自动浇铸控制方法研究
自动浇铸控制方法研究
1 设计目的
目前，在水泥生产中要使用大量的柱形铸铁，这种铸铁形状简单，对制造精度要求低，它的作用仅仅是与石块一起滚动摩擦，最终随着铸铁件的磨损，石块变成粉末状，形成水泥。因此，其使用量很大，但目前国内的绝大多数生产企业还是使用人工浇铸的方式进行生产，因此可以说，由于这种落后的生产方式，降低了生产效率，占用了部分的劳动力资源，一定程度上影响了企业的利润。为了改变这一现状，特设计此自动浇铸装置，实现生产的全自动化，提高生产效率，从而优化了劳动力资源，增加企业的利润。
2 设计内容
如图⑴所示，本装置是通过对塞棒的实时控制，来控制钢水的定量流出，从而实现钢水在砂模中冷却成型的。本论文主要阐述实现这种机构按规定方式动作的控制方法的设计过程。
装置自动控制过程详述：
当工人启动浇铸生产开关，步进电动机受到单片机发出的控制脉冲驱动，先以一定的速度正转一定的角度，通过螺母丝杠传动将塞棒由初始位置提升至如图中的位置Ⅰ（注：塞棒的初始位置是在浇杯的最底部，挡住浇口），此时钢水开始流出，注入砂模，在这个过程中，浇杯内的液位缓缓发生变化，浇杯内液位的变化影响着钢水从浇杯内流出的速度，
图 ⑴ 自动浇铸装置系统平面图
图中：1.步进电动机 2.联轴器 3.传动丝杠 4.螺母 5.悬架 6.塞棒 7.浇杯 8.砂模
即每秒钟的流量（后有具体的数据），砂模内的钢水液位也逐渐升高，为了实现在钢水完全被塞棒挡住不能流出时，砂模刚好注满，特在砂模正上方设一涡流传感器，在浇杯上方设一微波传感器，这两个传感器输出的电信号（电压）都随着液位的变化而变化（浇杯内液位下降，微波传感器输出电压升高;砂模内液位上升，涡流传感器输出电压降低。二者均呈线性变化），将两个电压信号经过一累加器处理，输出一电压信号，当此电压信号达到一定数值（此数值为稳定值，表明在此时使塞棒下降，当塞棒完全挡住浇口时，砂模正好注满）时，将会向单片机发出中断请求，中断服务程序控制步进电机拖动塞棒下降，挡住浇口，浇铸完成。在悬架下方设一位置开关1，当塞棒下降至初始位置时，该位置开关动作，控制传送装置将下一个砂模传送至浇口下方。在浇口下方的传送带位置设有位置开关2，当砂模到位时，使位置开关2动作，向单片机发出复位信号，单片机又重新开始工作，开始第二轮的浇铸生产。至此一个完整的循环浇铸过程就完成了。
3 自控装置的结构选择
3.1 动力源的选择
很明显，此装置很类似数控系统中的点到点的位置控制，由于装置对位置的控制精度要求很低，所以为减少设计周期，降低成本，采用开环位置伺服系统，亦叫步进式伺服系统，其驱动元件为步进电动机。
步进电动机是一种用电脉冲信号进行控制，并将电脉冲信号转换成相应的角位移的执行器，其角位移量与电脉冲数成正比，其转速与电脉冲频率成正比，通过改变脉冲频率就可以调节电动机的转速。这种步进电动机系统结构简单、成本低廉、控制精度高，广泛应用于小型机床的位置控制中。因此，在此装置选用步进电动机作为动力源非常合适。由于步进电动机的类型及其工作方式直接影响到其控制方式、控制精度及用单片机控制其运动的程序编制问题，所以在此必须对电动机的类型及其工作方式做出进一步的选择。
步进电动机可分为变磁组式（亦称为反应式）（VR型）、永磁式（PM型）和混合式（HB型）三种,我们就选比较常用的反应式步进电动机。反应式步进电动机至少要有三相以上，否则不能形成启动力矩，而且在实际使用中，单三拍的通电方式由于在切换时一相绕组断电而另一相绕组开始通电容易造成失步，此外，由单一绕组通电吸引转子，也容易使转子在平衡位置附近产生震荡，运行的稳定性较差，所以很少采用。因此我们选用比较简单的三相双三拍的反应式步进电动机。
由于步进电动机不同于普通的电动机，需要专门的驱动电源，否则就不能正常工作。
步进电动机的驱动电源完成以下功能：
①按一定的顺序和频率接通或断开励磁绕组，以控制步进电动机的启动，反转或停止。
②提供足够的电功率，实现机电能量的转换。
③保证步进电动机运行的快速性和平稳性。
步进电动机的驱动电源主要有环形分配器和功率放大电路组成。如图⑵所示，但我们的设计不需要将它设计出来，因为它可由厂商直接在提供电动机的时候按要求配置。
图⑵ 步进电动机驱动电源构成
3.2 脉冲发生装置的选择
由于动力源——步进电动机仅仅需要的是有一定规则的脉冲序列，因此，要想控制步进电动机的运转必须选择一个适当的脉冲发生器。
我们选用的这个脉冲发生装置需要具有下列功能：
⑴能将控制信号准确地传送给步进电动机驱动电源。
⑵能按步进电机的工作方式产生相应的控制信号，这些控制信号可由计算机产生，并经接口电路送给步进电机。
⑶能够实现升降速控制。
⑷能实现电压隔离。因为微机及其外围芯片一般工作在+5V的弱电条件下，而步进电机驱动器电源是采用几十伏至上百伏强电压供电，如果不采取隔离措施，强电部分会耦合到弱电部分，造成CPU及其外围芯片的损坏。常用的隔离元件光耦合器，可以隔离上千伏的电压。
⑸应有足够的驱动能力，以驱动功率晶体管的通断。双极性功率晶体管和晶闸管都是电流控制型器件，因此，其驱动部分必须提供足够大的驱动电流。微机和一般的逻辑部件带载能力都比较弱，所以接口部分必须有电流放大电路，电流放大可采用晶体管及脉冲变压器来完成。
(6)能根据不同形式的驱动电源提供各种所需的控制信号。
根据以上的功能要求，切合本装置的特点，故选用可编程的单片机控制器，单片机控制步进电机拖动的开环系统具有价廉，技术成熟等优点，因而使用较多。虽然这种系统还存在拖动力矩偏小，过载能力差，速度偏低，精度不够高及其价格随力矩增加成指数上升等缺点，但介于本自控装置对以上的几条要求都甚低，故而可选用。目前可编程的单片机，使用比较广泛的是MCS-51系列的单片机。
MCS-51系列单片机的典型产品为8051，8751，8031。它们的基本组成和基本性能都是相同的。常用的MCS-51这个术语泛指以8051为内核的单片机。8051是ROM单片机，内部有4KB的掩膜ROM,即单片机出厂时，程序已由生产厂家固化在程序存储器中；8751片内含有4KB的EPROM.，用户可以把编写好的程序用开发机或编程器写入其中，需要修改时，可以先用紫外线擦除器擦除，然后再写入新的程序；8031片内没有ROM，使用时需在片外接EPROM。除此之外，8051，8751，8031的内部结构是完全相同的，都具有以下特性：
⑴面向控制的8位CPU；
⑵128B的片内数据存储器；
⑶可以寻址64KB的片外程序存储器；
⑷可以寻址64KB的片外数据存储器；
⑸32根双向和可单独寻址的I/O线；
(6)一个双全工的异步串行口；
⑺两个16位定时/计数器；
⑻5个中断源，两个中断优先级；
⑼有片内时钟振荡器；
⑽采用高性能的HMOS生产工艺生产；
⑾有布尔处理（位操作）能力；
⑿含基本指令111条，其中单机器周期指令64种。
此装置应使用可编程的单片机，因为本装置需要的程序直接影响到钢水的流量，又由于钢水的粘稠度、温度和浇杯的影响，程序不可能是固定的，需要在实际的生产中进行调试才能最终确定，以实现生产的要求。为了简化控制电路，我们可以选用8751单片机。
如图（3）所示为MCS-51单片机的内部结构，它由8个部件组成，即中央处理器（CPU），片内数据存储器（RAM），片内程序存储器（ROM/EPROM），输入输出接口(I/O口，分为P0口、P1口、P2口和P3口)。可编程串行口，定时/计数器，中断系统及特殊功能寄存器（SFR）。各部分通过内部总线相连。其基本结构依然是通用CPU加上外围芯片的结构模式，但在功能单元的控制上，却采用了特殊功能寄存器（SFR）的集中控制方法。
至于所选单片机如何接线以实现控制，将会在后面的设计环节详细说明，这里先不介绍。
3.3 监测装置的选择
如下，为控制方案提出后所选机构及相关量的数据：
步进电机参数：
塞棒移动速度：12cm/s
塞棒最大移动距离：5cm
丝杠导程：6mm/r
脉冲当量：1mm
铸件体积：V=282.6cm3
浇杯液位最高：40cm
如图（4）为塞棒及浇口结构示意图：
由于塞棒在下降5cm高度的过程中经过两个阶段，先降3cm，此过程钢水按浇口直径为12mm的圆形，面积为S1=36∏(mm2)算,此过程钢水流出的体积设为V1;第二个就是与浇口吻合的2cm过程，此过程钢水按浇口为外圆为14mm，内圆为12mm的环形（即取平均值），面积为13∏(mm2)算，此过程钢水流出的体积设为V2。根据公式：
Q=0.6×S×7.2×103×√2gH+0.56 （kg/s）
及钢水密度7.2g/cm3,就可求出不同浇口面积S和浇杯内液面高度H求出塞棒回降5cm至初始位置过程中总共要流出的钢水量V(cm3)，如下表所示：
以图表的形式表示为：
如前所述，钢水的流量受到钢水的粘稠度、温度和浇杯容量的影响，所以无法以定时的方式进行控制，必须进行实时控制，而能直接反映当前浇铸状态的量就是砂模及浇杯内钢水的液位，只有实现对液位的准确及时控制才能浇铸出合格的铸件产品。因此，必须在适当的位置选用合适的传感器，以能及时地反馈信息给脉冲发生装置，这也正是实现自动控制的一大关键，这一环节控制的准确性直接影响到自动控制过程的实现与否。
综合所有种类的传感器装置，能实现液位控制的有很多种，比较典型的像，超声波传感器，微波传感器，热电阻传感器，热电偶传感器，光纤传感器，电涡流传感器，浮力计传感器等等。
3.3.1 砂模内钢水液位的监测
以上传感器虽然都能实现液位的控制，但使用上受到空间、温度、状态等因素的影响。①本装置要生产的铸件体积极小，为底面直径60mm，高100mm的柱形零件，所以选用的砂模也相当小，也就是说液面的宽度很窄；②所测液位是在砂模内，传感器使用空间受限；③液体为温度很高的钢水，温度可达1300度以上；④被测对象是粘稠度较大的金属。综合以上所有的因素，最后决定选电涡流传感器检测砂模内钢水的液位。
电涡流传感器是基于电涡流效应原理制成的传感器。电涡流传感器不但具有测量范围大，灵敏度高，抗干扰能力强，不受油污等介质的影响，结构简单，安装方便等特点，而且还具有非接触测量的优点。它的适用对象仅是金属。
电涡流传感器所使用的涡流效应是指，将金属导体置于变化着的磁场中，导体内就会产生感应电流，这种电流像水中的漩涡那样在导体中转圈，所以称之为电涡流或涡流。这种效应就称为涡流效应。
其工作原理如图（5）所示，如果把一个半径为r的线圈置于一块电阻率为ρ，磁导率为μ，厚度为h，温度为T的金属板附近，当线圈中通以正弦交流电流时，线圈的周围空间就产生了正弦交变磁场H1，处
于此交变磁场中的金属导体内就会产生涡流，此涡流也将产生交变磁场H2，H2的方向与H1的方向相反，由于交变磁场H2的作用，涡流要消耗一
图（5） 涡流传感器原理图 图（6） 输出电压U与位移X间的关系
部分能量，从而使产生磁场的线圈阻抗发生变化，相应的输出电压也会发生变化。据此原理制成传感器后，就会在输出端输出随距离x变化的电压信号，他们的关系如图（6）所示。由于它们的关系是线性的，那么每输出一个电压值就对应着砂模内钢水的液位，对电压进行监测就相当于对液位进行监测。
目前生产的变间隙型电涡流传感器，其量程范围可以从300μm到80mm，一般分辨率为满量程的0.1%。介于对砂模尺寸的考虑，我们选用型号为CZF1涡流传感器，选最大量程80mm,其结构图如图（7）。
图（7） CZF1型涡流传感器的结构图
图中：1—线圈 2—框架 3—框架衬套 4—支架 5—电缆 6—插头
3.3.2 浇杯内钢水液位的监测
浇杯的体积较大，我们可以选用微波传感器。微波是电磁辐射的一种形式，在电磁波频谱中微波介于无线电波和红外线之间，频率为300MHZ到300GHZ，相应波长1mm到1m，它以波的形式向四周辐射，碰到物体就会反射回来。
微波传感器的基本原理是根据微波反射、透射、散射、干涉等物理特性的改变以及被测材料的电磁特性（介电常数和损耗角正切）的相对变化，通过微波基本参数变化的测量，实现对非电量的转换。它具有以下优点：①可进行非接触式的连续测量；②微波的相干性好，测量的精度和分辨率高；③微波的输出量是电量，无需转换，易于实现监测和校准的自动化；④这种检测法在白天黑夜均可进行，且能穿透云雾；⑤跟射线相比，它对人体的影响较小，较为安全。主要性能：测量范围为1.0×10-2～1.0m,精度为2%。
浇杯的液位最大为400mm，在其量程范围内，所以适用。当微波传感器不断接收到变化的液位高度，就会转换成与其对应的电压信号，由于这种电压的变化同液位变化也呈线性关系（如上文流量图表所示），而又如图（6）所示的电涡流传感器输出电压的特性曲线图，两者的线性特性对实现将液位的连续变化转化为连续变化的电压信号非常重要，这两个电压信号经过累加器相加，得到一电压值，此电压值由于是有以上两个线性变化电压值的代数和，且一个递减，一个递增，因此，当此电压和达到某值时，是塞棒动作，从而砂模正好注满。此电压值维持在一个较小的范围内，由于两个传感器反应灵敏、速度快，时间是微秒级的，而在此时间内钢水流出的体积可以忽略，故可大致认为此值是一恒定值，这个恒定值也就相当于铸件的体积。通俗的说，就是，当浇杯内液位在一个较高的位置时，钢水流量大，涡流传感器就在砂模内液位较低时作用；相反，当浇杯内液位在一个较低的位置时，钢水流量小，涡流传感器就在砂模内液位较高时作用。这样的一种互补性质就实现了对浇铸量的实时而准确的控制。
3.3.3 其它控制元件的选择
如图（1）中所示，当塞棒还没有完全下降至初始位置挡住浇口之前，当前的砂模必须一直停在浇杯的正下方，因此，为了使浇铸的节拍紧凑，提高效率，在塞棒下方适当位置设一位置开关1，当塞棒下降至初始位置时，此开关动作，并向传送平台的传送装置发出控制信号，将下一个砂模传送到浇口下面。在此过程中，单片机一直处于待机状态，必须有一个复位信号才能使其重新工作。则可在浇口下方适当位置设另一个位置开关2，当下一个砂模传送到浇口下面时，该位置开关动作，向单片机发出复位信号，单片机重新运行程序，开始控制步进电机进行新一轮的浇铸。
位置开关1比较简单，这里不再说明。位置开关2的工作原理如图（8）所示。当开关2动作时，它将RESET键按下，此时单片机就复位了，也将开始新一轮的浇铸生产。
4 自控装置的软硬件设计
4.1 所选电动机的控制
在前面硬件部分的选择中，我们选用了三相双三拍的反应式步进电动机，我们要实现对它的控制，就必须对它的运动特性进行分析。
(1) 三相双三拍的反应式步进电动机的工作方式：
A、B、C三相绕组的通电顺序如下式，括号表示一个循环。
正转：（AB→BC→CA）→AB→BC→…
反转：（AB→CA→BC）→AB→CA→…
按这种方式运行时，任一瞬间都是两相绕组处于通电状态，电流切换三次，磁场旋转一周，转子转过一个齿距角，电流切换一次，转子就转过一个步距角。
(2)三相双三拍分配器工作状态表（正转）：
(3)三相双三拍脉冲状态图（图示为正转的五个运动周期）
由于步进电动机每接受一个脉冲就前进一个步距角，由此可见，脉冲信号就是控制步进电动机的基本信号，所以步进电动机问题之一就是如何产生如上图所示的脉冲序列。
脉冲图中，每一相都有两个状态，高电平和低电平，又由三相双三拍的通电顺序及其分配器的工作状态表可知，上图所示步进电机共运动五个周期，也就是要旋转15个步距角，对应于塞棒也就产生相应的上下移动。而塞棒移动的速度如何，就决定于脉冲发出的频率，也就是如图中所示的高低电平持续的时间t。以A相为例，每当微机通过接口向A相输出这样的脉冲时，高电平使步进电机开始步进，但由于步进电机的“步进”需一定时间，所以送高电平后，需延时t秒，之后再输出低电平，以此按图中所示给A相输出脉冲，同理，也同时向B,C两相输出它们所需要的脉冲，步进电动机就会运动了。这些规则脉冲的输出就可以通过对单片机编程实现。
4.2 单片机与步进电机的连接及编程控制
4.2.1 单片机与步进电机的硬件连接
如下图（9）所示，为8751型号的单片机与步进电机的接口连接，仅使用到单片机的P1输出端口（单片机的具体结构图可见图（3）），而P1输出端共有八个输出口P1.0～P1.7,在与三相步进电机相连时，只使用P1.0～P1.2三个端口，通过环形分配器和功率放大器同时向A、B、C三相输出所需脉冲，让电机按要求旋转。
4.2.2 单片机与传感器的硬件连接
由图（1）所示，有两个传感器向累加器输出电压信号，然后经过电压信号处理，达到预定值时就会向单片机发出中断请求，单片机得到中断请求就会做出相应的中断响应，开始执行中断服务程序，控制步进电机执行预定的动作。
如下图（10）所示，为累加器及电压处理电路与传感器的连接示意图。由于传感器对液位的的监测是实时的，针对单片机就需要实施中断操作，即当累加器达到预定值时，就要向单片机输出中断信号，当单片机接收到此信号，就会执行指定程序实施中断操作，及时控制步进电机按要求运动，在这里就属于外中断事件。8751单片机有两个外中断源INT0和INT1,INT0是外部中断0请求，由P3.2脚输入，通过IT0(TCON.0)来决定是低电平有效还是负跳变有效，一旦输入信号有效，则向CPU申请中断，并建立IE0标志，我们只需要用INT0一个中断端口就行，然后将累加器及电压处理电路的信号输出端接至P3.2脚。
图（10） 中断信号接收路径
4.2.3 单片机编程
在编程之前首先要弄明白需要对塞棒进行控制的全过程。如下图（11）为塞棒运动过程示意图：
有了塞棒的运动流程，就要算出对应于电动机的旋转过程，塞棒的位移与步进电机旋转过的步距角相对应，它的转速与脉冲频率相对应。我们可以在这里规定：电机正转对应的是塞棒的上升运动，那么，电机反转就对应着塞棒的下降运动。假如，步进电机旋转一个步距角对应着塞棒上升或下降高度h,那么，上升或下降高度H需要电机正(反)转的步距角N=H/h。在前面我们已经有了机构参数：塞棒移动速度：12cm/s；塞棒最大移动距离：5cm；丝杠导程：6mm/r；脉冲当量：1mm。
根据上述原理及数据，可确定塞棒移动5 cm需要的脉冲数即步距角数为N=50/1=50（个）（为了编程方便，又不影响系统精度的情况下，计为51个脉冲，即电机旋转周期数为：51/3=17），脉冲频率为f=120HZ，则高低电平延时时间为t=1/f=8333μs。这样就确定了需要编制的主程序。如图（12）所示，为三相双三拍驱动程序流程框图。
图（12） 三相双三拍驱动程序流程框图
步进电机驱动程序（未初始化）如下：
MOV A , #11H ;周期数17送A
LP1: MOV P1, #03H ;正转第一拍，AB通电
ACALL YANS ；延时8333μs
MOV P1, #06H ；正转第二拍，BC通电
ACALL YANS
MOV P1, #05H ；正转第三拍，CA通电
ACALL DL
DEC A
JNZ LP1 ;周期数不够则返回到LP1，否则继续
CHI： CLR EA ；开中断，保护现场
PUSH ACC
PUSH PSW
SETB EA
HERE: SJMP HERE ；循环，等待中断
END ；程序结束
INTR: ORG 000BH ；中断服务程序
AJMP INTR ；等待响应，跳转INTR
ORG 70H
MOV A , #11H ;周期数17送A
LP2： MOV P1, #03H ;反转第一拍，AB通电
ACALL YANS ；延时8333μs
MOV P1, #05H ；反转第二拍，CA通电
ACALL YANS
MOV P1, #06H ；正转第三拍，BC通电
ACALL YANS
DEC A
JNZ LP2 ;周期数不够则返回到LP2，否则继续
CLR EA
POP PSW
POP ACC
SETB EA
RETI ;返回中断现场
YANS: MOV R0 ，#FFH ;延时8333μs，电机频率为120HZ
MOV R1 ，#E3H
DL1： DEC R0
JNZ DL1
DL2： DEC R1
JNZ DL2
RET
5 设计总结
连铸机已广泛应用于国内外钢铁冶金行业，我国的连铸比已超过90%，在研究连铸技术领域中，控制技术在连铸机的应用研究最为活跃。但我国在水泥生产中所使用的滚磨铸铁件的生产仍以手工浇铸为主，生产效率极低。自动浇铸控制技术的应用会一定程度上提高生产效率，减少劳动力的投入，提高资源利用率，节约生产成本，并改善工人的生产条件，是走向生产自动化、绿色化的必然过程。本论文结合浇铸相关知识，运用现代检测技术及自动控制理论，合理规划和设计浇铸机构结构和自动控制系统。按照“国内外自动浇铸装置资料收集→结合设计目的选择经济、简单、合理的方案→构思设计思路→所需机构及自控电气元件的选择→详细分析和设计每个环节→结合实际数据合理化所设计的自控装置及控制方案”的技术路线进行论述。
※ ※ ※ ※ ※
致 谢
在学生的这次设计中，孙新老师、苗满香老师、王义琴老师、王燕芳老师、马鹏阁老师在百忙之中为学生指点迷津、解疑答难，才使学生顺利完成毕业设计，特在此表示衷心的感谢。
此致
敬礼
参考文献
[1] 传感器与检测技术 宋文绪 杨帆 主编 高等教育出版社
[2] 现代检测技术 周杏鹏 仇国富 王寿荣 编著 高等教育出版社
[3] 机床电器自动控制（修订版） 刘金琪 主编 哈尔滨工业大学出版社
[4] 机床电器自动控制（修订本） 陈远龄 主编 重庆大学出版社
[5] 应用先进控制技术 高东杰 谭杰 林红泉 编著 国防工业出版社
[6] 机器人设计与控制 [美]丹尼斯.克拉克 等著 科学出版社
[7] 单片机原理及应用教程 徐煜明 韩雁 主编 电子工业出版社
[8] 单片机原理及接口技术 梅丽凤 王艳秋 张军 编著 清华大学出版社
[9] 单片机实验与实践教程 万光毅 严义 编著 北京航空航天大学出版社
[10] 现代数控机床伺服及检测技术 白恩远 主编 国防工业出版社
自动浇铸控制方法研究.doc
