一种基于反重力铸造的熔体液位检测及充型速率反馈装置及方法

本发明涉及于反重力铸造的熔体液位检测，是一种基于反重力铸造的熔体液位检测及充型速率反馈装置及方法。

背景技术：

1、目前主流反重力铸造设备采用预设压力曲线的开环控制模式，缺乏熔体液位的原位实时检测手段，仅依靠压力数据间接估算充型速率，估算精度受熔体损耗、型腔结构、高温烟气干扰影响极大，无法真实反映型腔内部的实际充型流态。

2、反重力铸造依靠压差驱动金属液自下而上充型，充型速率直接决定铸件气孔、氧化夹杂、冷隔等缺陷生成概率，是精密铸件成形的核心控制参数。目前主流反重力铸造设备采用预设压力曲线开环控制，缺乏熔体液位实时检测手段，仅依靠压力数据间接估算充型速率，估算精度受熔体损耗、型腔结构、高温烟气干扰影响极大。

3、传统液位检测方案分为接触式与光学非接触式两类：接触式探针、浮球易被高温熔体腐蚀结渣，使用寿命短；红外、激光液位计受铸造现场蒸汽、烟尘遮挡，液面识别稳定性差，二者均无法连续获取升液管及坩埚内动态液位信号，难以实时输出瞬时充型速率。

4、针对上述问题，采用型腔预埋信号线的检测方式，利用金属液导电导通特性采集不同高度液位的充型时间，精准解算充型速率，可实现工艺闭环调控，有效弥补传统检测与控制技术的短板。

技术实现思路

1、本发明为了解决传统检测方式无法适配型腔高温烟尘工况、无法获取多段动态液位数据、充型速率反馈滞后失真的问题，实现反重力铸造充型全过程的精准监测与闭环调控，提升精密铸件的成形质量与批量生产一致性。本发明公开了一种基于反重力铸造的熔体液位检测及充型速率反馈装置及方法。

2、本发明提供了以下技术方案：

3、一种基于反重力铸造的熔体液位检测及充型速率反馈装置，所述装置包括：预埋信号采集组件、继电器信号转换组件、plc 数据处理组件和工控机与人机交互组件；

4、预埋信号采集组件埋设于铸型砂箱内部，包括一根公共 com 端信号线和多根独立检测信号线；多根独立检测信号线沿型腔竖直方向分层布置于不同高度的检测点位，对应型腔各段充型监测节点；所有信号线伸入型腔的长度处于铸件加工余量范围内；

5、继电器信号转换组件为与各独立检测信号线一一对应设置的多路继电器，每路继电器的输入回路分别连接对应独立检测信号线与公共com 端信号线；当金属液上升至对应检测点位时，独立检测信号线与公共com 端信号线通过金属液导通，触发对应继电器吸合，将液位物理变化信号转换为数字量开关信号；

6、plc 数据处理组件与继电器信号转换组件的输出端连接，用于以充型启动时刻为计时零点，实时采集各继电器的吸合触发时刻，记录不同液位高度对应的充型耗时，并基于内置的充型速率数值模型逐段解算各高度区间的瞬时充型速率；

7、工控机与人机交互组件通过通讯总线与 plc 数据处理组件双向连接，用于接收plc 上传的时序数据与速率数据，完成速率曲线拟合、误差计算与 pid 参数整定，生成调节指令回传至 plc，实现充型速率的闭环控制，同时完成工艺数据可视化展示、参数配置与数据存储管理。

8、一种基于反重力铸造的熔体液位检测及充型速率反馈装置与方法，所述方法是基于一种基于反重力铸造的熔体液位检测及充型速率反馈装置实现的，所述方法包括以下步骤：

9、步骤1：在铸型砂箱内沿型腔竖直方向分层布置公共 com 端信号线与多根独立检测信号线，确定各检测点位的高度参数，完成信号线与继电器输入回路的接线；

10、步骤2：反重力充型启动后，金属液沿型腔自下而上上升，当液面到达对应检测点位时，该点位的独立检测信号线与公共com 端信号线通过导电金属液瞬时导通；

11、步骤3：导通回路触发对应支路继电器吸合，将液位高度的物理变化信号转换为数字量开关信号并输出至 plc；

12、步骤4：plc 以充型启动时刻为计时零点，实时捕捉各继电器的触发时刻，记录各液位高度对应的充型耗时；基于充型速率数值模型，逐段计算各高度区间的瞬时充型速率，并将数据上传至工控机；

13、步骤5：工控机对离散速率数据进行拟合，生成全充型路径的实测速率曲线；同时根据预设工艺参数生成标准速率曲线，逐点对比计算速率误差与误差变化率；

14、步骤6：工控机根据速率误差与变化趋势动态整定 pid 参数，生成调节指令回传至 plc；plc 输出控制信号调节气控系统阀门的开度与动作频率，调整加压进气流量，实时修正充型速率，消除速率偏差；

15、步骤7：充型过程中实时监测工况异常，触发异常时执行报警与保护动作；单次充型周期结束后，自动归档整套工艺数据至工艺数据库。

16、优选地，设定型腔竖直方向相邻两根独立检测信号线的预设高度差为h，金属液到达相邻两检测点位的充型时间差为t，则对应高度区间的局部瞬时充型速率v 满足下式：

17、。

18、优选地，针对型腔全段多测点数据，plc依次采集各组相邻测点的高度与时间参数，逐段计算不同高度区间的局部充型速率，同时以液位高度h为横坐标、充型速率v为纵坐标，对多组离散速率数据进行多项式拟合，构建h-v动态数值模型，生成完整的充型速率连续变化曲线，并实时传输至人机交互界面完成可视化展示，复现充型全过程不同位置的速率波动规律与流态稳定性特征。

19、优选地，工控机实时接收plc上传的全部预埋测点h1、h2...~h12的触发时间t1、t2…t12分段充型耗时δt、分段瞬时充型速率、型腔分段容积等原始数据，完成时序数据缓存、降噪预处理，剔除现场电磁干扰造成的异常跳点，保证液位时序数据真实有效。

20、优选地，基于12个或更多分层液位测点的离散高度-速率离散数据，通过插值算法平滑拟合，生成全充型连续实测速率曲线，完整还原从升液管浇道、铸件主体到顶部冒口全程金属液流速变化趋势；

21、给定标准速率曲线，在人机界面输入各充型区间目标流速、分段工艺参数后，工控机根据型腔结构参数自动拟合出预设标准充型速率曲线，直观划分浇道段、铸件本体段、冒口段三段标准流速区间。

22、优选地，工控机逐时刻、分段对比实测曲线与标准曲线，计算每一充型高度对应的速率差值，同时采集误差变化率；

23、根据误差大小、误差变化趋势分层动态整定 pid 控制参数，生成实时调节指令回传给 plc；

24、plc 接收指令后输出控制信号调节气控系统阀门，动态调整阀门响应延时、启闭动作速度、开关频率，改变加压进气流量，以此修正金属液上升速度，消除速率偏差，实现自适应闭环控制。

25、优选地，工控机内置工艺阈值保护逻辑，当实测速率与标准曲线偏差超过设定阈值、液位长时间未到达下一测点、充型超时等异常工况出现时，立即生成故障报警信号同步推送至人机界面，同时向 plc 下发减速或停机保护指令。

26、一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行，以用于实现一种基于反重力铸造的熔体液位检测及充型速率反馈方法。

27、一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现一种基于反重力铸造的熔体液位检测及充型速率反馈方法。

28、本发明具有以下有益效果：

29、本发明沿升液管、浇道、铸件本体、冒口的完整充型路径分层布置检测点位，可捕捉不同区域的差异化充型状态，解决传统单点检测无法获取多段动态液位数据的缺陷，真实反映型腔各位置的实际充型流态。

30、本发明利用金属液自身导电特性实现液位触发，无需光学传感组件，利用金属液导电的特性，使信号线两侧导通至继电器，回传导通数量信号给到plc读取。本发明通过继电器组实现电气隔离，隔绝高温烟尘与电磁干扰，避免信号失真与误触发，可长期稳定运行于铸造恶劣工况。

31、本发明采用 plc 高速时序采集结合工控机双曲线 pid 闭环控制架构，可快速响应速率偏差，动态调整加压参数，消除充型速率反馈滞后问题，有效抑制卷气、冷隔、充型不足等铸造缺陷。

32、本发明全流程工艺数据自动归档形成知识库，同类型铸件可直接调取历史最优工艺参数，大幅缩短新工艺调试周期，持续提升批量生产的铸件一致性。