（机械电子工程专业论文）基于仿真的注塑翘曲参数优化方法的研究.pdf

摘要 摘要 本文以注塑翘曲缺陷为例，以注塑仿真软件m o l d f l o w 为研究工具，对注塑参 数的优化方法进行了研究，解决了注塑参数优化过程中注塑缺陷定性、离线参数 优化和参数偏移优化问题，形成了一套比较系统的注塑参数优化方法。 首先，对注塑参数优化方法进行了归纳和总结，并对注塑过程和注塑参数进 行了介绍。同时详细介绍了翘曲缺陷产生的原因，以及m o l d f l o w 翘曲分析的步骤。 其次，利用田口实验设计方法研究了注塑翘曲参数的优化。分析了以信噪比 作为特征数衡量质量时，各注塑参数对翘曲缺陷的影响程度，得到并验证了最佳 因素水平组合。 再则，将田口实验设计和径向基神经网络有机结合起来，利用正交试验为神 经网络提供训练数据和各注塑参数对翘曲的显著性和趋向性，然后对各参数值做 恰当调整后，输入径向基神经网络进行翘曲的离线预测，完成参数逐步优化的过 程。 最后，本文结合田口实验设计、径向基神经网络和模糊理论这几种方法对注 塑过程中翘益偏移进行了优化。建立翘曲偏移量为输入，参数偏移量为输出的径 向基神经网络，在对它的输入输出向量模糊化为模糊集后，产生模糊条件语句； 最后根据m a x d o t 推理和反模糊算法推理出相应注塑参数的调整量，在一定程度上 实现对翘曲缺陷偏移问题的解决。 论文最后对全文所展开的研究工作进行了总结，并指明了未来的研究方向。 关键词：注塑参数；田口实验；神经网路；模糊理论 广东工业大学硕i j 学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ei n j e c t i o no fm o u s ea sa l le x a m p l e ，t h i sp a p e rc o n d u c t ss t u d yo ni n j e c t i o n p a r a m e t e ro p t i m i z a t i o ni np l a s t i ci n j e c t i o nm o l d i n gt om i n i m i z i n gp r o d u c tw a r pb y u s i n gm o l d f l o wi n j e c t i o nm o l d i n gs i m u l a t i o ns o f t w a r ea st 0 0 1 as y s t e m a t i ca p p r o a c h i sp r o p o s e df o ri n j e c t i o nf a u l t sc o n f i r m a t i o n ，o f f - l i n ep a r a m e t e ro p t i m i z a t i o n ，a n d p a r a m e t e r sd e v i a t i o no p t i m i z a t i o n f i r s t ，i n j e c t i o np r o c e s sa n di n j e c t i o np a r a m e t e r sa r ei n t r o d u c e di nd e t a i l ab r i e f r e v i e wi sm a d ea b o u tt h eo p t i m i z a t i o nt e c h n i q u e sf o ri n j e c t i o np a r a m e t e r s t h ef a c t o r s t h a ta f f e c tw a r pi ni n j e c t i o nm o l d i n ga r ea n a l y z e da n dh o wm o l d f l o wi su s e dt od o i n j e c t i o nw a r pi sp r e s e n t e d s e c o n d l y ，t a g u c h ie x p e r i m e n td e s i g nt e c h n i q u ei su s e dt oo p t i m i z ei n j e c t i o n p a r a m e t e r so fw a r p w h e ns i g n a l - t o n o i s er a t i oi su s e da sam e a s u r eo fq u a l i t y ，t h e e f f e c t so f 画e “o np a r a m e t e r so nw a r pf a u l tc a nb ed e s r i b e d ，a n dt h eb e s tl e v e l c o m b i n a t i o no fd i f f e r e n tf a c t o r sc a nb eo b t a i n e d t h i r d l y ，t a g u c h ia n dr 。a d i a lb a s i sf u n c t i o na r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ( r b f ) a r e a p p l i e df o rt h eo p t i m i z a t i o no fi n j e c t i o nm o l d i n gp a r a m e t e r si ns e n s eo fp r o d u c tw a r p o a h o g o n a le x p e r i m e n tp r o v i d e st r a i n i n gd a t at h a tg i v et h es i g n i f i c a n c ea n dt r e n do f i n j e c t i o np a r a m e t e r sf o rr b fn e t w o r k t h ec o r r e l a t i v ep a r a m e t e r sv a l u e sa r ea d j u s t e d p r o p e r l y t h e nt h e ya r ei n p u t e dt or b fn e t w o r kf o ro f f - l i n ew a r pf o r e c a s t i n g i nt h i s w a y ，t h ei n j e c t i o np a r a m e t e r sa r eo p t i m i z e dg r a d u a l l y f o u r t h l y ，t h i sp a p e rc o m b i n e st a g u c h ie x p e r i m e n td e s i g n ，r b fn e u r a ln e t w o r k ， a n df u z z yt h e o r yt oo p t i m i z ew a r pd e v i a t i o ni ni n j e c t i o np r o c e s s r b fn e u r a ln e t w o r k w i t hw a r pd e v i m i o na si n p u ta n di n j e c t i o np a r a m e t e r s d e v i a t i o na so u t p u ti se m p l o y e d t op r o d u c ef u z z yr e g u l a t i o n w a r pa n di n je c t i o np a r a m e t e r sa r ed e f i n e da sc o r r e l a t i v e f u z z ys e t s b yu s i n gm a x d o tf u z z yr e a s o n i n gi n f e r e n c ea n da n t - f u z z ya l g o r i t h m ， c o r r e s p o n d i n ga d j u s t m e n tv a l u e so ft h ei n j e c t i o np a r a m e t e r sc a nb eo b t a i n e d f i n a l l y ，c o n c l u s i o n sa n df u t u r es t u d yd i r e c t i o n sa r ep r e s e n t e d k e y w o r d ：i n j e c t i o np a r a m e t e r s ；t a g u c h ie x p e r i m e n td e s i g n ；a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ； f u z z yt h e o r y i i 广东t 业大学硕j ：学位论义 独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是 我个人在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知， 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含他人已经发表或 撰写过的研究成果，不包括本人或其他用途使用过的成果。与我一起工 作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明，并表 示了谢意。 本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师的指导下取 得的，论文成果归广东工业大学所有。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任，特此 声明。 指导老师签字影商丙弓琶鸡箩 论文作者签手：仇黝纱、 二零零八年五月六日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究的背景 塑料是指以树脂( 或加工过程中用单体直接聚合) 为主要成分，以增塑剂、填 充剂、润滑剂、着色剂等添加剂为辅助成分，在加工过程中能流动成型的材料。 塑料与其他材料相比，有着无法比拟的优势：大部分塑料的抗腐蚀能力强，不与 酸、碱反应；制造成本低；耐用、防水、质轻；容易被塑制成不同形状；是良好 的绝缘体。因此塑料成为与钢材、水泥、木材并驾齐驱的基础材料产业，作为一 种新型材料，其使用领域己远远超越上述三种材料。 注射成型是使热塑性或热固性模塑料先在加热料筒中均匀塑化，而后由柱塞 或移动螺杆推挤到闭合模具的模腔中成型的一种方法口1 。注射成型几乎适用于所 有的热塑性塑料。近年来，注射成型也成功地用于成型某些热固性塑料。注射成 型的成型周期短( 几秒到几分钟) ，成型制品质量可由几克到几十千克，能一次成 型外形复杂、尺寸精确、带有金属或非金属嵌件的模塑品。因此，该方法适应性 强，生产效率高。 注塑成型具有生产周期短、生产效率高、能成型形状复杂、尺寸精确或带嵌 件的制品以及易于实现自动化等特点。生产优质的注塑制品所涉及的生产因素很 多。一般来说，当提出一件新制品的使用性能和其它有关要求后，首先应在经济 合理和技术可行的原则下，选择最合适的原材料、生产工艺、设备和模具结构。 在这些条件确定后，工艺条件的选择和控制就是主要考虑的因素p 1 。 注塑过程中对工艺条件的控制主要通过注塑参数的设定来进行。一旦机器、 原材料、模具、环境温度以及其他辅助环节确定的情况下，注塑参数的设定对制 品的品质有着直接的影响卜5 1 。但是由于机器设备种类、个体的差异，原材料的千 差万别以及模具形态复杂程度的不同p 1 ，使得相互耦合的注塑成型参数的设定变 得非常的复杂，浪费大量的人力物力。例如在注塑机和塑料确定，而模具更换的 情况下都将引起全部过程的重新求解。这些原因使得注塑制品质量的控制，特别 是注塑工艺参数的选取非常困难。当前，注塑参数的设定基本上依赖调模人员的 广东工业人学硕十学位论文 知识和经验。 通常情况下，在试模阶段注塑调试人员需要花较长的时间，通过“凑试法” 决定注塑参数，来制造合乎质量要求的制品。时间的长短取决于调模人员的经验。 而一般情况下，成为一个合格的调模人员需要1 0 2 0 年的制造经验1 。这样带来的 后果就是：培养一名有经验的调模人员花费巨大；调模人员本身可能也无法理解 调模的依据，只是凭他们的经验去调整参数，因此他们也很难向他人传授；由于 调模人员经验积累的长期性和技术复杂性，容易导致人员流动的频繁性，一旦有 经验的调模人员离职，往往会造成生产的停顿；传统的调模方法时间长、物料浪 费严重、占用机器等资源，在竞争激烈的当今社会下，必然影响制品的品质、交 货期，削弱企业的竞争力。 因此为了缩短调模时间，减少浪费，提高制品质量，需要开发一套新的方法， 来设定合理的注塑参数，制造出质量合格的制品。一般注塑参数的设定分为两个 阶段：初始参数的设定和消除缺陷的参数设定。许多学者已经对这两个阶段的参 数设定进行了一定的研究，例如文献 6 i n 用基于范例推理的系统来解决注塑初始 参数设定，文献 7 】应用人工神经网络与混合遗传算法结合优化注塑成型工艺，以 改善制品质量。文献 8 利用遗传算法确定了洗衣机顶盖模型最优的模具温度、熔 化温度和填充时间，使其的性能达到最好。 1 2 国内外研究现状 塑料作为一种性能优异的材料，其应用的领域也不断扩大，由最初作为绝缘 体来使用，日益扩展到生活和生产的各个领域中。尤其是塑料新材料和注塑新技 术的发展，建筑、机械电子、交通甚至航空领域都能见到它的身影。因此对塑料 制品的质量也提出了更高的要求，由此给研究人员和工程技术人员带来了更高的 挑战一1 。研究人员对注塑制品存在的各种质量问题如收缩、熔接缝等，从产品设 计、模具设计、加工工艺参数等各方面进行了大量研究，从各个角度提出了许多 预测和提高注塑制品质量的技术方法。尤其是在加工工艺参数优化方面，研究人 员提出了很多富有成效的注塑制品质量改善方法，目前比较成熟的方法有人工神 经网络、遗传算法、模拟退火法、基于范例的注塑参数优化等。以下对注塑参数 优化的研究进行详细说明。 2 第一章绪论 1 2 1 基于人工神经网络的参数优化 人工神经网络( a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k s 或a n n ) 实际上是由大量简单元件( 称 为神经元) 相互连接而形成的复杂网络，具有高度非线性，能够进行复杂的逻辑操 作和模拟复杂的非线性系统”0 。b p ( b a c kp r o p a g a t i o nn e t w o r k s 或b p n ，即反向传 播网络) 网络是目前大量采用的一种网络模型，具有自组织、自学习和联想记忆等 功能，同时容错性能也很好，是新一代信息处理工具1 。在隐层神经元数量足够 的情况下，带有偏差、具有至少一个s 型隐层加上线性输出层的b p 网络能够逼近 任意复杂的非线性函数卜乃。工程上，人工神经网络应用于注塑参数值的快速预 测对于迅速准确地确定合理的工艺参数，减少参数调试时间，减少人工、材料的 浪费，提高工效和制品质量具有实际意义。如文献 1 4 探讨了b p 人工神经网络技 术在注塑成型工艺参数快速预测中的应用，建立了如图1 1 的预测优化流程。 图1 1b p 神经网络参数预测流程图 f i g u r e 1 1t h ef l o wc h a r to fi n je c t i o np a r a m e t e rf o r e c a s tb a s e do nb p 广东工业人学硕t 学位论文 1 2 2 基于遗传算法的参数优化 遗传算法( g e n e r i ca l g o r i t h m ) 是一类借鉴生物界自然选择和自然遗传机制的 随机化搜索算法，其主要特点是群体搜索策略和群体中个体之间的信息交换，搜 索不依赖于梯度信息，因此具有计算上的并行性5 1 。遗传算法对于最优化问题的 求解具有较低的要求，仅要求问题的目标函数是可度量的。遗传算法的运算过程 称为遗传操作( g e n e t i co p e r a t i o n ) ，采用字符串表示解法中的合适候选者的办 法把一系列候选的解p f 表示成某个种群的第，代成员。这个种群按事先定好的代 数，在某种进化规律的控制下向前进化，直到算法停止，得到一个解。与一般启 发式方法相比，提高了获得最优解的概率。 在注塑参数优化领域，文献 16 把遗传算法这一在处理非线性问题和存在局 部最优解的大范围空间中具有强大功能和鲁棒一 生( r o b u s t n e s s ) 的搜索方法应用到获 取合适的注射时间、冷却时间、注射压力等参数的优化问题中，取得了良好的效 果。作者以注射温度、模具温度、最大注射速率以及最大注射压力为设计变量向 量的分量。，通过对设计变量进行1 6 位二进制编码，以个体按适应度比例方法 ( f i t n e s sp r o p o r t i o n a lm o d e l ) 甚p 赌轮选择进行交叉运算，并且用较小的概率选定参 与变异的个体，变异位置随机确定为原则进行变异运算。在群体规模取8 0 ，交叉 概率为0 5 ，变异概率为0 0 0 1 ，最大进化代数为1 0 0 的情况下，运算结果表明：随 着遗传代数的增加，各代群体中最大适应度向好的方向发展。分析数据还表明， 整个群体的适应度也向好的方向变化。 遗传算法具有隐含并行性和对全局信息的有效利用能力这两大显著特点，前 者使遗传算法只需检测少量的结构就能反映搜索空间的大量区域，后者使遗传算 法具有鲁棒性，因而非常适用于处理传统搜索方法解决不了的复杂和非线性问题。 遗传算法应用中的简单、高效使其得到迅速的发展，应用范围也不断扩大。 1 2 3 基于模拟退火法与爬山法的参数优化 1 9 8 2 年，k i r k p a t r i c k 等将退火思想引入组合优化领域，提出一种解大规模组 合优化问题，特别是n p 完全组合优化问题的有效近似算法：模拟退火算法 ( s i m u l a t e da n n e a l i n ga l g o r i t h m ) 。它源于对固体退火过程的模拟，采用m e t r o p o l i s 接受准则，并用一组称为冷却进度表的参数控制算法进程，使算法在多项式时间 里给出一个近似最优解。固体退火过程的物理图像和统计性质是模拟退火算法的 4 第一章绪论 物理背景，m e t r o p o l i s 接受准则是使算法跳离局部最优的陷阱，冷却进度表的合理 选择是算法应用的前提”。爬山法也是常用的搜索方法，它和解析法一样，都是 寻找局部最优解的方法。对于爬山法而言，只有当更好的解位于当前解附近的前 提下，才能继续向较优解搜索。对于具有单峰分布的解空间，爬山法是行之有效 的搜索算法，而对于多峰空间，爬山法和解析法都很难跳出局部最优解。 文献 1 8 结合模拟退火法和爬山法对电钻塑料外壳注塑模的浇口位置进行了 优化研究。利用模拟退火法在m e t r o p o l i s 接受准则下可能跳离局部最优解“陷阱 的能力和爬山法搜索效率高的特点，作者建立了浇口位置优化模型。利用注射结 束时温度场中的最大温差，引起塑件密度不均匀的熔体过压缩单元数，剪切摩擦 引起的熔体过热单元数，这三个因素的加权和作为目标函数。在该混合搜索法中， 爬山搜索可认为是模拟退火搜索中的子搜索，爬山搜索应用于模拟退火搜索随机 选择的初始浇口位置，以获得局部最优解，这些最优解又送回模拟退火法作进一 步迭代计算，如此循环直至获得全局最优解。最终结果表明该混合算法优化效果 明显，与其他几个算法对比在计算时间上有明显优势，表现出良好的适应性。 1 2 4 基于范例的参数优化方法 基于范例韵推理( c a s e b a s e dr e a s o n i n g ) 是由s c h a n k 于1 9 8 2 年首先提出的。基 于范例的推理是利用过去的具体事例来求解新问题，而不用依赖于问题领域中的 一般性知识或在问题描述与结论之间建立般性联系。对于复杂的问题，其知识 获取比较困难，所以范例推理便成了一条可行的新途径1 。 图1 2 基于范例的系统结构 f i g u r e1 2s y s t e ma r c h i t e c t u r eo fc b r s 在注塑参数优化领域，文献 6 】提出了一个范例推理的注塑参数优化系统，来 广东t 业大学硕i j 学位论文 解决注塑参数的设定问题。其系统结构如图1 2 所示。用户输入界面允许用户把一 些数据和信息，比如重要的索引输入该系统中。范例库是任何基于范例系统必需 的组成部分，它用来以结构化的方式存储以往的注塑案例。基于范例的推理机是 该系统的核心部分，主要承担范例搜索、范例匹配、相似性分析以及范例修正等 功能。编辑界面允许用户访问范例库、编辑范例。图1 3 显示了该系统推理的基本 算法。 图1 3 基于范例系统的基本推理算法 f i g u r e1 3b a s i ca l g o r i t h mo fr e a s o n i n gi nt h ec b r s 1 2 5 基于模糊逻辑的参数优化方法 注塑机系统是一个多变量、分布参数、离散、间歇工作、大滞后、非线性、 强耦合且需要人参与的复杂大系统p 1 ，注塑机系统中许多问题很难用传统的定量 模型来描述，建立其精确的数学模型非常困难甚至是不可能的。其注塑参数的确 定，很大程度上依赖人类专家的经验和智慧。模糊推理的思想特别适合应用于数 学模型难于建立甚至无法建立的场合，擅长人类的思维及推理模式，将语言变量 用于解决实际问题。 6 第一章绪论 在实际生产中，一个注塑件往往存在多个缺陷，各个缺陷的严重程度不同。 文献【2 2 】通过设定缺陷模糊向量代表各种缺陷类型和缺陷程度，设定原因模糊向 量代表引起缺陷的原因，进而通过模糊关系矩阵建立注塑件缺陷到缺陷原因的转 化，对生产中出现的缺陷进行诊断和消除。 文献 2 3 以注塑机料筒设定温度与测得的温度偏差e 及偏差的变化率e c 为输 入，电热丝的加热量嗍输出建立8 条模糊规则。其中将温度的偏差e 分成5 个模糊 子集b ( 大) 、m ( e e ) 、双小) 、z ( 零) 和( 负) ；将温度偏差的变化率e c 分成3 个模糊子 集尸( 正) 、z ( 零) 和( 负) ；电热丝的加热量盼为4 个模糊子集b ( 大) 、心中) 、双小) 和z ( 零) 。在此基础上，作者进行了相关的硬件和软件开发，实现了对注塑机料筒 温度的控制。 1 2 6 其他参数优化方法 文献 2 4 】提出了一个基于改进的复合法，通过优化注塑制品的壁厚来降低注 塑件的翘曲变形，在制品壁厚优化的基础上，再于指定的加工条件范围内，对加 工参数进行优化。 一 文献 2 5 根据翘曲、熔接缝和冲击强度的评价准则，对浇1 ：3 位置的优化问题 进行了研究。设计人员通过预先选定一些浇注口节点位置，以避免大量的搜索计 算，再对所选位置进行局部搜索，用某种准则来评定所选节点的质量。 文献【2 6 提出了一种模糊多目标优化方法，对注塑制品在注射和保压过程中 常见的缺陷进行了研究。将整个优化过程分为两个阶段：注射优化和保压优化。 对于多目标优化，考虑到单个目标之间的矛盾性，根据制件对质量的要求，通过 改变各缺陷值的办法进行调整，即提高某一个目标函数值时，相应以降低另外的 目标函数值为代价。实验结果证实，该优化方法能得到近似优化结果，其精度可 通过使用更精确的近似函数来提高。 文献( 2 7 把专家系统引入了注塑成形过程中缺陷诊断和缺陷排除领域。专家 系统由三部分组成：硬件、专家系统外围装置和知识库，其中知识库是专家系统 的核心部分，它存贮着专家系统诊断缺陷的关键规则。这些规则描述与可看出缺 陷相联系的各种问题( 即出现缺陷的征兆) 和它们的原因( 即产生缺陷的前题) ，以及 有关的演化条件( 真正的征兆) 或背景条件( 不真实的征兆) 。而前题则与纠j 下措施 ( 解决方法) 有着直接的关系。作者通过建立对塑件流痕缺陷的诊断模型，说明了 7 广东工业大学硕f j 学位论文 专家系统在注塑参数优化中的应用，并提出了如图1 4 的缺陷诊断流程。 图1 4 专家系统缺陷诊断流程图 f i g u r e1 4t h ef l o wc h a r to fe x p e r ts y s t e md i a g o n s i s 文献 2 8 1 结合c a e 技术，针对注塑成型的充填阶段，应用实验设计方法，采 用正交矩阵进行实验，研究了注射成型充填阶段所选参数对制品的熔体前沿加权 平均流动温度、加权平均剪切应力、模腔平均压力的影响，优化工艺参数从而提 高制品质量。结果显示，对于不同的实验目标各个因素的影响程度不同；对于手 机壳这样一个实际的商业产品，制品厚度是影响制品质量的最重要的参数。 1 3 本文研究内容和意义 塑料作为一类应用广泛的高分子合成材料，在人们生活中已经占有了相当重 要的位置，而且随着社会的发展，在我国生产和生活中起着越来越重要的作用。 2 0 世纪5 0 年代迅速发展起来的合成树脂材料以惊人的速度替代着各种传统材料。 7 0 年代后，合成树脂的生产规模不断扩大，工艺技术不断提高，产品种类也不断 第一章绪论 增加。到2 0 世纪末塑料工业已成为我国经济中具有巨大影响的产业。塑料工业在 持续不断地发展，不仅在农业、工业领域作为一大类产品存在，而且具备领导各 种材料新技术发展的先锋带头作用，必将在未来发展中占有重要位置。 目前，影响我国塑料工业发展、壮大的因素很多，其中生产效率的普遍低下 是其中比较棘手的问题。表现在具体的生产活动中，就是生产的准备工作即试模、 调机的时间不可控制。根据在工厂的具体观察，这一过程对于较简单的生产状态， 一般需要1 到2 小时，而对于那些结构复杂的模具、不稳定的环境温度、注塑机 上的阻力元件发生变化的生产状态下，这一过程甚至需要几个星期。因此开发一 套能够有效解决试模过程中对出现的注塑制品进行缺陷诊断和消除的方法是相当 有意义的。 本文从试验设计和理论论证出发，针对注塑过程中经常出现的翘曲缺陷为突 破和例子，着力建立一套缺陷诊断和消除的注塑参数优化体系，其主要的研究内 容如下： 第一章主要介绍了本文的写作背景和现实意义，同时回顾了该领域的研究成 果，重点介绍了b p 神经网络优化、遗传算法、模拟退火法、基于范例等注塑参 数优化方法。这些理论成果都对注塑参数局部阶段进行了优化。 第二章主要对注塑过程和注塑c a e 软件m o l d f l o w 进行了介绍。同时详细分析 了作为本文研究对象的注塑翘曲及其产生原因，并对m o l d f l o w 翘曲分析步骤进行 了详细说明。 第三章在m o l d f l o w 仿真的基础上对鼠标塑件模型的翘曲缺陷进行了田口试验 分析，确定了引起翘曲缺陷的主要因素，最优参数水平组合和翘曲随各参数的变 化而出现的变化趋势。 第四章主要介绍了利用径向基神经网络对引起翘曲的注塑参数的优化。由正交 试验提供神经网络的训练数据，训练好的神经网络在田口试验以外的因素水平上 预测对应的翘曲程度，逐步完成对翘曲注塑参数的优化。 第五章主要介绍了通过建立以塑件k 】，、z 方向的翘曲偏移量为输入，注塑 参数偏移量为输出的径向基神经网络，用来预测一定翘曲偏移量下的各注塑参数 的偏移量，建立两者之间的的模糊条件语句。定义翘曲偏移量和各注塑参数偏移 量的论域和模糊子集，应用m a x d o t 模糊推理算法计算出一定翘曲偏移量下，各 注塑参数需要调整的量，通过迭代若干次后，使翘曲量达到所要求的数值。 9 广东下业人学硕l 学位论义 1 4 本章小结 本章首先阐述了本文的研究背景。着重介绍了塑料的定义、优良特性、行业地 位、加工手段以及目前在注塑参数优化方面存在的问题。尤其是注塑参数的优化 问题是阻碍行业生产效率和产品质量提高的难点，急需有一套行之有效的方法来 加以解决。 其次本章介绍了针对注塑参数优化这一课题，学者们提出了不同的解决方案。 本文重点介绍了基于人工神经网络、遗传算法、模拟退火和爬山法、基于范例、 模糊逻辑等参数优化方法。 最后本章介绍了本文的研究意义和主要内容。 l o 第二章注塑成型及m o l d f l o w 翘f f f i 分析 第二章注塑成型及m o id fio w 翘曲分析 2 1 注塑成型 2 1 1 注塑成型过程 在注塑成型生产中，塑料原料、注塑设备和注塑所用的模具是三个 必不可少的物质条件，但要使这三者联系起来形成生产能力，必须应用 一定的技术方法，这种方法即为注射成型工艺。 注塑成型是在塑料工业中对高分子材料进行加工成型的主要手段之 一。图2 1 为注塑机的示意图。 图2 1 注塑机和模具 f i g u r e 2 1i n je c t i o nm a c h i n ea n dm o l d 注塑过程可以简单描述为 1 ：经过干燥处理的高分子材料经过料斗 进入螺杆筒，在螺杆筒中受加热套和螺杆旋转摩擦产生热量的加热逐渐 升温；随着螺杆的旋转，熔化的塑料逐渐向前运到道喷嘴处；当熔料有 了足够的积累时液压系统就通过推动螺杆系统将熔料射出喷嘴，使熔料 流过浇注口、流道、浇口进入模腔，经过充模、保压以及冷却过程使制 品成型；当制品在模腔中冷却到开模温度、达到开模要求的温度时，模 具打开；然后由顶针系统将制品顶出。 广东t 业大学硕l 学位论文 从大的阶段来对注塑过程进行划分的话，可以将其主要划分为四个 阶段：分别为充模过程、保压过程、冷却与熔胶过程以及开模过程。在 注塑生产过程，由这些子过程所组成的整个注塑过程进行着周而复始的 循环，图2 2 说明了这一周期性过程。 螈矿r 汪耵脞h ua f t ： 一 f 3 湘i l j4 i 门a 甘口 1 l ! ：j ，“= 匕，。u7 f j 一 闭模， 一，-一士旨日阜出出 - l 一h 士占n 佰山 一 一l 予i 一l1 予! z 义j 贝出 ， j 冲自 n ，口叱 冷却阶段 ，型腔减压- + 一注射- 保持 开制 充模山保压+ 熔胶塑化_ - 型腔减压 顶出- 图2 2 注塑成型周期 f i g u r e 2 2t h ec i r c l et i m eo fi n je c t i o np r o c e s s 企业经营者把尽量缩短成型周期看成是提高经济效益的重要手段， 千方百计的加速生产的循环。而要缩短成型周期，提高生产效率，其中 关键的一项工作就是注塑参数的合理化设置的问题。对于制造出合乎品 质要求的注塑制品，其所在的生产控制状态，也就是注塑参数的设定可 以是有所不同的，不同的注塑参数设定造成了注塑成型周期的差异。用 数学语言可以描述为： m i n t ( x ) = 注塑成型周期最小化 s u b j e c tt o 注塑制品无缺陷 r ，1 、 注塑机的注塑能力 卜“7 x x 公式( 2 1 ) 中兀x ) 表示注塑成型周期时间，x 表示注塑参数集的取值范围， x 为注塑参数。因此寻求最佳的注塑参数是在众多约束条件下的一个求 优过程。而做这项工作的前提是充分了解注塑过程、注塑缺陷、注塑参 数以及它们之间的联系。 2 1 2 注塑参数 影响注射成型质量的因素很多，但是在塑料原料、注塑机和模具结 构确定以后，注射成型参数的选择与控制，便成了决定成型质量的主要 因素。一般来讲，注射成型具有三大参数，即温度、压力和时间”1 。 1 温度注射成型的温度主要指的是料温和模温两个方面，其中料 1 2 第二章注塑成型及m o l d f l o w 翘曲分析 温影响塑化和注射充模，而模温同时影响充模与冷却定型。 料温指的是塑化物料的温度和喷嘴注射出的熔体温度。前者是塑化 温度，后者是注射温度，而它们的温度主要取决于螺杆筒和喷嘴两部分 的温度。如果料温低的话，不利于塑化，物料熔融后黏度大，造成流动 与造型困难，易出现外观缺陷。料温高的话，降低了物料黏度、流动阻 力和注射压力损失减小，可以改善熔体在模具内的流动和充模。料温太 高，引起热降解，导致制品的物理和力学性能下降。 模具温度指的是和制品接触的模腔表面的温度，它直接影响熔体的 充模流动行为、制品的冷却速度和成型后的制品性能。模温高，可以改 善熔体的流动性、增加制品的密度、减小充模压力和制品中的应力，但 会引起收缩率、翘曲变形的增大；模温低，熔体在模内的流动性将会变 差，制品产生较大的应力或明显的熔接痕。 2 压力注射成型时压力包括注射压力、保压压力和背压力。注射 压力与注射速度相联系，对塑料熔体的流动和充模具有决定作用。保压 压力影响模腔压力以及最终的成型质量。背压力的大小影响物料的塑化 过程，并与螺杆转速有关。 注射压力指螺杆轴向前移动时，其头部对塑料熔体施加的压力。可 有如下公式表示。 p ：妥 (22)erd j z 、 其中尸，为注射压力，f 为注射机油缸压力，d 螺杆直径。 保压压力指为了对模腔内的塑料熔体进行压实以及为了维持向模腔 内进行补料流动所需要的注射压力，直接影响制品的密度和收缩的大小。 其大小可以根据制品的质量要求通过试验确定。 背压力与螺杆转速是影响熔胶过程的重要参数。其对注塑成型的影 响主要体现在螺杆对物料的塑化效果和塑化能力上。 3 时间注射时间指注射活塞在注射油缸内开始向前运动到保压补 偿结束为止的全部时间，包括充模时间和保压时间两部分。注射时间可 以由如下公式估算。 广东t 业大学坝 ：学位论文 矿 t i = ，z 矿 ( 2 3 ) 其中f ，为注射时间，v 制品体积，? 模具中的浇口个数，g g 熔体通过浇 口时的体积流量。 冷却时间指注射结束到开启模具这一过程的时间，其长短由模腔中 的熔体温度、模具温度、脱模温度和制品厚度决定。 2 2 翘曲缺陷及m o id fio w 分析 翘曲是指制品在冷却过程中由于收缩效应、冷热不均以及分子取向 因素而造成的品质缺陷，它是注塑生产中尤其是薄壁塑件生产中经常出 现的质量缺陷。本节重点介绍翘曲产生的原因和在注塑c a e 软件 m o l d f l o w 中的仿真步骤。 2 。2 1 翘曲及其产生原因 塑料注射流动属于非等温的广义牛顿体流动问题。基于广义 h e l e s h a w 流动的控制方程，建立注塑成型充填后充填过程统一的数学 模型。在注塑成型充填后充填阶段，熔体在模具中流动的动力学模型可 表示为q0 1 ： 鲁+ 去( 刚+ 杀( 州_ o 望一旦( ，7 盟) ：0 _ o p 善( 1 7 _ o v v ) ：。 2 4 c r y o zg z p q c 丁) i 鲁q 罢+ b 筹l = 昙c 尼c 丁，笔，+ 叩，2 上式中p 为压力，丁为温度，p 为聚合物密度，c p ( d 是比热，后( d 是聚合 物熔体的热传导率；刀为剪切粘度，y 为剪切速率，x 、y 为中面的坐标， z 是型腔厚度方向的坐标。结合上述控制方程和文献 3 0 提出的边界条件， 可以采用有限元方法实现充填后充填行为的模拟，求解出上述控制方程 的解，从而达到对成型过程中熔体的流动行为、各种场( 温度、压力、速 度、密度等) 的分布及变化进行了解的目的，并且同时对制品的性能进行 1 4 第二章注塑成型及m o l d f l o w 翘曲分析 预测。 注塑过程中出现的翘曲缺陷主要是由收缩差异引起的。在注塑过程 的冷却阶段，塑料熔体在模腔内在冷却系统的作用下由熔融态逐渐转变 为固态。在这个过程中所有的塑料都有一个较大的体积收缩，在没有保 压压力的情况下，最大的体收缩量可以达到2 5 p ；在冷却过程中，由 于制品冷却不均，也可以使制品在不同时刻产生收缩，进而产生内应力， 导致制品的翘曲变形。 分子取向也是影响翘曲产生的重要因素。分子取向会导致平行流动 方向和垂直流动方向的收缩不一致，便会导致翘曲。对纤维增强的塑料 的制品，取向效应是导致制品翘曲的主要原因之一。 2 2 2 m oid flo w 对翘曲的分析 m o l d f l o w 软件是一款优秀的注塑c a e 软件，由美国m o l d f l o w 公司 开发。该公司自19 7 6 年发行世界上第一套注塑成型流动分析软件以来， 一直是塑料成型c a e 软件的领导者。 m o l d f l o w 软件包中使用最为广泛的是m o l d f l o wp l a s t i c si n s i g h t ( m p i ) 。 m p i 解决方案可以对塑料制品和模具进行深入的分析，它可以在计算机 上对整个注塑过程进行模拟分析，包括填充、保压、冷却、翘曲等。在 m p i 中对翘曲进行分析需要用到m p i w a r p 模块，它可以分析整个塑件 的翘曲变形。m p i w a r p 能在模拟真实的工作环境，考虑到注塑机的大小、 类型，材料特性，环境因素和冷却参数的影响，预测翘曲变形。 在m p i 中，只有完成了填充、冷却、流动分析后，才能进行翘曲分 析。翘曲分析是将前面分析结果作为输入条件，用内置的变形求解器计 算模型中的每个节点的位移。通过查看计算结果，- 可以知道产品每个部 位的变形量和任意两点的距离，据此可以知道产品的形状和尺寸。 用户要进行翘曲分析，首先需要确定翘曲类型，在m p i 中，翘曲分 为两种：稳态( s t a b l e ) 翘曲和非稳态( u n s t a b l e ) 翘曲。所谓稳态翘曲，是指 翘曲与收缩应力呈线性关系；所谓非稳态翘曲，就是翘曲与收缩应力呈 非线性关系。然后用户可以在m p i 中，选择w a r p 的分析类型： ( 1 ) 小偏差分析：用来研究线性曲翘问题。 ( 2 ) 线性搓曲分析：只针对中面模型，需要首先确定翘首是稳态还是 厂东i i 业大学坝上学位论文 非稳态。 ( 3 ) 大偏差分析：只针对中面模型，用来研究非线性翘曲问题。 ( 4 ) 自动分析：只针对中面模型，当m o l d f l o w 运行自动分析时，首先 进行搓曲分析，如果制品搓曲，就进行大偏差分析。 如图2 3 所示是翘曲的分析步骤2 1 ： 图2 3 翘曲分析步骤 f i g u r e 2 3t h ep r o c e s so fw a r pa n a l y s i si nm o l d f l o w 选择m o l d f l o w 作为本文的研究工具，而不是通过真实实验，它的好 处是p “： ( 1 ) 方便改变输入参数值的范围。在真实实验中，一些极端值会受到 实际条件的限制。 ( 2 ) 独立变量的任意水平组合都是可能的。 ( 3 ) 计算机模拟实验结果的重复性较高。 ( 4 ) 许多情况下，模拟实验的时间及花费要求较少。 ( 5 ) 可预测实际实验难以测量的一些质量性能指标。 2 3 本章小结 本章首先简单介绍了注塑成型的基本知识，包括注塑成型中注塑机 1 6 第二章沣塑成型及m o l d f l o w 翘抖1 分析 和模具的示意图，在此基础上，进一步详细介绍了注射成型的整个循环 过程和各个阶段。注射成型可以分为充模过程、保压过程、冷却与熔胶 过程以及开模过程，各个阶段在注射成型过程中的功能和作用时间具有 较大的差异。注射成型过程中参数控制在注塑机、模具和塑料确定的情 况下，对制品的质量有着直接的关联。主要的注塑参数有温度、压力和 时间，对应注射成型的各个阶段，有可细化为各阶段的相应温度、压力 和时间。 其次介绍了本文的研究对象：注塑翘曲缺陷。首先介绍它的产生与 原因，其主要由收缩不均、冷却不均、分子取向不均造成的。然后介绍 了本文的研究工具，注塑仿真c a e 软件m o l d f l o w ，以及其分析翘曲的步 骤。 广东1 = 业大学硕士学位论文 第三章田口试验对翘曲注塑参数的优化 3 1 田口实验设计理论 田口实验设计又称三次设计、稳健性设计，始于第二次世界大战后 的日本。当时的日本开始重建工作，有很多困难，比如：缺少优质的原 料，缺少高质量的加工设备，缺乏经验丰富的工程人员等。实际要求是 生产优质产品，并不断改进质量。针对这种情况，田口玄一博士做了很 多研究工作，奠定了这种设计方法的理论基础。 田i z 实验的两个主要研究工具是信噪比和正交表。用信噪比作为特 征数衡量质量，用正交表安排实验、选择最佳的参数组合。因此，田口 实验设计就是信噪比的正交实验设计p 4 1 。 3 1 1 产品质量和信噪比 所谓质量是指在任何预期的操作下，在整个预期的寿命周期内，产 品在每次使用中都能达到预期的性能。产品质量好坏的标准主要看质量 指标( 质量特性值) 接近目标值的程度，接近程度越好，质量越好，越偏 离目标值，质量越差。下面把影响质量特征的各种因子介绍一下。影响 质量的因子一般分为三类： ( 1 ) 信号因子：制定产品灵敏度预期值的因子。 ( 2 ) 噪声因子：产品性能由于它的存在而产生变化，它是不能被设计 者控制的因子。有些因子的调整很困难，或者是费用昂贵，也归 为噪声因子。噪声因子有三种类型：外部的环境或载荷因子；产 品非统一性造成的变差；恶化所引起的。 ( 3 ) 控制因子：它是能被设计者自由指定的因子。它们的水平被选出 来使产品对所有噪声因子的反应的灵敏度最小。 田口实验中产品的质量与各种控制因子都和噪声因子有关，这种关 系往往都是用一个非线性函数来表示。对于一个具体的产品，可以给出 很多控制因子的不同组合，而这些组合就可以给定产品的质量特征值。 第三章h 1 口试验对翘曲缺陷的参数优化 田口实验设计的主要目的是利用非线性去寻找控制因子值的组合， 这种组合能给出质量特征值与目标值的最小偏差。记x = ( _ ，x 2 ，) 7 为 噪声因子，z = ( z 。，z ：，z 。) r 为产品的控制因子，y 产品的质量特征值。y 与x 、z 有下面的函数关系： y = f ( x ，z ) ( 3 1 ) 设血，是噪声因子由初始值引起的变差，缈为质量特征值从目标值起由于 缸而引起的变差，则近似的有以下的关系： a y = ：，( 杀地 ( 3 2 ) 从上述公式可以