擠壓機的控制系統分析

賈杰

(南山集團航材園擠壓廠,山東 龍口 265700)

擠壓機的控制系統分析

賈杰

(南山集團航材園擠壓廠,山東 龍口 265700)

隨著制造業的快速發展,工業鋁型材已被廣泛的應用到各個高新產業,如航空、動車、船舶等.金屬鋁型材的成型工藝方法主要包含擠壓、鍛造、壓延.根據擠壓的成型工藝,重點闡述擠壓機的控制系統.該套控制系統結合了PLC、MES、上位機四大系統,實現了生產工藝過程的在線智能化管理、可視化管理、過程控制、過程分析及產品的可追溯性.

擠壓機;控制;自動化

目前用于鋁型材擠壓的150MN正反向雙動短行程擠壓機,為國際鋁擠壓生產線噸位最大、技術最先進的擠壓設備,并通過采用大量的編碼器、傳感器、接近開關、通訊等輔助元件控制擠壓機各部件的動作,以達到控制精度準確,實現等溫恒速擠壓,以確保擠壓的型材斷面尺寸、表面質量、各項力學性能等均合格的型材.

1 擠壓機的基本組成

1.1 機械部分

機械包括框架前、后梁,壓余剪刀,移動梁,擠壓桿,機械手,液壓側缸,擠壓筒,裝錠機,推料器,交接臺,壓余清理站等.

1.2 液壓部分

液壓包括液壓泵站、閥站(插裝閥、換向閥、單向閥、比例閥、節流閥、調速閥、溢流閥、穩壓閥、截止閥)管路等.

1.3 電氣部分

電氣包括斷路器、接觸器、繼電器、接近開關、光電開關、傳感器、編碼器、變頻器、PLC控制模塊、伺服電機、通訊模塊等.

1.4 軟件部分

軟件包括西門子S7編程軟件、上位機軟件等.

2 擠壓工藝流程

擠壓工藝流程分為正向與反向擠壓.

正向擠壓:型材的流出方向與擠壓軸運動方向相同,特點是應用廣泛,操作簡單,生產靈活,截面跨度大但是摩擦力較大,對模具的磨損程度高.

反向擠壓:型材的流出方向與擠壓軸運動方向相反,特點是摩擦力小但是生產局限性較大,性能優越.

以上兩種擠壓方式雖然不同,但是整個生產的工藝流程基本一致.(1)準備工作:鋁棒、模具、擠壓筒等加熱到適宜的溫度,啟動液壓站,校準各部件的位置編碼器、將各部件歸初始位;(2)上模,將模具裝到擠壓機的模座上;(3)上棒,利用推料器已加熱的鋁棒送到裝錠機鉗口內;裝錠機將鋁棒送到擠壓筒與模具中間;移動擠壓筒,將鋁棒放置到擠壓筒內;(4)擠壓桿進行加壓,開始擠壓;(5)利用牽引機從出料口牽引帶料;(6)繼續擠壓至該支鋁棒擠壓完;(7)切壓余,后退擠壓筒,利用壓余剪刀剪掉鋁棒尾部的壓余;(8)利用壓余傳送裝置將壓余傳到壓余料斗;(9)完成一次擠壓工作,同時進入下一次循環.

3 擠壓機的控制系統

3.1 上位機系統

上位機指能夠直接發出相應操控指令的人機界面計算機,能夠設定各種參數、顯示各種動作及信號的變化.包括擠壓溫度、擠壓速度、擠壓力、溫度、液位、各部件的動作狀態及相關工藝參數的設定及報警故障顯示,既方便了我們操作,使我們能夠隨時掌握設備的動作狀態及設備的故障報警信息,又便于我們能夠快速而準確的排除故障,實現可視化操作及管理.

3.2 PLC控制系統

PLC可編程邏輯控制器,主要包含電源模塊、CPU模塊、輸入模塊、輸出模塊、通訊模塊等,通過編程軟件STEP7-V5.5編寫控制程序,當擠壓機由正向擠壓切換為反向擠壓時,只需選擇反向功能切換按鈕,即可激活并執行反向控制程序,操作極為方便.

3.3 通訊系統

PLC控制系統與現場的傳感器、編碼器及上位機均是可以互相通訊交換數據信息的,整個擠壓生產線各設備之間也是通過通訊系統進行信息數據的交換及傳遞,達到各設備之間動作協調與配合,減少等待時間,提高生產效率.各設備之間的信息傳遞與交換均是通過以太網及Profibus-DP 等通訊方式實現的.

3.4 MES系統

MES制造執行系統,把物料需求計劃通過執行系統同車間作業現場控制系統聯系起來,主要負責車間的生產管理及調度執行.并通過系統收集擠壓生產的相關數據(同時包括設備的運行、點檢、巡檢、保養、檢修、易損備件等)并對該數據進行分析,既可實現產品的可追溯性又可有效的做好設備保養、預防設備故障等.

4 擠壓工藝參數控制

4.1 擠壓速度的控制

擠壓機在進行擠壓工藝的過程中,要求必須保持恒定的擠壓速度,如果擠壓速度不穩定,那么擠出的型材表面必定會呈現波紋狀態,造成表面光潔度差,且型材容易發生變形,造成斷面尺寸不合格等嚴重影響產品的質量問題,因此控制擠壓速度的穩定是擠壓工藝過程的關鍵因素之一.為了精確的控制擠壓速度,我們采用了閉環反饋的控制方式,即在上位機上手動設定一擠壓速度值,然后通過模擬量轉換,經液壓泵站的輸出流量傳遞形成擠壓運動速度,根據各傳感器等檢測并將其轉換為電壓或電流信號,再將該信號與設定的速度模擬信號量進行比較,然后根據這兩個信號量的差值經放大器等處理器來進行信號放大或轉換成電磁比例閥等能夠識別的電壓、電流信號,這個可識別的信號反饋控制相應的電磁閥、比例閥等以控制閥開比例及液壓泵站輸出的流量,從而達到控制速度穩定的效果.

4.2 擠壓筒的加熱控制

型材的擠壓工藝采用的是熱擠壓方式,所以擠壓所用的鋁棒、模具、擠壓筒等都需要控制在一定的溫度范圍內,但是也不是溫度越高越好,因為溫度越高,金屬的內部組織晶粒生長加快,焊縫組織粗大,影響焊縫質量.由于不同的合金加熱的溫度有所不同,在此就不一一列舉,只重點說明一下擠壓筒的加熱及控制.鋁棒成型的工藝過程是鋁棒在擠壓筒內承受三個方向的不均勻壓力,使其產生塑性變形,然后通過相應的模具孔或縫隙而形成的截面積較小、長度較長的型材.在此過程中擠壓筒需要承受擠壓過程中的高溫、高壓、高摩擦作用.考慮到擠壓筒內襯、中襯、外襯的膨脹系數不同,本套系統采用梯度多段式加熱,可以降低擠壓筒內、中、外襯的溫度分布梯度,縮小之間膨脹差,從而有效地防止內、中、外襯產生裂紋或脫出,進而提高擠壓筒的使用壽命.

4.3 型材的等溫擠壓控制

等溫擠壓是指在整個擠壓工藝過程中,確保出料口的溫度始終保持恒定的狀態.下面簡述等溫擠壓的特點.(1)等溫擠壓能夠使型材內部組織保持穩定的變形,良好的改善并提高材料塑性,從而形成復雜的斷面型材.(2)在等溫的條件下完成成型工作可以有效的保證型材的質量.(3)在等溫的條件下擠壓可以使得鋁棒在受力的情況流過模具時,保證模具的溫度基本一致,從而減少模具的磨損.

擠壓速度與擠壓溫度之間存在一定的關系,比如,提高擠壓速度必定會導致擠壓溫度的升高,擠壓溫度升高反過來直接影響鋁棒的受力變形速度,相當于改變了擠壓速度.為了提高對擠壓溫度的控制,我們在擠壓成型的出料口增加了高精度的紅外測溫儀,實時的監測擠壓溫度,并將此溫度上傳給PLC控制系統,PLC控制系統再將其與設定的擠壓溫度進行比較.(1)如果比較的結果是當前溫度在預設的擠壓溫度范圍內,那PLC繼續按照當前的狀態控制主缸速度繼續擠壓.(2)如果當前溫度低于預設的擠壓溫度,那PLC控制系統會慢慢的增加主缸的速度從而提高擠壓速度以達到溫度一致(3)如果當前溫度高于預設的擠壓溫度,那PLC控制系統會逐漸的減少主缸的速度,進而降低擠壓速度以達到溫度一致.

擠壓機最為完善的控制擠壓方式采用的是將擠壓筒的梯度加熱、在擠壓筒中通入冷卻介質、恒速擠壓及等溫擠壓4種方式結合起來,以實現整個擠壓過程的自動控制.

5 擠壓模具的液氮冷卻系統

5.1 液氮冷卻的原理

為了更好的控制擠壓溫度,我們正在考慮增加擠壓模具液態氮冷卻系統進行恒溫控制,同時,氮氣屬惰性氣體,對擠壓的型材不會產生影響,且氮氣的沸點溫度為-196℃,1kg液氮氣化成-196℃的氮氣時會吸收198J的熱量,因此,在擠壓過程中通過液氮對擠壓模具溫度進行實時的控制,確保在恒速擠壓過程中的擠壓溫度保持恒定,從而真正的實現恒速等溫擠壓,若采用該套冷卻系統,就可以將擠壓速度進一步提升,可有效的提高生產效率.

5.2 液氮冷卻的方法

液氮冷卻模具是在模套上增加冷卻通道,通過控制系統控制液氮通過冷卻通道噴射在模具工作帶上亦或是直接噴到模套、模墊上,吸收熱量,降低模具溫度,使模具溫度、型材出料口溫度保持在穩定溫度范圍內,達到恒溫的目的;同時,液氮氣化后,形成惰性保護,可有效提高型材表面光潔度.

6 結語

擠壓工藝中最為關鍵的兩因素是擠壓速度與擠壓溫度.擠壓速度過高,金屬變形功增大,擠壓溫度就會升高,擠壓力降低,結果導致焊合力降低,直接影響產品的表面質量及力學性能等.要做到真正意義上的恒溫等速擠壓就必須不斷的探索研究新思路,盡可能的準確監測并控制相關的工藝參數,同時加強優化完善控制程序,爭取在控制方面取得進一步突破.

[1]張君,楊合,何養民,韓炳濤,詹梅. 鋁及鋁合金型材等溫擠壓關鍵技術研究進展[J].重型機械 2003.

TG334.9

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1671-0711(2017)11(下)-0127-02