新型多功能銑澆口機在鑄造行業(yè)的應用

曹 偉，付臘梅，趙林棟，張成紀

（國機鑄鍛機械有限公司，山東濟南 250306）

1 新型多功能銑澆口機研發(fā)背景

靜壓造型是通過氣流預緊實作用對型砂進行初步緊實，然后通過液壓壓頭對型砂進行最終緊實的造型。靜壓造型線可以生產(chǎn)體積較大的鑄件，以及利用較大的砂箱一箱生產(chǎn)多個較小的鑄件，提高產(chǎn)量。傳統(tǒng)工藝中，僅通過一個澆口實現(xiàn)鑄件的整體澆注過程，由于鐵水從澆口位置通過內部澆道流動到距離澆口位置較遠的位置，溫度下降較快，會出現(xiàn)鑄件冷隔或由于溫度差別較大導致不同部位的鐵水特性發(fā)生變化，從而嚴重影響鑄件品質的整體性能。

為了解決上面出現(xiàn)的問題，新型多功能銑澆口機應運而生。

2 新型多功能銑澆口機的特點

2.1 功能多樣

新型多功能銑澆口機兼具傳統(tǒng)銑澆口機銑錐形澆口的功能，同時具有在砂箱表面銑直線槽的功能，通過形成外部澆道，將砂箱型腔內部多個澆注點連接起來，達到多點澆注的目的。

2.2 路徑定制靈活

新型多功能銑澆口機可以在工作區(qū)域內任意定義直線路徑，包括與X/Y 軸平行，以及與X/Y水平方向交叉的傾斜線段，而且僅通過坐標設置即可選擇銑槽模式或鉆孔模式，并且自由定義順序。同一工藝流程中，銑槽與鉆孔兩種模式可混合使用。

2.3 通用性強

新型多功能銑澆口機不僅適用于固定砂箱模式，即一個推箱節(jié)拍中完成當前砂箱的全部銑鉆工作，多用于上下箱分開的具有落箱機的布線方式；也適用于追箱模式，即一個砂箱的銑鉆工作分兩次推箱完成，常用于造型后翻轉的砂箱在同一軌道的布線方式。

2.4 實用高效

銑槽與定位兩種速度，銑槽時使用慢速，保證銑銷砂型表面光滑，定位時使用快速，節(jié)省時間。

2.5 標準化高

程序標準化程度高，而且方便移植及復制。當增加一臺或多臺銑澆口機，或將銑澆口機作為獨立的單機或者作為靜壓造型線的附屬單機，可以非常方便地將程序進行復制、移植、修改，并且很快實現(xiàn)更改及應用，程序耦合性低，整體性強。

2.6 穩(wěn)定可靠

程序穩(wěn)定，容錯性高，可在任何時刻在線、離線，優(yōu)先保證生產(chǎn)線的正常運行。當造型線配置多臺銑澆口機時，如果某一臺出現(xiàn)故障，且在較短時間無法快速恢復，為保證產(chǎn)線仍能繼續(xù)生產(chǎn)，可以在不影響造型線的前提下，將故障的銑澆口機快速離線，并使用正常的銑澆口機代替故障銑澆口機的全部工作。

2.7 提升運行效率

傳統(tǒng)銑澆口機在流程上，僅當砂箱推行完成后，才開始定位第一個工作點。新型多功能銑澆口機對流程做了優(yōu)化，在下一節(jié)拍準備好前，X/Y 軸電機提前運行至下一工位或第一個目標點工作位置，減少等待時間。

2.8 控制精度高

銑澆口機X/Y 軸采用伺服直線插補技術，使兩個軸協(xié)同配合，保證誤差范圍在1 mm 以內，使銑出的槽更加趨于直線。Z 軸使用閉環(huán)位置控制算法，根據(jù)位置計算使速度實現(xiàn)較為平滑的變化，從而保證定位更加準確，保證控制誤差在2 mm以內。

3 控制系統(tǒng)的主要組成

本文我們以配置2 臺銑澆口機的銑澆口系統(tǒng)為例進行說明。

系統(tǒng)由西門子ET200SP 系列的CPU 實現(xiàn)控制，此系列CPU 方便組態(tài)及使用，性價比較高，非常適用于小型單機系統(tǒng)。系統(tǒng)的人機交互界面采用西門子精智系列控制面板，精智系列HMI 是西門子的高端面板，相比4∶3 的老式設備顯示區(qū)域有所增加，并且功能豐富。

銑澆口機的X/Y 軸由SEW 減速電機驅動，由SEW 伺服控制器進行控制，控制精度較高。Z 軸為比例閥配合絕對值編碼器進行控制，可以方便調整銑槽及鉆孔的深度，適用于不同的工藝需求。銑澆口機的A 軸為旋轉軸，由液壓馬達控制銑刀的旋轉，使用液壓馬達可以節(jié)省安裝空間，并方便后期維護。

表面涂層有：水泥基覆層、聚合物改性水泥砂漿層、混凝土表面涂層油漆、防水、樹脂等。本工程采用環(huán)氧涂層處理。

系統(tǒng)的通信方式整體采用西門子ProfiNet 網(wǎng)絡通信，穩(wěn)定可靠，抗干擾能力強，方便設備擴展。銑澆口系統(tǒng)與造型線之間采用S7 單邊通信，操作簡單，并極大地降低了故障對造型線系統(tǒng)的影響。

4 操作方式及工藝流程簡介

4.1 操作方式

銑澆口系統(tǒng)作為造型線的子站系統(tǒng)，主要受造型線控制。與造型線同樣，有自動、手動、急停三種操作方式。

造型線在通信正常且自動啟動時，銑澆口機進入自動狀態(tài)，并與造型線配合完成銑槽及鉆孔工作。手動操作時，銑澆口機控制柜切換為手動，且造型線自動啟動信號取消后方能進行手動操作。銑澆口機急停按鈕與造型線串聯(lián)，當銑澆口機急停按下時，銑澆口急停，設備立即停止運行，同時造型線安全繼電器動作，并給造型線急停信號，當造型線急停按下時，給銑澆口反饋急停信號，銑澆口機同樣停止運行，保證設備及操作人員的安全。

如果當前產(chǎn)品工藝不需要銑澆口機，可以將其離線，或者當其中一臺銑澆口機出現(xiàn)故障時，也可以在任意狀態(tài)下隨時對其離線，這時程序會自動進行復位處理，并反饋給造型線信號，保證造型線的正常運行。

4.2 工藝流程

造型線準備推型時，給銑澆口機發(fā)送推送請求信號，銑澆口機收到請求信號打開定位缸，定位缸松開后給造型線發(fā)送允許推型信號，造型線接收后開始推型，并且在推型結束后反饋給銑澆口機結束信號，銑澆口機收到后將定位缸定位，然后銑澆口機開始工作，并在工作完成后反饋給定位缸。

現(xiàn)場兩臺銑澆口機，分兩個推型節(jié)拍分工合作，共同配合完成一個完整的澆道系統(tǒng)。

以中心在原點、形狀以X/Y 軸均對稱的“X”型澆道進行說明，每個銑澆口機在每個節(jié)拍中負責X/Y 坐標系（砂箱坐標系）1/4 區(qū)域，如第一臺負責Y+區(qū)域，造型線第一次推箱后在砂箱X+區(qū)域工作，完成直線段澆道的銑銷及鉆孔工作，第二次推箱在砂箱X-區(qū)域工作；第二臺負責Y- 區(qū)域，工作方式與第一臺相同。這種方式可以在最大程度上實現(xiàn)兩臺銑澆口機的分工配合，壓縮總體時間，減少造型線的等待時間，從而提升綜合生產(chǎn)率。

4.3 配方的使用

配方通常有兩種使用場景，一種是生產(chǎn)不同的產(chǎn)品，使用不同的工藝參數(shù)；一種是在生產(chǎn)一種產(chǎn)品過程中有很多步驟，每個步驟都是有不同的參數(shù)。這里，銑澆口系統(tǒng)配方的應用屬于兩種使用場景的結合。使用配方可以將生產(chǎn)中用到的所有產(chǎn)品的參數(shù)保存起來，在使用時直接找到對應的產(chǎn)品參數(shù)下載到設備，極大地減少了每次更換產(chǎn)品后重復輸入?yún)?shù)的時間。

通常這些參數(shù)數(shù)據(jù)存放在CPU 工作存儲器的DB 塊或M區(qū)，但是很多時候這些數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量特別大，數(shù)值卻是固定不變的，或者只是偶爾在需要的時候小做改動。而對于ET200SP 系列的CPU 來說，工作存儲器較小，如果產(chǎn)品數(shù)量太多，需要存儲的數(shù)據(jù)量就越大，這就需要更大的裝載存儲器，增加了硬件成本。而精智面板往往配置較大的存儲卡，使用精智面板自身的配方功能，不僅可以彌補CPU 內存限制問題，還可以方便高效地實現(xiàn)配方的使用，并且掉電數(shù)據(jù)不丟失。

圖2 砂箱不同象限配方參數(shù)的分配

根據(jù)設備節(jié)拍及工藝要求，我們在銑澆口系統(tǒng)中使用四個配方，每臺銑澆口機在每個節(jié)拍中使用一個配方參數(shù)。

5 直線插補應用

理想狀態(tài)下，在銑與X/Y 軸不平行的直線槽時，根據(jù)起點與終點X 軸及Y 軸在其軸向的位置差，計算X/Y 軸伺服電機的速度，使其同時由起點啟動并同時到達終點，可以保證銑的槽為直線段。但實際使用過程中，由于電機加、減速時很難保證速度仍為設定的比例，導致在加、減速的兩端銑出的槽出現(xiàn)彎曲狀，所以需要更加可靠的控制方式。

銑澆口機銑直線槽的控制方式主要用到了直線插補技術。在工藝允許的誤差范圍內最大程度保證了所銑澆道的直線性。

PLC 控制的伺服系統(tǒng)因PLC 本身不具有插補計算功能, 因此用編程方法來實現(xiàn)直線插補, 可用于車床、銑床上加工的直線輪廓控制, PLC 替代CNC 系統(tǒng), 使機床的控制系統(tǒng)成本降低70%～90%[1]。銑澆口機銑直線槽的應用與機床的直線加工具有相同的原理。

插補的算法有逐點比較法、數(shù)字積分法、比較積分法、數(shù)據(jù)采樣法、時間分割法等多種方式，這里我們使用逐點比較法。

逐點比較法插補是在數(shù)控機床經(jīng)中常使用的一種插補方法，它是將加工刀具的當前位置與所要加工曲線的位置進行實時比較，構建一偏差函數(shù)，根據(jù)偏差函數(shù)值來確定刀具移動的方式和位置[2]。

6 結束語

新型多功能銑澆口機在傳統(tǒng)銑澆口機的基礎上做了較大改進。隨著鑄造工藝的發(fā)展，生產(chǎn)的鑄件可能更加復雜，并且用戶對鑄件品質的要求越來越高，鑄造設備也要進行不斷地發(fā)展創(chuàng)新。

目前新型多功能銑澆口機已經(jīng)在實際項目中使用，根據(jù)最終鑄件的質量檢測，新的工藝對同一件產(chǎn)品不同位置的硬度等參數(shù)保持了較高的統(tǒng)一性，并提升了大型鑄件的澆成率。