蘭自志,王宗陽
(1.武夷學(xué)院電子工程系,福建南平 354300;2.華閩南配集團股份有限公司,福建南平 353000)
鑄造鋁活塞用的雙腔機械模屬于金屬型下抽芯鑄造工藝,具有產(chǎn)品質(zhì)量好、鑄造廢品率低、機械化程度高的特點,雙腔機械模鑄件產(chǎn)品如圖1所示。自20世紀七八十年代以來,西方發(fā)達國家逐步實現(xiàn)了汽車零部件鑄造的自動化,近二十多年微控制器和計算機技術(shù)的迅速發(fā)展和在工業(yè)中的廣泛應(yīng)用,使得鋁活塞澆注機 (即模具主機)、微控制器、計算機有機完美地結(jié)合在一起。可編程邏輯控制器,簡稱PLC,是一種適應(yīng)現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的新型控制器,它具有很高的可靠性和極大的應(yīng)用靈活性,在各行各業(yè)的控制領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。介紹了基于三菱PLC的雙腔機械模開合控制研究,并在FX Developer編程環(huán)境下設(shè)計和編寫SFC控制程序,最后用GX Simulator進行了仿真,程序簡潔、正確,系統(tǒng)運行穩(wěn)定。
圖1 雙腔機械模鑄件
雙腔機械模一模雙腔,生產(chǎn)率較高,采用的是垂直分型,如圖2所示。
圖2 雙腔機械模結(jié)構(gòu)
模具通常由外膜 (左、右)、芯模 (5片模)、頂模、銷孔模、止口圈等主要部分組成。外模由對開的兩半模構(gòu)成,銷孔模固定在外模上,外模構(gòu)成了鑄件的外形,并且澆注系統(tǒng)也設(shè)置在外模上,開、合模時沿Y方向做直線運動;頂模構(gòu)成了鑄件的頂部形狀,冒口設(shè)置于此,它需沿Z方向做直線運動;芯模構(gòu)成了產(chǎn)品內(nèi)腔的形狀,如圖3所示,為了便于抽芯,通常芯模設(shè)計成由5瓣型芯組成的組合件,左、右邊芯需沿Y方向做直線運動,而中芯又由中心芯和前、后中邊芯構(gòu)成,這3瓣通過線切割割出的斜“T”型槽聯(lián)動,抽取中心芯即可實現(xiàn)拔模,中心芯沿Z方向做直線運動。止口圈固定在設(shè)備的機身上。
圖3 芯模結(jié)構(gòu)
鑒于該機械模的結(jié)構(gòu)特點,模具開合運動選用油缸直接驅(qū)動最為方便。圖4為液壓控制系統(tǒng)原理圖,系統(tǒng)主要由電磁換向閥、油缸等組成。該液壓系統(tǒng)需要實現(xiàn)外模Y方向的開、合,芯模中心芯Z方向的抽取和頂上,頂模Z方向的降、升。雙腔模的中心芯有兩個,通過設(shè)計連接件,用一個油缸同時驅(qū)動。同理,頂模也只用一個油缸即可。此外由于頂模油缸行程較遠,為縮小澆注機輔助時間,下降時需用快降,但由于頂模和外膜是一種間隙較小的配合,為防止出現(xiàn)飛邊,所以它們接近合模時需慢降,以利于定位機構(gòu)的自調(diào)整,用回油節(jié)流調(diào)速可實現(xiàn)快降—慢降的要求。
圖4 開合控制液壓系統(tǒng)原理圖
該液壓系統(tǒng)由按鈕、行程開關(guān)、定時器控制工步的轉(zhuǎn)換和油缸行程,列出的自動循環(huán)電磁鐵動作順序如表1所示,“+”表示電磁鐵得電,否則不得電。模具的開合控制如下:在完成模具的清理、噴涂、加濾網(wǎng)等工作后,按下自動循環(huán)按鈕SB1開始合模,首先是芯模左右邊芯同時分開;然后中心芯向上插入,在斜“T”型槽的作用下,帶動前、后中邊芯上移并撐開,完成芯模拼合;再使左右外模同時合攏;最后頂模蓋下,并在合模前慢降,直至合模完畢。需要注意的是為保證合模力,得電的電磁閥不能失電。澆注完成后,按下SB3才能開始對凝固、冷卻計時,用PLC的定時器T可方便實現(xiàn)計時,根據(jù)經(jīng)驗計時時間預(yù)設(shè)為1 min。計時時間到則自動開模,開模時正好相反,頂模先上行,接著外模打開,中心芯下行抽出,左右邊芯合攏,開模完畢?;钊饔扇斯と〕?。另外,為防止油缸撞擊缸底、減少噪聲,開模時所有液壓缸要按順序依次切換到中位,即電磁閥全部失電。
表1 自動循環(huán)電磁鐵動作順序表
雙腔機械模的主機應(yīng)具有“手動”調(diào)整和自動“循環(huán)”兩種工作模式?!笆謩印笨梢酝瓿稍O(shè)備的各種調(diào)整工作,如更換工裝、模具,或遇故障停機后,能夠“手動”調(diào)節(jié)設(shè)備的位置。根據(jù)自動循環(huán)控制、手動控制的要求,并考慮到系統(tǒng)其他功能的擴展,例如:溫控系統(tǒng)、自動澆注系統(tǒng)等,決定采用三菱FX2N-64MR-001,輸入輸出點各為32個,繼電器輸出型。該系列PLC工作穩(wěn)定,指令較多,有利于擴展,硬件連接如圖5所示。
圖5 PLC硬件連接圖
需要說明的是,為了保護PLC,輸出點Y一般不能直接去驅(qū)動電磁閥的線圈,而應(yīng)該通過驅(qū)動中間繼電器來控制電磁閥的線圈。輸入回路所需的電源功率較小,且需要它有較高的穩(wěn)壓性能,故可直接連接。此外,空氣開關(guān)、熱繼電器等保護措施也是必須的。
在工業(yè)生產(chǎn)過程控制中,順序控制是常用的控制方法。所謂順序控制,是指按照預(yù)先規(guī)定的生產(chǎn)工藝順序,在各個轉(zhuǎn)移控制信號的作用下,根據(jù)內(nèi)部狀態(tài)和時間順序,各個被控執(zhí)行機構(gòu)自動有序地進行操作。一般編寫順序控制的方法是先要設(shè)計出程序流程圖,然后編寫梯形圖程序。用傳統(tǒng)梯形圖編程以實現(xiàn)順序控制的方法有:(1)使用啟—?!k娐返脑O(shè)計方法;(2)使用置位/復(fù)位的設(shè)計方法;(3)使用STL/RET(步進指令)的設(shè)計方法。但在編寫傳統(tǒng)梯形圖時,往往因為元件之間復(fù)雜的自鎖和互鎖關(guān)系,使編程變得很困難。
為此,三菱公司開發(fā)了一種專用的“步進梯形圖”語言,稱為順序功能圖 (SFC),又稱為狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖,它主要由步、驅(qū)動、轉(zhuǎn)移等部分組成,SFC集成在GX Developer編程軟件中。這種“圖”語言與程序流程圖很相似,區(qū)別在于程序流程圖并不是程序,而SFC實質(zhì)上是一種基于程序流程圖的模塊化編程方法,在設(shè)計好程序流程圖后,只要編寫初始步的激活、每步要驅(qū)動的負載、當前步向下一步轉(zhuǎn)換條件即可,編寫好的SFC程序經(jīng)過變換可直接給PLC運行。SFC有單一序列、選擇序列、并行序列、循環(huán)序列以及復(fù)合序列的結(jié)構(gòu)形式,可方便編寫各種順序控制程序。但需要強調(diào)的是:SFC是程序,除了循環(huán)序列,程序只能從上向下運行,SFC不僅結(jié)構(gòu)上有要求,而且編寫時還應(yīng)考慮電路間的關(guān)系。
鋁活塞雙腔機械模開合控制系統(tǒng)就是一種典型的順序控制。編寫好的SFC程序如圖6所示,程序主要是采用選擇序列的結(jié)構(gòu)形式,限于篇幅的關(guān)系只給出了部分程序。
圖6 SFC程序 (部分)
程序設(shè)計要點:
(1)初始步激活。PLC上電運行的第一個掃描周期先要把各電磁閥清零、狀態(tài)寄存器清零 (因為某些狀態(tài)寄存器具有記憶功能),這是為了安全考慮。
(2)控制結(jié)構(gòu)采用的是選擇序列,但因為SFC的結(jié)構(gòu)要求,分支不能超過8條,而該控制系統(tǒng)手動操作又多,所以程序使用了“虛擬步”,該步不做任何驅(qū)動,只是為了滿足SFC結(jié)構(gòu)要求。如步4、5、8,“?”表示該步?jīng)]有做驅(qū)動。
(3)手動是點動,設(shè)計方法是采用PLC同一輸入觸點的常開和常閉這兩個條件,即按下相應(yīng)按鈕點動,松開則點動結(jié)束,并跳至點動開始步3,為下一次點動做準備。還需要注意點動輸出必須用線圈的形式輸出,不能用置位指令,否則點動無效。
(4)自動循環(huán)過程中,如遇故障等事件,按下急停按鈕SB2(與手動復(fù)用)則跳至手動開始步3,等待操作者執(zhí)行手動調(diào)整,如不需手動,按下自動循環(huán)按鈕 (SB1)則重新開始自動運行,即點動部分還必須設(shè)計跳出點動的分支。
(5)自動循環(huán)時為了防止電磁閥得失電的錯誤,先對輸出編碼,如表1所示,Y觸點用MOV指令輸出,可使在步轉(zhuǎn)移前保持,步轉(zhuǎn)移后實時更新,如:MOV H1 K3Y000。而如果用OUT指令,即Y觸點用線圈的輸出方式,則在步轉(zhuǎn)移后,STL觸點斷開,Y線圈失電,即輸出不能保持,這將使電磁閥失電回到中位,由于電磁閥的泄漏,處于中位將不能保證必要的合模力。
在編程環(huán)境下啟動GX Simulator對程序進行運行仿真。對照表1列出的各步輸入控制信號,找出與其連接的X觸點,在軟元件窗口中,根據(jù)控制順序一步一步的按下輸入觸點X(模擬按鈕、行程開關(guān)的閉合),測試程序,并觀察各步輸出觸點Y的得失電。圖7所示為測試自動循環(huán)到頂模慢降這一步,灰色標記表示輸入X按下,輸出Y接通。該程序完整地、準確地通過了測試。
圖7 SFC程序測試
鋁活塞雙腔機械模采用液壓驅(qū)動、可編程序控制器作為電磁閥的主控單元,控制模具的開合動作,使控制系統(tǒng)的可靠性大大提高,電氣部分調(diào)整簡單、維護方便,且SFC程序設(shè)計邏輯清晰、高效。程序通過仿真測試,實現(xiàn)了模具開合的自動循環(huán)和手動控制,滿足控制要求,PLC觸點使用較少,并有利于澆注機其他功能的擴展,有很高的應(yīng)用推廣價值。
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