范圍的澆注進(jìn)行報警，禁止?jié)沧ⅰ?/p>

3.4 模具溫度控制

測溫裝置分型腔內(nèi)空氣溫度測定和模具內(nèi)表溫度測定。型腔內(nèi)空氣溫度采用測溫槍測定，模具外表溫度采用紅外線測溫儀測定，通過數(shù)據(jù)線連接將檢測溫度傳送至P L C模擬量模塊，再通過工業(yè)以太網(wǎng)傳輸?shù)街悄軉卧y溫槍安裝在測溫桿上，由固定在防護(hù)罩上的推動油缸使其伸出到超出防護(hù)門的位置，再通過擺動油缸旋轉(zhuǎn)90°至模具中心位置，通過推動油缸使其伸入到模具型腔內(nèi)，由測溫槍實(shí)現(xiàn)型腔內(nèi)氣氛溫度的測定。系統(tǒng)配備有天然氣模具加熱裝置，可根據(jù)專家?guī)焯峁┑臏囟纫髮δ＞哌M(jìn)行加熱，并實(shí)時反饋當(dāng)前模具溫度。

3.5 模具轉(zhuǎn)速控制

離心機(jī)主電機(jī)采用變頻調(diào)速電動機(jī)作主動力?？筛鶕?jù)專家?guī)焯峁┑牟煌D(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速，可滿足不同直徑鑄件對轉(zhuǎn)速的不同要求及鑄件在澆注過程中不同時段對不同轉(zhuǎn)速的要求，并實(shí)時反饋當(dāng)前模具實(shí)際轉(zhuǎn)速。

4 結(jié)論

該套缸套離心鑄造智能單元通過對每一個離心鑄造生產(chǎn)工序的智能化控制，將專家知識庫和工藝設(shè)計及仿真分析系統(tǒng)產(chǎn)生的經(jīng)驗(yàn)和設(shè)計參數(shù)融入到工序的過程控制當(dāng)中；同時利用智能單元控制軟件與現(xiàn)場關(guān)鍵設(shè)備的數(shù)據(jù)采集、分析決策、反饋執(zhí)行，及與排產(chǎn)及質(zhì)量等系統(tǒng)多方位集成，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)、質(zhì)量、成本等方面的集成管控及工藝參數(shù)的評估、優(yōu)化，形成行業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的缸套離心鑄造智能制造模式。

該智能單元現(xiàn)已全面投入到生產(chǎn)使用當(dāng)中，從目前的使用情況來看，智能單元系統(tǒng)運(yùn)行較為穩(wěn)定，系統(tǒng)能夠通過工業(yè)以太網(wǎng)及時、準(zhǔn)確地將感知層數(shù)據(jù)上傳至系統(tǒng)，以及將控制層數(shù)據(jù)下載至設(shè)備層；完整的系統(tǒng)后臺數(shù)據(jù)庫，能夠針對不同規(guī)格的產(chǎn)品對應(yīng)不同的工藝參數(shù)及設(shè)備參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了多品種、小批量的混合連續(xù)式生產(chǎn)；工藝人員通過各種傳感器實(shí)時采集的數(shù)據(jù)及產(chǎn)品質(zhì)量情況進(jìn)行統(tǒng)計、對比、分析，及時更新數(shù)據(jù)庫，調(diào)整設(shè)備參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)過程中產(chǎn)品關(guān)鍵控制參數(shù)的不斷優(yōu)化。同時，系統(tǒng)也會通過總結(jié)生產(chǎn)使用過程中存在的問題及系統(tǒng)開發(fā)不斷進(jìn)行功能完善。

通過本項(xiàng)目的實(shí)施為其他離心鑄造工廠的智能改造提供了完整的解決方案和借鑒方案?？梢宰鲂鹿S的全新設(shè)計、也可以提供關(guān)鍵工序的獨(dú)立改進(jìn)。

［1］張伯明.離心鑄造［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

［2］賀奇，李煥臣，李明.離心鑄造用水基涂料［J］.熱加工工藝，2004（5）:60.

［3］任象玉，尤文華，陳中寶.熱模法離心鑄造用硅藻土隔熱涂料［J］.非金屬礦，1997（5）:39-41.

［4］張鑫.水冷法離心鑄造管管模絕熱涂料的研究［J］.鑄造，2004（8）:614-616.

［5］高浩，吳龍，艾子健.汽車缸套離心鑄造凝固數(shù)值模擬研究［J］．汽車零部件，2014（2）:24-25.

Research and Application of the Centrifugal Casting Intelligent System for the Production of Cylinder Liner

WANG Hao，LI Zhao-qi，PAN Jian-ping.
（Kocel Machinery Company Limited，Yinchuan Ningxia 750021，China）

The intelligent control for the production of cylinder liner using centrifugal casting was realized through the design of an intelligent unit.The system can automatically adjust and control the corresponding key parameters according to the different kind of products in production plan.A set of intelligent production line was built for centrifugal casting.

intelligent unit，centrifugal casting，system design

TG249.4

A

1674-6694（2016）06-0018-03

10.16666/j.cnki.issn1004-6178.2016.06.006

2016-07-29

王皓（1982-），男，寧夏銀川人，本科，主要從事鑄造裝備的管理、維護(hù)以及鑄造相關(guān)前沿申報的調(diào)研工作。