缸套离心铸造智能单元的研究及应用

（宁夏共享集团股份有限公司，宁夏银川750021）

·铸造工艺·

缸套离心铸造智能单元的研究及应用

王皓，李昭奇，潘建平

（宁夏共享集团股份有限公司，宁夏银川750021）

通过一套缸套离心铸造智能单元，实现了缸套离心铸造的智能化生产控制。该系统能够根据生产计划中不同种类的产品智能调整相应的关键控制参数，并能够对生产过程中的关键控制参数进行智能化控制，形成了一套完整的缸套离心铸造智能生产线。

智能单元；离心铸造；系统设计

缸套是内燃机发动机核心零部件之一，多采用离心铸造。传统的离心铸造多为离散式生产，除离心铸造采用单机离心铸造机以外，模具预热、浇注、取件、模具清理、换模、施涂、铸件转运等其他辅助工序多依靠工人手工操作，造成生产过程中的工艺、设备、成本等关键过程控制参数无法被准确控制及采集，且生产效率低、产品质量波动大、劳动强度大、工作环境恶劣。近年来随着顾客对缸套质量要求的不断提高，以及铸造装备自动化程度的不断攀升，当前已是设计及研发一条提高产品质量、提升生产效率、降低劳动强度、改善生产环境、促进行业转型升级的智能化的缸套离心铸造生产线的最佳时机。

1 系统设计思路

整个智能单元控制系统框架结构的设计分为控制层、设备层、感知层三个层面，如图1所示。

控制层：建立一套用以控制铁模喷涂温度、涂料波美度、喷涂次数、浇注温度、浇注重量、模型内温度等生产过程中的关键过程控制参数的实时数据库、历史数据库和专家知识库，利用O P C接口，通过现场总线、以太网通讯与P L C或控制器进行通讯集成控制离心铸造设备，可根据不同产品调用不同的关键过程控制参数。同时通过设备的感知元器件采集现场数据，与专家知识库设定值实时比对，优化决策后进行闭环调整控制。

设备层：由离心铸造机、浇注机、辅机、涂料搅拌系统、冷却水循环系统和铸件翻转、转运机构组成。单机设备均具备数控化能力，可利用O P C技术和以太网接口联网与控制层进行数据通讯。

感知层：为控制层的数据采集提供数据支撑。设备配备有编码器、压力传感器、称重传感器、温度传感器、密度传感器等感知传感器，能够实时感知产品生产状态、质量、设备动作、设备安全和生产成本等关键信息。信息可通过设备层P L C及控制器模块进行实时采集并进行逻辑分析与计算。

2 控制层的建立

整个智能单元的控制层主要由实时数据库、历史数据库以及专家知识库三部分组成，其基础数据主要来源于铸造工艺设计模拟分析、历史生产数据记录及专家经验调整数据。将数据转换成可控的数字化控制参数，并通过系统与系统之间的协议通讯及格式转换，最终在智能单元的控制层形成设备可控的关键控制参数数据库。

2.1 铸造工艺集成设计及模拟分析

通过对产品铸造工艺设计，以及利用铸造模拟软件对产品在离心铸造过程中的热力场、流动速度场、应力场等进行仿真模拟，不断修订浇注温度、冷却速度等工艺参数，解决产品在生产过程中可能出现的气孔、夹渣、缩松等缺陷，从而得到期望的金相组织和表面硬度，并最终形成影响缸套产品质量的关键过程控制参数（部分见表1、表2）.

图1 离心铸造智能单元控制系统结构图

表1 离心铸造工艺参数卡1

表2 离心铸造工艺卡2

2.2 生产历史数据

通过现场设备的感知系统不断统计、汇总缸套实际生产过程中离心机转速、浇注时间、孕育与浇注温度、冷却速度及冷却时间、生产时间、产品编号等关键控制参数及产品型；另一方面，通过质量系统提取产品的机械性能、废品、硬度、金相、铁水成分、产品编号等相关信息，将产品的实际关键控制参数与产品的检测结果进行一一对应及存储。

2.3 专家经验调整数据

工艺技术人员通过智能单元的专用统计、分析系统结合智能单元数据库进行关键过程控制参数与产品质量检测的关联分析，从而进一步优化关键过程控制参数及铸造模拟参数，并将优化后的数据导入专家经验调整数据库及工艺模拟参数库，形成了一套不断优化的最优关键控制参数（部分表3、表4、表5、表6）.

表3 专家经验调整参数卡—离心浇注机转速

表4 专家经验调整参数卡—铁模喷涂温度

表5 专家经验调整参数卡—铁模浇注温度

表6 专家经验调整参数卡——产品的浇注温度

3 设备层及感知层智能化控制系统

3.1 浇注重量控制

离心铸造智能化生产线的浇注系统可根据专家库提供的产品浇注重量，通过系统配备的高精度称重设备和P L C闭环控制浇注时铁水的重量，并将铁水重量数据实时传输给智能单元，实现了浇注系统定量浇注的目标。

3.2 涂料质量控制

喷涂系统利用喷嘴的自动行走对整个模具的型腔进行喷涂料作业。喷涂机行走采用伺服电机和伺服控制器+P L C联合控制，机械传动方式采用齿条，位移定位采用编码器控制，通过喷涂杆的行走速度来控制涂料的厚度，前后端盖采用特用的喷嘴进行球面喷涂，并且与模具温度和喷涂作业连锁，达不到喷涂温度，不能进行喷涂作业。涂料罐配备变频搅拌器及波美度检测装置，可通过搅拌电机将涂料充分搅拌，并通过水和涂料的自动配比使涂料达到指定波美度要求。同时，系统将检测到的涂料用量、涂料玻美度等检测值通过P L C及以太网传输给智能单元。

3.3 浇注温度控制

浇注机配备有红外测温装置，能够检测每次浇入模具中铁水的温度，并将数据反馈给智能单元专家系统，专家系统根据单位时间内温降速度及红外测温系统偏差曲线对实际铁水温度进行误差校正，从而弥补了红外线测温装置误差大的弊端，同时对超出工艺范围的浇注进行报警，禁止浇注。

3.4 模具温度控制

测温装置分型腔内空气温度测定和模具内表温度测定。型腔内空气温度采用测温枪测定，模具外表温度采用红外线测温仪测定，通过数据线连接将检测温度传送至P L C模拟量模块，再通过工业以太网传输到智能单元。测温枪安装在测温杆上，由固定在防护罩上的推动油缸使其伸出到超出防护门的位置，再通过摆动油缸旋转90°至模具中心位置，通过推动油缸使其伸入到模具型腔内，由测温枪实现型腔内气氛温度的测定。系统配备有天然气模具加热装置，可根据专家库提供的温度要求对模具进行加热，并实时反馈当前模具温度。

3.5 模具转速控制

离心机主电机采用变频调速电动机作主动力。可根据专家库提供的不同转速实现无级调速，可满足不同直径铸件对转速的不同要求及铸件在浇注过程中不同时段对不同转速的要求，并实时反馈当前模具实际转速。

4 结论

该套缸套离心铸造智能单元通过对每一个离心铸造生产工序的智能化控制，将专家知识库和工艺设计及仿真分析系统产生的经验和设计参数融入到工序的过程控制当中；同时利用智能单元控制软件与现场关键设备的数据采集、分析决策、反馈执行，及与排产及质量等系统多方位集成，实现了生产、质量、成本等方面的集成管控及工艺参数的评估、优化，形成行业内领先的缸套离心铸造智能制造模式。

该智能单元现已全面投入到生产使用当中，从目前的使用情况来看，智能单元系统运行较为稳定，系统能够通过工业以太网及时、准确地将感知层数据上传至系统，以及将控制层数据下载至设备层；完整的系统后台数据库，能够针对不同规格的产品对应不同的工艺参数及设备参数，实现了多品种、小批量的混合连续式生产；工艺人员通过各种传感器实时采集的数据及产品质量情况进行统计、对比、分析，及时更新数据库，调整设备参数，实现了生产过程中产品关键控制参数的不断优化。同时，系统也会通过总结生产使用过程中存在的问题及系统开发不断进行功能完善。

通过本项目的实施为其他离心铸造工厂的智能改造提供了完整的解决方案和借鉴方案。可以做新工厂的全新设计、也可以提供关键工序的独立改进。

［1］张伯明.离心铸造［M］.北京:机械工业出版社，2004.

［2］贺奇，李焕臣，李明.离心铸造用水基涂料［J］.热加工工艺，2004（5）:60.

［3］任象玉，尤文华，陈中宝.热模法离心铸造用硅藻土隔热涂料［J］.非金属矿，1997（5）:39-41.

［4］张鑫.水冷法离心铸造管管模绝热涂料的研究［J］.铸造，2004（8）:614-616.

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Research and Application of the Centrifugal Casting Intelligent System for the Production of Cylinder Liner

WANG Hao，LI Zhao-qi，PAN Jian-ping.
（Kocel Machinery Company Limited，Yinchuan Ningxia 750021，China）

The intelligent control for the production of cylinder liner using centrifugal casting was realized through the design of an intelligent unit.The system can automatically adjust and control the corresponding key parameters according to the different kind of products in production plan.A set of intelligent production line was built for centrifugal casting.

intelligent unit，centrifugal casting，system design

TG249.4

A

1674-6694（2016）06-0018-03

10.16666/j.cnki.issn1004-6178.2016.06.006

2016-07-29

王皓（1982-），男，宁夏银川人，本科，主要从事铸造装备的管理、维护以及铸造相关前沿申报的调研工作。