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1 引言
現代塑料注射成型機, 簡稱注塑機, 是一個集機、電、液於一體的典型係統,因具有一次能夠成型複雜製品、後加工量少、加工的塑料種類多等特點,自問世以來, 發展極為迅速, 目前已成為塑料成型加工的主要設備。
隨著計算機技術的發展,計算機控製技術在注塑機上的應用,使智能控製注塑工藝過程中各個參數達到最佳值已成為可能。西方工業國家已成功推出新一代自動控製塑料機械, 不僅自動化程度高、易操作, 而且生產效率和產品質量也大大提高。我國中小型塑料機械基本上均采用單體式的溫度、壓力控製儀表和手動開關控製, 不僅自動化程度無法與國外同類產品相比,而且嚴重影響產品的加工質量和生產效率。鑒於此,提出了采用先進的電液比例技術和可編程序計算機控製器(簡稱PCC) 構成的機電一體化控製方案, 該方案具體有以下方麵的改進。
在控製方式上,用閉環控製係統代替原來的開環控製係統, 對主要工藝參數(如溫度、注射壓力、注射速度等) 進行閉環控製,提高了控製精度,能夠大幅度地改善塑料製品的質量; 在編製軟件時, 利用軟件技術使機器具有報警、自檢、自動複位等功能,提高了係統的可靠性;在控製算法上,采用了工業生產中比較成熟的PID 算法。閉環係統控製原理如圖1 所示。
圖1 閉環係統控製原理圖
在液壓係統中,采用比例流量閥和比例壓力閥代替原來的開關閥,它們與伺服閥相比具有價格便宜, 對工業環境要求不高等優點, 經改進後的油路不僅更廣泛地適應注塑製品加工的工藝條件,促進注塑製品質量的提高,而且能利用係統調整工序中所需的壓力和流量,節省了功率消耗。
在控製裝置上,采用一種專為中小型控製係統設計的可編程計算機控製器(簡稱PCC) ,它集成了標準的PLC 和工業控製計算機的特點, 具有多任務分時操作係統, 數據運算和處理能力比PLC 更強大。因此用PCC 組成注塑機的控製係統,來實現包括位置控製、速度控製、溫度控製、故障控製和實時顯示等注塑全過程的多種控製,可大大提高塑料製品的質量,有利於提高經濟效益。本文著重介紹由PCC 組成的注塑機控製係統。
2 注塑機結構及工藝
一台通用的注塑機主要由注射裝置、合模裝置、液壓係統和電氣控製係統組成。注射裝置的作用是將塑料均勻地塑化和熔融,並在高壓和高速下將熔體注入模具型腔中, 它由塑化部件(螺杆, 料桶,加熱裝置,噴嘴) 、料鬥、計量裝置、傳動裝置、注射油缸、移動油缸等組成。合模裝置是固定模具,使動模板作啟閉模運動, 能鎖緊模具, 在注射時保持模具可靠地合緊, 它主要由前後固定模板、移動模板、連接拉杆、連杆機構、調模裝置、合模油缸、移模油缸以及製品頂出裝置組成。液壓係統和電氣控製係統提供動力並使注塑機按預定的工藝過程要求(壓力、速度、時間、溫度) 和動作順序工作。
以常用的螺杆式注塑機為例,其注射過程如圖2 所示。
圖2 注塑機工藝生產見圖
注塑的工作過程為: 當塑料從料鬥落入料筒後,隨著注射螺杆的轉動而不斷被輸送向前。輸送過程中逐漸壓實,並在料筒的外加熱量和螺杆的剪切熱作用下實現其物理狀態的變化,最後成為粘流態,並建立起一定壓力。當螺杆頭部熔料大於注射油缸背壓時, 螺杆便軸向移動後退, 同時開始容積計算。當頭部熔料達到預定注射量後,計量裝置使行程開關動作,螺杆停止後退和轉動,預塑結束。
移動模板在合模油缸推動下使模具閉合。隨之注射座前移, 注射油缸動作, 活塞帶動螺杆按要求的壓力與速度將頭部的熔料注入模腔內。注射完畢後,螺杆仍對熔料保持一定的壓力,以防止倒流,並進行補縮。隨著模腔中熔料的冷卻,塑料從粘流態恢複到玻璃態而定型。合模油缸活塞後退使模具打開, 同時在頂出機構的作用下將製件脫出, 從而完成一個工作循環。
3 注塑過程控製策略
注塑機的可控變量有兩種,一類是基本以模擬量形式的輸入變量, 如料筒各段溫度、聚合物熔體溫度、螺杆溫度、模具溫度、注射係統壓力、螺杆轉速等；另一類是數字量形式的輸入變量,如螺杆後退停止位置、注射座前後位置、模板向前、向後運動和超行程等。根據這些輸入變量,可以對注塑參數和溫度進行控製。
(1) 注塑參數的控製
注塑參數的控製主要有對注射速度與注射壓力的控製、PVT保壓過程控製、緩衝量控製、背壓控製等。
注射速度控製包含兩種含義: 一是對螺杆(或柱塞) 推進物料的速度進行控製；二是對螺杆推進速度同時進行位置和速度值的多級切換,稱為多級注射速度切換或控製。同樣,注塑機的注射壓力控製也包含兩種含義:一是對螺杆推進物料的壓力進行控製；二是對螺杆推進壓力同時進行位置和壓力值的多級切換,稱為多級注射壓力切換或控製。在注塑機上采用速度傳感器進行速度檢測,並進行數字量的設定, 通過電液比例係統實現注射速度控製。就注射壓力而言,從注射壓力到保壓壓力是采用位置切換,而在保壓階段時就從位置切換轉入用時間切換多級保壓壓力。
對於PVT保壓控製過程, 用壓力和溫度傳感器對模腔壓力和模腔溫度及噴嘴處的物料溫度進行檢測, 並作為反饋信號輸入給控製裝置進行“PVT”( T為模腔中物料溫度、V為比容、P 為模腔壓力) 邏輯運算, 發出指令對比例壓力電磁閥進行比例調節, 使注射與保壓時的係統油壓按PVT特性曲線的指令變化。模內熔體的溫度是時間函數,它是通過傳感器進行不斷地檢測來獲取的。
緩衝量控製是對螺杆頭部餘料的控製,具有緩衝與控製注塑量精度的作用。它是通過位移傳感器對螺杆位置的檢測,並根據前次螺杆位置檢測的記憶信號進行運算後,確定下次螺杆位置的設定值來實現控製的。
背壓控製是為了減少軸向溫差,通過預選油壓多級控製實現。當螺杆預塑時,在物料的作用下要後退, 使注射油缸腔的回油經過背壓閥流回油箱,這樣通過調整背壓閥在螺杆不同位置時泄油壓力來建立螺杆頭部熔體壓力的調節作用,影響熔體的剪切熱使其軸向溫差得到調節。
(2) 溫度控製
溫度控製主要有對料筒溫度、料口處溫度、噴嘴溫度、模具溫度、油溫等進行控製。
對料筒溫度控製是注塑工藝的重要參數,是塑化裝置的惟一外部供熱, 因此料筒的溫度控製技術將直接影響製品質量。注射料筒的加熱段一般分3段到4 段, 通過一次儀表(熱電偶) 和二次儀表, 對加熱電阻圈的控製與調節組成閉環控製回路。
料口處溫度控製直接影響固體的磨擦係數和輸送效率,能使料筒其它部分物料的溫度得到更加
穩定的控製。它是用熱電偶檢測溫度並通過PDPI控製循環冷卻水流實現控製的。
噴嘴溫度控製的好壞不僅會影響注塑過程能否穩定工作,而且直接影響著高溫熔體通過噴嘴時
剪切熱和剪切流動,因此采用熱電偶對噴嘴的溫度進行檢測並加以控製。
模具溫度控製通過熱電偶對實際溫度值的測量, 再與溫度控製儀表的設定值相比較, 將所獲得的偏差信號進行放大,放大信號對加熱和冷卻係統進行連續控製, 使模具處於穩定的溫度範圍之內,以保持製品品質。
油溫控製對液壓係統的穩定性及注塑製品質量有重要影響, 因而係統設置油溫控製裝置, 通過溫度傳感器進行檢測,由係統實現對油溫的加熱和冷卻控製。
4 PCC控製係統
注塑機控製係統是根據其工作原理, 按照注塑工藝流程, 通過PCC對注塑機現場各傳感元件的控製和對有關執行部件的控製, 實現對不同塑料在注射成型各工藝的自動控製以及自動監測和保護。
本控製係統采用某工業自動化公司的2000 係列產品中的B&R2005 型, 它是一種緊湊型產品,其結構是采用模塊式, 所有模塊尺寸均相同, 可靈活自由地通過設定組合插拔來擴展係統。采用的主要模塊有: CPU152(CPU) 、ME963(應用存儲器) 、PS792(電源模塊) 、DI477(數字量輸入模塊) 、DO480( 數字量輸出模塊) 、AI775( 模擬量輸入模塊) 、AT350(溫度輸入模塊) 、AO775(模擬量輸出模塊) 、DI164(LCD 顯示模塊) 以及基板等。PCC 整個控製係統的組成如圖3 所示。
圖3 PCC控製係統組成
控製係統中設有調模、手動注塑、半自動注塑和全自動注塑幾種工作方式。工作方式選擇由旋轉開關通過PCC 的I/ O 接口電路傳送至係統。係統中有20 多個行程開關,行程開關采用霍爾元件,其優點是非接觸電磁感應,調整方便可靠。這些行程信息也是經隔離電路及PCC 的I/ O 接口電路傳送至係統。係統中有17 個電磁鐵,分別控製不同的注塑動作。輸出的控製信號經PCC 的I/ O 接口和隔離電路控製17 個電磁鐵的通電與斷電。
控製係統的軟件采用模塊程序結構,其程序結構如圖4 所示。
圖4 注塑機PCC控製係統程序結構框圖
圖4 中控製程序主要分為8 個模塊,各模塊的作用如下: ①初始化模塊: 主要完成A/ D、D/ A 模塊、各數據區的初始化工作；②數據采集模塊:主要完成模擬量采集、濾波等工作； ③自動控製及處理模塊: 主要完成注塑機的多種加工過程自動控製；④故障診斷及處理模塊:主要完成對故障巡檢報警及相應處理；⑤手動控製及處理模塊: 主要用於係統過程的單步動作控製；⑥停止處理模塊: 處理停止信息； ⑦人機對話模塊: 主要完成接受控製參數和顯示參數的功能。
具體每一模塊的控製程序可根據控製信號流程、控製要求和實現方法采用PLC2000 高級語言來編製。
5 結束語
用PCC 控製取代目前在注塑機上大量采用的獨立溫度控製係統和所有的開關量控製,實現對若幹典型的故障現象的自動保護、提示、報警,包括上下限報警、正負偏差報警、報警不靈敏區預設。依據原料及產品的特點對注塑機的工藝進行控製,實時監測和顯示生產流程,並對溫度、壓力、位置等連續變量進行閉環控製,對行程、閥門、泵等開關量進行邏輯順序控製等,大幅度提高了注塑機的生產效率, 其性能和易操作性也會有較大的改善, 具有較高的實用價值。 |
