陽極銅模壓鑄控制系統改造及應用*

毛 慶，杜昱初，管桂生

(云南銅業股份有限公司西南銅業分公司，云南 昆明 650102）

銅陽極模是指用于陽極板生產的一種純銅鑄件，其作用是：從陽極爐流出的高溫銅液經溜槽流入到銅模凹面內，凝固冷卻成型為陽極板。陽極板脫模后，被輸送至電解車間進行再次提純形成純度較高的電解銅。目前，陽極銅模采用壓鑄工藝生產，由設備特點所決定，生產工藝采用人工控制（如：中頻爐中銅液傾倒量控制、銅模小車運行控制、上頂模冷卻水溫控制以及上頂模下壓和拔?？刂频龋?，存在較大的人為影響因素，導致銅模質量不穩定，成品率較低，在一定程度上導致陽極銅模生產成本偏高。為提高陽極銅模合格品率和產品質量，針對銅模壓鑄生產的關鍵過程的控制系統實施改造，力爭以自動控制方式替代人工控制，實現“一鍵操作”。

1 陽極銅模壓鑄設備及工藝

1.1 陽極銅模主要生產設備

除銅板剪切機外，陽極銅模壓鑄生產線還包括：中頻爐、溜槽、底模、壓鑄機及其他輔助系統，如圖1所示。壓鑄機主要由支架、電機、減速機構、上模、底模、軌道及相關控制系統組成，上模、底模結構如圖2所示。

圖1 陽極銅模壓鑄生產線Fig.1 Pressure casting production line of anode copper mould

圖2 壓鑄機上模、底模Fig.2 Upper and bottom mould of pressure casting machine

銅板剪切機的作用是將電解銅板剪切分解成小塊，以便小塊銅板能順利被放入爐中；中頻爐的作用是將小塊銅板熔化；溜槽的作用是將熔化的銅液導入到底模中；底模的作用是盛裝銅液；壓鑄機的作用是通過移動上模，將底模內的銅液壓鑄成陽極銅模。

1.2 陽極銅模主要生產工藝及控制方法

陽極銅模的生產工藝流程為：剪板機將電解銅板剪切為4小塊→小塊銅板通過滑板被加入到中頻爐內→銅板在爐內熔化→銅液通過溜槽流到底模內→底模小車壓模位→壓鑄機壓鑄銅液成型→上模內部通入冷卻水冷卻→冷卻成型后上模向上移動拔?！撨吙颉跹b、運輸銅模至冷卻區再次冷卻。底模由底板和邊框組成。

實現上模上下移動的原理及控制方法：變頻器控制電機通過減速裝置、渦輪蝸桿起升裝置傳輸動力，實現上模的上下移動?？刂品绞綖椋和ㄟ^啟停及正反轉開關控制電機的正反轉及啟停，實現對上模的控制。當需要壓鑄銅模時，操作人員通過視覺反饋控制上模壓入銅液的深度[1]，當目測上模下移到預定位置時，按停止按鈕，電機停止運轉，上頂模停止下移；當陽極銅模冷卻成型后，啟動電機反轉實現上模拔模動作。上模上下移動的控制流程圖如圖3所示。

圖3 上?？刂屏鞒虉DFig.3 Control flow chart of upper mould

1.3 陽極銅模質量要求及現狀分析

圖4為上模壓鑄銅液過程照片，從圖4中可以看出，上模壓入到銅液中。圖5為壓鑄銅液冷卻后形成了凹面，即為陽極銅液澆鑄用模具，陽極銅液澆鑄到凹面內，冷卻后形成陽極板。

圖4 上模壓鑄銅液及冷卻過程Fig.4 Melting copper of upper pressure casting mould and its cooling process

圖5 壓鑄成型冷卻后的陽極銅模Fig.5 Anode copper mould after pressure casting formation and cooling

根據陽極銅液澆鑄工藝及陽極銅模壓鑄工藝的特點，對陽極銅模質量要求提出了要求：①陽極銅模凹面深度為（75±5） mm；②凹面的左右兩邊尺寸必須保持對稱；③陽極銅模的重量誤差為±50 kg；④陽極銅模凹面不得有開裂現象。生產出的陽極銅模必須全部同時滿足4個要求，才能被判為合格。

采用壓鑄工藝生產陽極銅模，產生的不合格評率情況如表1所示，從表1中可以看出，近 3年中，部分陽極銅模達不到要求，產生的廢品率較高，平均值達15%，主要是由以下4個方面的控制不準確所致。

表1 陽極銅模不合格率統計情況Tab.1 Statistics of unqualified product yield of anode copper mould

1.3.1 銅液澆鑄量控制

銅模壓鑄生產的第一道流程為：中頻爐內的高溫銅液通過翻轉中頻爐將銅液澆入底模內，操作人員根據目測底模內銅液面情況控制澆鑄過程，人為影響因素較大，很容易出現澆鑄量過多或過少的現象。澆鑄量過少導致陽極模重量少于銅模要求的重量，澆鑄量過多導致陽極銅模重量超過規定重量。銅模重量偏差量達到±200 kg以內，遠遠不能滿足質量要求。

1.3.2 銅模小車?？课恢每刂?/p>

銅模小車的作用是將盛裝銅液的底模輸送至壓鑄位置進行壓鑄，完成壓鑄后再將銅模輸送到澆鑄位置。底模的運行全程采用手動控制，這種控制方式存在一定的弊端：①小車?？课恢每刂戚^難控制，很容易出現偏差，從而導致銅模凹面左右兩邊出現不對稱的現象；②在壓鑄過程中，由于小車沒有固定，會出現滑動現象，也會導致陽極銅模凹面左右兩邊出現不對稱的情況。

1.3.3 上頂模上下移動位置控制

從上模下移的時間和距離來看，壓鑄速度較大，達到了7.5 mm/s，這就給操作人員造成了一定的控制難度[2]：①由于操作人員必須遠離（5 m以上）銅液壓鑄點，以免被突然噴出的高溫銅液燙傷引起安全事故；②高溫銅液所產生的光線較為刺眼；③上模移動速度較快，當移動到預定位置時，來不及反應。由于這3個原因，使得上模下壓距離較難控制在預定位置，易出現下壓量過多或過少的情況，不合格品率較高。

1.3.4 上頂模冷卻水溫度控制

上頂模下壓到位后，需向其內通入冷卻水，目的：①冷卻上頂模，防止溫度過高損壞頂模；②冷卻銅液，使其凝固成型。目前對于冷卻水溫度、上頂模溫度及凝固過程中銅模溫度沒有采取控制措施，從而導致凝固過程不受控，產生大量的鑄造應力，很容易導致凹面表層出現開裂。

2 改造方法

從產生不合格品的原因分析來看，很有必要對上頂模的移動控制、銅液倒入底模量的控制、底模小車的運行控制及上頂冷卻水溫控制進行自動化改造，實現壓模全流程“一鍵操作”要求。

2.1 電控方案設計

根據工藝流程，將整個壓模流程劃分為3個電控階段：銅液傾倒計重→底模小車運行→壓模流程→冷卻拔模，根據這3個電控階段的特點分別進行電控方案的設計。

2.1.1 底模銅液稱重設計

由于銅液倒入底模中需測量倒入銅液質量以確定銅模厚度滿足使用要求，底模又位于軌道小車上，直接測量小車質量計算銅液質量較為方便可靠?；诖怂悸?，采用成熟可靠的靜態軌道衡對小車質量進行稱重的方案，通過計算小車停于軌道衡上增加的重量變相得出銅液的質量來確認銅模的重量是否滿足使用要求。軌道衡原理如圖6所示。

圖6 軌道衡原理Fig.6 Rail weighbridge principle

軌道衡與周圍物體無任何硬性連接，可準確對小車進行稱重。由于工藝所需銅模為大模（重3.2 t）和小模（重2.6 t）兩種尺寸，重量偏差為±50 kg即可滿足標準，再加上小車質量（重3.5 t），選取額定載荷為10 t的靜態軌道衡即可滿足使用需求。

2.1.2 底模小車運行設計

底模小車的平穩運行和壓模位的精確定位是小車運行控制的核心關鍵點，是保證銅模定位尺寸的重要流程。小車原為使用變頻驅動的雙向卷揚機牽引軌道平車，采用人工手動控制和機械阻擋方式進行小車行走和定位。

在不改變驅動方式的條件下進行改造，自動運行過程中，變頻器使用“S”型曲線加減速方式，根據“S”型加減速的路程、速度、加速度曲線圖7可知，加速度的逐漸變化使小車受力逐漸變化，可保證小車運行過程的平穩[3]。小車增加減速限位和停止限位控制小車進行粗定位，在小車4個邊角增加液壓錐型定位銷對小車進行精確定位，如圖8所示，當小車感應到停車限位后減速停車，4液壓油缸驅動錐形定位銷進入小車4角定位孔，實現小車的準確定位。

圖7 “S”型曲線加減速圖Fig.7 Diagram of acceleration and deceleration of "S" curve

圖8 錐形定位銷示意圖Fig.8 Schematic diagram of conical dowel pin

2.1.3 壓模驅動設計

采取低成本改造方式，對上模驅動機構進行改造升級，實現自動控制、速度調整、準確定位的功能。上模由4極異步電機絲杠螺母機構進行驅動，滿速運行速度為7.5 mm/s，根據計算，電機旋轉1圈上模移動0.31 mm的距離，工藝需求上模下壓深度誤差≤±1 mm范圍內可完全滿足使用要求，去除機械間隙誤差，電機定位精度只需在±360°以內可以達到所需定位精度。

電機原驅動方式采用富士FRENIC-MEGA系列變頻器V/F控制對變頻電機進行控制，該控制方式為開環控制，無位置控制功能，同時速度控制精度也較差[4]，難以滿足使用需求。交流伺服電機的控制精度由電機軸后端的旋轉編碼器保證。以標準2000線編碼器的電機而言，由于驅動器內部采用了四倍頻技術，其脈沖當量為360°/8000=0.045°，定位精度可在0.045°。目前使用場景下伺服電機的定位精度遠遠高于所需標準，且改造成本較高，為降低成本，采用電機增加旋轉變壓器進行位置反饋的變頻閉環控制[5]，定位精度可以達到≤360°的要求。

通過對變頻器增加PG卡：旋轉變壓器選件卡OPC-G1-RES，可以使變頻器采集電機旋轉變壓器信號分析得到電機旋轉位置和速度，實現閉環控制[6]。通過控制原理和接線圖可知，使用PLC向PG卡輸出和采集脈沖信號可以實現類似于伺服的位置控制模式，如圖9所示。通過PLC自帶的運動控制功能使用高速脈沖接口（PTO/PWM）對電機的速度和位置進行控制。在電機尾部增加旋轉變壓器作為電機位置反饋元件，實現變頻器的閉環矢量控制，滿足電機控制精度需求，示意圖如圖10所示。

圖9 變頻器PG卡的控制方式Fig.9 Control method of PG card of frequency converter

圖10 系統控制原理Fig.10 The control principle of the system

由于系統需要電機在負載變化、頻繁加減速和正反轉的工況下進行精確的速度和位置控制，要求控制系統具有動態響應快和穩態準確度高的特性，本系統采用帶速度傳感器的矢量控制[7]。變頻器使用旋轉變壓器作為位置反饋元件，檢測電機的旋轉位置與速度，進行速度控制，并將電機電流分解為勵磁電流和轉矩電流，進行各自的矢量控制。

2.1.4 冷卻系統設計

在壓鑄銅模過程中，盡量在表層產生較厚的細晶區，減緩冷卻速度減少內應力的產生，對防止陽極銅模凹面開裂有積極作用[8]。所以，對上模內部循環冷卻水的控制原則為：

1） 控制上模在壓鑄前的表面溫度在70℃以內，利于細晶區的形成；

2） 冷卻過程中上模維持較高溫度，保持穩定，減緩內應力產生；

3）精確檢測模溫，達到拔模溫度自動拔模，多利用自然緩冷減少內應力。

根據以上控制原則，增加水溫檢測儀表、冷卻水流量計、水泵變頻控制流量、底模紅外測溫槍等元件和功能。壓鑄前對上模通過低流量冷卻水，通過檢測水溫計算上模溫度，將上頂模溫度控制在70℃以內，壓鑄過程中通過檢測水溫控制水流量，將上模維持在較高的溫度，同時激光測溫儀檢測底模溫度計算銅模溫度，達到拔模溫度后自動拔模。

2.2 控制流程

本次改造選用西門子S7-1200系列1217C PLC對各個機構進行控制，使用PLC的差分信號接口采集和控制壓模變頻器相關信號，模擬量通道控制小車和水泵變頻器，硬件架構示意圖如圖11。

圖11 硬件架構圖Fig.11 Structure chart of hardwares

2.2.1 稱重控制邏輯

銅液傾倒是由手動液壓閥控制中頻翻轉通過溜槽流入底模中，改造系統無法對中頻爐進行控制，控制方案仍然以人工傾倒，根據顯示重量進行手動調節方式進行控制，控制流程圖如圖12。

圖12 稱重控制邏輯Fig.12 Control logic of weighing

2.2.2 小車行走控制邏輯

設計小車按高、低雙速進行行走，設立減速限位和停止限位，轉運過程中以高速運行到達減速位后降為低速逼近停止位，到達停止位后小車停止，4個液壓錐型定位銷伸出固定主小車進行準確定位。小車的加減速速度在PLC程序內部設定為“S”型曲線，通過PLC完成整個小車的自動運行控制?？刂屏鞒虉D如圖13。

圖13 小車控制邏輯Fig.13 Control logic of trolley

2.2.3 壓鑄控制流程

整個壓鑄過程自動控制和調節下壓速度和位置，控制過程思路為：

1）當盛裝高溫銅液的底模移動到壓鑄位置時，操作人員啟動壓鑄按鈕，上?？焖傧蛳乱苿?；

2）上模底面接近銅液距離約50 mm時停止，到達烘烤位，利用銅液溫度烘烤上模30 s，去除水汽并加熱上模；

3）烘烤時間到達后上模緩慢向下移動，直到底面接觸到底模內的銅液，到達接觸位，使銅液和上模間空氣排出；

4） 停頓3 s后，上模根據工藝設定的下壓速度和下壓位置運行；

5）到達下壓終點后上模停止運行，冷卻系統檢測底模溫度和冷卻水溫度控制水流量對上模進行冷卻；

6）冷卻時間到達后，上模緩慢上升50 mm，之后快速向上移動到預定位置完成拔模。

上模接觸銅液的停止位置和下壓過程的速率和位置控制。根據整個控制過程思路，進行控制程序編寫，控制流程圖如圖14所示。

圖14 壓鑄控制流程圖Fig.14 Flow chart of pressure casting control

2.2.4 冷卻控制流程

結合冷卻水的控制原則，需對冷卻水的流量和出水溫度進行控制，不僅在壓鑄前將上模模溫控制在70℃以下，同時在冷卻過程中保持較高的上模溫度降低銅液冷卻的速率。這兩個控制要求均通過對冷卻水出水溫度結合生產經驗進行測量反推。冷卻水的控制方框圖如圖15所示。

圖15 冷卻水控制框圖Fig.15 Control block diagram of cooling water

3 實踐及結果

完成了電控原理和電路圖設計控制程序編寫，隨即根據圖紙購買相關零部件實施現場安裝調試，通過實踐驗證是否實現了預期目標。到目前已經過了近10月（2021年3月～12月） 的實踐驗證，情況如表2所示。從表中可以看出，除了3月、4月因設備調試以及后續出現了設備故障導致產生了不合格品，其他月份均未出現過不合品，整體不合格率從原來15%降低至2.07%。

表2 2021年改完成改造后壓鑄陽極銅模不合格率統計情況Tab.2 Statistics of unqualified product yield of anode copper mould after renovation finished in 2021

4 結語

原陽極銅模生產工藝手動控制方式，存在一定的缺陷，較易產生不合格品，改為位置閉環自動控制后，效果非常明顯，極大地減少了陽極銅模不合格品率。

1）采用人工控制方式，部分關鍵工藝參數較難控制，陽極銅模不合格品率達15%；

2）改由自動控制，實現“一鍵操作”后，銅液澆鑄量控制、銅模小車移動控制、上頂模移動控制以及上頂模冷卻水溫控制的精度得到了大幅度提升，廢品率降低至2.07%。