新型多功能銑澆口機在鑄造行業的應用

曹 偉，付臘梅，趙林棟，張成紀

（國機鑄鍛機械有限公司，山東濟南 250306）

1 新型多功能銑澆口機研發背景

靜壓造型是通過氣流預緊實作用對型砂進行初步緊實，然后通過液壓壓頭對型砂進行最終緊實的造型。靜壓造型線可以生產體積較大的鑄件，以及利用較大的砂箱一箱生產多個較小的鑄件，提高產量。傳統工藝中，僅通過一個澆口實現鑄件的整體澆注過程，由于鐵水從澆口位置通過內部澆道流動到距離澆口位置較遠的位置，溫度下降較快，會出現鑄件冷隔或由于溫度差別較大導致不同部位的鐵水特性發生變化，從而嚴重影響鑄件品質的整體性能。

為了解決上面出現的問題，新型多功能銑澆口機應運而生。

2 新型多功能銑澆口機的特點

2.1 功能多樣

新型多功能銑澆口機兼具傳統銑澆口機銑錐形澆口的功能，同時具有在砂箱表面銑直線槽的功能，通過形成外部澆道，將砂箱型腔內部多個澆注點連接起來，達到多點澆注的目的。

2.2 路徑定制靈活

新型多功能銑澆口機可以在工作區域內任意定義直線路徑，包括與X/Y 軸平行，以及與X/Y水平方向交叉的傾斜線段，而且僅通過坐標設置即可選擇銑槽模式或鉆孔模式，并且自由定義順序。同一工藝流程中，銑槽與鉆孔兩種模式可混合使用。

2.3 通用性強

新型多功能銑澆口機不僅適用于固定砂箱模式，即一個推箱節拍中完成當前砂箱的全部銑鉆工作，多用于上下箱分開的具有落箱機的布線方式；也適用于追箱模式，即一個砂箱的銑鉆工作分兩次推箱完成，常用于造型后翻轉的砂箱在同一軌道的布線方式。

2.4 實用高效

銑槽與定位兩種速度，銑槽時使用慢速，保證銑銷砂型表面光滑，定位時使用快速，節省時間。

2.5 標準化高

程序標準化程度高，而且方便移植及復制。當增加一臺或多臺銑澆口機，或將銑澆口機作為獨立的單機或者作為靜壓造型線的附屬單機，可以非常方便地將程序進行復制、移植、修改，并且很快實現更改及應用，程序耦合性低，整體性強。

2.6 穩定可靠

程序穩定，容錯性高，可在任何時刻在線、離線，優先保證生產線的正常運行。當造型線配置多臺銑澆口機時，如果某一臺出現故障，且在較短時間無法快速恢復，為保證產線仍能繼續生產，可以在不影響造型線的前提下，將故障的銑澆口機快速離線，并使用正常的銑澆口機代替故障銑澆口機的全部工作。

2.7 提升運行效率

傳統銑澆口機在流程上，僅當砂箱推行完成后，才開始定位第一個工作點。新型多功能銑澆口機對流程做了優化，在下一節拍準備好前，X/Y 軸電機提前運行至下一工位或第一個目標點工作位置，減少等待時間。

2.8 控制精度高

銑澆口機X/Y 軸采用伺服直線插補技術，使兩個軸協同配合，保證誤差范圍在1 mm 以內，使銑出的槽更加趨于直線。Z 軸使用閉環位置控制算法，根據位置計算使速度實現較為平滑的變化，從而保證定位更加準確，保證控制誤差在2 mm以內。

3 控制系統的主要組成

本文我們以配置2 臺銑澆口機的銑澆口系統為例進行說明。

系統由西門子ET200SP 系列的CPU 實現控制，此系列CPU 方便組態及使用，性價比較高，非常適用于小型單機系統。系統的人機交互界面采用西門子精智系列控制面板，精智系列HMI 是西門子的高端面板，相比4∶3 的老式設備顯示區域有所增加，并且功能豐富。

銑澆口機的X/Y 軸由SEW 減速電機驅動，由SEW 伺服控制器進行控制，控制精度較高。Z 軸為比例閥配合絕對值編碼器進行控制，可以方便調整銑槽及鉆孔的深度，適用于不同的工藝需求。銑澆口機的A 軸為旋轉軸，由液壓馬達控制銑刀的旋轉，使用液壓馬達可以節省安裝空間，并方便后期維護。

表面涂層有：水泥基覆層、聚合物改性水泥砂漿層、混凝土表面涂層油漆、防水、樹脂等。本工程采用環氧涂層處理。

系統的通信方式整體采用西門子ProfiNet 網絡通信，穩定可靠，抗干擾能力強，方便設備擴展。銑澆口系統與造型線之間采用S7 單邊通信，操作簡單，并極大地降低了故障對造型線系統的影響。

4 操作方式及工藝流程簡介

4.1 操作方式

銑澆口系統作為造型線的子站系統，主要受造型線控制。與造型線同樣，有自動、手動、急停三種操作方式。

造型線在通信正常且自動啟動時，銑澆口機進入自動狀態，并與造型線配合完成銑槽及鉆孔工作。手動操作時，銑澆口機控制柜切換為手動，且造型線自動啟動信號取消后方能進行手動操作。銑澆口機急停按鈕與造型線串聯，當銑澆口機急停按下時，銑澆口急停，設備立即停止運行，同時造型線安全繼電器動作，并給造型線急停信號，當造型線急停按下時，給銑澆口反饋急停信號，銑澆口機同樣停止運行，保證設備及操作人員的安全。

如果當前產品工藝不需要銑澆口機，可以將其離線，或者當其中一臺銑澆口機出現故障時，也可以在任意狀態下隨時對其離線，這時程序會自動進行復位處理，并反饋給造型線信號，保證造型線的正常運行。

4.2 工藝流程

造型線準備推型時，給銑澆口機發送推送請求信號，銑澆口機收到請求信號打開定位缸，定位缸松開后給造型線發送允許推型信號，造型線接收后開始推型，并且在推型結束后反饋給銑澆口機結束信號，銑澆口機收到后將定位缸定位，然后銑澆口機開始工作，并在工作完成后反饋給定位缸。

現場兩臺銑澆口機，分兩個推型節拍分工合作，共同配合完成一個完整的澆道系統。

以中心在原點、形狀以X/Y 軸均對稱的“X”型澆道進行說明，每個銑澆口機在每個節拍中負責X/Y 坐標系（砂箱坐標系）1/4 區域，如第一臺負責Y+區域，造型線第一次推箱后在砂箱X+區域工作，完成直線段澆道的銑銷及鉆孔工作，第二次推箱在砂箱X-區域工作；第二臺負責Y- 區域，工作方式與第一臺相同。這種方式可以在最大程度上實現兩臺銑澆口機的分工配合，壓縮總體時間，減少造型線的等待時間，從而提升綜合生產率。

4.3 配方的使用

配方通常有兩種使用場景，一種是生產不同的產品，使用不同的工藝參數；一種是在生產一種產品過程中有很多步驟，每個步驟都是有不同的參數。這里，銑澆口系統配方的應用屬于兩種使用場景的結合。使用配方可以將生產中用到的所有產品的參數保存起來，在使用時直接找到對應的產品參數下載到設備，極大地減少了每次更換產品后重復輸入參數的時間。

通常這些參數數據存放在CPU 工作存儲器的DB 塊或M區，但是很多時候這些數據的數據量特別大，數值卻是固定不變的，或者只是偶爾在需要的時候小做改動。而對于ET200SP 系列的CPU 來說，工作存儲器較小，如果產品數量太多，需要存儲的數據量就越大，這就需要更大的裝載存儲器，增加了硬件成本。而精智面板往往配置較大的存儲卡，使用精智面板自身的配方功能，不僅可以彌補CPU 內存限制問題，還可以方便高效地實現配方的使用，并且掉電數據不丟失。

圖2 砂箱不同象限配方參數的分配

根據設備節拍及工藝要求，我們在銑澆口系統中使用四個配方，每臺銑澆口機在每個節拍中使用一個配方參數。

5 直線插補應用

理想狀態下，在銑與X/Y 軸不平行的直線槽時，根據起點與終點X 軸及Y 軸在其軸向的位置差，計算X/Y 軸伺服電機的速度，使其同時由起點啟動并同時到達終點，可以保證銑的槽為直線段。但實際使用過程中，由于電機加、減速時很難保證速度仍為設定的比例，導致在加、減速的兩端銑出的槽出現彎曲狀，所以需要更加可靠的控制方式。

銑澆口機銑直線槽的控制方式主要用到了直線插補技術。在工藝允許的誤差范圍內最大程度保證了所銑澆道的直線性。

PLC 控制的伺服系統因PLC 本身不具有插補計算功能, 因此用編程方法來實現直線插補, 可用于車床、銑床上加工的直線輪廓控制, PLC 替代CNC 系統, 使機床的控制系統成本降低70%～90%[1]。銑澆口機銑直線槽的應用與機床的直線加工具有相同的原理。

插補的算法有逐點比較法、數字積分法、比較積分法、數據采樣法、時間分割法等多種方式，這里我們使用逐點比較法。

逐點比較法插補是在數控機床經中常使用的一種插補方法，它是將加工刀具的當前位置與所要加工曲線的位置進行實時比較，構建一偏差函數，根據偏差函數值來確定刀具移動的方式和位置[2]。

6 結束語

新型多功能銑澆口機在傳統銑澆口機的基礎上做了較大改進。隨著鑄造工藝的發展，生產的鑄件可能更加復雜，并且用戶對鑄件品質的要求越來越高，鑄造設備也要進行不斷地發展創新。

目前新型多功能銑澆口機已經在實際項目中使用，根據最終鑄件的質量檢測，新的工藝對同一件產品不同位置的硬度等參數保持了較高的統一性，并提升了大型鑄件的澆成率。