一种砂铁比在线计算系统和方法与流程

1.本发明用于铸造行业砂铁比在线计算，尤其涉及铸件砂铁比的在线计算。


背景技术：

2.铸造行业多品种、小批量铸件生产，常采用铸件尺寸精度高、表面光洁度好、旧砂回用率高等特点的冷硬树脂砂工艺。相对粘土砂工艺而言，冷硬树脂砂工艺中的树指和固化剂单位成本比较高。因此树脂砂工艺的推广与使用，除需降低树脂和固化剂的配比、提高旧砂回收率外，还应严格控制好砂铁比(砂铁比(s/m)，砂铁比是指同一铸型中型砂的总质量(s)与铸件和浇冒口的总质量(m)的比值)。
3.在高砂铁比铸造中，再生砂灼减量高，回用时型砂的发气量大，铸件易产生气孔缺陷，影响产品质量。其中，灼减量是对原砂或型砂在高温灼烧时失重的度量，其中砂铁比是决定性的影响因素。一般需经过10次以上反复使用和再生，旧砂灼减量才相对稳定。
4.砂铁比的大小还直接影响旧砂和再生砂的平均温度，影响使用固化剂的种类和加入量。砂铁比越低，旧砂的平均砂温越高。在确保连续生产节拍前提下，通过砂温调节装置将混砂温度控制在20-30℃。
5.此外，砂铁比的高低，直接影响冷硬树脂砂的透气性、固透性、脱膜时间和硬化时间。砂铁比过大，将会延长铸件的保温开箱时间，增加落砂、清理及重复再生的工作量，加大生产成本，降低生产效率。但考虑到浇注生产安全，及铸造工艺的铸型要求，砂铁比也不能太小。
6.现场实际生产与管理过程中，因用砂量统计相对滞后，即每生产批次或一混砂批次完毕后，才能根据铸件进行均摊，甚至按月、季均摊计算砂铁比。加之混砂操作节拍相对紧凑，在多品种小批量生产情况下，操作工人无暇顾及每一组箱(如上箱和下箱)甚至每一批次的用砂量。对于每一组箱砂铁比计量的精细统计与管控需求，事后统计均摊的方式不能满足，因缺乏一一对应的数据支撑，多品种小批量铸件生产工艺的改进与跟进，也就相对粗犷或费时较长。
7.另一方面，大多数铸造厂现用混砂设备，人工于现场操作遥控器、触摸屏或按扭进行下砂，下砂口所处位置由大臂与小臂的综合旋转角度而定。因成本预算及策划前期未兼顾系统集成与精细管控要求，混砂设备大臂与小臂转动关节处并未安装编码器，且追加不便；另外，下砂操作在不同工位间中断或轮换，在机械震实后，局部仍需人工平整与捣实，人员上下下砂工位不可避免，且人员个数不定，因此下砂工位采用增加称重传感器，进行作差计算下砂量的方式，从综合性价比及操作便宜性角度考虑，亦不可取。


技术实现要素：

8.基于此，有必要针对现有技术中砂铁比无法在线测量的的技术问题，提出一种砂铁比在线计算系统和方法。
9.为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：
10.一种砂铁比在线计算系统，包括：混砂机、若干个下砂工位及处理器；
11.所述混砂机包括下砂口；
12.各所述下砂工位设有计时器和砂箱；
13.所述下砂口位于所述下砂工位的上方；
14.所述处理器建立坐标系并获取所述下砂口的坐标和各所述下砂工位的坐标边界；
15.所述处理器判断所述下砂口的坐标在某个所述下砂工位的坐标边界内时，所述处理器控制所述下砂口开始下砂，所述计时器累计下砂时间；
16.所述处理器根据所述下砂时间与下砂速度的乘积得到当前砂箱的下砂质量；所述处理器根据所述下砂质量与铸件质量的比值得到砂铁比。
17.进一步地，所述混砂机还包括多关节旋转臂、角度测量单元，所述角度测量单元设置在各关节处，所述下砂口设置在最后一节旋转臂的末端；所述角度测量单元用于检测各所述旋转臂的旋转角度并向所述处理器反馈所述旋转角度；所述处理器根据所述旋转角度计算所述下砂口的坐标。
18.进一步地，所述角度测量单元为陀螺仪。
19.进一步地，各所述关节处还设置强制归零光耦，所述强制归零光耦用于使各所述旋转角度归零。
20.进一步地，各所述下砂工位还包括位置传感器，所述位置传感器用于测量各所述下砂工位的坐标边界。
21.进一步地，各所述下砂工位还包括光电接近开关，所述光电接近开关用于检测各所述下砂工位是否存在砂箱。
22.进一步地，各所述下砂工位还包括完工呼叫器，所述完工呼叫器用于向处理器发出在所述下砂工位的砂箱下砂完毕的信号。
23.进一步地，所述下砂工位至少为两个。
24.一种砂铁比在线计算方法，采用如上所述的砂铁比在线计算系统计算所述砂铁比，包括如下步骤：
25.s1、判断砂箱是否进入下砂工位，若是，则执行s2，若否，则等待；
26.s2、下砂口坐标匹配，判断所述下砂口的坐标是否在某个下砂工位的坐标边界内，若是，则执行s3，若否，则重新扫描；
27.s3、混砂机下砂判断，判断所述混砂机是否下砂，若是，则执行s4，若否，则返回s2；
28.s4、下砂时间累计，计时器累计下砂时间；
29.s5、下砂总量计算，步骤s4中的累计下砂时间乘以平均下砂速度得到当前砂箱的下砂质量；
30.s6、砂铁比计算，所述下砂质量与铸件质量相除得到砂铁比。
31.进一步地，在步骤s5之前设置完工呼叫检测，向所述处理器发送下砂完毕信号。
32.上述砂铁比在线计算系统和方法，通过建立坐标系，获取下砂工位与下砂口的坐标关系，当下砂口的坐标与某一个下砂工位的坐标边界匹配时，下砂口开始向下砂工位的砂箱下砂，并累计下砂时间，处理器根据下砂时间与下砂速度的乘积得到当前砂箱的下砂质量，该下砂质量与铸件的总质量相除即可得到砂铁比。该系统部署简便，与常规的称重计量方式相比，该系统不受混砂机安装空间及结构的影响，且不论是固定式混砂机还是移动
式混砂机，不论是双工位下砂还是多工位下砂，均可用该系统计算其砂铁比。
附图说明
33.图1为一种砂铁比在线计算系统的示意图；
34.图2为一种砂铁比在线计算系统的坐标示意图；
35.图3为一种砂铁比在线计算系统的流程图。
36.图中标记：1、第一下砂工位，2、第二下砂工位，3、下砂口，4、旋转大臂，5、旋转小臂，6、第一陀螺仪，7、第二陀螺仪，8、第一强制归零光耦，9、第二强制归零光耦，10、第一完工呼叫器，11、第二完工呼叫器，12、第一位置传感器，13、第一光电接近开关，14、第二位置传感器，15、第二光电接近开关
具体实施方式
37.为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施方式。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。
38.需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”、“顶部”、“底部”、“底端”、“顶端”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
39.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
40.在一实施方式中，一种砂铁比在线计算系统，包括：混砂机、若干个下砂工位及处理器；所述混砂机包括下砂口；各所述下砂工位设有计时器和砂箱；所述下砂口位于所述下砂工位的上方；所述处理器建立坐标系并获取所述下砂口的坐标和各所述下砂工位的坐标边界；所述处理器判断所述下砂口的坐标在某个所述下砂工位的坐标边界内时，所述处理器控制所述下砂口开始下砂，所述计时器累计下砂时间；所述处理器根据所述下砂时间与下砂速度的乘积得到当前砂箱的下砂质量；所述处理器根据所述下砂质量与铸件质量的比值得到砂铁比。
41.一种砂铁比在线计算方法，包括如下步骤：
42.s1、判断砂箱是否进入下砂工位，若是，则执行s2，若否，则等待；
43.s2、下砂口坐标匹配，判断所述下砂口的坐标是否在某个下砂工位的坐标边界内，若是，则执行s3，若否，则重新扫描；
44.s3、混砂机下砂判断，判断所述混砂机是否下砂，若是，则执行s4，若否，则返回s2；
45.s4、下砂时间累计，计时器累计下砂时间；
46.s5、下砂总量计算，步骤s4中的累计下砂时间乘以平均下砂速度得到当前砂箱的
下砂质量；
47.s6、砂铁比计算，所述下砂质量与铸件质量相除得到砂铁比。
48.上述砂铁比在线计算系统和方法，设置若干个下砂工位，建立坐标系，获取每一个下砂工位的坐标边界，并获取混砂机下砂口的坐标，通过处理器判断下砂口的坐标与下砂工位坐标边界的关系，当下砂口的坐标与某一个下砂工位的坐标边界匹配时，下砂口开始向下砂工位的砂箱下砂，并累计下砂时间，处理器根据下砂时间与下砂速度的乘积得到当前砂箱的下砂质量，该下砂质量与铸件的总质量相除即可得到砂铁比。
49.下面结合具体实施例对所述的砂铁比在线计算系统进行说明，以进一步理解所述砂铁比在线计算系统的发明构思。请参阅图1，所述砂铁比在线计算系统包括：混砂机、若干个下砂工位及处理器，所述混砂机包括下砂口3，各所述下砂工位设有计时器和砂箱，所述下砂口位于所述下砂工位的上方；所述处理器建立坐标系，请参阅图2，所述坐标系可以是直角坐标系，处理器获取下砂口(3)的坐标(xm，ym),以下砂口3的半径为限，于第一下砂工位1内缩划线，得到第一下砂工位1的坐标边界(x00,y00)、(x00,y01)、(x01,y00)、(x01,y01)，处理器判断下砂口3的坐标与第一下砂工位1的坐标边界的关系，当x00≤xm≤x01且y00≤ym≤y01，则下砂口3在第一下砂工位1的上方，处理器控制混砂机的下砂口开始向第一下砂工位的砂箱下砂，同时位于第一下砂工位内的计时器开始计时，在下砂完毕后，计时器停止计时，根据所述下砂时间和下砂速度的乘积可得到当前砂箱的下砂质量，根据下砂质量与铸件质量的比值可得到砂铁比，其中下砂速度可以事先设置。
50.在一实施方式中，所述混砂机还包括多关节旋转臂、角度测量单元，所述陀螺仪设置在各关节处，所述下砂口设置在最后一节旋转臂的末端；所述角度测量单元用于检测各所述旋转臂的旋转角度并向所述处理器反馈所述旋转角度；所述处理器根据所述旋转角度计算所述下砂口的位置坐标。优选的，所述角度测量单元可以是陀螺仪。
51.请参阅图2，以两关节旋转臂的混砂机为例，混砂机包括旋转大臂4和旋转小臂5，旋转大臂4通过第一关节连接在混砂机的底座，旋转小臂5和旋转大臂4之间通过第二关节连接，下砂口3设置在旋转小臂5的末端，在第一关节和第二关节处分别水平安装第一陀螺仪6和第二陀螺仪7，第一陀螺仪6用于在线监测旋转大臂4的z轴旋转角，第二陀螺仪7用于在线监测旋转小臂的z轴旋转角。
52.假设旋转大臂4平面投影长为len，转小臂平面投影长为len，旋转大臂的旋转关节中心坐标为(xl,yl)，旋转小臂的旋转关节中心坐标为(xl,yl)，下砂口坐标为(xm,ym)。
53.以y轴方向为参考方向，以旋转大臂4与y轴的夹角为旋转角α，旋转大臂4的旋转关节中心为起点，则有：
54.xl＝xl+len*sin(-α)＝xl-len*sin(α)
55.yl＝yl+len*cos(-α)＝yl+len*cos(α)
56.以y轴方向为参考方向，以混砂机旋转小臂与y轴的夹角为旋转角β，以混砂机旋转小臂的旋转关节中心为起点，则有：
57.xm＝xl+len*sin(-β)＝xl-len*sin(β)
58.ym＝yl+len*cos(-β)＝yl+len*cos(β)
59.结合上述四个关系式，可以得出：
60.xm＝xl-len*sin(α)-len*sin(β)
61.ym＝yl+len*cos(α)+len*cos(β)
62.其中，α与β分别为第一陀螺仪6与第二陀螺仪7输出的实际值。
63.需要说明的是，在该实施例中，为保证测量的精度，要求各陀螺仪水平安装。其旋转方向一般遵循右手法则，即右手大拇指指向轴向，四指弯曲的方向即为绕该轴旋转的方向，z轴角度即为绕z轴旋转的角度。经实测，陀螺仪与旋转关节的圆心在同一条直线上，且两者相对角度与位置固定时，陀螺仪随着各关节的转动，被动做静止的圆周运动。此种情况下，无论陀螺仪安装于旋转关节的圆周处或是外缘处，其旋转角度及角速度一致。因混砂机关节边缘处易于安装、调试与排故，旋转角度及角速度数据值不受影响，且相对关节中心处，可获得较为细腻偏差误差，故采用于混砂机旋转关节边缘处安装的方式。此外，由于旋转角方向与常规直角坐标计算角方向相反，为计算简便计，对航向角陀螺仪反馈的旋转角进行取负操作。
64.通过在混砂机各关节处安装陀螺仪，只需要将各陀螺仪的角度值输入，带入上述的计算公式，便可得到下砂口的坐标，进而对该下砂工位的下砂时间累计计量后，换算出每一个砂箱的下砂质量，再由处理器进行相除运算，即可得到每一铸件的砂铁比，并且通过在线的计算系统，在每一个砂箱下砂完毕后，系统即可自动给出相应的砂铁比，该系统部署简单，几乎不受混砂机机电安装空间及结构影响，只要保证陀螺仪水平安装即可，相对于常规方式的称重计量、旋转编码器、拉线编码器等方式，该砂铁比在线计算系统不受人员上下下砂工位等因素的影响，性价比高。
65.在一实施方式中，请参阅图1，所述第一关节和第二关节处分别设置第一强制归零光耦8和第二强制归零光耦9，其中第一强制归零光耦8安装在第一关节下侧正前方的位置处，当旋转大臂4旋转至第一强制归零光耦8处时，可强制旋转大臂4的旋转角归零。其中第二强制归零光耦9安装在第二关节下侧正前方的位置处，当旋转小臂5旋转至第二强制归零光耦9处时，可强制旋转小臂5的旋转角归零。
66.在一实施方式中，各下砂工位还设置光电接近开关，光电接近开关用于检测各所述下砂工位是否存在砂箱。具体的，请参阅图1，在第一下砂工位1处设置第一光电接近开关13，在第二下砂工位2处设置第二光电接近开关15，其中第一光电开关13和第二光电接近开关15用于检测第一下砂工位1和第二下砂工位2是否有无砂箱存在，以及作为本轮下砂累计计量的启动信号。
67.在一实施方式中，各下砂工位还设置完工呼叫器，所述完工呼叫器用于向处理器发出当前下砂工位的砂箱下砂完毕的信号。具体的，请参阅图1，在第一下砂工位1处，设置第一完工呼叫器10，用于下砂工位1处的砂箱下砂完毕后，呼叫转运车将砂箱转运至下一工序(如固化工序)，在第二下砂工位2处，设置第二完工呼叫器11，用于下砂工位1处的砂箱下砂完毕后，呼叫转运车将砂箱转运至下一工序(如固化工序)，其中第二完工呼叫器11作为本轮下砂累计计量结束的信号。
68.上述砂铁比在线计算系统计算砂铁比的方法包括以下步骤：
69.s1、判断砂箱是否进入下砂工位，若是，则执行s2，若否，则等待；
70.具体的，由下砂工位内的光电接近开关检测当前下砂工位是否存在砂箱。
71.s2、下砂口坐标匹配，判断下砂口的坐标是否在某个下砂工位的坐标边界内，若是，则执行s3，若否，则重新扫描；
72.具体的，在处理器中，将陀螺仪解析出的实时角度值按照上述直角坐标系下的计算公式，实时计算出下砂口的坐标，位置传感器测量出各下砂工位的坐标边界并反馈给处理器，处理器判断下砂口的坐标是否在下砂工位的坐标边界内，若是，则进行下一步，若否，则调节混砂机的旋转臂，使下砂口的坐标在下砂工位的坐标边界内。
73.s3、混砂机下砂判断，判断混砂机是否下砂，若是，则执行s4，若否，则返回s2；
74.s4、下砂时间累计，计时器累计下砂时间；
75.当上述三个条件均满足时，即砂箱位于下砂工位、下砂口的坐标在下砂工位的坐标边界内、混砂机处于下砂状态中，则对应下砂工位的计时器开始累计下砂时间。
76.s5、下砂总量计算，采用步骤s4中的下砂时间乘以下砂速度得到当前砂箱的下砂质量；其中下砂速度为事先设置好的混砂机下砂速度
77.s6、砂铁比计算，下砂质量与铸件质量相除得到砂铁比；
78.具体的，处理器根据当前砂箱的下砂质量与铸件质量得到当砂箱的砂铁比。
79.在步骤s5之前还包括完工呼叫检测，当前下砂工位下砂完毕后，人工点击呼叫器，呼叫转运车将已下砂处理完毕的砂箱转运至下一工序。
80.以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
81.以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。