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浙江大学硕士学位论文 摘要 摘要 精密注塑指的是相对于普通注塑具有更高层次的注塑加工，是使用通用注塑 机、常规的注塑成型工艺难以达到要求的一种注射成型方法，其对加工成型的注 塑制品的尺寸重复精度要求非常高，对产品内在密度、应力都有具体的要求。精 密注塑机控制器也是相对于普通注塑控制器具有更高的控制精度。它需要在注塑 过程中，对料筒的温度进行精确的温度控制，以及控制其余注塑机执行机构能够 按照注塑工艺要求要求可靠稳定地工作，可重复生产符合用户需求的塑料制品。 本文提出了一种精密注塑机控制器的软硬件实现方案，首先分析了注塑机控 制器的主要功能，提出了对硬件设计的需求及设计方案，然后设计了注塑机控制 器的各个驱动模块软件，包括a d ，i o 、上下位机通讯等，并采用状态机的编程 方法设计了上层注塑控制应用软件，最后对简要介绍了注塑机控制系统设计中可 以提高软硬件可靠性的一些准则。整套设计方案实用可靠，并且在海天注塑机 上，替换了原有控制器，实际运行效果稳定良好。 关键字：d s p 、a r m 、a d 采样、通讯协议、状态机编程 精密注塑机控制系统设计 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t p r e c i s i o ni n j e c t i o nm o l d i n ga sah i g h e rl e v e lo fm o l d i n gp r o c e s sc a nm e e tt h e h i g hd e m a n d so ft h es i z e sr e p e a ta c c u r a c y ，t h ed e n s i t ya n dt h ei n t r i n s i cs t r e s so ft h e p l a s t i ci n j e c t i o np r o d u c t sw h i c ht h en o r m a li n j e c t i o nm o l d i n gc a n n o ta c h i e v e a c c o r d i n g l yt h ec o n t r o l l e ro ft h ep r e c i s i o ni n j e c t i o nm o l d i n gw h i c hh a sh i g h e rc o n t r o l p r e c i s i o n ，c o n t r o l st h et e m p e r a t u r eo fb a r r e lp r e c i s e l y , g u a r a n t e e ss t a b i l i t ya n d r e l i a b i l i t yo ft h ee x e c u t i o ns y s t e ma n dp r o d u c e st h es a t i s f a c t o r yp r o d u c t sr e p e a t e d l y t h ed e s i g no fh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo f p r e c i s i o ni n j e c t i o nm o l d i n gc o n t r o l l e ri s p r o p o s e d f i r s tt h em a i nf u n c t i o no ft h ec o n t r o l l e ri sa n a l y z e dt op r e s e n tt h ed e s i g no f t h eh a r d w a r e t h e nt h es o f t w a r eo fd r i v e rm o d u l e sw h i c hi n c l u d e sa d c o n v e r s i o n ，1 0 ， t h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h ec l i e n ta n ds e r v e ra n da p p l i c a t i o ns o f t w a r ef o r i n j e c t i o np r o c e s sc o n t r o lb ys t a t em a c h i n ep r o g r a m m i n ga r ed e s i g n e d f i n a l l y , s o m e r e l i a b i l i t yg u i d e l i n e so ft h ed e s i g no fc o n t r o ls y s t e ma r ep r e s e n t e dt oi m p r o v et h e s t a b i l i t yo ft h ei n j e c t i o nm o l d i n gs y s t e m t h ew h o l ed e s i g ni sa p p l i e di nh a it i a n i n j e c t i o nm o l d i n gm a c h i n e t h eg o o dr u n n i n gp e r f o r m a n c ei so b t a i n e dt ov e r i f yt h a t t h ed e s i g ni sp r a c t i c a la n dr e l i a b l e k e yw o r d ：d s p , a r m ，a dc o n v e r s i o n ，p r o t o c o l ，s t a t em a c h i n ep r o g r a m m i n g 精密注塑机控制系统设计 i l 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 除了文巾特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得逝姿盘堂威其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：五龟瓠签字日期：吱口，。年，月j 易日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝姿盘堂有权保留并向国家有关部门或机构送交本论 文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝姿盘堂可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、 汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：至驾谖 签字日期：山f d 年j 月文8 日 导师虢t 厶- 9 矽 签字日期：o 口步年 今月 浙江大学硕士学位论文致谢 致谢 转眼，两年半的研究生学习生涯就结束了，回顾在浙江大学近七年的日子， 往事犹在脑海中浮现。在本论文完成之际，向所有关心帮助过我的师长和朋友表 示衷心的感谢。 首先感谢我的导师韦巍教授。韦教授在我的研究生期间，以自己广博的知识 和丰富的经验，指导我完成了本论文。他严谨求实的治学态度，踏实做事的风格 都将使我受益终生。他对科学研究的热情，不断追求卓越的精神，一直鼓舞着我， 激励着我。韦教授对我学习生活上的关怀，也同样深深地打动了我，教育着我如 何做学问，如何做人。 感谢对我无私关怀和帮助的师兄弟、同学和朋友，他们使我的求学生涯充满 了快乐，在有疑难时能够帮我一同分析问题，在我盲目乐观时，也有他们为我警 醒，开心的时候能与他们分享，烦恼的时候能向他们倾诉。他们是：项基、李国 阳、彭勇刚、傅晓峰、邬盈盈、张远辉、虞旦、徐学海、戴渊明、钊t 琮玮、林亦 宁、魏文娟、杨轲、方芳、叶敏、姚伟、江沛、李传格、周武啸等，感谢他们平 时的帮助才铸就了今天的我。 最后深深地感谢我的父母和其他家人对我求学的物质和精神上的大力支持， 以及在我求学期间乃至一生中给予我的无私的奉献和博大的爱，为我指明前进的 方向。 最后，再次向所有关心和帮助过我的人表示最衷心的感谢! 王智强 2 0 1 0 年1 月于浙大求是园 精密注塑机控制系统设计 浙汀大学硕士学位论文绪论 第1 章绪论 注塑机是将热塑性塑料或热固性料利用塑料成型模具制成各种形状的塑料 制品的主要成型设备，现代注塑机被广泛地应用于国防、机电、汽车、交通运输、 建材、包装、农业及人们日常生活各个领域，其制品小到手表中的齿轮、微电子 元件，大到冰箱、洗衣机外壳，甚至更大的整体浴室等。注塑机是一种集成度非 常高的机电液一体化设备，它的技术很大程度上反映了一个国家的机械电子液压 等基础工业的水平。中国注塑机的年产量在7 万多台( 产值亿元以上企业统计 数据) ，注塑机出口量已占全国塑机出口量的60 以上。目前，海天等塑机企业 都已进入世界大型注塑机制造集团的行列【l l 。 注塑机是目前中国塑料机械中发展速度最快、水平与工业发达国家差距较小 的塑机品种之一。但主要指普通型注塑机，在特大型、各种特殊、专用、精密注 塑机的多数品种方面，有的产品尚属空白，这是与工业发达国家的主要差距【2 l 。 1 1 注塑机的结构与工作原理 注塑机是利用金属压铸原理，将塑料注塑成型的装置【4 1 。注塑是一种以高压 高速将塑料熔体注入闭合的模具型腔内，经冷却定型后，得到和模具型腔形状一 致的塑料制品的一种成型方法。注塑机必须具备的三个功能是塑化、注射，定型， 因此注塑机主要由注射装置、合模装置、液压传动和电气控制系统等组成，如图 1 1 所示。 图1 1 注塑机的工作原理示意图 不同的注塑机完成注射成型的动作不完全一致，但其基本过程相同【6 l ，如图 1 2 。首先，随着螺杆的传动，料斗中的物料被吸入料筒，并随着螺杆的转动向 精密注翅机控制系统设计 浙i - i = 大学硕士学位论文绪论 前传送。向前输送的过程中，物料被压实，同时在料筒外的加热线圈和螺杆剪切 热的双重作用下，物料逐渐被塑化为粘流态并向螺杆头处聚集，并对螺杆产生向 后的压力，当达到一定的压力时，螺杆边转边后退，同时开始计量，计量结束时， 螺杆停止运动，完成预塑过程。接着，合模装置动作，使模具闭合，继而注射作 前移，到位后使螺杆按照相应的工艺要求的压力和速度向前移动，完成射胶动作。 当熔料充满型腔之后，仍需螺杆对熔料保持一定的压力，同时即时补充因制品冷 却收缩所需的物料。保压结束，等待制品冷却，为了减小注塑周期，此时螺杆就 可以开始下一个工作循环的加料预塑，为下一个制品成型做准备。当制品完全冷 却定型后，打开模具，由顶出机构将制品顶出，完成整个注塑过程。 图1 2 注塑工艺过程 注塑成型最重要的工艺条件是影响塑化流动和冷却的温度、压力、速度以及 相应的各个注塑过程所持续的时间。注塑过程需要控制的温度有料筒温度、喷嘴 温度和模具温度等，前者影响预塑过程，后者影响成型过程。 1 2 精密注射成型的概念及特点【7 1 如前所述，精密注塑指的是更高层次的注塑加工，是使用通用注塑机、常规 的注塑成型工艺难以达到要求的一种注射成型方法，其对加工成型的注塑制品的 尺寸重复精度非常高。精密注射成型，主要是区别于常规注射成型，它是基于高 分子材料的迅猛发展，在仪表、电子领域里使用精密塑料部件来取代高精度的金 属零部件的技术。目前，针对精密注射制品的指标有2 个，一个是制品尺寸重 复精度，另一个是制品质量的重复精度。精密注射成型是一门涉及高分子材料性 能与配方、注射成型工艺及设备等多方面的综合技术，精密塑料制品如d v d 数码 光盘、数码相机零件、电脑接插件、导光板、非球面透镜等精密产品，这类产品 精密注塑机控制系统设计 2 浙江大学硕士学位论文绪论 的特点是不但要求尺寸精度高，而且对加工制品的内在质量和成品率的要求也非 常高。注塑成型制品的模具是决定该制品能否达到设计要求的尺寸公差的重要 条件，而精密注塑机则是保证制品始终在所要求的尺寸公差范围内，以及保证高 成品率的关键设备。 精密注射有如下特点： ( 1 ) 制件的尺寸精度高、公差小，即有高精度的尺寸界限； ( 2 ) 制件的质量重复精度高，要求有日、月、年的尺寸稳定性； ( 3 ) 模具的材料好、刚性足，型腔的尺寸精度、光洁度以及模板间的定位精 度高； ( 4 ) 采用精密注塑机控制器； ( 5 ) 采用精密注塑成型工艺； ( 6 ) 选择适应于精密注注塑成型的材料进行加工。 精密注塑机要求制品的尺寸精度一般在0 0 1 0 0 0 1 m m 以内，此外，许多精 密注塑还要求高的注射压力、高的注射速度；要求合模系统具有足够大的刚性和 足够高的锁模精度，锁模精度是指合模力的均匀性、可调性、稳定和重复性高， 开合模位置准确；要求对压力、流量、温度、计量等都能精确控制，采用多级或 无级注射，保证成型工艺再现条件和制品尺寸的重复精度等。 1 3 精密注塑机的市场现状 自上世纪五十年代生产了第一台注塑机以来，我国塑料机械行业经过近五十 年的发展，已经在世界塑料机械行业中占据了重要的位置，业已成为世界塑机台 件生产的第一大国。中国注塑机的生产与世界水平的差距在逐渐缩小，某些方面 甚至已经达到世界先进水平，这些塑料机械已经基本上可以满足国内市场上的需 求，并且相当数量的产品出口到包括欧美等国家的海外市场。中国塑机发展走过 了从无到有、从小到大、逐步做强的历程，实现了跨越式的发展，取得了令世界 瞩目的巨大成就。 然而，随着高分子材料的发展，更多的塑料制品取代了金属零件，进入了电 子、医疗、交通等行业，对塑料制品的特性及应用已经发生了很大的变化，对于 这些塑料制品的加工及生产，传统的注塑机已不能胜任了。这类产品对注塑机模 精密注塑机控制系统设计 浙# l 大学硕士学位论文绪论 具、控制系统、注塑工艺都提出了更高的需求。目前，注塑机可分为肘杆式( 机 械式) 、全液压式、全电动式、电动液压复合式四类，这四类各有各的优缺点， 各有各的市场。在我国，产品结构不合理，肘杆式在市场中占有主导地位，而全 电动式注望机在国内还只是作为宣传的一种手段，目前没有一家企业正式批量生 产，仅作样品机进行宣传。这一问题的关键在于核心技术都掌握在国外厂商手里， 主要配件如伺服电动机和滚珠丝杆均依赖于进口，因此，附加值最大的部分被国 外厂商拿走，而且还有麻烦的售后服务难题f 3 1 。此外，电动液压复合式在国内 仍是空白。电动液压式注塑机作为一种集液压和电驱动于一体的新型注塑机， 它融合了全液压式高稳定性，重复精度高等优点和全电动式节能，无油污，噪音 少等优点，已成为当今精密注塑机发展的方向。 中国注塑机虽然发展很快、生产品种门类也较多，基本可以满足供给国内塑 料原料加工与塑料制品加工、成型所需的一般技术装备，个别产品也进入世界前 列，但与工业发达国家如德国、日本及欧美一些国家相比，中国注塑机还有一定 差距，主要表现在品种少、能耗高、控制水平低、性能不稳定等方面。目前，中 国注塑机产品还主要集中在通用的中小型设备上，技术含量低，大多属于2 0 世 纪8 0 一9 0 年代的低档产品，供大于求，机械制造能力相对过剩，企业效益下降。 特别是精密大型高档产品仍旧是空白，需要进口。据2 0 0 1 年统计，中国进口注 塑机使用外汇1 1 2 亿美元，而出口注塑机创汇只有1 3 亿美元，进口远远大于 出i ：。今后，随着我国经济的不断发展，对于高精度塑件的应用范围将不断扩大， 同时注塑机制造成本也会随之降低。中国是世界最大的信息产业市场，手机的外 壳9 0 以上的塑料件全部由国外塑机生产【1 1 ，以塑料为主要原料的数码产业， 国内的注塑机更是无缘问津。为了在世界塑料加工行业中站稳脚跟，精密注塑的 研究与产业化就任重道远了。 1 4 精密注塑机的控制策略6 】 注塑机是机电液一体化的系统，注塑机的控制器必须保证对注塑过程中的压 力、速度、位移、时间和温度等参数灵敏而准确地控制与调节，建立带有信号检 测并反馈的闭环控制，否则就难以保证制品在的注塑成型中保持稳定的重复精 度。控制策略主要有以下几个方面： 精密注塑机控制系统设计 4 浙ii ：大学硕士学位论文绪论 ( 1 ) 对注塑过程的参数精密控制 因对注塑成型参数的重复精度要求高，采用多级注射反馈控制：多级位置控 制、多级速度控制、多级保压控制、多级背压控制和多级螺杆转速控制。位移传 感器的精度要求达到0 1 m m ，这样可以严格地控制计量行程、注射行程以及余料 垫的厚度( 下一次注射射出监控点) ，保证每次注射量准确，保证在相应的尺寸公 差下成型。而且，精密注塑成型一般都采用较大的注射功率，这样既可以满足精 密注塑所需的注塑压力和注射速度，而且大的注射功率还会对制品精度起一定的 改进作用。精密注塑控制器需要很高的控制精度，高的控制精度能保证各种注射 工艺参数具有良好的重复精度，以避免制品精度因工艺参数波动而发生变化。 ( 2 ) 精密注塑要求其合模系统有足够的刚度。 制品精度会因为合模系统的弹性变形而降低，而且用于合模系统的压力大小 必须能够精确控制，否则不适合的合模力将会对塑料制品精度以及内在特性产生 不良影响。因此，对于精密注塑时，应该综合考虑模具刚度、系统刚度以及合模 力的大小以达到精确控制制品的精度的要求。尤其是对于平板薄壁的塑料产品， 如光盘、导光板等，当模具面积较大时，必须对导向柱进行挠度校核。 ( 3 ) 精密注塑必须对液压回路中的工作温度进行准确稳定的控制。 精密注塑需要对料桶、液压油、喷嘴三个部位的温度进行精密控制。料桶的 温度将直接影响料筒内熔料密度和粘度，是非常重要的工艺参数。液压油的温度 变化将改变其粘度和压力，从而使注射压力和流量等参数产生波动，无法满足精 密注塑的工艺参数，使制品失去应有的精度。此外，由于注塑机的喷嘴紧靠模具 型腔，喷嘴的温度对模塑制件也有重大的影响，需要稳定控制。 ( 4 ) 保证塑料塑化的均匀性。 塑料的塑化影响注塑件的成型质量，而且影响到熔融塑料通过浇口时所受阻 力的大小，为了得到均匀的塑化，设计专用的螺杆和使用专用的增塑技术必不可 少。另外，要保证对塑料计量精确控制，以保证注塑制品的重复性精度。 ( 5 ) 精确保压。 保压对精密塑件的影响非常大，它能较好地补缩，减小制件变形，控制制件 精度，保压压力的稳定性决定了制件的成型精度。同时，应该考虑模具的温度对 压力进行补偿，采用p v t 保压方式可以有效控制制品变形，稳定精度。 精密注塑机控制系统设计 浙江大学硕士学位论文绪论 1 5 课题研究的意义 国内注塑机工业发展迅猛，在产量上已经可以和国外大型注塑机厂相抗衡， 但是，由于我国注塑机的起步晚，虽然近年来像海天等一大批国内注塑机厂家积 极地发展，我国与国外的注塑机在自动化程度上的差距逐渐拉近，将传统的由继 电器分立元件控制的机型逐渐淘汰，开发了自主的电脑自动控制的注塑机。但是 在精密注塑方面了，还几乎是空白，精密注塑控制器都需要国外进口，极大地抑 制了我国精密注塑的发展。 目前，国内注塑机主要用于加工日常生活所用的塑料制品，如玩具等，因而 结构相对简单但控制精度低的肘杆式注塑机应用规模最大。造成这种局面使有原 因的，我国是塑料制品消费大国，对于塑料制品尤其是普通塑料产品有着庞大的 市场，而这类市场对注塑机加工精度要求较低，相应的企业进入门槛也比较较低。 国内注塑机企业在地理上与占据了先机，加上国内低成本的劳动力，使得塑料生 产的低端市场被国内塑机厂家所占领，同时向与我国类似的非洲、俄罗斯等国出 口。但是正是由于我国塑料产业链的特殊的结构也严重制约了国内塑机企业创新 动力，同时由于低端塑料机械的门槛低，这一领域的企业规模都相对小，产能过 于分散，造成市场低水平竞争。大部分企业都只能生产大多没有技术含量的日用 塑料制品和简单的工业用品，这样大部分下游制品根本没有能力提高注塑水平， 同时，企业的创新技术难以得到市场的回应，动力大受抑制，使得我国注塑机产 品主要集中在普通民用塑料制品的低端市场。这样，就造成了低端市场恶性竞争， 而高端市场，如专用注塑机、精密注塑机则无人去做，没钱去做。产业整体创新 能力薄弱，缺乏重要的核心技术。但是不能因为其有市场、应用规模最大而放弃 研究精密注塑机，仍要围绕提高稳定性、提高精度，效率和降低能耗对现有的注 塑机进行改造和升级。 当前，优化我国注塑机结构的出路，在于加大高精度、高技术含量注塑机的 投入与研发。注塑机的研究与开发的特点是开发周期很长、投入大，正常情况下， 从发明到出产品大约需要5 到1 0 年，因此，单单依靠企业自身的技术力量，还 是难以摆脱现状。为此，要优化我国注塑机结构，发展高精度、高技术含量注塑 机，国家给予了必要的扶持，设立专项技术资金，使企业与高校合作，使高校擅 长的控制系统设计，控制策略与算法等的优势与企业的丰富生产经验，过硬的加 精密注塑机控制系统设计 6 浙江大学硕士学位论文 绪论 工工艺相结合，提高注望机性能，为把我国打造成注塑机生产强国奠定基础。 1 6 本文所做的工作 我们设计了一套基于d s p 和a r m 的双核控制系统平台，设计相应的控制算法， 来研究精密注塑，为今后精密注塑机的自主生产打下基础。本文就是详细的介绍 精密注塑机控制器及其与液压系统接口配合的软硬件设计以及相关的控制问题。 具体包括： 1 选择适当的传感器及相应的a d 采样芯片，完成对信号的精确测量。 2 设计开发基于d s p 的控制器的硬件电路。 3 设计相应的驱动程序，配合硬件电路，完成如i o 控制，采样，d a 输出 等。 4 设计d s p 与a r m 之间的通讯协议，编写通讯程序。 5 编写注塑过程控制软件，配合底层驱动软件，完成各种注塑动作。 6 研究温度控制算法，提高控制精度。 精密注塑机控制系统设计 浙 1 ：大学硕士学位论文 精暂注塑机控制系统的硬件设计 第2 章精密注塑机控制系统的硬件设计 2 1 概述 注塑机控制系统是整机的一个重要组成部分，其控制性能之优劣，直接影响 注塑机的整体性能，因此，要想完成精密注塑，一个运行可靠，控制准确的注望 控制系统必不可少。 随着微型计算机技术的发展，以及嵌入式系统在注塑机上的应用，使得注塑 机的控制技术发展到一个新的水平。早期的注塑机多用单片机、分立元件和继电 器来构成控制系统，这类系统由于单片机的处理能力、计算速度极大地限制了控 制系统的处理能力，从而只能完成低精度，对控制需求不高的注塑。随着嵌入式 技术的发展，像d s p 、p l c 、a r m 等新型控制器陆续应用在了注塑机控制系统上1 2 1 ， 极大地提高了运算速度，增强了对实时过程数据的处理能力，而且随着芯片的集 成度的提高，像d s p 等都集成有相应的外设 2 7 - 3 0 l ，如s c i 、s p i 、c a n 、p w m 等接 口，省去了电路设计的麻烦，更重要的是节省了c p u 的开支，提高了系统的实时 性。 本文设计的控制系统选用d s p + a r m 的双处理器结构，构成上、下位机系统。 上位机以a r m 为核心，充分利用其可嵌入操作系统的优点，对液晶显示，键盘， 以及网络，u s b 等资源充分利周。良好的人机界面，可以方便的修改并存储模具 资料，如各段料筒温度设置，开锁模，射胶，熔胶等相应的位置、时间参数，以 及输出的压力流量等设置，并实时地保存在e e p r o m 中，断电亦不会丢失。注塑 机的运行历史数据，如各周期的压力，流量等也可以通过u s b 接口保存至u 盘， 或者通过网络上传至中央控制器( 微机) ，便于今后进行数据分析。下位机以d s p 为核心，采用t i 公司的t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 ，具有丰富的外设接口，系统时钟可达 15 0 m h z ，大大提高了系统运行的速度，满足注望机控制系统对多种任务的实时性 的要求。 精密注塑机控制系统设计 8 浙f i ：大学硕士学位论文精密注翠机拧制系统的硬件设计 2 2 精密注塑机控制系统的主要功能 2 2 1 信号的精确采集 ( 一) 模拟信号采集 模拟信号的精确采集是注塑机控制系统的重要功能，其为精密注塑提供当前 的状态。注塑机控制需要处理多种模拟信号，包括各个执行机构的位置信号及其 表征的速度信号，如射胶位置、开模位置、座台位置以及相应的速度；料筒各段 温度信号及液压油温度信号；各部分的压力信号，如喷嘴压力、射胶压力、保压 压力等。这些信号必须被控制系统准确及时地采集，才能保证控制的有效性与稳 定性。在实际生产中，注塑制品经常出现如充模不足、尺寸不稳定、翘曲变形、 飞边等缺陷，其主要原因还是由于控制系统没有严格控制相应的信号来满足成型 工艺要求。如对于位置信号，比如在射胶时，用于控制射胶螺杆的位移来控制熔 融物料的用量，用以保证精密注望计量准确；又如准确控制开锁模位置，是精密 注塑的必要条件，若位置不够准确，则可能产生不完全合模，不能完成注塑。又 如速度信号，为了得到密度均匀，应力小的塑料制品，必须严格控制速度来满足 注塑工艺要求。必须在熔融状态将物料快速充满整个模腔，如果此时射胶速度变 慢，充模时间长，制品容易产生冷接缝，密度不均，应力大等缺陷。但是，若是 射胶速度过快，熔融物料容易在浇注口处形成不规则的流动，并造成空气吸入和 排气不良等现象而直接影响制品的表面质量i m j 。 此外，料筒的温度是重要的工艺参数，是塑化装置的唯一外部供热，因此， 温度的采集及控制将直接影响精密注塑的质量。熔体温度主要由外部料筒的供热 和料筒内螺杆与塑料之间的剪切发热【1 3 】。一般通过采集各段料筒的温度并加以控 制相应的加热线圈来控制温度。若料简温度太低，塑料会在螺杆间产生不必要的 剪切力，并因此产生冷固化，这样会对机器造成损坏。若温度过高时塑料分子间 发生交联，会使组织疏松，并产生发泡现象，这在精密注塑中是不允许的。料筒 温度的选择应保证塑料塑化良好，并能够顺利实现注射而不引起分解，但不同的 塑料，不同制件，其熔融、分解机理不同，如薄壁制件的型腔比较狭窄，熔体注 入时阻力大，冷却快，因此为了顺利充模，料筒温度应选择高一些；相反，对于 注射后壁制件时，则应该适当降低料筒温度。 精密注塑机控制系统设计 9 浙江大学硕士学位论文稀暂注颦机拧制系统的硬件设计 ( 二) 数字信号采集 数字信号主要是指注塑机执行系统部分的限位开关状态，用于保证动作在可 控的范围内执行，如安全门，开模限位、锁模限位，油位检测、电眼开关、机械 手等。数字信号与模拟信号一样需要准确无误，既要避免噪声干扰而误操作，同 时也不能太不敏感，而使限位开关失去作用。 2 2 2 用于液压系统的数字输出及模拟输出【1 1 l 为了保证注塑机能够按照工艺要求( 压力、速度、温度、时间和位置) 和动 作顺序( 合模、注射、保压、冷却、开模、顶出) 准确有效地完成注塑的工作，除 了注塑机控制器本身外，还需要有动力机构来执行相应的动作。由于液压系统具 有对变化的负载具有极高的稳定性，动力执行机构一般采用它。 液压系统主要有油泵、各种阀类元件以及液压油路组成。控制器需要给液压 系统相应的模拟信号( 压力，流量等) ，以及对应的阀开关，来控制其动作。因 此，注塑机控制系统需要设置相应的开关信号及模拟信号，用于液压系统的控制。 如图2 - 1 ，为油路系统组成图，其由主回路、执行回路及辅助回路系统组成。 主回 路系 统 图2 - 1 油路系统组成图 附：1 合模油缸；2 滑模油缸；3 顶出油缸；4 注射座油缸； 5 注射油缸；6 液压马达； 7 ，8 ，9 ，10 ，1 1 ，1 2 分别为油缸的控制模块( c l j ) 、指令模块( c m ) ； 13 系统压力( p ) 、流量( q ) 的控制和指令模块； 精密注塑机控制系统设计 l o 行路统执回系 浙江大学硕士学位论文精密注塑机拧制系统的硬件设计 1 4 泵；15 电机( m ) ；16 进油过滤器； 1 7 一油冷却器；1 8 一油箱； p 迸油管路( 高压) ；t 回油管路。( 低压) 其中，油路主线( p 、t ，p ) 的上部分是执行回路系统，下部分是主回路系 统及辅助回路系统。执行回路与主回路之间是通过进油管路p ( 高压) ，回油管 路t ( 低压) 以及控制回路p ( 高压) 形成“连接网络”。执行回路系统是由各执 行机构( 油缸) 和指令及控制装置( 电磁阀) 构成。其作用是将进入管路p 的高 压油按照程序指令放到油缸的左腔或者右腔当中去，并由此推动活塞杆执行动 作。高压油进入的时间、顺序和位置都是通过电磁换向阀来改变的，工作指令( 即 控制器输出的开关信号) 发给电磁阀的电磁铁，控制其阎芯动作，将控制油路( p ) 的高压油进入换向阀并推动阀芯动作，将主油路高压油接通到相应的油缸中；而 各油缸中的回油经过回油管路t 及辅助油路系统回到油箱。主回路系统由动力源 和电路控制模块组成。动力源系统( 电机、油泵) 产生油压( p ) 和流量( q ) 为 液压系统提供动力，电路控制模块( 压力阀、流量阀等) 负责控制液压油的流动。 从油泵来的高压油，通过改变相应的流量阀，压力阀的推力及开度( 由控制器的 模拟量输出来控制) ，从而改变进入主管路的高压油的压力、流量以及时间。 控制器必须具有足够的开关量输出信号来控制电磁阀，以及模拟信号来控制 相应的流量阀、压力阀，才能完成注塑动作的执行。同时，还应该设置一些开关 量的输入信号，用于反应当前系统的状态，如报警、开模限位、机械手完成、安 全门开或关等信号，用以判断某一注塑动作是否完结，或者移动是否到位，以保 证注塑过程的安全。 2 2 3 通讯功能 通讯功能分为两个部分：内部通讯，主要是指上位机的a r m 系统与下位机的 d s p 的系统基于串1 3 的通讯；外部通讯，则是指上位机通过网络连接终端p c 上， 这样可以对多台注塑机进行监控。内部通讯是注塑机控制器的重要部分，其实时 性不仅关系着注塑过程的状态显示，更关系着注塑机的安全工作，指令的快速相 应等。 注塑机的内部通讯功能主要有以下几个方面： 1 传输模具资料。 精密注塑机控制系统设计 浙江大学硕士学位论文精密注塑机控制系统的硬件设计 模具资料是根据注塑工艺的要求，对相应的参量进行设置的资料。如料筒设 置温度、开锁模压力流量、保压时间等，这些参数都应根据不同的制品按照工艺 要求通过上位机的键盘与液晶屏进行设置，然后保存在e e p r o m 中，保证断电之 后不需重新设置，注塑机上可以设置多套模具资料来完成不同制品的注塑。同时， 还有一些是注塑机的出厂设置的参数，如位置尺零点、压力流量的非线性调整、 默认模具资料等，这些参数跟注塑机硬件相关，对于不同的模具资料，这部分参 数是保持不变的。 2 传送操作指令并监控下位机状态。 注塑机的操作面板都是由上位机的a r m 系统负责的，通过判断相应的键，将 指令传送给下位机，使下位机完成具体操作，同时下位机需要实时地将系统信息 反馈给上位机，然后通过液晶屏显示出来。如当前的开模位置，操作时间，当前 动作、报警信息等，这些信息实时性非常强，因此通讯模块的传输速度应在保证 正确无误的前提下尽量快。 3 校正系统参数。 在系统完成后，需要对相应的信号进行校正，如温度信号的非线性校正，对 应压力、流量模拟量输出也需要进行非线性校正。需要通过控制面板，打开校正 命令，调节下位机相应位置的电位器进行校正。这些资料由于跟系统密切相关， 而且基本上是出厂时设定的，只有比较熟悉的注塑机系统的操作人员才可以对相 关参数进行修改。因此为了避免无关人员或者操作人员对相关参数意外修改，将 这些其设置了密码，只有输入正确密码后才可以对这些参数进行修改。 2 2 4 注塑控制功能及其他功能 注塑控制是注塑机控制的主要功能，包括开模、锁模、射胶等，是基于上述 三个功能对注塑机进行整体控制。在硬件上不需要额外的设计，主要是基于软件 上的设计，这部分内容将在软件设计部分详细叙述。 此外，上位机还具有数据保存及上传服务器等功能，可以对注塑机的运行数 据记录下来，为今后优化工艺参数，设计专家系统提供数据基础，同时相关的记 录也便于注塑机的维修与养护。 精密注塑机控制系统设计 浙江大学硕士学位论文精密注颦机控制系统的硬件设计 2 3 精密注塑控制系统构成 精密注塑控制系统采用d s p 控制，负责对注塑过程中的各个参量进行控制， 包括控制多路的数字输入输出，模拟的输入输出，以及与上位控制面板进行通讯 等。 d s p 采用t i 公司的t m s 3 2 0 f 2 8 12 ，它是t i 公司2 0 0 0 系列的产品，是基于 t m s 3 2 0 c 2 8 1 x 内核的定点数字处理器。芯片上集成了多种外设，如p w m 、定时器、 s c i 、s p i 、a d c 、c a n 控制器等，在运动控制领域应用中非常方便。2 0 0 0 系列的 d s p 具有很高的运算精度( 3 2 位) 和系统处理能力( 高达1 5 0 m i p s ) ，同时该处 理器还集成了1 2 8 k 的f l a s h 存储器，4 k b 的r o m ，数学运算表和2 k b 的o t pr o m ， 大大提升了应用的灵活性。c 2 8 1 x 处理器内核包含了一个3 2 3 2 位的乘法累加 器( m a c ) 单元，能够完成6 4 位的数据处理，从而使处理器能够实现高精度的处 理任务，这在精密采样及其控制非常方便，在保证对采样数据以高精度计算的同 时不耗费额外的运行周期 2 7 - 3 1 】。此外，c 2 8 1 x 处理器采用c c + + 编写软件，其 效率非常高，可以非常方便地开发注塑过程函数以及其他处理函数。 精密注迥机控制系统设计 浙江大学硕士学位论文精街注塑机拧制系统的硬件设计 漉譬蹰、驻办 阀。拄摄i 参甥艇 逆行”颀礁，射 腔，灏铮等动纷 2 3 1 传感器选择 图2 - 2 精密注塑机控制系统总体结构框图 传感器的选择是系统完成相应功能的重要保证，因此需要选择适当的传感 器，需要考虑其精度以满足控制的要求，考虑电特用以设计其后的信号转换电路 及a d 采样芯片。传感器主要包括温度传感器、位置传感器、压力传感器。 ( 一) 温度传感器 温度传感器采用的是热电偶，热电偶具有结构简单、适用温度范围广、使用 方便、承受热、机械冲击能力强以及响应速度快等特点，非常适合像注塑机料筒 这样微小的结构测温场合，其采样精度也足以胜任注塑机温度控制的要求。 精密注塑机控制系统设计 浙江大学硕士学位论文精街注塑机控制系统的硬件设计 热电儡名称分度哥汪宣泡麓t )熬电特佳l j ；线窝 铀铑。- 铀铑。3o l o 铂铑二r 铀so 1 3 0 0 钧铑。r i 钧 r0 - , - 1 3 0 0 6 0 5 0 镰铬嚷琏置o 1 2 通 皋 o 奄 镶铬一钢镶( 囊铜)eo 7 5 0蒸3 0 2 0 铁一铜镶( 囊铜) j o 7 5 0l o 锕一铜镶( 康钢)t2 0 0 3 5 0 甲2 0 0 瑚黜8 0 0 混发1 0 0 ，0 。1 2 0 0 h 1 6 0 0 1 8 绷篮 热电锅鹩热屯特性i ； i 线( 参考端a ) 镰铬硅一镍砖镁 n仔一1 2 蜘b r 豫e 2 5 钨铼 0 - 2 3 0 0 张e r 2 6 表2 - 1 分度规格及特性表 根据表2 1 以及注塑机的料筒温度一般不超过5 0 0 ，选择j 型铁一铜镍 热电偶。此外，选择l m 3 5 作为室温的补偿以及在软件编程上对温度曲线的非线 性进行修正。 ( 二) 位置传感器 位置信号，一般注塑机采用位置尺来测量，其原理与电位器相似，输出电压 信号，结构简单，易于实现，对于普通位置采样，如开锁模位置等精度要求并不 是很高，可以采用位置+ 基准电压+ a d 采样来实现位置采样。但是，对于射胶 部分的位置采样则需要更高精度，要达到0 0 1 - 0 1 m m ，对于射胶部分的位置和 速度控制将直接影响制品内在和外在质量。由于传统的位置尺一方面参考电压的 精度将直接影响信号精度，在注塑加工现场，会有复杂的电磁及电压波动干扰， 将直接影响测量精度；另一方面，由于电子尺信号一般经前端放大器整定到一个 固定电压送入a d ，一般为5 v ，对于大型注塑机来说，电子尺可能很长，有的长 达2 5 0 0 m m ，甚至更长。以1 0 0 0 m m 的尺子为例，0 1 m m 对应的电压值即为0 5 m y ， 这样相对来说，提高了a d 采样分辨率，p c b 布线的难度，同时对电源也提出了 更高的要求。除此之外，传统注塑机的位置尺还有接触式测量传感器的通病，即 存在稳定性差，易磨损，安装复杂等问题。 因此，对于射胶位置尺采用非接触式的磁致伸缩式位移传感器如图2 - 4 所 精密注塑机控制系统设计 * “ 学m 论z 精$ 帆拧“系件* 示，可以宴现大尺度范围内的精密测量。该传感器还配备有c a n ，s s l 等数字接 口，采用数字传辅，最大程度上减步了精度损失。 r o dm o d e l t e r n p o s o n i c s r h 图2 - 3 磁致伸缩位移传感器 磁致伸缩技术原理是利用两个相互正交的磁场在相交时会产生一个应变脉 冲，以此基础来测量位置信号。磁致伸缩位移传感器设置了两个磁场，一个是在 传感器外面的活动磁铁，另一个是由传感器内波导管的电流脉冲产生。当两个磁 场相遇时，所产生的一个应变脉冲会以声波的固定速度返回电子部件的感测线 圈，计算这个信号被探删所需要的时间周期，即可换算出准确的绝对位置。这个 过程是由传感器头部的控制器所控制的，是连续不断的，所良当活动磁铁改变位 置时，新的位置数据很快就会被测算出来利用测量脉冲的运行时间间接计算所 得是一个绝对的位置读数，而不像传统位置传感器的信号，需要再放大处理，这 样就不存在信号飘移或变值的情况，也不必定期重新标定或担心断电后归零的问 题此外，非接触式的测量避免了机械磨损的问题，从而保证了最佳的重复性和 持久性该传感器非常适合在内置高压的液压或气动环境中使用，具有很强的抗 震性能，测量精度可以达到5 0 u m ，整体线性度不超过10 u m ，且采用数字接口传 输，可以最大限度的保证位置采样的稚确性不受损失。 ( 三) 压力传感器 压力信号的测量对于注塑过程来说也非常的重要，选择适当的压力传感器主 要从以下几个方面考虑： o 最大承受压力，一般选择采样压力的最大值的15 倍，以防止尖蜂压力 精注$ 机“东m 设计 答 身纂 痧痧 浙江大学硕士学位论文 精密注颦机挣制系统的硬件设计 脉冲缩短传感器器的寿命，甚至直接损坏。 o 工作温度，与物理设备系统一样，压力传感器只有在一定的温度范围内 才能达到标称的转换精度。一般压力传感器是用于喷嘴，开模，背压的压力采集， 这些部位的温度一般和料筒的温度相差无几，因此选择能够工作在2 0 0 c 左右的 压力传感器。 o 传感器的时间稳定性，传感器在使用的过程中对其物理介质会有不同程 度的损害，因此要选择具有时间稳定性长的传感器，保证系统能够长期正常运作。 2 3 3 控制系统设计 注塑机控制器是基于d s p 的控制系统，是精密注塑机的核心部分。控制系统 首先监测注塑各部分的位置、压力、温度等参数，再通过控制算法与注塑要求完 成相应的注塑动作，如开模，锁模，射胶，溶胶等。下位机系统主要分为五个部 分，电源、i o 、a d 采样、d a 输出、通讯。 ( 1 ) 电源【2 3 】 电源是控制器能量的源泉，是控制系统的基石，因此对于电源的要求需要可 靠、稳定、高效率。注塑机整体电源的输入为三相交流电，而对于控制器电源则 为+ 2 4 v 直流电源，由于注塑机是强电弱电都涉及的控制系统，因此对于不同控 制模块之间的电源需要隔离，避免因强电的波动干扰而使弱电系统如d s p 不能正 常工作。整机控制系统的供电策略如图2 3 。 精密注塑机控制系统设计 1 7 浙 1 = 大学硕士学位论文精密注塑机拧制系统的硬件设计 广一。一一一一一一一一一 i曰 l i i i l i l l i凹 ：控制系缓电源输入 电源t 翘路 + 5 vd c & 踅f 品号 镌端被人投聚样 f 睦滋f 【l 路 一r 一 u o o o n 燃换li 蹴 d a 输出艇髂譬变换li 触e 韬。h 毂 蜮士5 v 士5 v 鬻h 隐描鼹样 d c iie 每端放人及采样 麓乎d s p 鹾s t 位祝系统 图2 - 3 电源配置简图 总电源大部分用于液压控制系统，如电机、油泵、电磁阀等，另- j l , 部分经 过开关电源得到多路相互隔离的+ 2 4 v 、i2 v 直流电源分别用于控制器各部分电 路。一路2 4 v 用于1 0 的功率放大和d a 芯片以及模拟电压、电流的输出。另一路 + 2 4 v 作为数字电路的总电源，一部分用于下位机d s p 系统，另一部分用于上位 机a r m 系统。此外，温度信号处理部分，包括前端放大和采样，采用独立电源， 由总电源经过变压器再整流得到。 之所以采用这样的策略，是基于以下几个原因： 1 将一路2 4 v 电源作为数字电路的电源，然后经过变换得到+ 1 8 v 和3 3 v 分别为d s p 的内核及外围供电，由于d s p 工作的频率较高，因此肯定会产生高次 斜波以及电压波动，若是和其他模拟器件共地，则会对其造成很大干扰，其结果 就是采样误差变大，信号线性性能变差等。因此以d s p 为基础的数字系统需要与 其他系统隔离。但是由于位置采样芯片需要多路电源，包括数字电源，也包括模 拟电源，且数字地与模拟地最大不能有3 0 m y 的偏差，因此将该系统的电源与d s p 的数字电源系统连接，但是为削弱其互相影响，在数字电源与模拟电源之间串接 磁珠。 2 另外一路+ 2 4 v 电源用于i o 信号的功率放大，用以驱动液压系统的电磁阀 以及继电器，这些元器件工作在导通与关闭状态，使电流电压突变，产生了大量 精密注塑机控制系统设计 1 8 豢 浙i i ：大学硕士学位论文精密注塑机控制系统的硬件设计 的电磁辐射能量，因此也必须同d s i ： 等需要稳定电源的器件隔离。 3 由于温度传感器热电偶是安装料筒上的，与料筒加热装置距离较近，而且 加热线圈电源为2 2 0 v 的交流电，为