CN100343000C - 压铸机的压射装置的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种压铸机的压射装置及控制方法，主要包括压射部分、液压部分、控制部分。通过设置对压射缸有杆腔出口工作液流量进行控制的高响应、大流量节流阀和对该节流阀进行实时控制的实时控制器，使用本发明的控制方法，以进油口节流与出油口节流相结合的方式对压射过程的速度进行实时控制，可实现闭环实时控制匀加速慢压射、多段压射、防飞边减速等功能。采用本发明压铸机的压射装置及控制方法，可以使压射过程具有较现有技术更快的响应速度、更高的稳态精度和更好的工艺灵活性。

Description

压铸机的压射装置的控制方法

技术领域

本发明涉及压铸机的压射装置及控制方法，尤其是一种可对压射过程进行实时闭环控制的压射装置及控制方法。

背景技术

图1是现有的一种压铸机的压射装置系统结构示意图，由压射部分、液压部分、控制部分组成，其压射过程一般采用三级压射：第一级为起始及慢压射阶段，第二级为快压射充型阶段，第三级为增压压实阶段。对压射过程的速度控制采用传统的进油口节流的控制方法。

图1也示出了压铸机的模具部分，包括模具W1、模腔W2、压室W3。

压射部分包括压射冲头X1、连接件X2、压射活塞X3、压射缸X4、增压活塞X5、增压缸X6。

液压部分包括油泵Y1、单向阀Y2、Y5、方向阀Y3、节流阀Y4、快排阀Y6、增压比例阀Y7、增压蓄能器Y8、快压射蓄能器Y9、快压射比例阀Y10。

控制部分包括控制器Z1、编码器Z2、快压射比例电磁铁Z3、增压比例电磁铁Z4。

倒入压室W3的金属熔液，被压射冲头X1压射到模具W1的模腔W2中。压射冲头X1由压射活塞X3通过连接件X2驱动。

在慢压射阶段，油泵Y1通过三位四通方向阀Y3向压射缸X4的无杆腔供油，通过节流阀Y4调节油泵进入压射缸的工作油量可使压射冲头X1获得不同的慢压射速度。压射缸X4的有杆腔通过快排阀Y6回油，无调节功能。编码器Z2通过测量连接件X2的移动，检测压射活塞X3也就是压射冲头X1的行程，并将位置信号送入控制器Z1。单向阀Y2阻止从方向阀Y3向油泵逆流的工作油。

当设定的快压射位置到达时，控制器Z1通过比例电磁铁Z3，以设定的开度打开快压射比例阀Y10，使快压射蓄能器Y9内的高压油以大流量进入压射缸X4的无杆腔，压射缸X4的有杆腔通过快排阀Y6快速回油，使压射冲头X1达到设定的快压射速度。

当满足设定的增压触发条件时，控制器Z1通过比例电磁铁Z4，以设定的开度打开增压比例阀Y7，使增压蓄能器Y8内的高压油以大流量进入增压缸X6的无杆腔，推动增压活塞杆X5按设定的压力上升速度和延迟时间增压，将铸件压实。

压射冲头X1返回时，快排阀Y6、快压射比例阀Y10、增压比例阀Y7关闭，油泵Y1通过三位四通方向阀Y3向压射缸X4的有杆腔供油，并从压射缸X4的无杆腔回油。单向阀Y5阻止从压射缸X4向方向阀Y3逆流的工作油。

现有压铸机的压射装置主要存在以下不足：

1.对压射过程中实际压射工艺参数的变化做不到实时监测和控制，只能凭操作者的感觉和经验，根据目测铸件的质量来调整压射条件，因此带有很大的偶然性，无法对压铸产品的质量进行有效控制。

2.当压射工况发生变化时，只能在下一次压射开始前，由人工调整压射条件，不能在压射过程中对系统变化进行实时控制。因此压射过程的重复性较差，造成生产效率低下和产品质量波动较大。

3.在一次压射过程只能设置一个慢压射速度和快压射速度，不能按工艺需要动态地进行多级速度调整，对压铸工艺要求的适应性、灵活性较差。

发明内容

本发明所要解决的主要技术问题是：提供一种可对压射过程进行实时闭环控制的压铸机压射装置及控制方法，使压射过程具有较现有技术更快的响应速度、更高的稳态精度和更好的工艺灵活性。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种压铸机压射装置，包括压射单元、液压单元、控制液压单元向压射单元提供压射动力的控制单元，压射单元包括带压射活塞的压射缸，液压单元包括对压射缸有杆腔出口工作液流量进行控制的节流阀，控制单元包括对节流阀进行实时闭环控制的实时控制器。

压射单元可包括压室、压射缸、与压射缸连通且内径比压射缸内径大的增压缸，可推压压室内加工对象的压射冲头，一端活动嵌插在压射缸内且另一端可推进压射冲头的压射活塞，活动嵌插在增压缸内可推动压射活塞的增压活塞；液压单元可包括与压射缸无杆腔之间通过第一控制阀相连通的压射蓄能器，与增压缸无杆腔之间通过第二控制阀相连通的增压蓄能器，向压射缸、压射蓄能器、增压蓄能器提供工作液的工作液供给装置，压射缸和工作液供给装置之间设有方向阀；控制单元可包括根据设定条件控制第一控制阀、第二控制阀的控制装置，对压射活塞的位置进行检测并将检测信号输入控制单元的检测组件。

本发明采用的实时控制器具有极高的响应速度(可达到0.2-1ms)，从而保证控制过程成为真正意义上的实时控制。

本发明所采用的实时控制器可综合压射参数的实测值(压射活塞位置、速度、加速度，压射缸有杆腔压力，压射缸无杆腔压力，节流阀开度、先导压力，压射蓄能器压力等)和压射参数的设置值对压射缸出口节流阀开度调整量进行预估控制，然后根据参数的实际变化，对响应速度过快造成的超调和振荡进行负反馈补偿。

控制压射缸有杆腔出口工作液流量的出口节流阀上连接有节流阀开度检测装置、节流阀先导压力检测装置。

可将增压蓄能器同时作为节流阀先导级的先导工作液源，先导蓄能器用于先导工作液路稳压。

可设置对压射活塞的位置、速度、加速度进行实时检测的检测组件，所得检测信号输入所述实时控制器。

还可设置压射缸有杆腔压力、无杆腔压力、压射蓄能器压力检测装置，所检测到的压力信号输入所述实时控制器。

实时控制器根据检测组件和节流阀开度检测装置及压射缸有杆腔压力检测装置的检测信号，实时控制节流阀的开度。

控制装置可采用逻辑控制器来控制第一控制阀、第二控制阀，还可设置对压射过程参数变化进行监控显示、对所述压射活塞的位置和速度关系进行编程的人机界面。

针对本发明所要解决的技术问题，本发明还提供一种压铸机的压射装置的控制方法，该控制方法对压射装置的压射缸有杆腔出口节流阀的控制步骤如下：

a.根据压射速度设定值和压铸机的压射缸有杆腔实测压力，实时控制器运用伺服阀数学模型，得出预估控制信号；根据压铸机的压射缸压射冲头压射速度的检测值和设定值之间的偏差，实时控制器运用阀特性变化补偿模型，得出预估误差补偿分量信号；

b.实时控制器将步骤a得出的预估控制信号和预估误差补偿分量信号进行综合，得出第一控制信号；

c.根据压铸机的压射缸压射冲头压射加速度检测值，实时控制器得出加速度负反馈分量信号；实时控制器将该负反馈分量信号与步骤b得出的第一控制信号进行综合，得出第二控制信号；

d.实时控制器将步骤c得出的第二控制信号经过滤波处理，得出第三控制信号，该第三控制信号作为控制压射缸出口节流阀主级位移的给定值；

e.实时控制器将压射缸有杆腔出口节流阀主级位移的检测值与步骤d得出的第三控制信号进行综合，得出压射缸有杆腔出口节流阀先导级控制信号。

本发明压铸机压射装置的实时控制器中引入了一个精确的伺服阀数学模型。该数学模型是根据控制阀及压射系统的机理在大量的实验数据基础上建立的。根据用户设置的压射速度设定值及压射缸有杆腔压力检测值，实时控制器运用伺服阀数学模型综合得出预估控制信号。实时控制器中还引入了一个阀特性变化补偿模型，利用压射冲头的速度检测值与压射速度设定值之间的差值，运用阀特性变化补偿模型，对阀特性的变化、液压系统工作介质的特性变化等因素引起的预估误差进行补偿，获得预估误差补偿分量。实时控制器将预估控制信号和预估误差补偿分量信号进行综合，得出第一控制信号。

为了抑制压射单元惯性的影响，引入加速度负反馈分量信号，此信号通过对压射冲头的运动速度的微分获得。第一控制信号与压射冲头的加速度负反馈分量信号综合后获得第二控制信号，实时控制器对第二控制信号进行滤波处理后获得第三控制信号，该第三控制信号作为控制压射缸出口节流阀主级位移(开度)的给定值。

实时控制器将压射缸有杆腔出口节流阀主级位移(开度)的检测值与第三控制信号进行综合，得出压射缸有杆腔出口节流阀先导级控制信号。

这样，实时控制器通过实时控制压射缸出口节流阀进一步实时精确控制压射冲头的运动，使压射过程精确地按照设定曲线进行。

在上述控制方法中，压铸机的压射缸压射冲头压射速度的检测值，可由实时控制器根据检测得到的压射冲头的位移量进行微分后获得；压铸机的压射缸压射冲头的压射加速度检测值，可由实时控制器根据压射速度的检测值进行微分后获得；压射缸有杆腔出口节流阀主级位移(开度)的检测值可由实时控制器通过节流阀开度检测装置检测得出。

本发明压铸机的压射装置是这样控制的：

在压射起始阶段，工作液供给装置向压射缸的无杆腔提供工作液。控制单元控制第一控制阀以设定的开度打开，对压射蓄能器进入压射缸无杆腔的工作液流量进行控制，实时控制器综合采集到的实时压射参数，通过压射缸有杆腔出口节流阀实时调节压射缸有杆腔出口的工作液流量，从而实现对压射过程采用进油口节流与出油口节流相结合的方式进行实时控制，以使实际压射速度与压射速度设定值相吻合，按设定的压射速度曲线实现匀加速慢压射、多段压射速度切换、防飞边减速等功能。

压射缸有杆腔出口节流阀的实际开度通过检测装置进行检测，并将信号输入实时控制器。为了更好地对压射速度进行实时闭环控制，实时控制器还接收压射缸有杆腔压力检测装置、无杆腔压力检测装置、压射蓄能器压力检测装置、先导压力检测装置的压力信号以及检测组件实时检测的压射活塞位置、速度、加速度等信号。

当设定的增压触发条件满足时，控制单元控制第二控制阀以设定的开度打开，使增压蓄能器内的高压工作液以大流量进入增压缸的无杆腔，推动增压活塞按设定的压力上升速度和延迟时间增压，将铸件压实。

压射冲头返回时，第一控制阀、第二控制阀、出口节流阀关闭，工作液供给装置向压射缸的有杆腔提供工作液，压射缸的无杆腔排出工作液。

整个压射过程中，实时控制器通过对压射缸出口节流阀工作液流量的实时精确控制，实现进液口节流与出液口节流相结合的控制方式，进而使压射过程精确地按照设定的压射速度曲线进行。

本发明的有益效果是：

1、当实际压射位置及速度与设置值产生偏差时，由于实时控制器可综合压射参数的实测值和设置值对出口节流阀开度调整量进行预估控制，然后根据系统参数的实际变化，对响应速度过快造成的超调和振荡进行负反馈补偿，因而消除了压射装置液压伺服控制系统惯量的影响，将节流阀的性能发挥到极限，极大地提高了系统的响应速度和稳态精度。

2、由于在出口节流阀数学模型中还包含了对出口节流阀的特性飘移，阀口压力波动和阻尼变化的反馈补偿模块，使压铸机的压射过程在不同的工况变化下保持稳定，不需要反复调整。因而能够对压铸产品的质量进行有效控制，并保证压射过程的重复性。

3、在本发明中，用户可输入多段不同的位置、速度来调整压射曲线，用户设置值是压射速度的绝对值，由系统通过实时闭环控制来自动实现，不需要反复调整，并可在压射过程中对压射速度进行实时控制，保持压射速度的稳定。通过实时闭环控制其慢压射过程，实现匀加速慢压射技术，并可将慢压射过程分为匀加速和匀速两小段，可避免或减少压室内的气体卷入金属液中的概率，达到消除或减少压铸件内部气孔的目的，匀加速慢压射的匀速段的取值是由压室直径、金属液充满度等工艺参数决定的临界速度。慢速段还可在匀加速和多段设置之间切换。基于实时控制器和高响应、大流量、高精度的出口节流阀，可对加减速压射动作进行高速应答，在高速充型末段还可通过位置或压力触发进行刹车，防止铸件披峰产生，因此具有极大的工艺灵活性。

4、在本发明中，压铸机压射装置的实时控制器、逻辑控制器、人机界面可使用通用的高速CPU进行运算处理，并可采用超大容量的高速RAM和海量ROM，因此解决了高速闭环控制并同时进行大量数据高速采集和存储的问题。

5、在本发明中，压铸机压射装置的实时控制器、逻辑控制器、人机界面都可以在Windows操作系统下工作，因此可应用通用技术解决压铸机的网络化问题。

与现有技术相比，本发明压射装置及控制方法，可以使压射过程具有较现有技术更快的响应速度、更高的稳态精度和更好的工艺灵活性。

附图说明

下面结合附图描述本发明的具体实施方式。

图1为现有的一种压铸机压射装置的系统结构示意图；

图2(a)为本发明压射装置一种实施方式的系统结构示意图；

图2(b)为本发明控制方法关于压射缸有杆腔出口节流阀控制的算法框图

图3为图2(a)所示的实施方式使用本发明控制方法的匀加速压射曲线；

图4为图2(a)所示的实施方式使用本发明控制方法的多段压射曲线；

图5为图2(a)所示的实施方式使用本发明控制方法的重叠压射曲线。

具体实施方式

图2(a)为本发明一种实施方式的系统结构示意图。

如图2(a)所示，该压铸机压射装置由压射部分、液压部分、控制部分组成，对压射过程的速度控制采用进油口节流与出油口节流相结合的方式，可实现闭环实时控制匀加速慢压射、多段压射、防飞边减速等功能。

为便于说明，图2(a)中也示出了压铸机的模具部分，包括模具D01、模腔D02、压室D03。

压射部分包括压射冲头M01、连接件M02、测量杆M03、压射活塞M04、压射缸M05、增压活塞M06、增压缸M07。

液压部分包括油泵H01、单向阀H02、H04、H09、过滤器H03、先导蓄能器H05、压射缸有杆腔出口节流阀主级H06、先导级H07、方向阀H08、液控单向阀H10、增压比例阀H11、增压蓄能器H12、压射蓄能器H13、压射比例阀H14。

控制部分包括人机界面C01、逻辑控制器C02、实时控制器C03、A/D转换器与位置信号采集装置C04、D/A转换器C05、编码器C06、限位开关C07、LVDT位移传感器C08、压射缸有杆腔压力传感器P1、无杆腔压力传感器P2、压射蓄能器压力传感器P3、先导压力传感器P4。

实时控制器C03中引入了精确的伺服阀数学模型和阀特性变化补偿模型。实时控制器C03中包括一个一阶的BUTTERWORTH滤波器。

在本发明的实施例中人机界面C01、逻辑控制器C02和实时控制器C03可采用同一台工业计算机，使用Windows操作系统；也可分别采用独立的硬件装置，并使用不同的操作系统。实时控制器C03与A/D转换器及位置信号采集装置C04和D/A转换器C05可以分开为不同的硬件装置，也可合成在同一件硬件装置上。逻辑控制器C02和实时控制器C03可以分开为不同的硬件装置，也可合成在同一件硬件装置上。

实时控制器C03对压射装置的压射缸有杆腔出口节流阀的控制步骤如下：

实时控制器C03运用精确的伺服阀数学模型，根据用户设置的压射速度设定值及压射缸M05有杆腔压力检测值获得预估控制信号。同时，利用压射冲头的速度检测值与压射速度设定值的误差，实时控制器C03运用阀特性变化补偿模型，对阀特性的变化、液压系统工作介质的特性变化等因素引起的预估误差进行补偿，获得预估误差补偿分量信号。实时控制器C03将预估控制信号和预估误差补偿分量信号进行综合，得到第一控制信号。

为了检测压射冲头M01的运动速度，通过编码器C06检测压射冲头M01的位移信号，对该位移信号进行微分后，获得压射冲头M01的运动速度检测信号。

为了抑制压射部分惯性的影响，实时控制器C03引入加速度负反馈分量信号，此信号通过对压射冲头M01的运动速度检测信号的微分获得。第一控制信号与压射冲头M01的加速度负反馈分量信号综合(相减)后获得第二控制信号，第二控制信号经过一个一阶的BUTTERWORTH滤波器处理后获得第三控制信号，该第三控制信号作为控制压射缸出口节流阀主级H06位移的给定值。

通过LVDT(差动变压器)位移传感器C08检测压射缸出口节流阀主级H06的位移，获得相应的节流阀主级位移信号。第三控制信号与节流阀主级位移信号综合(相减)后作为压射缸出口节流阀先导级H07的控制信号。

这样，实时控制器C03通过实时控制压射缸出口节流阀进一步实时精确控制压射冲头M01的运动，使压射过程精确地按照设定曲线进行。

本实施方式压射过程是这样控制的：

倒入压室D03的金属熔液，被压射冲头M01压射到模具D01的模腔D02中。压射冲头M01由压射活塞M04通过连接件M02驱动。测量杆M03与编码器C06用于测量压射冲头M01的移动距离，编码器C06还可对压射活塞的速度、加速度进行实时检测，压射冲头M01的位置信号、压射活塞的速度、加速度信号通过A/D转换器C04送入实时控制器C03。限位开关C07用于指示压射缸活塞M04的原点。

在压射起始阶段，油泵H01通过三位四通方向阀H08向压射缸M05的无杆腔供油，单向阀H02阻止从方向阀H08向油泵逆流的工作油。压射比例阀H14以设定的开度打开，对压射蓄能器H13进入压射缸无杆腔的工作油的流量进行控制。实时控制器C03通过D/A转换器C05，调节压射缸有杆腔出口节流阀的先导级H07的开度，并带动主级H06，以出口节流的方式实时控制压射缸有杆腔的排油量，按用户通过人机界面C01设定的压射速度曲线实现匀加速慢压射、多段压射速度切换、防飞边减速等功能。除压射缸有杆腔出口节流阀外，其他油阀和机器动作由逻辑控制器C02控制。压射缸有杆腔出口节流阀的实际开度通过LVDT(差动变压器)位移传感器C08进行检测，并将信号通过A/D转换器C04送入实时控制器C03。为了对压射速度进行实时闭环控制，实时控制C03还通过A/D转换器C04接收压射缸有杆腔压力传感器P1、无杆腔压力传感器P2、压射蓄能器压力传感器P3、先导压力传感器P4的压力信号。压射缸有杆腔出口节流阀的先导级H07的先导油源为增压蓄能器H12，过滤器H03对先导油进行过滤，蓄能器H05用于先导油路稳压，单向阀H04阻止从压射缸有杆腔出口节流阀的先导级H07向增压蓄能器H12逆流的工作油。

当设定的增压触发条件满足时，逻辑控制器C02通过增压比例阀H11，以设定的开度打开，使增压蓄能器H12内的高压油以大流量进入增压缸M07的无杆腔，推动增压活塞杆M06按设定的压力上升速度和延迟时间增压，将铸件压实。

压射冲头M01返回时，压射缸有杆腔出口节流阀、压射比例阀H14、增压比例阀H11关闭，油泵H01通过三位四通方向阀H08向压射缸M05的有杆腔供油，并从压射缸M05的无杆腔回油。单向阀H09阻止从压射缸M05向方向阀H08逆流的工作油。液控单向阀H10使增压缸M07的无杆腔泄压。

整个压射过程中，实时控制器C03通过对压射缸出口节流阀工作液流量的实时精确控制，实现进液口节流与出液口节流相结合的控制方式，进而使压射过程精确地按照设定的压射速度曲线进行。

图3为图2(a)所示的实施方式使用本发明控制方法的匀加速压射过程的实测压射曲线。图中曲线1为压射速度/时间曲线，曲线2为压射缸有杆腔压力/时间曲线，曲线3为压射缸无杆腔压力/时间曲线，曲线4为压射冲头行程/时间曲线。通过实时闭环控制其慢压射过程，实现了匀加速慢压射技术，将慢压射过程分为匀加速和匀速两小段，可避免或减少压室内的气体卷入加工对象中的概率，达到消除或减少压铸件内部气孔的目的，匀速段的取值是由压室直径、加工对象充满度等工艺参数决定的临界速度。

图4为图2(a)所示的实施方式使用本发明控制方法的多段压射过程的实测压射曲线。图中曲线1为压射速度/时间曲线，曲线2为压射缸有杆腔压力/时间曲线，曲线3为压射缸无杆腔压力/时间曲线，曲线4为压射行程/时间曲线。用户可输入多段不同的位置、速度坐标值来调整压射曲线，用户设定压射速度的设置值后，由系统通过实时闭环控制来自动实现，不需要反复调整，并可在压射过程中对压射速度进行实时控制，保持压射速度的稳定。基于实时控制器和高响应、大流量、高精度的压射缸有杆腔出口节流阀，可在极短时间内完成加减速压射动作，在高速充型末端通过位置或压力触发进行刹车，防止铸件披峰产生。慢速段还可在匀加速和多段设置之间切换，因此具有极大的工艺灵活性。

图5为图2(a)所示的实施方式使用本发明控制方法的多组实测压射曲线的重叠效果。图中曲线1为压射速度/时间曲线，曲线2为压射缸有杆腔压力/时间曲线，曲线3为压射缸无杆腔压力/时间曲线，曲线4为压射行程/时间曲线。从多组连续的压射曲线重叠效果中可以非常清楚地看出，本发明的压铸机压射装置及控制方法可以使压射过程中保持高度的稳定性和重复性。

Claims (1)

1.一种压铸机的压射装置的控制方法，该种方法控制的压铸机包括：压射单元、液压单元、控制所述液压单元向所述压射单元提供压射动力的控制单元，所述压射单元包括带压射活塞的压射缸，所述压射单元包括对所述压射缸有杆腔出口工作液流量进行控制的节流阀，所述控制单元包括对所述节流阀进行实时闭环控制的实时控制器；上述压铸机的压射装置的控制方法，其特征在于：所述控制方法对压射装置的压射缸有杆腔出口节流阀的控制步骤如下：

a.根据压射速度设定值和压铸机的压射缸有杆腔实测压力，实时控制器运用伺服阀数学模型，得出预估控制信号；根据压铸机的压射缸压射冲头压射速度的检测值和设定值之间的偏差，所述实时控制器运用阀特性变化补偿模型，得出预估误差补偿分量信号；

b.所述实时控制器将步骤a得出的预估控制信号和预估误差补偿分量信号进行综合，得出第一控制信号；

c.根据压铸机的压射缸压射冲头压射加速度检测值，所述实时控制器得出加速度负反馈分量信号；所述实时控制器将该负反馈分量信号与步骤b得出的第一控制信号进行综合，得出第二控制信号；

d.实时控制器将步骤c得出的第二控制信号经过滤波处理，得出第三控制信号，该第三控制信号作为控制压射缸出口节流阀主级位移的给定值；

e.所述实时控制器将压射缸有杆腔出口节流阀主级位移的检测值与步骤d得出的第三控制信号进行综合，得出压射缸有杆腔出口节流阀主级控制信号。

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