6ES7212-1AF40-0XB0详细说明
大型离心铸造机大多用来生产轧辊。在离心铸造中,铸型(也称管模)的转速非常重要,尤其在轧辊生产中,需要二次浇注(添芯),特别要求转速与时间及温度的严格控制。为满足轧辊的铸造工艺要求,我们为大型离心铸造机设计了控制系统,该系统实时控制且动态跟踪,**控制离心铸造轧辊的工艺过程。过去的大型离心机的控制系统,大多采用开环自动/半自动控制、电磁调速系统,工作稳定性差,人工因素多。我们通过对硬件及软件的改进设计,采用西门子交流变频器(6SE70系列)或直流调速系统(6RA70系列),传感器输入温度、转速及主机振动测量信号,可编程控制器经过实时计算,只要在界面上设置相应的工作参数,就能自动跟踪设定的工艺曲线;整个生产过程实现了真正的闭环、自动跟踪控制,消除了人工干预多和其它因素的影响,提高了产品质量和生产效率。
1大型离心铸造机的主要工艺参数
(1)初始增速速度:离心机从静止开始升到浇注要求的转速;
(2)保持凝固速度:浇注后离心机保持的转速;
(3)停机减速速度:减速停机的转速即停机转速。
2系统硬件
硬件由工控机,可编程控制器PLC,模拟量输入、输出,直流调速装置或交流变频器及外围设备组成。图1为大型离心机的控制系统框图。
工控机主要通过PLC完成离心铸造机远程实时监控和管理报表的制作,对现场的离心机转速、型腔金属液温度、轴承温度、离心铸造机振动的工作状态进行实时监控。离心铸造过程中,计算机可以连续自动记录铸型中金属液的温度曲线。
工作原理:由界面设置离心铸造机主要工艺参数或调出原有产品的工艺参数,符合当前的产品时,则显示当前产品的控制曲线,按实际需要确认,通过控制按钮分别发出开始浇注、一次浇注、二次浇注等信号;PLC依据产品的工艺参数及通过现场模拟量输入得到当前离心铸造机的实际转速,经过计算,通过模拟量输出一个实际需要的转速,通过模拟量输入的离心机振动信号、温度信号,实时诊断离心铸造机的工作状态;离心铸造机的电机工作电流信号实时诊断离心机的负荷大小,实时显示其产品的工作曲线,确认产品的质量。图2、图3为武汉钢铁厂使用的大型离心机部分电气原理图.
3软件设计
目的是使用户能根据自己的产品任意设置或调用各种产品的工艺参数及工艺曲线,即采用配方的形式及时刷新生产方案,按用户的需要通过对现场的工艺参数及离心机的工作状态、电机工作状态的实时采集,以动画的形式实时显示数字及曲线,显示预警,向用户实时提供解决实际工作问题的方案。
从界面上保存各种工艺参数,也可重新设置各种工艺参数,产生新的配方,如表1为轧辊类浇注工艺参数。
由于在轧辊产生中对二次浇注的时间要求严格,能否及时、正确确认固相线温度是轧辊生产的关键。过去都是通过人工观察的方式来确诊固相线温度,产品质量的稳定性不能得到保证,现在通过本软件,能自动确认固相线温度,自动控制停机时间,从而保证了轧辊质量的稳定性,本软件通过对离心铸造机本身的振动幅度以及离心机的轴承温度的自动测量,能及时预报离心机的工作状态,有问题能及时提示,确保离心机正常工作。
温度拐点的确认软件设计依据以下两个计算公式:
拐点速度Vi计算公式:Vi=V设定-a(V设定-V实际)(其中a为经验系数);
拐点温度曲线的斜率Ki计算公式:
Ki=∑Fj1-∑Fj/Ti
其中j1为(i-10～i-6),j为(i-5～i),即拐点前10个值中前5个值减后5个值除以时间即得温度拐点斜率,见图4。
浇注温度1350℃,固相线温度约1100℃,离心铸造机托轮转速1400r/min(可根据铸件内径确定),制动时间:大型件在5min内,重力系数100~110g。
依据上述硬件配置和软件设计原理,生产开始前预先在界面或计算机上设置好工艺参数,检查无误后启动系统运行。控制系统通过程序设计和计算将初始增速速度转换成模拟量输出信号,此模拟量信号通过直流调速装置或交流变频器驱动电机使离心机在时间1内从静止状态均匀加速到初始增速速度;离心机到达这个转速后进行第二步浇注高温铁液,浇注完毕后保持这个转速进行冷却凝固成型;离心机在高速旋转冷却凝固成形过程中进行铸型型腔内温度检测,当铸型冷却一段时间铸型温度下降到固相线温度时(如图4中1100℃),这时控制系统要控制离心机开始减速,必须在时间3内将离心机转速从转速2减到转速3,即停机状态;进行下个工序即二次浇注。
激光焊接优势显著
在汽车制造业中，电阻点焊是常用的焊接方法，但其工艺存在焊接飞溅大、电极头使用寿命短、缝接搭边量较大等难以解决的问题，而CO2焊、MIG焊、铜钎焊等焊接方法受电流电压的影响很大，稳定性难以得到可靠保证。
近年来，激光焊接作为一种高质量、高精度、低变形、高效率和高速度的焊接方法，正成为金属材料加工与制造的重要手段，越来越广泛地应用在汽车制造等领域。
激光焊接是将高强度的激光束辐射至金属表面，通过激光与金属的相互作用，金属吸收激光转化为热能使金属熔化后冷却结晶形成焊接。在实际工程应用中，其优点主要表现在以下几个方面：
（1）激光束的激光焦点光斑小，功率密度高，可焊接一些高熔点、高强度的合金材料；
（2）自动化程度高，焊接速度快，功效高，可方便地进行任何复杂形状的焊接；
（3）热影响区小，材料变形小，无需后续工序处理；
（4）激光束易于导向、聚焦，实现各方向变换；
（5）生产效率高，加工质量稳定可靠，经济效益和社会效益良好。
当然，与传统的焊接方法相比，激光焊接设备昂贵，一次性投资较大，技术要求也很高，目前在我国工业中的应用还相当有限，但生产效率高和易实现自动控制等显著特点使其非常适于大规模生产线和柔性制造，我公司就已经在A5系列车型的焊装生产线上采用了激光焊接技术，其成功应用已经显现出它的特点和优势。
焊接工艺
这里以我公司A5系列车型行李箱盖外板分总成激光钎焊工艺为例介绍激光焊接的优势和价值。
A5系列车型的车身焊接板件采用的是冷轧低碳钢板（厚0.8～1mm），钎焊焊丝采用φ1.2mm的硅青铜合金焊丝（CuSi3）。
主要焊接工艺过程是：激光发生器发出的聚焦光束照射在焊丝表面上，使焊丝受热充分熔化形成高温金属熔体，熔体流入下面板件之间的缝中，在合适的激光加热条件下，熔体与板件间可以形成良好的冶金结合钎焊层，实现良好的连接，而板件本身则不会被激光的高温严重熔蚀损伤。工艺原理如图1所示。
图1 板件的激光钎焊
激光钎焊系统的组成
我公司采用的激光钎焊系统由主控PLC、激光焊接机器人、工装夹具、激监控系统、激光发生器、循环水冷却器和送丝机构等组成（见图2），其中主控PLC负责与激光焊接机器人、工装夹具之间的通信及协调配合及整个系统的安全保护，机器人则主控激光发生器、循环水冷却器、送丝机构之间的通信、协同工作。
图2 激光钎焊系统的组成
（1）主控PLC
本系统的主控PLC采用SIEMENS-S7-300，CPU为315-2DP。S7-300是模块化中小型PLC系统，它能满足中等性能要求的应用，特点是模块化，易于实现分布控制，易于用户掌握，当控制任务增加时可自由扩展。
（2）激光焊接机器人
该系统采用FANUC-M710i工业机器人，控制柜型号为R-J3Ib，采用了新一代的交流伺服电机和基于32位微处理器的智能控制器。内置sealingtools工具函数，可根据机械人的运行速度实时调节激光的功率和送丝速度。拥有RS232、ModelA/B、ProcessI/O及Profibus等通信接口。
（3）工装夹具
夹具系统由日本FUJI公司开发，通过主控PLC控制，具有足够的装配、焊接空间，不影响焊接操作和工艺质量观察，不妨碍焊件的装卸，具有较好的制造工艺性和较高的机械效率。定位元件和夹紧机构均选用通用化、标准化的零部件。激光焊接机器人及工装夹具见图3。
图3 激光焊接机器人及工装夹具
（4）激光发生器
采用德国TRUMPF公司的型号为HL3006D的Nd:YAG激光发生器（见图4），由YAG晶体工作物质、灯泵浦源和谐振腔组成，大输出功率为3kW，额定输入功率为98kW。在实际应用中，激光的能量一部分用于熔化焊丝，一部分用于预热工件，保证熔融的焊丝在母材上有较好的铺展性从而形成均匀美观的焊缝。
图4 激光发生器
（5）循环水冷却器
采用日本ORION的循环水冷却器，对激光发生器进行冷却。采用三循环冷却方式：工业循环水冷却纯净水、纯净水冷却纯水、纯水冷却激光发生器，保证激光发生器系统的温度控制在180℃左右。
（6）送丝机构
该机构作为激光机器人的从站，主要与激光机器人有三个数字量和一个模拟量的信号通信，分别位于送丝装置的CON5接口、CON7接口和CON2接口内。
工程应用
在激光焊接填丝的环节，厂家推荐的理论参数是焦点位于焊丝表面上方2mm处，使80%的光束照射在焊丝上，20％的光束照射于附近板件上，但实际的系统应用过程中却出现了一些问题，我们及时进行了调整和反复试验，终将激光的焦点定于工件上方12mm处，焊丝紧贴板件送入，工件上的光斑直径约为3mm，焊丝直径为1.2mm。由于光斑的直径约为3mm，钎料的铺展范围被约束在大约3mm的宽度。考虑到实际的焊接速度和焊缝需要敷熔钎料的填充量，合适的送丝速度匹配合适的激光功率和光斑直径是非常必要的。
综合生产实际情况，较大的功率可以配合较大送丝速度进行焊接，但较大的热输入会导致板件拐点出现严重的变形，影响A5系列车型行李箱盖外板的表面质量。在工件本身刚度较差的情况下只有通过减小热输入来控制工件的变形。较小的热输入量必然要配合较低的送丝速度，造成的后果是过少的敷熔钎料和不充分的板件预热，这样会直接导致焊缝的不完整和较差的成形。这一问题经过设备厂家和我公司技术人员多番调试，终于成功试验出一套合理的焊接参数，在焊丝与板件接触处钎料铺展充分，焊缝成形均匀且美观牢固，满足了终的外观质量要求。不同参数下的实际焊接效果如表所示。
表 不同参数下的实际焊接效果