低壓鑄造螺旋砂芯智能射芯機控制系統設計

張智敏， 李澤豪， 梁家健， 陳楚濱， 劉文周， 段海峰

（華南理工大學 廣州學院，廣州510800）

0 引言

圖1為新能源汽車電動機水冷機殼，圖2為其剖視圖，圖3為一個呈螺旋狀的冷卻水道，要想制造成這樣的螺旋狀冷卻水道，就需要制造出如圖4所示的螺旋砂芯，這樣的砂芯則需要由射芯機成型，而我們這里采用PLC控制，對現有的射芯機的控制系統進行改進，利用觸摸屏設計出更能夠適應螺旋砂芯的智能控制系統的控制面板，從而完成螺旋砂芯的射芯工作，提高其生產效率。

圖1 電動機水冷機殼

圖2 電動機水冷機殼剖視圖

圖3 冷卻水道

圖4 冷卻水道螺旋砂芯

1 研究方法及硬件選型

1）本文的研究方法是根據螺旋砂芯射芯機射芯的工藝流程設計出新的控制面板，通過軟件GT Designers設計出射芯機的控制面板，然后再通過編程軟件將設計出的控制面板編入觸摸屏，然后再連接PLC進行編程控制，設計出可以通過觸摸屏實現控制的控制系統面板。

2）PLC和觸摸屏的選型。本項目選用的PLC為三菱FX1N-40MR-001，型號為MITSUBI/三菱/FX1N-40MR-001，如圖5所示；選用的觸摸屏為三菱觸摸屏，其型號為GOT1000，如圖6所示。

圖5 三菱FX1N-40MR-001

圖6 三菱觸摸屏GOT1000

2 控制面板的基本設計

2.1 螺旋砂芯的模具芯盒結構設計及工藝分析

射芯機是一種針對性比較強的設備，根據所需射芯的產品不同，所需的模具便需要重新設計，其工藝也會不同，從而其控制系統也將不同。本文要做的是新能源汽車水冷機殼精密低壓鑄造螺旋砂芯的射芯機的控制面板設計。而要完成這個目的，我們先從其模具和工藝流程開始分析。

控制系統的設計本身就是對加工工藝的控制的設計，所以，要想設計控制系統的控制面板，就必須要先分析透螺旋砂芯的射芯機的工藝流程，如圖8所示。

1）合模。當前期準備好后，便可以合模，即5個芯盒合在一起，形成螺旋砂芯的型腔。5個芯盒的配合精度要求較高，不然無法保證精度。

2）芯盒加熱。合模以后，5個芯盒便要開始加熱(芯盒選用的是電偶加熱，電偶的分布需要均勻，以保證加熱的均勻)，需要強調的是由于5個芯盒是獨立的，需要獨立加熱，所以5個芯盒必須分別裝上溫度傳感器，并連接PLC以及觸摸屏，從而實現控制，且由于5個芯盒加熱速度可能不一致，所以一定要等到所有芯盒都達到射芯溫度（210℃），才可以進行下一步操作，即射砂。

圖7 螺旋砂芯模具開模簡圖

圖8 螺旋砂芯射芯機工藝流程

3）射砂。當芯盒加熱到預定溫度，便可以射砂。

4）加熱保溫。當射砂完成后，為了保證砂芯的均勻成型，一般需要保溫30～50 s，不過需要注意的是，由于砂芯成型本身需要消耗熱量，所以在保溫的過程中還要適當的加熱，以保證砂芯的成型溫度。

5）開模取件。當砂芯成型后，開模即可取出成型砂芯，當砂芯取出后（需要時要清理一下模具），便可準備下一次成型。

2.2 控制系統的控制面板設計

現有的射芯機的控制面板基本上都是通過控制按鈕來實現，如圖9所示。

圖9 常見射芯機控制面板圖

圖10 GT Designers設計的控制面板

由于射芯機的特殊性，幾乎每種產品的射芯機的控制系統都不一樣，往往射芯機的控制面板都會做得比較隨意，不夠清晰，所以，這次我們選用了觸摸屏式的控制系統，一方面可以設計出更加清晰明白的控制系統，另一方面更新換代時可以利用觸摸屏重新設計控制系統，既降低了成本，又可以減少制造控制面板的時間。

圖10是我們根據螺旋砂芯的工藝，利用軟件GT Designers初步設計的控制面板：首先，面板中設定了5個溫度顯示屏，分別對應于5個芯盒的內部溫度（采用溫度傳感器測量），下面為溫度設定按鈕，通過觸摸屏上的加減符號可以調整各個芯盒要加熱到的溫度；另設計了保溫時間的設定按鈕，通過加減符號也可以設定保溫時間的長短。其次，我們給每個芯盒設定了單獨加熱的按鈕，便于有需要時對各個芯盒進行加熱。下面還設定了全部加熱的按鈕，按下時可以同時對5個芯盒進行加熱。

啟動和急停按鈕分別對應于開始工作和暫停工作的功能，而合模、全部加熱、射砂、保溫和開模為射芯機的5個工藝動作，當處于手動狀態時，可以依次按下按鈕進行操作，當按下自動按鈕時，可以完成單次的5個工藝動作射芯循環操作。

3 觸摸屏PLC程序寫入

根據GT Designers設計的控制面板，我們必須寫出相應的PLC程序，進而寫入觸摸屏內，表1為PLC程序的端口定義I/O表格，圖11為其中部分程序。

手動工作方式：1）程序步0～16，實現4個芯盒合模功能。X0~X3分別控制前后左右芯盒（Y0~Y3）合模，它與開模功能互鎖(Y10~Y13)；2） 程 序 步16～28實現射砂機的射砂(Y4)功能。當合模完成后，開始射砂，為了防止射砂時間過久而導致模具破損，通過程序限制，射砂時間不能超過5 s。PLC寫入觸摸屏的效果如圖12所示。

表1 PLC程序I/O端口表格

圖11 智能射芯機觸摸屏控制系統部分梯形圖

圖12 寫入后的觸摸屏射芯機控制面板

4 射芯機選用觸摸屏控制系統的優勢

觸摸屏控制系統是一種適用性很強的系統，尤其是面向這種針對性比較強的一種產品、一種控制系統的射芯機等設備，其優勢如下：1）應用時可以根據具體產品的工藝需求進行調節和調整，尤其是當某項產品更新升級時，只需要修改觸摸屏的控制系統就好，既可以減少更新時間，也可以降低成本。2）當需要更換新的產品時，可以清空觸摸屏，重新設計控制系統，重新寫入，接入新的設備，既減少了更換設備的時間也降低了更換設備的的成本。

5 結語

上面的觸摸屏面板就是我們根據新能源汽車水冷機殼精密低壓鑄造螺旋砂芯射芯的模具，以及工藝設計的智能射芯機使用的觸摸屏控制系統面板，希望可以對新能源汽車行業起到一定的推進作用。