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[摘 要]近些年来我国机械制造业发展迅速，所使用的轻合金铸件需求量日益增加。上世纪兴起的低压铸造工艺凭借其材料利用率高、易于自动化等特点得到了市场认可，发展成为当今使用最广泛的铸造工艺之一。这几年来我国的低压铸造技术有了很大的进步，但是仍存在一些问题。本文将对现有的低压铸造工艺中存在的关键问题进行系统性分析，并提出解决方案完善此工艺。
[关键词]低压铸造 液面加压系统 模糊 PID控制
中图分类号：TD327.3 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）26-011-01
一、低压铸造的发展历史及其工艺简介
英国人 E.F.LAKE 于 1910 年提出低压铸造工艺方案并申请了专利[1]；大约在 1917 年法国开始用低压的铸造方法生产铝合金铸件[2]；二战爆发后，此项技术开始被铸件制造商广泛使用至今。低压铸造作为一种介于压力铸造和重力铸造的特种铸造工艺，生产出的铸件具有质量高、轮廓清晰、力学性能高且工艺出品率高等特点。低压铸造法的工作原理是将干燥、洁净的压缩空气或者惰性气体鼓入装有金属熔液的密闭保温炉中，使金属熔液在气体压力的作用下自下而上沿着升液管上升填充满模具型腔，然后增压保压至铸件完全凝固，最后排出气体泄压，使升液管上附着的金属熔液回流至保温炉中，开型取出所需铸件。这种铸造工艺仍属于压力铸造的范畴，但由于在整个铸造过程中使用的是低压，因此被称为低压铸造。
简单说来低压铸造工艺可分为升液、充型、加压、保压、卸压、冷却六个过程，主要控制参数有温度、时间、压力。其中控制着压力和时间的液面加压系统最为关键，关系到铸件产品的质量和合格率。低压铸造液面加压系统的研究日益受到人们的关注，近些年可以自动调节的液面加压系统也被设计出来了。设计加压控制系统时必须考虑到低压铸造模型的不确定性、非线性和时变性，这样才能有效的实现系统控制和保证系统所需的性能指标。
二、低压铸造液面加压系统中存在的问题
低压铸造的液面加压控制系统是低压铸造技术的核心，其性能的好坏决定着金属溶液在升液管和型腔中的流动是否稳定，而金属溶液充填速率是否合适直接决定着铸件的质量。由于模具型腔断面变化、气体泄漏、保温炉中的金属液面下降以及调节阀的非线性，使的低压铸造液面加压系统的模型具有不确定性、时变性和非线性。
目前我国的低压铸造液面加压控制系统在实际生产中存在的问题主要有以下几个方面：
（1）液面自动补偿问题。低压铸造在产品生产过程中保温炉中的液面会不断降低，这就要求液面压力控制系统能够自动地进行液面补偿，这样才能准确地维持原工艺参数不变。
（2）压力自动补偿问题。铸件生产的供气压力随着负荷的变化经常在0.3～0.9 MPa之间波动，这就要求液面压力控制系统对这个波动能自动进行补偿，从而维持合理的加压工艺参数不变。
（3）保温炉气体泄漏问题。保温炉内添加金属溶液后很难保证其密闭性，加上其在高温状态下长期工作容易导致热膨胀及高温烧损等损坏，保温炉的密闭性不容易保障，这就要求液面压力控制系统必须对随机分布的泄漏进行自动补偿。
（4）模具型腔水平截面积变化问题。在铸造零件的过程中模具型腔的水平截面积是变化的，不利于零件塑性。这就要求控制系统能自动补偿，保证预定的合理加压工艺曲线不变。
（5）铸件补缩问题。在铸件过程中升液管与铸件的相连部位温度较低，容易造成升液管管口冻结，不利于系统对铸件进行补缩。
（6）保压问题。系统在保压压力跃升的开始时刻会对铸件致密度有着重要的影响，需在模具型腔内设置电触点以给出精确的保压压力。但由于电触点安装繁琐、难维护、可操作性太差等缺点，多数厂商在进行大批量生产时都不愿意使用它。
三、解决方案
低压铸造液面加压系统重点在于保温炉内压力的控制，目的是保证保温炉内气体的压力增大的速率与设定的生产工艺所需的参数一致。我们通过采用可编程序控制系统（PLC控制系统）来控制系统的输入、输出分析，并在控制器内使用模糊PID控制（PID 和模糊 Fuzzy 化控制算法结合）策略模拟人工控制系统，确保压力跟踪曲线与设定的工艺设计曲线良好重合。
PLC是以微处理器为核心，结合了计算机技术、通信技术和自动控制技术发展起来的一种工业自动控制装置，具有可靠性高、功能强、体积小、程序设计简单、灵活通用、维护方便等优点。其工作原理是测量反馈传感器检测保温炉内压力变化，并将检测的数值与设定的参数进行比较，再将二者比较的差值输入到控制器得到调整值，由调整值来控制执行机构，从而达到对被控对象的控制。
操作人员通过触摸屏设定相关参数，设定值通过电缆传输到下位机 PLC 中。可编程序控制系统根据操作人员设定的充型速度、加压速度和卸压速度，以及来自 A/D 模块所采集到的压力传感器输出的信号，计算出实际铸造中的加压速度，由控制算法的控制程序给出阀门开度并跟踪设定加压速度。可编程序控制系统是根据人机界面的指令动作来控制阀门的开度，通过D/A 模块转换后将控制指令发送给信号比例放大板，信号放大板输出的电压来控制阀的开度，干燥洁净的压缩空气通过电磁阀的控制供给保温炉。实际速度和设定速度的曲线将在触摸屏上显示出来。
模糊 PID 复合控制策略是模糊 Fuzzy 技术与常规PID 控制算法的结合，拥有达到较高的控制精度。当温度偏差比较大时，采用模糊PID控制的动态性能好、响应速度快；如果温度偏差比较小时，采用模糊PID 控制能满足系统控制的精度、静态性能好，因此它比单个的 PID 调节器和单个模糊 Fuzzy 控制器在软件自动控制的算法上具有更好的控制性能。由于低压铸造过程的时变性、非线性导致无法使用一般數学方法对其过程进行精确建模，常规 PID 控制方法存在着严重不足，在软件控制中对 PID 算法进行模糊化处理能有效提高液面加压系统的压差控制精度。改进的PID控制算法模糊化是将对传统的 PID 控制算法的输出值的上限和下限进行合理限制，保证了执行机构能够在较小设定区间内完成流量调节，提高液面系统跟踪压差的动态质量。采用 PID 控制和模糊 Fuzzy 化控制算法结合，能在升液充填模具型腔这一阶段获得较高的压差控制精度，并且在金属溶液填充进入保压阶段时的压差超调量最小。
四、结束语
低压铸造铸件因其独特的铸件质量高、轮廓清晰、无气孔等优点备受厂商喜爱，应用前景广阔。液面加压控制系统作为低压铸造的核心部分，决定着低压铸造技术的先进水平。我国要提高铸件铸造能力重点在于提升液面加压控制系统的工作能力，解决铸造过程的不确定性、时变性和非线性。通过采用可编程序控制系统和模糊 PID 复合控制策略来模拟人工控制系统，使得实际参数与设定参数一致，排除外界干扰，从而达到工艺的完善。
（广东省高新区引导专项项目）
参考文献：
[1] Morinoto S. Development of low-pressure Die Casting Process for Improve Soundness of Aluminum Casting [J]. AFS Transaction，2002（1）86-90.
[2] Chandley，GD. Counter Gravity Casting of Aluminum in Investment and Sand Molds.Transactions of the American Foundrymen’s Society，Vol. 94，American Foundrymen ’s Society，Inc.，209 一 215，1986.
作者简介：
黄达机，男，华南理工大学毕业，工程师，研究领域：液力偶合器研发和制造。项目名称：2011年广东省高新技术产业开发区发展引导专项资金计划项目，项目编号：2011B010100036。
[关键词]低压铸造 液面加压系统 模糊 PID控制
中图分类号：TD327.3 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）26-011-01
一、低压铸造的发展历史及其工艺简介
英国人 E.F.LAKE 于 1910 年提出低压铸造工艺方案并申请了专利[1]；大约在 1917 年法国开始用低压的铸造方法生产铝合金铸件[2]；二战爆发后，此项技术开始被铸件制造商广泛使用至今。低压铸造作为一种介于压力铸造和重力铸造的特种铸造工艺，生产出的铸件具有质量高、轮廓清晰、力学性能高且工艺出品率高等特点。低压铸造法的工作原理是将干燥、洁净的压缩空气或者惰性气体鼓入装有金属熔液的密闭保温炉中，使金属熔液在气体压力的作用下自下而上沿着升液管上升填充满模具型腔，然后增压保压至铸件完全凝固，最后排出气体泄压，使升液管上附着的金属熔液回流至保温炉中，开型取出所需铸件。这种铸造工艺仍属于压力铸造的范畴，但由于在整个铸造过程中使用的是低压，因此被称为低压铸造。
简单说来低压铸造工艺可分为升液、充型、加压、保压、卸压、冷却六个过程，主要控制参数有温度、时间、压力。其中控制着压力和时间的液面加压系统最为关键，关系到铸件产品的质量和合格率。低压铸造液面加压系统的研究日益受到人们的关注，近些年可以自动调节的液面加压系统也被设计出来了。设计加压控制系统时必须考虑到低压铸造模型的不确定性、非线性和时变性，这样才能有效的实现系统控制和保证系统所需的性能指标。
二、低压铸造液面加压系统中存在的问题
低压铸造的液面加压控制系统是低压铸造技术的核心，其性能的好坏决定着金属溶液在升液管和型腔中的流动是否稳定，而金属溶液充填速率是否合适直接决定着铸件的质量。由于模具型腔断面变化、气体泄漏、保温炉中的金属液面下降以及调节阀的非线性，使的低压铸造液面加压系统的模型具有不确定性、时变性和非线性。
目前我国的低压铸造液面加压控制系统在实际生产中存在的问题主要有以下几个方面：
（1）液面自动补偿问题。低压铸造在产品生产过程中保温炉中的液面会不断降低，这就要求液面压力控制系统能够自动地进行液面补偿，这样才能准确地维持原工艺参数不变。
（2）压力自动补偿问题。铸件生产的供气压力随着负荷的变化经常在0.3～0.9 MPa之间波动，这就要求液面压力控制系统对这个波动能自动进行补偿，从而维持合理的加压工艺参数不变。
（3）保温炉气体泄漏问题。保温炉内添加金属溶液后很难保证其密闭性，加上其在高温状态下长期工作容易导致热膨胀及高温烧损等损坏，保温炉的密闭性不容易保障，这就要求液面压力控制系统必须对随机分布的泄漏进行自动补偿。
（4）模具型腔水平截面积变化问题。在铸造零件的过程中模具型腔的水平截面积是变化的，不利于零件塑性。这就要求控制系统能自动补偿，保证预定的合理加压工艺曲线不变。
（5）铸件补缩问题。在铸件过程中升液管与铸件的相连部位温度较低，容易造成升液管管口冻结，不利于系统对铸件进行补缩。
（6）保压问题。系统在保压压力跃升的开始时刻会对铸件致密度有着重要的影响，需在模具型腔内设置电触点以给出精确的保压压力。但由于电触点安装繁琐、难维护、可操作性太差等缺点，多数厂商在进行大批量生产时都不愿意使用它。
三、解决方案
低压铸造液面加压系统重点在于保温炉内压力的控制，目的是保证保温炉内气体的压力增大的速率与设定的生产工艺所需的参数一致。我们通过采用可编程序控制系统（PLC控制系统）来控制系统的输入、输出分析，并在控制器内使用模糊PID控制（PID 和模糊 Fuzzy 化控制算法结合）策略模拟人工控制系统，确保压力跟踪曲线与设定的工艺设计曲线良好重合。
PLC是以微处理器为核心，结合了计算机技术、通信技术和自动控制技术发展起来的一种工业自动控制装置，具有可靠性高、功能强、体积小、程序设计简单、灵活通用、维护方便等优点。其工作原理是测量反馈传感器检测保温炉内压力变化，并将检测的数值与设定的参数进行比较，再将二者比较的差值输入到控制器得到调整值，由调整值来控制执行机构，从而达到对被控对象的控制。
操作人员通过触摸屏设定相关参数，设定值通过电缆传输到下位机 PLC 中。可编程序控制系统根据操作人员设定的充型速度、加压速度和卸压速度，以及来自 A/D 模块所采集到的压力传感器输出的信号，计算出实际铸造中的加压速度，由控制算法的控制程序给出阀门开度并跟踪设定加压速度。可编程序控制系统是根据人机界面的指令动作来控制阀门的开度，通过D/A 模块转换后将控制指令发送给信号比例放大板，信号放大板输出的电压来控制阀的开度，干燥洁净的压缩空气通过电磁阀的控制供给保温炉。实际速度和设定速度的曲线将在触摸屏上显示出来。
模糊 PID 复合控制策略是模糊 Fuzzy 技术与常规PID 控制算法的结合，拥有达到较高的控制精度。当温度偏差比较大时，采用模糊PID控制的动态性能好、响应速度快；如果温度偏差比较小时，采用模糊PID 控制能满足系统控制的精度、静态性能好，因此它比单个的 PID 调节器和单个模糊 Fuzzy 控制器在软件自动控制的算法上具有更好的控制性能。由于低压铸造过程的时变性、非线性导致无法使用一般數学方法对其过程进行精确建模，常规 PID 控制方法存在着严重不足，在软件控制中对 PID 算法进行模糊化处理能有效提高液面加压系统的压差控制精度。改进的PID控制算法模糊化是将对传统的 PID 控制算法的输出值的上限和下限进行合理限制，保证了执行机构能够在较小设定区间内完成流量调节，提高液面系统跟踪压差的动态质量。采用 PID 控制和模糊 Fuzzy 化控制算法结合，能在升液充填模具型腔这一阶段获得较高的压差控制精度，并且在金属溶液填充进入保压阶段时的压差超调量最小。
四、结束语
低压铸造铸件因其独特的铸件质量高、轮廓清晰、无气孔等优点备受厂商喜爱，应用前景广阔。液面加压控制系统作为低压铸造的核心部分，决定着低压铸造技术的先进水平。我国要提高铸件铸造能力重点在于提升液面加压控制系统的工作能力，解决铸造过程的不确定性、时变性和非线性。通过采用可编程序控制系统和模糊 PID 复合控制策略来模拟人工控制系统，使得实际参数与设定参数一致，排除外界干扰，从而达到工艺的完善。
（广东省高新区引导专项项目）
参考文献：
[1] Morinoto S. Development of low-pressure Die Casting Process for Improve Soundness of Aluminum Casting [J]. AFS Transaction，2002（1）86-90.
[2] Chandley，GD. Counter Gravity Casting of Aluminum in Investment and Sand Molds.Transactions of the American Foundrymen’s Society，Vol. 94，American Foundrymen ’s Society，Inc.，209 一 215，1986.
作者简介：
黄达机，男，华南理工大学毕业，工程师，研究领域：液力偶合器研发和制造。项目名称：2011年广东省高新技术产业开发区发展引导专项资金计划项目，项目编号：2011B010100036。