CN103056333B - 一种压铸机锁模力在线调节装置和调节算法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种以行程微调节为基础的力学量调节装置和调节算法，尤其是一种压铸机锁模力在线调节装置和调节算法；其发明目的是保证在压铸过程中的实际锁模力始终在设定值范围内，提升压铸机的实时检测和控制水平，提高压铸产品的质量；它包括锁模力在线检测系统、反馈控制系统和调模执行机构等三个部分。锁模力在线检测系统采用应变式测力传感器安装在压铸机的一根或四根拉杆上以获得工作时的锁模合力；反馈控制由编码器和控制程序组成；调模执行机构由液压马达、调模大小齿轮、调模螺母组成；同时其还涉及一种压铸机锁模力在线调节算法；本发明利用反馈信号启动液压马达，驱动调模螺母转动调整锁模力在设定范围内，从而保证制品的质量。

Description

一种压铸机锁模力在线调节装置和调节算法

技术领域

本发明专利涉及一种以行程微调节为基础的力学量调节装置和调节算法，尤其是一种压铸机锁模力在线调节装置和调节算法。

背景技术

压铸产品是熔融金属在模具内高压快速冷却成形，在压铸过程中的压射速度和增压过程对铸件产品质量影响极大。熔融金属在最终静压力的作用下冷却凝固，静压力的大小取决于压铸件的复杂程度、合金性能和压铸件的质量要求，一般为50～500MPa，作用于压铸件的总合力则由合模机构来承担所要求的锁模力，并由合模机构四根拉杆产生的弹性变形来实现。锁模力不足会造成模具胀开，影响压铸件的质量并对压铸机附近的人物造成危险；锁模力过大会影响模具和压铸机的使用性能和寿命。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述现有技术的不足而提供一种能保证在压铸过程中的实际锁模力在设定值范围内的在线锁模力调节装置和锁模力调节算法。

为了实现上述目的，本发明所设计的压铸机锁模力在线调节装置，包括锁模力在线检测系统、反馈控制系统和调模执行机构等三个部分。

所述的锁模力在线检测系统由应变式测力传感器、调理电路组成；应变式测力传感器是将应变片粘贴在弹性构件上，用钢带紧紧地联接在压铸机的拉杆上，获得与拉杆相同的变形量。可以在一根拉杆上安装应变式测力传感器或四根拉杆上分别安装应变式测力传感器。在四根拉杆上安装则更准确，其合力就是总锁模力。每根拉杆上可采用由一组、二组或四组应变式测力传感器，常用二组应变式测力传感器，相隔10°布置，以消除由于结构上原因引起的横向力作用产生弯曲影响，提高测试精度；每组应变式测力传感器由一纵一横的两片应变片组成，可以实现温度补偿，消除环境温度的影响，进一步提高测试精度。 锁模力在线检测系统的调理电路本质上是一种电桥电路，将应变片的电阻变化量转换为电压量并经适当地放大以经合适的电压量输出。一组应变传感器接成半桥，二组应变式测力传感器接成全桥，四组应变式测力传感器则可采用串联后接成全桥，进而提高测试的灵敏度。应变式测力传感接成电桥后通过信号电缆传递到反馈控制系统。应变式测力传感器安装在前后模板间，距拉杆在前后模板的固定联接端大于拉杆直径且不影响合模机构运动的位置处，以获得均匀的应变分布。

所述的调模执行机构包括液压马达、驱动齿轮、调节小齿轮、调模螺母和调模大齿轮。液压马达前端可经过减速机构或直接通过驱动齿轮带动调模大齿轮转动、调模大齿轮再带动调模小齿轮转动、小齿轮带动调模螺母，改变拉杆上的两模板间的距离。液压马达、调模大齿轮等支承在后模板上，随后模板一起移动；调模小齿轮支承在调模螺母上并用键联接传递动力，将调模小齿轮-调模螺母的转动转换成调模螺母在拉杆上的移动。调模螺母安装在后模板的后方，调模螺母的移动改变前、后模的相对位置，在压铸机合模机构和模具尺寸不变的情况下改变合模时的变形量，从而改变锁模力的大小。

所述的反馈控制系统由编码器、控制器和控制执行程序单元组成。编码器与液压马达同轴安装，检测液压马达转过的角度，提供稳定锁模力所要求调整变形量的对应转动角度。控制器用于比较分析实测锁模力峰值与设定值的差值，根据控制计算提供的控制程度的结果，实施进行锁模力调整；控制执行程序单元是由锁模力与拉杆应力应变、调模执行机构传动关系及比较器提供的锁模力差值编制控制液压马达启停的执行程序。

本发明还提供了一种压铸机锁模力在线调节装置的控制算法，其具体包括以下步骤：

a)建立压铸机合模机构的拉杆受到的拉力F与拉杆产生的应变ε间的关系，上述关系与拉杆自身的直径d或横截面积A(A＝πd²/4)、所用材料的弹性模量E有关：

其具体关系式为：ε＝F/EA＝4F/Eπd²或F＝εEA＝Eπd²ε/4；

由胡克定律，对于受轴向拉力作用的拉杆，其轴向正应变为ε，横向应变为-vε，其中v为泊松比；

b)采用应变法测定每根拉杆的实际拉力，在拉杆上固定一组或两组应变式测力传感器，上述提及的应变式测力传感器是由二片应变片组成，一片沿拉杆轴线的纵向感受与拉杆相同的轴向应变，另一片感受横向应变并拼成电桥进行测量；

采用一组应变式测力传感器连接成测量电桥测量拉杆的应变，测量电路构成半桥，其应变ε与电桥输出电压u₀的关系为：

式中：u_e为供桥电压；s为应变片灵敏度；v为被测件的泊松比；

采用二组应变式测力传感器连接成全桥的测量电桥形式，其应变ε与电桥输出电压u₀的关系为： $u_0=\frac{1}{2}{u}_e\mathrm{s\ϵ}(1+v);$

对于具体的测量对象和测试电路u_e、s、(1+v)为定值，设称为电桥系数，则采用一组传感器、半桥接法系数为k，采用二组传感器，全桥接法，系数为2k；

根据测量电路和测量的输出电压，可以得到测量所得的拉杆所受拉力为：

一组应变式测力传感器(半桥测量)：

$\mathrm{\ϵ}=\frac{u_0}{k},$ $F=\frac{u_0}{k}\mathrm{EA}=\mathrm{E\π}{d}^2{u}_0/4k;$

二组应变式测力传感器(全桥测量)：

$\mathrm{\ϵ}=\frac{u_0}{2k},$ $F=\frac{u_0}{2k}\mathrm{EA}=\mathrm{E\π}{d}^2{u}_0/8k;$

c)通过上一步骤中计算出来的压铸机上拉杆所承受拉力F来确定锁模力P，当以四根拉杆拉力的测量作为锁模力测量时，四根拉杆所承受拉力F的总和确定锁模力P，设定四根拉杆的拉力分别为F₁、F₂、F₃、F₄，则锁模力P为：P＝F₁+F₂+F₃+F₄；

若为半桥测量：

若为全桥测量：

有时为了结构上的简化，在各拉杆受力一样的假设下，仅以一根拉杆拉力的测量作为锁模力测量，则采用半桥和全桥接法的锁模力与测量输出电压的关系分别为：

若为半桥测量：

若为全桥测量：

d)建立锁模力P引起的拉杆变形Δl的关系，上述关系与拉杆原长度l、拉杆受到的拉力F、拉杆自身的直径d或横截面积A(A＝πd²/4)、所用材料的弹性模量E有关，具体表示为：

Δl＝εl＝Fl/EA＝4Fl/Eπd²；

当以四根拉杆拉力的测量作为锁模力测量，且各拉杆受力相同，伸长量相同的假设下，即：

则Δl＝εl＝Fl/EA＝Pl/Eπd²；

e)当压铸过程的增压结束时，实际产生的锁模力P_实与设定锁模力P_设不一致就意味着上述的Δl未达到给定值；则Δl的差值，也即需调节的值为：

f)实际锁模力P_实和设定锁模力P_设用测量值表示，并设输出电压的总和为u_总O，对应于实际锁模力P_实和设定锁模力P_设的输出总电压分别为u_实总O和u_设总O，拉杆伸长量的差值用测量锁模力的电压量表示，对于不同的测量情况有：

若为半桥测量 

若为全桥测量 

g)实际锁模力差异而引起拉杆变形的差异是通过调模执行机构的动作实现调节；设液压马达的转角为θ，调模执行机构齿轮间的减速传动比为i，调模螺母的螺距为t，则液压马达转角θ与调模螺母位移s间的关系可表达为：当调节量s为拉杆变形差Δl_差，液压马达需要调节的角度

对应于不同的锁模力测量方式就有：

适当地增大调节角度便于进行调节控制，也有利于提高调节精度。由于拉杆长l受结构和刚度限制，测试系统的u_e、s和v同时制约锁模力测试信号u_O大小。因此，增大调节角度的途径主要是增大调模机构的减速比并采用小螺距的 调模螺母。

锁模力的稳定控制由反馈控制系统来实现。控制系统首先比较锁模力设定值与实际值差异产生的电压差(u_设总O-u_实总O)，根据上述提供的锁模与调整调模机构角度调节关系和控制基本要求，编制控制程序控制液压马达动作；与液压马达同轴安装的编码器检测并反馈液压马达转过的角度，提供稳定锁模力所要求调整变形量的对应转动角度。

本发明得到的一种压铸机锁模力在线调节装置和调节算法，可以获得很高的精度，这主要取决于检测系统的精度，一般可使锁模力达到±3％，极大地提高和保证压铸制品的质量，同时本发明结构紧凑、配置合理、工作安全可靠、使用方便。

本发明得到的一种压铸机锁模力在线调节装置和调节算法，可以实时检测和控制，在合模增压过程中进行调节由于锁模力较大需要采用大扭矩的液压马达来驱动，在实际使用中因不经济而采用在下一循环进行空载调节。

所述的锁模力往往受到工作温度、熔融金属性能和容量、压铸部分液压压力等多种因素影响，锁模力大小波动亦属正常，实际应用中，应规定不影响制品质量的公差范围，在公差范围内为正常不必调节，公差带外属异常应考虑是否及时调节。

所述锁模力异常是指检测到的锁模力超过所限制的公差范围。锁模力超差可能是液压系统、给料等偶然因素的影响。每出现异常就进行锁模力调节，这样过于频繁地调节锁模力对制品生产质量并非是有效措施、同时也会加快压铸机调模机构的磨损并使调模精度降低。考虑偶然因素的影响，对锁模误差应分析原因，建议对锁模力连续二点超差或五次动作中有三次超差时采取调模动作。

所述的锁模力调节方法可用于装配时各拉杆的拉力的精调节。利用在各拉杆上安装的测力传感器，测出各拉杆承受的拉力。当各拉杆所受载荷不一致时，手动调节拉杆前端的拉杆连接螺母，使各拉杆所受载荷一致，保证压铸机的受力均匀，提高设备性能。

附图说明

图1是本发明压铸机锁模机构整体系统图；

图2是图1中B方向的示意图；

图3是图2中A-A处的示意图；

图4是应变式测力传感器的接线图；

图5是锁模力在线检测系统的结构框图；

图6是反馈控制系统的结构框图；

图7是锁模力在线检测系统和反馈控制系统组合结构框图。

图中：调模执行机构1、前模板2、动模板3、肘杆机构4、后模板5、调模小齿轮6、调模螺母7、拉杆8、合模油缸9、调模大齿轮10、驱动齿轮11、减速机械12、液压马达13、编码器14、锁模力在线检测系统15、应变式测力传感器15-1、调理电路15-2、反馈控制系统16、钢带17。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1所示锁模机构由前模板2、动模板3、后模板5组成，四根拉杆(又称导柱或格令柱)8贯穿其中。肘杆机构4在合模油缸9的作用下推动动模板3合模挤压熔融金属产生锁模力P。在合模终了时，前模板2与动模板3间的距离是压铸工作状态下模具的总厚度，动模板3与后模板5之间的间距是肘杆机构4伸出极限位置时工作状态的轴向投影。在工作状态由于锁模的作用，压铸机合模机构与拉杆8相互作用，模具和肘杆机构4受压产生压应力，拉杆8受拉变形伸长，产生拉应力。

图2所示的是调模机构传动简图。其作用是改变后模板5的位置，宏观调节是满足不同厚度模具的安装要求，微量调节以获得不同的锁模力要求。调模执行机构1由拉杆8上的调模小齿轮6、调模螺母7、调模大齿轮10、驱动齿轮11、减速机械12、液压马达13和编码器14组成。液压马达13经减速机构12带动驱动齿轮11，带动调模大齿轮10转动，调模大齿轮10与各拉杆8上的 调模小齿轮6同时啮合，调模小齿轮6带动调模螺母7转动，从而同时带动四个调模螺母7转动，使后模板5移动。调模螺母7转动前进，使后模板5前移，前模板3与后模板5的间距缩短，适应小尺寸模具的安装或提高锁模力，反之，适应大尺寸模具安装或减小锁模力。编码器14的作用是检测和便于控制液压马达13的转角。

图1所示的是应变式测力传感器15-1。理论上拉杆8各部位的应力应变状态相同，实际上在二端支点附近的应力应变分布不均，因此要求其安装位置H距离模板边缘要大于拉杆8直径d。同时应变式测力传感器15-1布置位置不应影响制品生产，少受或不受环境的影响，常将其布置在靠近后模板5处。

应变式测力传感器15-1二端用钢带17紧紧地固连在拉杆8上，使其随拉杆8一起产生变形，尽量保证与拉杆8变形保持一致。

图3所示应变式测力传感器15-1本质上是贴在弹性元件17上的一组应变片，采用一纵一横粘贴的二个应变片或采用直角应变片。弹性零件材料要与拉杆8所用材料材质和性能尽量保持一样。纵向布置的应变片感受拉杆8相同的拉应变ε，横向布置的应变片感受到在轴向力作用横向收缩产生的压应变-vε。

图3所示为应变式测力传感器15-1的接线图。使用一组应变式测力传感器15-1采用半桥测量，在另二个桥臂上接入与应变片相同阻值的标准电阻(或用同类应变片代替)。半桥接法电桥在灵敏度低，无法抵消弯矩等力学的影响，但能消除温度影响，实现温度补偿；使用二组应变式测力传感器15-1，则只要将两组应变式测力传感器15-1串联，构成全桥测量，纵向布置的应变片处于相对边，横向布置的应变片处于另一相对边上，全桥布置可补偿温度影响和弯矩等干扰力的影响。将应变式测力传感器15-1接成电桥后，在四个连接点处连接信号线，其一个对角接入供桥电源，另一对角点作为输出信号送入控制器16-2，作为实测锁模力信号，代表锁模力大小。

本实施例还提供了一种压铸机锁模力在线调节装置的控制算法，其以四根拉杆8拉力的测量作为锁模力的测量，其具体包括以下步骤：

a)建立压铸机合模机构的拉杆8受到的拉力F与拉杆8产生的应变ε间的关系，上述关系与拉杆8自身的直径d或横截面积A(A＝πd²/4)、所用材料的弹性模量E有关：

其具体关系式为：ε＝F/EA＝4F/Eπd²或F＝εEA＝Eπd²ε/4；

由胡克定律，对于受轴向拉力作用的拉杆8，其轴向正应变为ε，横向应变为-vε，其中v为泊松比； 

b)采用应变法测定拉杆8的实际拉力，在拉杆8上固定一组或两组应变式测力传感器15-1，上述提及的应变式测力传感器15-1是由二片应变片组成，一片沿拉杆8轴线的纵向感受与拉杆8相同的轴向应变，另一片感受横向应变并拼成电桥进行测量；

采用一组应变式测力传感器15-1连接成测量电桥测量拉杆8的应变，测量电路构成半桥，其应变ε与电桥输出电压u₀的关系为：

式中：u_e为供桥电压；s为应变片灵敏度；v为被测件的泊松比；

采用二组应变式测力传感器15-1连接成全桥的测量电桥形式，其应变ε与电桥输出电压u₀的关系为： $u_0=\frac{1}{2}{u}_e\mathrm{s\ϵ}(1+v);$

对于具体的测量对象和测试电路u_e、s、(1+v)为定值，设称为电桥系数，则采用一组应变式测力传感器15-1、半桥接法系数为k，采用二组应变式测力传感器15-1，全桥接法，系数为2k；

根据测量电路和测量的输出电压，可以得到测量所得的拉杆8所受拉力为：

一组应变式测力传感器15-1(半桥测量)：

$\mathrm{\ϵ}=\frac{u_0}{k},$ $F=\frac{u_0}{k}\mathrm{EA}=\mathrm{E\π}{d}^2{u}_0/4k;$

二组应变式测力传感器15-1(全桥测量)：

$\mathrm{\ϵ}=\frac{u_0}{2k},$ $F=\frac{u_0}{2k}\mathrm{EA}=\mathrm{E\π}{d}^2{u}_0/8k;$

c)所述的锁模力P是压铸机上四根拉杆8所承受拉力F的总和。分别在各 根拉杆8上设置测力装置，分别测出各杆的拉力F₁、F₂、F₃、F₄，则锁模力P为：P＝F₁+F₂+F₃+F₄

若为半桥测量：

若为全桥测量：

d)建立锁模力P引起的拉杆8变形Δl的关系，上述关系与拉杆8原长度l、拉杆8受到的拉力F、拉杆8自身的直径d或横截面积A(A＝πd²/4)、所用材料的弹性模量E有关，具体表示为：

Δl＝εl＝Fl/EA＝4Fl/Eπd²；

在各拉杆8受力相同，伸长量相同的假设下，即：

则Δl＝εl＝Fl/EA＝Pl/Eπd²；

e)当压铸过程的增压结束时，实际产生的锁模力P_实与设定锁模力P_设不一致就意味着上述的Δl未达到给定值；则Δl的差值，也即需调节的值为：

f)实际锁模力P_实和设定锁模力P_设用测量值表示，并设输出电压的总和为u_总O＝u₀₁+u₀₂+u₀₃+u₀₄，对应于实际锁模力P_实和设定锁模力P_设的输出总电压分别为u_实总O和u_设总O，拉杆8伸长量的差值用测量锁模力的电压量表示，对于不同的测量情况有：

若为半桥测量 

若为全桥测量 

g)实际锁模力差异而引起拉杆8变形的差异是通过调模执行机构1的动作实现调节；设液压马达13的转角为θ，调模执行机构1齿轮间的减速传动比为i，调模螺母7的螺距为t，则液压马达13转角θ与调模螺母7位移s间的关系可表达为：当调节量s为拉杆8变形差Δl_差，液压马达13需要调节的角度 

对应于不同的锁模力测量方式就有：

实施例2：

本实施例提供的一种压铸机锁模力在线调节装置和调节算法，其大体结构与实施例1一致，区别在于本实施例提供的压铸机锁模力在线调节算法中，在各拉杆8受力一样的假设下，仅以一根拉杆8拉力的测量作为锁模力测量，其具体包括以下步骤：

a)建立压铸机合模机构的拉杆8受到的拉力F与拉杆8产生的应变ε间的关系，上述关系与拉杆8自身的直径d或横截面积A(A＝πd²/4)、所用材料的弹性模量E有关：

其具体关系式为：ε＝F/EA＝4F/Eπd²或F＝εEA＝Eπd²ε/4；

由胡克定律，对于受轴向拉力作用的拉杆8，其轴向正应变为ε，横向应变为-vε，其中v为泊松比； 

b)采用应变法测定每根拉杆8的实际拉力，在拉杆8上固定一组或两组应变式测力传感器15-1，上述提及的应变式测力传感器15-1是由二片应变片组成，一片沿拉杆8轴线的纵向感受与拉杆8相同的轴向应变，另一片感受横向应变 并拼成电桥进行测量；

采用一组应变式测力传感器15-1连接成测量电桥测量拉杆8的应变，测量电路构成半桥，其应变ε与电桥输出电压u₀的关系为：

式中：u_e为供桥电压；s为应变片灵敏度；v为被测件的泊松比；

采用二组应变式测力传感器15-1连接成全桥的测量电桥形式，其应变ε与电桥输出电压u₀的关系为： $u_0=\frac{1}{2}{u}_e\mathrm{s\ϵ}(1+v);$

对于具体的测量对象和测试电路u_e、s、(1+v)为定值，设称为电桥系数，则采用一组应变测力传感器15-1、半桥接法系数为k，采用二组应变测力传感器15-1，全桥接法，系数为2k；

根据测量电路和测量的输出电压，可以得到测量所得的拉杆8所受拉力为：

一组应变式测力传感器15-1(半桥测量)：

$\mathrm{\ϵ}=\frac{u_0}{k},$ $F=\frac{u_0}{k}\mathrm{EA}=\mathrm{E\π}{d}^2{u}_0/4k;$

二组应变式测力传感器15-1(全桥测量)：

$\mathrm{\ϵ}=\frac{u_0}{2k},$ $F=\frac{u_0}{2k}\mathrm{EA}=\mathrm{E\π}{d}^2{u}_0/8k;$

c)在各拉杆8受力一样的假设下，仅以一根拉杆8拉力的测量作为锁模力测量，所述的锁模力P是压铸机上一根拉杆8所承受的拉力F。在一根拉杆8上设置测力装置，测出该拉杆8的拉力F₁，则锁模力P为：P＝F₁；

若为半桥测量：

若为全桥测量：

d)建立锁模力P引起的拉杆8变形Δl的关系，上述关系与拉杆8原长度l、拉杆8受到的拉力F、拉杆8自身的直径d或横截面积A(A＝πd²/4)、所用材料的弹性模量E有关，具体表示为：

Δl＝εl＝Fl/EA＝4Fl/Eπd²；

当以四根拉杆8拉力的测量作为锁模力测量，且各拉杆8受力相同，伸长量相同的假设下，即：

则Δl＝εl＝Fl/EA＝Pl/Eπd²；

e)当压铸过程的增压结束时，实际产生的锁模力P_实与设定锁模力P_设不一致就意味着上述的Δl未达到给定值；则Δl的差值，也即需调节的值为：

f)实际锁模力P_实和设定锁模力P_设用测量值表示，并设输出电压的为u_总O，对应于实际锁模力P_实和设定锁模力P_设的输出总电压分别为u_实总O和u_设总O，拉杆8伸长量的差值用测量锁模力的电压量表示，对于不同的测量情况有：

若为半桥测量：

若为全桥测量：

g)实际锁模力差异而引起拉杆变形的差异是通过调模执行机构1的动作实现调节；设液压马达13的转角为θ，调模执行机构1齿轮间的减速传动比为i，调模螺母7的螺距为t，则液压马达13转角θ与调模螺母7位移s间的关系可表达为：当调节量s为拉杆8变形差Δl_差，液压马达13需要调节的角度 

对应于不同的锁模力测量方式就有：

。

Claims (1)

1.一种压铸机锁模力在线调节装置，其特征在于：它包括锁模力在线检测系统(15)、反馈控制系统(16)和调模执行机构(1)三个部分，锁模力在线检测系统(15)连接在压铸机合模机构的拉杆(8)上，锁模力在线检测系统(15)与反馈控制系统(16)信号连接，反馈控制系统(16)与调模执行机构(1)信号连接，所述锁模力在线检测系统(15)由应变式测力传感器(15-1)和调理电路(15-2)组成，应变式测力传感器(15-1)连接在压铸机合模机构的一根或四根拉杆(8)上，且位于压铸机合模机构的前模板(2)与后模板(5)之间，距拉杆(8)在前模板(2)或后模板(5)的固定联接端的距离大于拉杆(8)的直径，所述调模执行机构(1)包括液压马达(13)、驱动齿轮(11)、调节小齿轮(6)、调模螺母(7)和调模大齿轮(10)，液压马达(13)、调模大齿轮(10)支承在后模板(5)上，随后模板(5)一起移动，液压马达(13)通过减速机构(12)连接驱动齿轮(11)，调模螺母(7)螺纹套接在拉杆(8)上，且位于后模板(5)的后方并与后模板(5)固定，调节小齿轮(6)套接在调模螺母(7)外，驱动齿轮(11)与调模大齿轮(10)啮合，调节小齿轮(6)与调模大齿轮(10)啮合，所述反馈控制系统(16)由相互信号连接的编码器(16-1)、控制器(16-2)和控制执行程序单元(16-3)组成，应变式测力传感器(15-1)与控制器(16-2)信号连接，编码器(16-1)与液压马达(13)呈同轴状，控制执行程序单元(16-3)与液压马达(13)信号连接，所述每根拉杆(8)上连接二组、三组或四组应变式测力传感器(15-1)；且每组应变式测力传感器(15-1)相隔10°布置，每组应变式测力传感器(15-1)由一纵一横的两片应变片组成；所述的调理电路(15-2)为电桥电路。