張嘉杰，郭 建，林 康，黃敏虹，董 藝

（廣州城市理工學(xué)院，廣東 廣州 510000）

隨著中國汽車、機械、電子等產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，對毛坯的尺寸、外觀質(zhì)量及性能的要求提升。壓鑄因為尺寸精度高，表面質(zhì)量好而得到廣泛應(yīng)用。壓鑄生產(chǎn)中，壓鑄合金、壓鑄模、壓鑄機是壓鑄工藝的3大要素，其中壓鑄模的溫度控制對于金屬液的充填、凝固過程以及壓鑄模使用壽命和產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性有著非常大的影響，是必須要控制的參數(shù)之一[1]。

傳統(tǒng)的壓鑄模采用水冷方式來調(diào)節(jié)模具工作溫度，冷卻系統(tǒng)的設(shè)計和實際的流量依據(jù)經(jīng)驗確定，較少對實際模具工作溫度進行監(jiān)控，難以滿足結(jié)構(gòu)復(fù)雜并且質(zhì)量要求高的壓鑄件的生產(chǎn)要求。

本文以閥體生產(chǎn)為例，利用三菱FX3U系列的PLC作為模溫控制系統(tǒng)的硬件控制核心和PID調(diào)溫軟件，通過溫度傳感器實時反饋的信號，利用流量比例閥作為控制流量的執(zhí)行元件，搭建了控制型芯冷卻系統(tǒng)溫度控制的平臺。

1 壓鑄模具溫度控制概述

1.1 壓力鑄造對模具溫度控制的要求

在壓力鑄造中，模具的作用是，澆注合金液后，把其熱量傳走，令合金液冷卻凝固從而形成需要的鑄件。而在壓力鑄造控制系統(tǒng)中，模具的溫度控制是尤為重要的。壓鑄中的模具溫度一般為壓鑄件容易取出時的模具溫度，模具溫度通常會直接影響到合金液的形成從而影響鑄件的成型情況。

1.2 壓鑄模具溫度控制方法

在壓鑄制造時，將溫度很高的合金液壓進模具的型腔中，合金液就會將熱量傳遞給模具從而冷卻形成鑄件。模具不僅要吸收傳遞過來的熱量，還需要進行自身散熱。而在正常情況下，模具的自身散熱量通常小于模具吸收的熱量，這樣會導(dǎo)致模具的溫度不斷地升高。如果模具的溫度過高，則會導(dǎo)致模具的使用壽命減少，也會對壓鑄件的質(zhì)量產(chǎn)生不利的影響。所以，為了確保減少這類情況的發(fā)生，則要對模具溫度進行控制。

現(xiàn)在常用的模具冷卻方法有：①水冷。在壓鑄模具上設(shè)置冷卻水通道，使循環(huán)水通入成形鑲塊或型芯內(nèi)，將熱量帶出模具。水冷冷卻效率高，能有效降低型腔表面的溫度，但增加了壓鑄模具結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度，主要用于要求散熱量大的模具。但為了防止型腔表面結(jié)露，冷卻水的溫度應(yīng)高于室溫。②風(fēng)冷。對于壓鑄型中難于用水冷卻的部位，可采用風(fēng)冷，風(fēng)冷可采用鼓風(fēng)機鼓風(fēng)或用壓縮空氣。風(fēng)冷不但能冷卻鋁合金壓鑄模具，還能將涂料吹勻，驅(qū)散涂料的揮發(fā)氣體，減少鑄件氣孔。③熱管冷卻。主要用于難于用冷卻水直接冷卻的細小部位，在需冷卻的細小部位，用熱管特?zé)崃繉?dǎo)出，再用冷卻水冷卻熱管。④間接冷卻。在模溫機壓鑄型的熱節(jié)部位可以用傳熱系數(shù)高的合金（銨青銅、鎢基合金等）進行間接冷卻，將銨青銅銷旋入固定型芯，銅銷的末端帶有散熱片以增強冷卻效果。

因為前3種方法的冷卻效果有限，因此本設(shè)計對模具溫度控制所采用的方法是水冷，確保模具溫度能夠達到控制的要求，來保證生產(chǎn)高效運行。通過溫度傳感器采集模具各個部分的實時溫度傳遞給計算機，均衡準(zhǔn)確地控制模具的溫度，提高壓鑄件的性能和成型質(zhì)量。

2 擬解決的問題

某閥體材料為鋁合金YL112，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。該零件有較高氣密性要求，要求在1 200 kPa下不能漏氣。

圖1 某閥體結(jié)構(gòu)簡圖

由于YL112具有良好的流動性，該閥體零件采用壓力鑄造方法生產(chǎn)。內(nèi)部結(jié)構(gòu)采用多個型芯成型，其中成型中間孔的型芯如圖2所示，型芯材料為H13鋼。在閥體壓鑄成型過程中，該型芯被高溫合金液包圍，散熱條件差，導(dǎo)致鑄件粘模出型困難，同時此處也是閥體內(nèi)部質(zhì)量要求高的部位。因此，該型芯內(nèi)部必須開設(shè)冷卻水道。由于型芯直徑較小，采用了如圖3所示的通水器，裝配后的組件如圖4所示。

在閥體的實際生產(chǎn)過程中，毛坯在機加工后，中間孔的內(nèi)壁時不時會出現(xiàn)一些細小孔洞，導(dǎo)致閥體泄漏，無法通過氣密性實驗，從而使得閥體批量報廢。經(jīng)過分析，發(fā)現(xiàn)冷卻系統(tǒng)的不穩(wěn)定是產(chǎn)生這種現(xiàn)象的根本原因。一方面由于水道孔徑小，水垢容易使水道流量減小，甚至堵塞水道，卻沒有被發(fā)現(xiàn)，使得模具型芯溫度高；另外，水道的流量是否滿足成型的需要取決于經(jīng)驗，水閥開啟度由操作工人手工設(shè)置，隨意性較大。

3 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

為解決上述問題，擬借助于自動控制技術(shù)，搭建一個溫度控制的平臺，對型芯冷卻系統(tǒng)進行監(jiān)控，及時發(fā)現(xiàn)模具溫度的變化，并在此基礎(chǔ)上，通過調(diào)節(jié)水道的流量，實現(xiàn)對模具型芯溫度的自動調(diào)節(jié)，以保證良好的成型質(zhì)量。

閥體壓鑄模型芯溫度控制系統(tǒng)如圖5所示。將溫度傳感器埋入壓鑄模型芯內(nèi)，以此來檢測模具工作溫度。但是此模具型芯直徑小，加工完成后硬度高，不易在型芯上打孔埋入溫度傳感器。而檢測型芯冷卻系統(tǒng)系統(tǒng)的出水溫度相對容易實現(xiàn)。所以把溫度傳感器設(shè)置在壓鑄模型芯的出水口附近來檢測出水的溫度，將出水溫度作為系統(tǒng)檢測溫度。

在閥體的生產(chǎn)過程中，模具工作溫度應(yīng)控制在180～220℃，連續(xù)生產(chǎn)時，溫度一般不會低于最低控制溫度，常常出現(xiàn)的問題是超過上限溫度。通過收集實際生產(chǎn)的經(jīng)驗數(shù)據(jù)，將出水溫度上限確定為65℃。

當(dāng)型芯冷卻系統(tǒng)出水溫度超過預(yù)設(shè)溫度65℃時，意味著模具工作溫度偏高，水泵開始從蓄水池里泵冷卻水，通過流量比例閥來調(diào)節(jié)流量，然后流量加大后的冷卻水自進水口S1進入型芯內(nèi)循環(huán)，加強對型芯的冷卻能力，以保證型芯工作溫度維持在合理的范圍。

該系統(tǒng)平臺主要是對壓鑄模型芯進行降溫控制，通過PID算法作用于流量比例閥。因此，本系統(tǒng)采用等效的PID算法，依靠調(diào)節(jié)不同溫度下冷卻系統(tǒng)相應(yīng)的水流量，實現(xiàn)壓鑄模型芯工作溫度的反饋和自動控制，其原理是壓鑄模型芯出水的冷卻水溫度反饋到PLC，當(dāng)溫度超過預(yù)設(shè)值，PID參數(shù)會自動調(diào)諧，進行PID運算，在PLC進一步轉(zhuǎn)化處理，對不同溫度的水流量在線分配。

4 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計

控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖6所示。該系統(tǒng)的硬件以三菱FX3U-16MR系列的PLC作為核心，搭配抗干擾能力強的1個FX2N-4AD模塊和1個FX2N-2DA模塊，以及一個4～20 mA信號輸入的流量比例閥。通過控制流量比例閥閥口的大小來控制流量大小，最大限度保證壓鑄模溫度降到預(yù)設(shè)溫度值。

圖6 控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)包含啟動、停止和急停按鈕；由溫度傳感器和FX2N-AD轉(zhuǎn)換模塊組合成為溫度檢測模塊，將溫度的模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量輸入到PLC中[2]；由FX2N-2DA模塊、流量比例閥和水泵控制模塊組合成為模具冷卻模塊，通過PLC的核心PID程序運算，PLC輸出數(shù)字量到FX2N-2DA模塊中，輸出4～20 mA的電流信號到流量比例閥中來控制流量比例閥閥口的大小，進而達到控制流量的大小，利用PID自動調(diào)諧可靈活控制流量比例閥閥口大小[1]，進而控制冷卻水流量的大小，并使得閥體壓鑄模型芯冷卻系統(tǒng)出水溫度降至（60±5）℃。

5 軟件程序的PID整定

PID控制器具有結(jié)構(gòu)簡單、容易實現(xiàn)的特點，并且具有較強的魯棒性[3]。

雖說現(xiàn)在有許多先進的控制算法，但是作為一個被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制各個領(lǐng)域中的經(jīng)典控制規(guī)律，PID控制卻并沒有被淘汰，而且在控制的各個領(lǐng)域中仍占據(jù)主導(dǎo)地位。

本程序是采用GX Works軟件設(shè)計壓鑄模型芯溫度自動控制程序，以實現(xiàn)壓鑄模型芯溫度的PID整定和自動調(diào)諧。PID控制是指根據(jù)系統(tǒng)的偏差信號，利用比例（P）、積分（I）和微分（D）來計算控制量，在通過計算的結(jié)果完成對系統(tǒng)的控制和調(diào)節(jié)[4]。

PID控制器參數(shù)整定的方法很多，概括起來有兩大類：①理論計算整定法。它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過理論計算確定控制器參數(shù)。這種方法所得到的計算數(shù)據(jù)未必可以直接用，還必須通過工程實際進行調(diào)整和修改。理論計算整定法雖說有經(jīng)驗值可以方便使用，但是這些經(jīng)驗值未必是對控制系統(tǒng)最好的。②工程整定方法。它主要依賴工程經(jīng)驗，直接在控制系統(tǒng)的試驗中進行，且方法簡單、易于掌握，在工程實際中被廣泛采用。在PLC中，PID控制器參數(shù)的工程整定方法，主要有極限循環(huán)法和階躍響應(yīng)法。這兩種方法都有各自的優(yōu)缺點，但其共同點都是可以通過實驗來對PID控制器參數(shù)進行整定。

在控制系統(tǒng)中，最常用的是極限循環(huán)法，極限循環(huán)法是在進行兩位值控制（根據(jù)偏差，切換輸出上限值和輸出下限值）時，測定輸入值的變化，通過變化值來求出PID控制的參數(shù)。這種極限循環(huán)法適用于連續(xù)模擬量輸出的控制系統(tǒng)，用于控制流量比例閥的閥口大小。

圖7為利用GX Works軟件設(shè)計的PID自動調(diào)諧調(diào)溫的程序。三菱FX3U-16MR系列的PLC的PID指令格式為“S1、S2、S3、D”。其中S1為預(yù)設(shè)的型芯冷卻系統(tǒng)出水溫度SV，將它寄存到D500中；S2為壓鑄模型芯出水口冷卻水的實際測量溫度PV，將它寄存到D501中；S3為PID參數(shù)，其中包含采樣時間、比例增益、積分時間、微分增益等25個字節(jié)，將它們寄存到D510中；D為經(jīng)過PLC的PID算法運算后的實際輸出，將它寄存到D502中。由于預(yù)設(shè)的型芯冷卻系統(tǒng)出水溫度SV為65℃，將其存入到數(shù)據(jù)寄存器D500中，設(shè)置濾波系數(shù)為70%和微分增益為0。當(dāng)X001和M0為“1”且X002為“0”時，程序的自動調(diào)諧開始，設(shè)置采樣時間為5 s，輸出2 s。當(dāng)M2產(chǎn)生脈沖時，M1復(fù)位，程序自動調(diào)諧完成。

圖7 PLC程序

6 結(jié)論

本文設(shè)計了一個基于PLC操作系統(tǒng)的壓鑄模型芯溫度自動控制系統(tǒng)，并描述了系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)方案、部分硬件設(shè)計和部分軟件程序，基本上滿足了閥體模具型芯冷卻系統(tǒng)不能實時監(jiān)測的缺陷，有助于改善閥體成型質(zhì)量，同時也提高了模具壽命?；贕X Works軟件設(shè)計了關(guān)于PID自動調(diào)諧溫度的程序，實現(xiàn)閥體壓鑄模型芯的溫度自動控制。