CN104999050B - 一种定量金属液真空汲取装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种定量金属液真空汲取装置，包括位移机构、真空定量取汤装置以及控制装置，所述位移机构上装设有真空定量取汤装置以驱动真空定量取汤装置作三维位移，所述控制装置分别与位移机构、真空定量取汤装置相连；所述真空定量取汤装置包括真空发生装置、供气装置、压力传感器和汤罐组件，所述真空发生装置与汤罐组件连接以抽取汤罐组件内的气体使罐内金属液高度上升；所述压力传感器与汤罐组件连接以监测罐内气体的压力来确定汤罐组件内金属液的质量；所述供气装置与汤罐组件连接以控制罐内气体与外部气体的通断来控制金属液是否释放。采用本发明，具有取汤精度高、所取金属液氧化少，纯净度高和维修方便的优点。

Description

一种定量金属液真空汲取装置

技术领域

本发明涉及铸造技术领域，尤其涉及一种定量金属液真空汲取装置。

背景技术

目前，在各种压铸行业中，普遍使用的是汤勺舀汤的方式进行给汤，这种取汤方式存在着金属液容易被氧化、表层低质汤液容易被舀到、汤量精度低、初次设置取汤量复杂等缺点。为了克服现有取汤方式的缺陷，中国专利CN103153501A公开了用于计量熔料的装置和方法以及铸造机的发明专利，计量容器下降到熔炉中，并且计量容器的熔体打开-关闭器件被驱动打开位置，直到预定的时间周期结束或由重量传感器探测到计量容器中到达预定的熔体填充量时，熔料停止从熔炉摄取到计量容器中，其中计量容器的熔体打开-关闭器件被驱动阻断位置。

然而，上述现有专利还存在以下缺陷：

1)该重量传感器通过浮力测液位的方法无法监控汤罐的内部密闭情况，判断真空系统是否漏气。

2)当取汤量较大时，计量容器内金属液的液位较高，重量传感器受到热辐射越大，但一般重量传感器的使用环境温度为-35℃～70℃，极易超过使用温度范围，使得重量传感器计量误差增大。

3)一般来说，重量传感器在量程的20％～80％范围内使用比较准确，这使得在选用重量传感器量程不能太大，根据结构及汲取的金属液重量，一般选用的量程为50kg～250kg否则精度误差就增大，成本也增加。根据市场上各家重量传感器的性能，重量传感器安全过载范围为150％FS，即满量程的1.5倍；极限过载范围为300％FS，即满量程的3倍。如果在使用过程中，对汤罐部件进行维修，例如清除汤罐入口的铝渣、对汤罐部件松动的螺钉进行紧固等操作，由于力臂的放大作用，极易超过重量传感器的极限载荷，造成重量传感器损坏，必须将汤罐部件与重量传感器脱离才能进行维修，或者设计防过载结构。而如果不使用重量传感器，则装置的刚度、强度则会大幅增加。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种定量金属液真空汲取装置，具有取汤精度高，所取金属液氧化少，纯净度高和维修方便的优点。

为了解决上述技术问题，本发明一种定量金属液真空汲取装置，包括位移机构、真空定量取汤装置以及控制装置，所述位移机构上装设有真空定量取汤装置以驱动真空定量取汤装置作三维位移，所述控制装置分别与位移机构、真空定量取汤装置相连；

所述真空定量取汤装置包括真空发生装置、供气装置、压力传感器和汤罐组件，所述真空发生装置与汤罐组件连接以抽取汤罐组件内的气体使罐内金属液高度上升；所述压力传感器与汤罐组件连接以监测罐内气体的压力来确定汤罐组件内金属液的质量；所述供气装置与汤罐组件连接，用于将惰性气体向罐内填充以保护金属液不被氧化及控制金属液的释放。

作为上述方案的改进，所述控制装置包括取汤位控制单元，用于获取压力传感器测得压力值，经过与预设压力值P₁分析比较，从而计算并判断出是否到达取汤位，并向位移机构发出控制信号。

作为上述方案的改进，所述控制装置还包括取汤控制单元，用于获取压力传感器测得压力值，经过与目标质量或目标质量对应的压力值P₂分析比较，从而判断出是否取汤到量，并向真空发生装置和汤罐组件发出控制信号。

作为上述方案的改进，所述真空发生装置包括真空发生器、电磁阀A、流量计、调节阀，所述电磁阀A、真空发生器、调节阀和流量计依次连接。

作为上述方案的改进，所述调节阀为多级节流阀、单级节流阀或比例阀中的一种。

作为上述方案的改进，所述供气装置依次包括惰性气体容器、电磁阀B以及单向节流阀，所述供气装置接入在真空发生装置与汤罐组件连接管道上。

作为上述方案的改进，所述汤罐组件包括汤罐、阀芯以及气缸，所述阀芯设于汤罐内，气缸与阀芯连接使阀芯在汤罐内轴向移动；所述汤罐下端设有取汤口，所述阀芯下移至取汤口时与取汤口配合套接。

作为上述方案的改进，所述位移机构为XY轴机械手。

作为上述方案的改进，所述XY轴机械手包括立柱焊接件、横梁部件和直线模组，所述横梁部件横向设于立柱焊接件上，且横梁部件设有导轨、滑块和横向移动支架；

所述直线模组通过固定横向移动支架上与横梁部件相连并在横梁部件上滑动，所述真空定量取汤装置设置在直线模组上可做纵向移动。

实施本发明，具有如下有益效果：

本发明所述定量金属液真空汲取装置根据质量m与压力P的函数关系，在取汤时只需停留在取汤点，再通过汤罐内压力小于大气压，使得金属液上升进入汤罐内，压力传感器测得压力值与目标质量对应的P值相同或将测得汤罐当前压力值换算成的当前汲取金属液质量达到目标质量时，则可实现精确取汤。由于压力传感器无需接近熔炉的液面，因此其使用环境的温度相对平稳，不易超出使用温度范围，误差小，精度高，避免现有技术传感器超出使用温度范围而造成计量误差大的问题。并且，由于压力传感器始终监测整个取汤过程中汤罐内的内部密闭情况，可及时发现真空系统或充气系统是否漏气，可靠性强。

另外，利用真空将金属液汲取在汤罐内，到达喂汤点再释放，同时采用惰性气体对汤罐实行充气或降压，可减少金属液与外界空气的接触，金属液不易被氧化，减少氧化物的产生，杂质少，纯度高。

最后，本发明所述装置没有装设重量传感器，装置刚性好强度高。

附图说明

图1是本发明一种定量金属液真空汲取装置的结构示意图；

图2是本发明一种定量金属液真空汲取装置的气路原理图；

图3是本发明所述汤罐组件的结构示意图；

图4是本发明所述汤罐的结构示意图；

图5是本发明所述XY轴机械手的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。

现有普遍使用的是汤勺舀汤的方式进行给汤，这种取汤方式存在着金属液容易被氧化、表层低质汤液容易被舀到、汤量精度低、初次设置取汤质量复杂等缺点。而现有专利公开了一种计量熔料的装置和方法，采用重量传感器探测计量容器中熔体的填充量，容易超出超过使用温度范围，使得重量传感器计量误差增大，而且对汤罐部件进行维修时，由于力臂的放大作用，极易超过重量传感器的极限载荷，造成称重传感器损坏。

为此，本发明改变现有方法及装置的取汤构思和结构设计，采用对汤罐抽真空，使得汤罐内的气压低于外界大气压，在大气压作用下将金属液往汤罐内压，汤罐内的金属液高度上升。而根据m＝ρ×V，就可以确定汤罐内金属液的质量，同时汤罐的内部压力P＝ρgh。可知，取汤质量与汤罐内部的压力、汤罐尺寸存在函数关系。由于汤罐是规则容器，因此高度h与体积V之间也存在函数关系，通过推导可得到质量m与压力P的函数关系，由此当设定一个目标取汤量时，可换算成对应的罐内压力，而罐内压力可以根据压力传感器检测，于是当压力传感器读数达到对应质量的压力时，即可汲取到设定的取汤质量。

如图1和图2所示，本发明所述定量金属液真空汲取装置包括位移机构、真空定量取汤装置200以及控制装置，所述位移机构上装设有真空定量取汤装置200以驱动真空定量取汤装置200作三维位移，所述控制装置分别与位移机构、真空定量取汤装置200相连；

所述真空定量取汤装置200包括真空发生装置4、供气装置5、压力传感器6和汤罐组件7，所述真空发生装置4与汤罐组件7连接以抽取汤罐组件7内的气体使罐内金属液高度上升；所述压力传感器6与汤罐组件7连接以监测罐内气体的压力来确定汤罐组件7内金属液的质量；所述供气装置5与汤罐组件7连接，用于将惰性气体向罐内填充以保护金属液不被氧化及控制金属液的释放。

具体地，图3为本发明所述汤罐组件7的结构示意图。

汤罐组件7主要用于盛装金属液，如图3，汤罐组件7包括汤罐71、阀芯72以及气缸73，所述阀芯72设于汤罐71内，气缸73通过连接杆与阀芯72连接使阀芯72在汤罐71内轴向移动；所述汤罐71下端设有取汤口711，所述阀芯72下移至取汤口711时与取汤口711配合套接。

当需要打开汤罐组件7的取汤口711时，气缸73上提带动阀芯72上移，从而使阀芯72与取汤口711解除套接，取汤口711敞开，金属液8可自由进出汤罐71；当需要关闭汤罐组件7的取汤口711时，气缸73推动阀芯72使阀芯72与取汤口711配合套接，封闭汤罐71。

需要说明的是，本发明汤罐71由倒圆台和圆筒构成，金属液进入汤罐71的体积可通过汤罐71的体积计算。如图4所示，根据汤罐71结构示意图，可知R、r、h₁、α均为常数。

当金属液高度h小于倒圆台高度h₁时，由于圆台大面半径R随h的改变而改变，因此根据倒圆台与圆筒所成夹角α，得到R＝h tana，金属液的体积为：

应当注意的是，在计算金属液体积时需扣除阀芯72体积π×r²×h。

当金属液高度h大于倒锥高度h₁时，金属液的体积为：

而根据m＝ρ×V，就可以确定汤罐71内金属液8的重量。由于汤罐71的内部压力P＝ρgh。可知，取汤质量与汤罐71内部的压力、汤罐71尺寸存在如下函数关系。

当目标取汤质量m小于或等于金属液浸满倒圆台时的质量 时，则m与p的函数关系为：

将(1)式代入m＝ρ×V，

又

代入(3)式得到h可通过m＝ρ×V得到，从而求得对应p值。

当目标取汤质量m大于金属液浸满倒圆台时的质量 时，则m与p的函数关系为：

将(2)式代入m＝ρ×V，

又

代入(4)式得到即m＝a₂p+c,a₂，c为常数。

通过上述质量m与压力P的函数关系式，可根据目标质量m计算出对应汤罐压力P₂，从而在取汤时，只要测得汤罐当前压力为目标质量对应压力值P₂时或将测得汤罐当前压力值换算成的当前汲取金属液质量达到目标质量时，即可判断取汤到量。当取汤到量时需停止抽真空，并瞬时通过气缸73推动阀芯72封闭汤罐。

另外，如图2所示，所述真空发生装置4和气泵由同一个气源提供动力，且在总输气管上设有气源三联件10，该气源三联件10包括空气减压阀、过滤器、油雾器三大件，减压阀可对气源进行稳压，使气源处于恒定状态，可减小因气源气压突变时对阀门或执行器等硬件的损伤。过滤器用于对气源的清洁，可过滤压缩空气中的水份，避免水份随气体进入装置。油雾器可对机体运动部件进行润滑，可以对不方便加润滑油的部件进行润滑，大大延长机体的使用寿命。

气源的其中一分支连通至气缸73，并且通过电磁阀C11控制气缸73活塞推出和缩回，从而实现控制汤罐71取汤口711的封闭和打开。

气源的另一分支通过真空发生装置4一直连通至汤罐71内。所述真空发生装置4包括真空发生器42、电磁阀A41、流量计44、调节阀43，按气体从气源至汤罐组件7的流动方向依次连接电磁阀A41、真空发生器42、调节阀43和流量计44。当需要启动真空控制装置时打开电磁阀A41，使真空发生器42得到气源动力，向汤罐71内抽真空。而设于该分支上的流量计44用于查看抽真空时管道内的气体流量。

为了控制真空发生器42对汤罐71抽真空的速度，本发明采用调节阀43精确控制当前汤罐71压力，具体包括以下几种实施例：

一种实施例为使用由大到小的多级节流阀实现多级控制真空度抽液。

设定多个基于压力反馈的切换点，先以大的流量进行抽真空，到切换压力后切换到小一级的流量抽真空，到下一个切换压力后再切换到更小一级的流量，以此控制抽液速度，实现到设定压力P₂时金属液液位缓慢上升，便于取汤重量控制。

另一种实施例为以单级节流阀控制真空发生器42流量。

在开机前做实验，测定对应维持总量节流阀开口，生产时以相应单级节流阀控制，实现到设定压力P₂时金属液液位缓慢上升，便于取汤重量控制。

还有一种实施例为以比例阀截流真空发生器42配合压力传感器6控制真空度。

根据上述推导出的m-p函数关系式，计算出目标质量对应的压力P₂，使用PID对比压力传感器6反馈值，控制比例阀截流真空发生器42，实现抽真空的控制，当反馈值与目标压力P₂相同时，马上关闭阀芯72。

供气装置5包括惰性气体容器53、与惰性气体容器53连通的电磁阀B51以及控制气体流量的单向节流阀52，所述供气装置5接入在真空发生装置4与汤罐组件7连接管道上。当汤罐组件7未浸入金属液时，控制装置打开电磁阀B51使供气装置5向浆罐组件7持续输送惰性气体，由此汤罐组件7内充满了惰性气体，在汤罐组件7浸入金属液时，汤罐71内的金属液与惰性气体接触，可减少被氧化的程度。

而供气装置5还具有升压的作用。在打开电磁阀B51后，供气装置5向浆罐组件7持续输送惰性气体，装有金属液的汤罐71上部真空被破坏，而金属液在重力的作用下，从取汤口711向下流出，从而实现释放金属液到指定的喂汤点。而单向节流阀52可通过调整惰性气体流入汤罐71内的速度达到控制金属液释放速度的目的。

优选地，根据质量m与压力P的函数关系，本发明所述控制装置包括取汤位控制单元，用于获取压力传感器6测得压力值，经过与预设压力值P₁分析比较，从而计算并判断出是否到达取汤位，并向位移机构发出控制信号。

由于在循环取汤-喂汤的过程中，如果所要汲取的目标质量较大时，熔炉内金属液的液面位置会有波动，因此，当汤罐继续下降并开始浸入金属液时，汤罐下降的深度可能会各不相同。而本发明所述控制装置通过位移机构将真空定量取汤装置200移动至金属熔炉上方后开始下探，将惰性气体向汤罐组件7持续填充输送，当汤罐组件7开始浸入金属液中时，由于汤罐内部的压力比外界大气压大，汤罐内处于正压状态，控制装置的取汤位控制单元通过与压力传感器6相连，可获取压力传感器6测得汤罐内的当前压力值，并且将当前压力值与预设压力值P₁分析比较。当当前压力值到达预设压力值P₁时，此时取汤位控制单元判断真空定量取汤装置200到达汤面位置，可根据时间、位移或压力来计算出取汤位，并向位移机构发出控制信号使真空定量取汤装置200停止下探，向供气装置5发出控制信号以停止向汤罐组件7填充惰性气体，从而确定汤罐最终停留位置。

具体取汤位的计算方法如下：

(1)时间判断

真空定量取汤装置下降的速度可控，可在匀速或变速的情况下下探，设定真空定量取汤装置浸入金属液的某一深度为取汤位，则汤面位置到取汤位的距离是一个定值，通过测算下探时间，根据下探速度来判断是否到达取汤位。

(2)位移判断

通过装设在下探单元31上的编码器可实时读出真空定量取汤装置距离初始位置的位移，当真空定量取汤装置到达汤面位置时，编码器记录当时位移数据，真空定量取汤装置继续下探，若当前获得的位移数据减去汤面位置时获得的位移数据等于预设值时，则可判断到达取汤位。

(3)压力判断

预先通过计算到达取汤位时设定压力值P₃，当真空定量取汤装置持续下降，压力传感器测得当前压力值为设定压力值P₃时，则可判断到达取汤位。或通过上述两种判断方法使真空定量取汤装置到达取汤位，记录取汤位当时压力值，此后可直接通过该压力值进行判断是否到达取汤位。

优选地，所述控制装置还包括取汤控制单元，用于获取压力传感器6测得压力值，经过与目标质量或目标质量对应的压力值P₂分析比较，从而判断出是否取汤到量，并向真空发生装置4和汤罐组件7发出控制信号。

在判断是否取汤到量时，可通过两种实施方式进行：

a)根据m-p的函数关系，在取汤前必须计算出目标质量m所对应的压力P₂。进行取汤时，监控装置的取汤控制单元通过与压力传感器6相连，可获取压力传感器6测得汤罐内的当前压力值，并且将当前压力值与计算得到的压力值P₂分析比较。当测得汤罐的当前压力值达到压力P₂时，则可判断取汤到量。

b)进行取汤时，监控装置的取汤控制单元获取压力传感器6测得汤罐内的当前压力值，将测得汤罐的当前压力值根据m-p的函数关系换算成当前汲取金属液质量，再将当前汲取金属液质量与目标质量进行对比，当当前汲取金属液质量达到目标质量时，则可判断取汤到量。

优选地，本发明采用XY轴机械手100作为位移机构，如图5所示，所述XY轴机械手100包括立柱焊接件1、横梁部件2和直线模组3，所述横梁部件2横向设于立柱焊接件1上，且横梁部件2设有导轨21、滑块和横向移动支架22；所述横梁部件2的滑块活动设置在导轨21上，而横向移动支架22固定在滑块上，横向移动支架22由此可滑动；

所述直线模组3通过固定在横向移动支架22上与横梁部件2相连并在横梁部件2上滑动，所述真空定量取汤装置200设置在直线模组3上可做纵向移动。

采用本发明所述定量金属液真空汲取装置的进行定量取汤的一个具体实施步骤为：

(1)控制装置通过XY轴机械手100使得真空定量取汤装置200位于金属熔炉上方，打开汤罐组件7的取汤口711，并使真空定量取汤装置200下探。

(2)控制装置检测出真空定量取汤装置200到达速度切换位时改为低速下探，并启动供气装置5将惰性气体向罐内填充。

(3)真空定量取汤装置200继续下探并浸入金属液一定深度时，控制装置的取汤位控制单元获取压力传感器6测得汤罐当前压力值，当当前压力值达到预先设定的压力P₁时判定到达则判定到达汤面位置，并根据汤面位置计算出取汤位，控制装置控制真空定量取汤装置200在取汤位停止下探。

(4)启动真空发生装置4对汤罐组件7抽真空使金属液高度上升，控制装置的取汤控制单元获取压力传感器6测得汤罐当前压力值，当压力传感器6读数达到对应质量的压力P₂，则判定取汤到量，此时停止抽真空并瞬时封闭汤罐组件7。

(5)XY轴机械手100升起真空定量取汤装置200，完成取汤。

(6)控制装置通过控制XY轴机械手100将装有金属液的真空定量取汤装置200送到喂汤点，打开汤罐组件7后开启供气装置5，使罐内气体与惰性气体容器53连通，从而释放金属液到压铸机的压室内，完成喂汤。

本发明所述定量金属液真空汲取装置利用真空将金属液汲取在汤罐内，到达喂汤点再释放，同时采用惰性气体对汤罐实行充气或降压，可减少金属液与外界空气的接触，金属液不易被氧化，减少氧化物的产生，杂质少，纯度高。

现有技术是将计量容器包括设在计量容器上的重量传感器一起下降到熔炉，若目标质量越大，则重量传感器越靠近金属液液面，受到热辐射越大极易超过使用温度范围，使得重量传感器计量误差增大。而本发明所述装置在取汤时只需停留在取汤点，再通过汤罐内压力小于大气压，使得金属液上升进入汤罐内。压力传感器无需接近熔炉的液面，因此其使用环境的温度相对平稳，不易超出使用温度范围，误差小，精度高。

除此之外，现有取汤装置在维修时极易超过重量传感器的极限载荷，造成重量传感器损坏，必须将汤罐组件与重量传感器脱离才能进行维修，或者设计防过载结构。而本发明所述装置无需拆除部件，维护方便，装置刚性好强度高。

最后所应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (8)

1.一种定量金属液真空汲取装置，其特征在于，包括位移机构、真空定量取汤装置以及控制装置，所述位移机构上装设有真空定量取汤装置以驱动真空定量取汤装置作三维位移，所述控制装置分别与位移机构、真空定量取汤装置相连；

所述真空定量取汤装置包括真空发生装置、供气装置、压力传感器和汤罐组件，所述真空发生装置与汤罐组件连接以抽取汤罐组件内的气体使罐内金属液高度上升；所述压力传感器与汤罐组件连接以监测罐内气体的压力来确定汤罐组件内金属液的质量；所述供气装置与汤罐组件连接，用于将惰性气体向罐内填充以保护金属液不被氧化及控制金属液的释放；

所述供气装置依次包括惰性气体容器、电磁阀B以及单向节流阀，所述供气装置接入在真空发生装置与汤罐组件连接管道上。

2.如权利要求1所述定量金属液真空汲取装置，其特征在于，所述控制装置包括取汤位控制单元，用于获取压力传感器测得压力值，经过与预设压力值P₁分析比较，从而计算并判断出是否到达取汤位，并向位移机构发出控制信号。

3.如权利要求1所述定量金属液真空汲取装置，其特征在于，所述控制装置还包括取汤控制单元，用于获取压力传感器测得压力值，经过与目标质量或目标质量对应的压力值P₂分析比较，从而判断出是否取汤到量，并向真空发生装置和汤罐组件发出控制信号。

4.如权利要求1所述定量金属液真空汲取装置，其特征在于，所述真空发生装置包括真空发生器、电磁阀A、流量计、调节阀，所述电磁阀A、真空发生器、调节阀和流量计依次连接。

5.如权利要求4所述定量金属液真空汲取装置，其特征在于，所述调节阀为多级节流阀、单级节流阀或比例阀中的一种。

6.如权利要求1所述定量金属液真空汲取装置，其特征在于，所述汤罐组件包括汤罐、阀芯以及气缸，所述阀芯设于汤罐内，气缸与阀芯连接使阀芯在汤罐内轴向移动；所述汤罐下端设有取汤口，所述阀芯下移至取汤口时与取汤口配合套接。

7.如权利要求1所述定量金属液真空汲取装置，其特征在于，所述位移机构为XY轴机械手。

8.如权利要求7所述定量金属液真空汲取装置，其特征在于，所述XY轴机械手包括立柱焊接件、横梁部件和直线模组，所述横梁部件横向设于立柱焊接件上，且横梁部件设有导轨、滑块和横向移动支架；

所述直线模组通过固定横向移动支架上与横梁部件相连并在横梁部件上滑动，所述真空定量取汤装置设置在直线模组上可做纵向移动。