王天濤，康 群，趙 亮

（1.青島科沃思自動化有限公司，山東青島 266400；2.青島青鑄裝備有限公司，山東青島 266400）

0 前言

近年來，我國鑄造產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展，2020 年鑄件總產(chǎn)量連續(xù)21 年位居世界第一。鑄造裝備技術(shù)飛速發(fā)展，鑄造生產(chǎn)對鑄造裝備的要求越來越高。靜壓造型線廣泛用于各種球墨鑄鐵、灰鐵等鑄件的生產(chǎn)，是應(yīng)用最廣泛的鑄造行業(yè)造型線類型之一。全線基本可以分為造型段、下箱合箱澆注段、冷卻段、脫箱段四部分。每一段所共有的裝置是由推緩油缸或者車載推緩油缸組成的推緩機(jī)構(gòu)。液壓驅(qū)動的靜壓造型線因其成型率高、生產(chǎn)效率高、運(yùn)行平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)，成為各鑄造廠商的優(yōu)選裝備。隨著鑄造產(chǎn)業(yè)環(huán)保整治力度的增加以及產(chǎn)業(yè)精益化管理水平的提高，靜壓造型線的整體運(yùn)行效率是當(dāng)前各廠關(guān)心的重要技術(shù)指標(biāo)和管理指標(biāo)，而液壓推送裝置是靜壓造型線水平方向上的主要砂箱移載裝置，也是提高系統(tǒng)整體運(yùn)行效率的關(guān)鍵環(huán)節(jié)裝置。本文通過總結(jié)分析當(dāng)前液壓推送裝置的優(yōu)缺點(diǎn)，開發(fā)設(shè)計一種緩沖壓力實(shí)時調(diào)節(jié)的液壓系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)新穎，技術(shù)領(lǐng)先，能夠提高設(shè)備整體的生產(chǎn)運(yùn)行效率。

1 結(jié)構(gòu)組成

1.1 現(xiàn)有結(jié)構(gòu)

現(xiàn)有常規(guī)靜壓造型線的砂箱推送控制一般采用推送油缸進(jìn)行驅(qū)動和速度控制、緩沖油缸提供背壓緩沖減速。一般推送油缸采用比例閥控制，全程可分為消間隙、慢速啟動、快速推送和減速制動四個階段，后三個階段尤其是快速推送和減速制動階段需要緩沖缸的背壓配合來實(shí)現(xiàn)。緩沖油缸的背壓壓力值和給定背壓的時間直接影響油缸液壓壓力曲線的平穩(wěn)性，不同的推送速度需要不同的背壓壓力值和給定背壓的時間配合才能夠保證推送的平穩(wěn)性和到位的準(zhǔn)確性；一般緩沖缸的背壓，通過兩位四通滑閥控制兩位兩通插裝閥閥芯和蓋板來實(shí)現(xiàn)，當(dāng)有背壓壓力可調(diào)的要求時，兩通插裝閥的蓋板要配減壓閥。上述動作的部分液壓原理如圖1 所示。此方式緩沖缸壓力只能在零壓力和設(shè)定壓力值之間進(jìn)行切換，不但容易發(fā)生慣性脫離，而且限制了推送速度進(jìn)一步的提高。

圖1 常規(guī)控制液壓原理圖

1.2 改進(jìn)結(jié)構(gòu)

針對現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)，本文對液壓系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，推送油缸的液壓控制閥組不變，但是采用磁致伸縮位移傳感器進(jìn)行油缸運(yùn)動距離的精確測量，保證推送油缸在推送過程中全程位置實(shí)時測量；緩沖油缸處增加一套壓力可調(diào)節(jié)的液壓閥組裝置，采用比例溢流閥來控制蓋板溢流閥的溢流壓力大小，實(shí)現(xiàn)輸出壓力可調(diào)，改進(jìn)后液壓系統(tǒng)原理如圖2 所示。經(jīng)過結(jié)構(gòu)改進(jìn)后，整體緩沖背壓可以在全過程進(jìn)行無級調(diào)整，保證整個減速過程更加平穩(wěn)，同時逐步的緩沖壓力增大也能夠最大限度的延長推送缸高速推送的時間、提高效率。

圖2 改進(jìn)后液壓原理

2 控制系統(tǒng)設(shè)計

改進(jìn)的液壓裝置需要位移傳感器以及PLC控制系統(tǒng)進(jìn)行精控配合。本控制系統(tǒng)主要包括:高性能PLC、磁致伸縮直線位移傳感器、液壓閥控和操作顯示屏。液壓閥控包括壓力傳感器、液壓閥臺和比例放大器三部分。動作過程中，系統(tǒng)對推送緩沖缸位置及各個測壓點(diǎn)壓力進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控并顯示。PLC 通過以太網(wǎng)總線與各現(xiàn)場機(jī)構(gòu)進(jìn)行通訊交互，能夠?qū)Ω鱾€機(jī)構(gòu)進(jìn)行數(shù)據(jù)收集、存儲、計算處理及控制輸出。

開始動作后，首先控制緩沖缸伸出到接觸砂箱的接箱位置，并啟動推送缸根據(jù)PLC 輸出的模擬量值控制比例閥開始工作，隨著推送缸伸出動作的進(jìn)行，緩沖缸實(shí)際位置開始變化，此時記錄推送缸位置與緩沖缸位置的位移之和作為動作過程中自動診斷的參考值；進(jìn)入快速運(yùn)動模式后打開減壓閥，并通過比例溢流閥開始背壓壓力調(diào)整，控制過程中以初始記錄的位移和作為連續(xù)調(diào)整的目標(biāo)參考值；運(yùn)行過程以位移和的實(shí)際值和目標(biāo)參考值的實(shí)時位移差為控制目標(biāo)，通過PID 調(diào)節(jié)緩沖缸的背壓壓力值，保證整個運(yùn)行過程中推送缸推頭、砂箱段和緩沖缸頭部三者始終保持貼緊狀態(tài)、無脫離現(xiàn)象發(fā)生；最終減速停止過程，通過適當(dāng)高的背壓壓力進(jìn)行快速停止并保證最終砂箱減速精確停止到目標(biāo)位置；整個快速過程高速平穩(wěn)，制動減速過程急短精準(zhǔn)。其控制流程如圖3 所示。

圖3 電氣控制流程圖

3 設(shè)計優(yōu)點(diǎn)總結(jié)

與傳統(tǒng)的油缸推緩控制系統(tǒng)相比，改進(jìn)后的推緩設(shè)計在控制、監(jiān)控和可視化等各個方面都具備壓倒性的優(yōu)勢，更有利于客戶的生產(chǎn)使用、提高生產(chǎn)效率。其優(yōu)點(diǎn)總結(jié)如下：

（1）改進(jìn)方案能夠有效縮短設(shè)備故障停機(jī)時間。傳統(tǒng)方案多采用傳感器開關(guān)進(jìn)行檢測控制，整個過程類似于盲盒，操作維修人員根本無法從監(jiān)控數(shù)據(jù)上直觀地監(jiān)測整個運(yùn)動過程；而改進(jìn)的設(shè)計方案監(jiān)控更加完善、可視化程度高，背壓壓力、油缸位置、推送速度等監(jiān)控參數(shù)都有具體明確的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，從推緩監(jiān)控數(shù)據(jù)中，操作維修人員可以精準(zhǔn)定位設(shè)備故障點(diǎn)，更快捷地完成故障維修。

（2）改進(jìn)方案控制更加精準(zhǔn)。傳統(tǒng)方案采用固定背壓給定背壓壓力值，采用一組傳感器開關(guān)配合時間延時控制作為位置和動作控制，控制方式粗糙，一旦液壓壓力或者油缸硬件發(fā)生故障根本無法檢測，推送過程無法檢測和停止，常常會造成二次故障損失；而改進(jìn)方案能夠?qū)崿F(xiàn)整個推緩過程位置、壓力和速度的實(shí)時配合控制，只要發(fā)生失速或者脫離情況，系統(tǒng)能夠緊急制動，避免二次故障損失。

（3）改進(jìn)方案能夠明顯提高設(shè)備運(yùn)行效率。生產(chǎn)節(jié)拍是靜壓造型線的重要參考指標(biāo)，也是鑄造廠商降低生產(chǎn)成本的關(guān)注點(diǎn)；改進(jìn)方案在位置、壓力和速度各個方面都能夠提供更寬的調(diào)節(jié)范圍和更多樣的參數(shù)組合，能夠以更小的背壓壓力、更精準(zhǔn)的位置控制，顯著提高每一處推緩過程的運(yùn)行速度，從而提高整個靜壓造型線的運(yùn)行節(jié)拍，這是傳統(tǒng)控制方案所不具備的優(yōu)點(diǎn)。

4 結(jié)束語

文中所述設(shè)計已經(jīng)在新的生產(chǎn)線上進(jìn)行投產(chǎn)，目前運(yùn)行效果良好，設(shè)備整體監(jiān)控更完善、可視化程度高，設(shè)備生產(chǎn)效率和運(yùn)行穩(wěn)定性顯著提升。