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探讨注塑智能控制系统与精密注塑的关联性

2020-09-15 191 上传者：管理员

摘要：精密注塑是通过注塑机设备生产出来的塑件尺寸和重量具有一定精度的成型方式,精密注塑涉及面较广。本文仅以精密注塑机方面为介绍重点,通过对精密注塑定义和相关情况介绍,对精密注塑机要求,特别是注塑智能控制系统中几个重点的闭环精度控制方式,辅助于原理和案例的推出,得知注塑智能系统是实现精密注塑的前提保证。并指出精密注塑机以后发展方向。

关键词：
化工工业
控制系统
有机化工
注塑智能
注塑机
稳定性
精密注塑
闭环控制
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塑料注射成型机(简称注塑机),是我国产量和应用量最大的塑料成型机品种之一。我国从1958年诞生第一台注塑机[1]开始,经过60多年的发展,目前已能生产大部分机型,锁模力从2～6600t,注塑量10mg～100kg多[2]。有微型和超大型、有电动机、液压机和双色注塑机等机型。随着工业技术的发展,注塑机精度控制技术得到了很好地发展。其中精密注塑是特殊的案例,注塑机控制将计算机技术、云技术和自动化技术结合,实行闭环控制的注塑智能控制系统将带动精密注塑工艺发展,使未来精密注塑向智能化方向发展。本文以注塑机角度说明注塑智能控制系统和精密注塑成型设备之间关系做些介绍。

1、精密注塑定义及相关情况

1.1精密注塑定义

一般精密注塑有两个指标:一是设备精度,另一个是模具误差。前者是代表注塑机的加工精度,后者是代表模具制造精度。一般精密注塑机有两个精度指标:一是塑件尺寸的重复误差,二是塑件重量的重复误差。前者由于尺寸大小和制品厚薄不同难以比较,而后者代表了注塑机的综合水平,一般普通注塑机的重量重复误差在1%左右,较好的机器可达到0.8%,低于0.5%为精密机,小于0.3%为超精密机。精密注塑机要求塑件尺寸精度一般在0.01～0.001mm以内,许多精密注塑还要求注塑机具有高的注射压力、高的注射速度,要求合模系统具有足够大的刚性和锁模精度(所谓锁模精度是指合模力的均匀性、可调、稳定和重复性高,开合模位置精度高),要求对压力、流量、温度、计量等都能控制精确到相应的精度,采用多级或无级注射,保证成型工艺的再现条件和制品的重复精度等[3]。另一个是模具精度,模具的精度除了工程及技术人员的经验外,还需要靠高精密的模具加工设备来完成。因此,一流的模具加工设备是精密注塑的必要条件。

1.2精密注塑相关情况

精密注塑除了加工设备精度和模具制造精度外,还应考虑:

(1)塑料的收缩率。一般做精密注塑件选择一些收缩率较稳定的,波动范围较小的材质;

(2)塑件形状及尺寸。塑件的形状对冷却后的收缩变形有一定的影响,这对塑件的尺寸影响较大,塑件设计时应该考虑到问题;

(3)模具塑件的精度。影响塑件精度的因素是一个较复杂的工程[4],在模具设计时考虑塑件成型的诸多问题,力争把塑料存在的问题在设计时都考虑好,可采用模流分析和仿真方法;

(4)模具加工精度。模具成型零件的加工精度直接影响塑件的尺寸精度,零件加工误差约占塑件成型误差的三分之一。通常模具制造精度应比塑件的尺寸精度高出2～3个级。

(5)注塑机对塑件具有较高的精度要求。这也是本文重要描述的方面。

2、精密注塑机要求与智能控制系统

2.1精密注塑机所需要求

精密注塑中注塑机才是保证实施整个过程重要载体。一般是通过设备硬件性能方面来保证精密注塑。具体有:

(1)锁模力。在精密注射成型过程中,一般都需要很高的注射压力,否则很难成型;

(2)计量精度。要使塑料制品保持较高的稳定性,每次注入模腔的热熔塑料必须相等;注射速度。注射速度是精度注塑机的一个重要指标;

(3)注射压力。精密注塑需要较大的注射压力,以提高塑件的密实度,减小收缩变形,保证塑件精度;

(4)保压。保压对精密塑件的影响极大;

(5)模具温度。模腔表面的温度变化应控制在±1℃之内,这与模温机选择相关。

2.2注塑智能控制系统介绍

注塑智能控制技术是实现工业4.0的重大成果。注塑智能控制技术使用的嵌入式实时操作系统RTOS(RealTimeOperatingSystem)[5],即控制器上操作系统Linux(相当于电脑的Windows操作系统)是实时性的,所谓的实时性是保证在某个微小时间内一定要完成某个工作,例如在1ms内必须完成某个运算和指令传送的工作。实时性的操作系统RTLinux把硬件、软件、算法和其他命令形式(包括云端)等运行起来,达到所需的优先操作要求[6]。

注塑机的输入变量有两类,一类是模拟量形式输入,包括料筒温度、注塑系统压力、锁模系统压力、模腔系统压力、螺杆位置等;另一类是数字量形式输入,包括螺杆进退行程开关,射台进退行程开关等[7]。控制系统的硬件是先进控制方法的载体,由信号采集模块、嵌入式的计算机控制模块、人机界面设备例如键盘、显示等三大部分构成。图1为注塑机控制器硬件部分结构框图。

图1注塑机控制器硬件部分结构框图

注塑机控制系统软件部分包括定制的实时软件支撑平台、针对注塑机关键过程变量的先进控制方法、模块化的控制软件系统,以及通讯、存储等功能模块。具体的软件部分结构如图2所示。

图2注塑机控制系统软件部分结构图

注塑过程相对于传统的流程工业具有快速、各阶段过程特性变化大的特点。软件系统必须建立在一个定制的快速切换实时操作系统平台上。从上图2见,控制系统软件部分也是采用模块化的设计,各个模块独立工作完成固定的功能,模块间通过信息传递来实现通信,大量的数据通过共享内存来快速同步。模块部分还是FMS(FlexibleManufacturingSystem)系统和其他系统等软件通过模块形式存在于软件结构中,并以增加共享内存的方式,达到总线加长,带宽加大,频率加高,保证多台集中控制的目的。

注塑成型智能控制是通过终端平台,借助于云平台实现数据集成、过程管理、故障监视、工艺优化等对注塑机智能器的控制。注塑智能控制器安装在注塑机上,把注塑机和周边辅助设备集成在一起并在控制器上操控,控制器通过云平台反馈到终端平台(包括电脑、PC和手机),实现注塑智能化,自动化和数字化[8]。目前注塑成型智能制造控制基本由计算机技术、云平台(网络)、管理软件和硬件等组成,形成信息互通、数据共享、透明生产、远程监控、提高质量、降低成本的智能化、数字化和自动化生产的闭环控制管理体系。其基本框图如图3所示。

图3智能注塑控制器和注塑产线的关系框图

2.3注塑智能控制系统闭环控制原理

注塑智能控制系统采用的闭环控制方法。所谓闭环控制就是根据控制对象输出反馈来进行校正的控制方式,它是在测量出实际与计划发生偏差时,按定额或标准来进行纠正的。闭环控制,从输出量变化取出控制信号作为比较量反馈给输入端控制输入量,一般这个取出量和输入量相位相反,所以叫负反馈控制,自动控制通常是闭环控制[9]。如图4所示。

图4闭环控制系统方框图

图5所示,当通过操作面板PC上输入操作指令,传递到控制器(智能控制系统),执行器(注塑单元),对整个塑机模具等进行控制,同时有各种传感器将各种输出信号反馈到输入端。构成注塑智能控制系统采用闭环控制系统。

图5注塑智能闭环控制系统方框图

2.4注塑智能控制系统具备控制精度特点

智能注塑控制系统采用国际领先的二维时间控制算法,实现对注塑过程中各种参数的闭环精度控制,提高注塑加工精度和产品稳定性。

(1)料筒温度的精密闭环控制,稳态温度波动仅0.4℃。料筒温度波动大会造成高分子材料经历不同的加热过程,容易导致产品质量不稳定,智能注塑控制系统能精确控制料筒温度,提高产品的稳定性。

(2)注塑速度闭环控制,稳态误差在±0.1%内。注塑速度是控制塑件表面的重要参数,注射速度是精度注塑机的一个重要指标,因为热熔融塑料从开始注入模腔到完成填充之间有一段时差。智能注塑控制系统是闭环控制算法,过程中扰动能够通过速度测量反馈到控制器,控制器的调节得到消除。保持不同批次的注塑速度都是高度重复,以确保最终产品的稳定性。

(3)保压压力闭环控制,稳态误差在±0.05%内。注塑保压以补偿冷却和固化带来的收缩,合理控制保压压力对于成型塑件重量是极为关键。保压对精密塑件的影响极大,准确地说,保压能较好地补缩,减小塑件变形,控制塑件精度。保压压力的稳定决定了塑件的成型精度,螺杆的终止位置不变是决定保压效果的决定因素。智能注塑控制系统保压压力闭环控制,使每个批次都得到管控,保证保压阶段的稳定性,降低了塑件重量和尺寸波动幅度,产品重复精度0.03%。

(4)开模定位闭环控制,定位精度在±0.2mm内。注塑现场采用机械手取(放)塑件时,开模需有个精确的位置,以保证机械手顺利取(放)塑件。智能注塑控制系统模具定位精度高,完全满足各类机械手的配合需要。

(5)螺杆转速、背压闭环控制。预塑目的是为下次注塑储备材料,预塑波动容易引起产品质量不稳定。要使塑料制品保持较高的稳定性,每次注入模腔的热熔塑料必须相等,也就是说每次加料时螺杆的复位精度要求一致。智能注塑控制系统对螺杆转速、背压都能进行高精度控制,确保塑化过程稳定性。

综合上述特点,智能注塑控制系统在一般注塑机上已经具备了精密注塑成型的诸多条件,如在比较精密注塑机安装智能注塑控制系统定会如虎添翼,发挥更大的作用。

2.5重量精度控制实例

国产60T注塑机生产仪表小零件[10],材料PP,如图6所示。通过注塑智能化控制等改进,进行前后对比情况。图7(a)为老系统,产品的重量波动±0.06g,有0.12g误差,图7(b)为通过改进后,产品重量波动±0.02g,有0.04g误差,其设备(精度)稳定性提升了300%。

图6小零件示意图

图7国产60T通过改进前后对比图

3、结语

精密注塑源20世纪80年代。有关资料表明,20世纪80年代精密塑件占整个注塑产品所占的比重约1%,90年代则为10%。随着近40年的发展,精密注塑得到了很好的发展,涉及到汽车、家电和电子领域等,精密注塑行业初具规模,对提升整个注塑行业产品质量具有重要的意义。尤其在注塑智能控制系统应用于精密注塑中,使精密注塑提升了一个新层次。当然精密注塑涉及面广,本文仅以精密注塑设备方面。目前国产塑机的控制精度和塑件重复精度水平与世界先进水平还有很多提高的空间。注塑智能控制系统能今后还应辅助于精密(精度高)的各种传感器、各种精度高硬件用于注塑机构成较高精度注塑机。加强对微电子技术在塑机的应用,而这些高端微电子技术产品和控制技术都是核心技术的突破。唯有通过这些努力,才能使精密注塑机缩短与世界先进水平的差距。

参考文献：

[1]浅析中国塑料机械行业发展行情[EB/OL].[2016-05-19].

[2]蔡恒志.浅谈高档精密注塑机发展现状及前景[J].塑料制造,2010(04):72-74.

[3]工程塑料应用.精密注射成型的要求及重要参数[EB/OL].[2020-06-02].

[4]陶永亮.影响塑件尺寸精度的原因分析[J].塑料制造;2012(5):62-66.

[5]韦巍.嵌入式网络注塑机人机界面设计[D].浙江大学,2005.03.01.1-81.

[6]陶永亮,姚科.注塑过程控制技术和智能化发展趋势[J].工业控制计算机,2019,32(04):17-20.

[7]李华军.注塑机智能控制器设计[D].浙江大学,2002.03.01.1-77.

[8]陶永亮.注塑过程智能控制方法及应用实例[J].橡塑技术与装备,2019,45(16):38-42.

[9]百度.闭环控制.[EB/OL].[2020-03-29].

[10]陶永亮.注塑智能过程控制的推广[J].橡塑技术与装备,2018,44(08):32-35.

陶永亮.注塑智能控制系统是实现精密注塑的前提保证[J].橡塑技术与装备,2020,46(18):54-58.