（控制科学与工程专业论文）多cpu注塑机控制器的设计.pdf

独创性声明 0 i ii ii iii i iii iii iii ii y 18 7 9 6 8 1 本人声明，所呈交的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。尽 我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它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了谢 意。 研究生签名：椎日期掣； 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交 论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部内容，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生签名 师签名叠笾日叫弓 r 一 武汉理工大学硕士学位论文 摘要 随着经济社会和工业的飞速发展，塑料制品已经深入到国民经济的各个部 门，由于它在国民经济和日常生活中的重要作用，现代社会对塑料制品的需求 也日益增长，使得人们对塑料制品的质量要求越来越高。注塑机作为塑料制品 的主要加工工具，这也使得人们对注塑机的制造工艺要求越来越高，而注塑机 控制器是注塑机的“心脏”。它的主要作用是在生产过程中，实时监控注塑机的工 作状况，对料筒、喷嘴和模具的温度进行恒温精确控制，以及根据用户期望的 要求可靠地工作，从而提高塑料制品的生产质量。 目前，大多数控制器以p l c 为核心，具有可靠性高、编程方便、抗干扰能 力强、维修方便等特点，但是也存在硬件成本较高，能源耗费大、噪声大等不 足。微机型控制器以d s p 、工控机或单片机为核心，不但可以保证系统的可靠 性，而且还可以降低硬件成本，减少能源消耗，提高了性价比。在中端注塑机 产品上，采用单c p u 或者双c p u 作为注塑机控制器的核心，控制精度和响应速 度方面的效果不尽人意，基于这种情况本文主要采用三个c p u 作为控制器的核 心，从硬件和软件上对注塑机控制器进行研究设计。 本文主要从三个方面介绍多c p u 注塑机控制器设计的内容。1 ) 首先分析了 注塑机控制器的发展历程和前景以及注塑机控制系统的组成，提出了基于多 c p u 的注塑机控制器的硬件设计方案；2 ) 其次按照硬件设计方案，采用三个 a v r 单片机为核心对控制器硬件电路进行设计，完成了电源电路模块、时钟电 路模块、键盘与显示模块，串口通信模块，温度控制模块等电路的硬件设计；3 ) 根据注塑机控制系统的要求，对注塑控制系统部分软件进行了设计，主要完成 了工序控制模块、通讯模块、温度控制模块、a d 转换模块以及人机界面模块等 软件设计；最后为了满足注塑机料筒温度控制要求，研究了自校正p i d 控制算 法。 实践证明，硬件上采用多c p u 设计方案，能够保证注塑机控制系统的可靠 性，降低能耗，同时可以提高系统的集成度；软件上的合理设计以及先进控制 算法的引入可以保证塑料制品的质量，提高了注塑机控制器的性价比。 关键字：注塑机控制器，a v r 单片机，p i d ，自适应控制 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fs o c i a le c o n o m y , p l a s t i ch a sb e e nu s e dd e e p l yi n t o a l ls e c t o r so ft h en a t i o n a le c o n o m y , t h ep r o d u c t sm a d eb yp l a s t i cp a l yv e r yi m p o r t a n t r o l ei ne v e r y d a yl i f ea n do u rn a t i o n a le c o n o m y i nt h em o d e m s o c i e t y , m o r ea n dm o r e p l a s t i cp r o d u c t sa l ed e m a n d e d t h eh i g h e rq u a l i t yr e q u i r e m e n t sf o rp l a s t i cp r o d u c t s a r er a i s e db yp e o p l e p l a s t i ci n j e c t i o nm o l d i n gm a c h i n ei st h o u g ha st h em a i n p r o c e s s i n gt o o l ，w h i c hn l a k e si tt h em a n u f a c t u r i n gp r o c e s so fi n j e c t i o nm o l d i n g m a c h i n e s h a v eb e c o m ei n c r e a s i n g l yd e m a n d i n g i n j e c t i o n m o l d i n gm a c h i n e c o n t r o l l e ri st h e ”h e a r t ”o ft h em a c h i n e t h em a i nr o l e sa r e 弱f o l l o w s ：i nt h ep r o c e s s o fp r o d u c t ，t h ew o r k i n gc o n d i t i o n so fi n j e c t i o nm o l d i n gm a c h i n ei sm o n i t o r e db y c o n t r o l l e ri nr e a l t i m e ，t h eb a r r e l ，n o z z l ea n dm o l dt e m p e r a t u r e sa r ea l s oc o n t r o l l e d p r e c i s e l yb y t h ec o n t r o l l e r t h ec o n t r o l l e rc a l lw o r kr e l i a b l e l ya st h eu s e r s e x p e c t , a n d e n h a n c et h eq u a l i t yo ft h ep r o d u c t i o no fp l a s t i cp r o d u c t s c u r r e n t l y , t h ep l ci st h em o s ti m p o r t a n tc o l ec o n t r o l l e ro fi n j e c t i o nm o l d i n g m a c h i n e ，t h e r ea r em a n ya d v a n t a g e sf o rp l cc o n t r o l l e r , s u c ha sw i t hh i g hr e l i a b i l i t y , e a s yp r o g r a m m i n g ，a n t i - i n t e r f e r e n c ea b i l i t y , e a s ym a i n t e n a n c ee t c b u tt h ep l c c o n t r o l l e rh a v em a n yd i s a d v a n t a g e s ，s u c ha sh i g h e rh a r d w a r ec o s t s ，h i g h e re n e r g y c o s t sa n dl a r g en o i s ea n di n a d e q u a t e i ft h em i c r o p r o c e s s o rb a s e do nd s pc o n t r o l l e r o rm i c r o c o n t r o l l e rc o r ei sa p p l i e d ，t h er e l i a b i l i t yo ft h es y s t e mi se n s u r e d , h a r d w a r e c o s t sa n de n e r g yc o n s u m p t i o na l er e d u c e d ，a n dt h ec o s t - e f f e c t i v ei si m p r o v e d i nt h e m a r k e to fl o w - e n dp r o d u c to fi n j e c t i o nm o l d i n gm a c h i n e ，t h es i n g l e c p uo rd u a l c o r ec p ua r em o s tu s e da st h ei n j e c t i o nm o l d i n gm a c h i n ec o n t r o l l e r , s ot h ea c c u r a c y a n dr e s p o n s es p e e da r el e s st h a ns a t i s f a c t o r yr e s u l t s s ow em a i n l yr e s e a r c ho nt h e i n j e c t i o nm o l d i n gm a c h i n ec o n t r o l l e rd e s i g nb a s e do nt h r e ec p u c o r e t h ed e s i g no fi n j e c t i o nm o l d i n gm a c h i n ec o n t r o l l e ri sd e s c r i b e df r o mt h r e e a s p e c t si nt h i s a r t i c a l f i r s to fa l l ，t h ed e v e l o p m e n tp r o c e s so fi n j e c t i o nm o l d i n g m a c h i n ec o n t r o l l e ra n dt h ep r o s p e c t so fc o n t r o l l e ri sa n a l y z e d t h ec o m p o s i t i o no ft h e i n j e c t i o nm o l d i n gm a c h i n ec o n t r o ls y s t e m i sd e p i c t e d t h ep r o g r a mb a s e do n m u l t i c p ui sp r o p o s e dt od e s i g nt h ei n j e c t i o nm o l d i n gm a c h i n ec o n t r o l l e r ；s e c o n d l y , i no r d e rt od e s i g nh a r d w a r ec i r c u i t , t h r e ea v rm i c r o c o n t r o l l e r sa r eu s e da st h eg o r e n 武汉理工大学硕士学位论文 o ft h ec o n t r o l l e r , t h ep o w e rs u p p l yc i r c u i tm o d u l e ，t h ec l o c kc i r c u i tm o d u l e ， k e y b o a r da n dd i s p l a ym o d u l e ，s e r i a lc o m m u n i c a t i o nm o d u l e ，t e m p e r a t u r ec o n t r o l m o d u l ea r ed e s i g n e di nt h eh a r d w a r e ；a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n t so fi n j e c t i o n m o l d i n gm a c h i n ec o n t r o ls y s t e m ，t h es o f t w a r eo fp l a s t i ci n j e c t i o nc o n t r o ls y s t e mi s d e s i g n e d ，t h ep r o c e s sc o n t r o lm o d u l e s ，c o m m u n i c a t i o nm o d u l e sa n ds o f t v c a r ed e s i g n o fh u m a n - m a c h i n ei n t e r f a c em o d u l ea r ed e s i g n e di nt h es o r w a r es y s t e m f i n a l l y , i n o r d e rt om e e tt h er e q u i r e m e n t so fb a r r e lt e m p e r a t u r ec o n t r o lo fi n j e c t i o nm o l d m g m a c h i n e ，a d a p t i v ec o n t r o la l g o r i t h mo ft h et e m p e r a t u r e i sr e s e a r c h e di nt h i s d i s s e r t a t i o n p r a c t i c eh a sb e e np r o v e dt h a tt h er e l i a b i l i t yo fi n j e c t i o nm o l d i n gm a c h i n ec o n t r o l s y s t e mi sg u a r a n t e e db yu t l i z i n gt h eh a r d w a r ed e s i g np r o g r a mb a s e do i lm u l t i c p u ，a t t h es a m et i m e ，e n e r g yc o n s u m p t i o ni sr e d u c e d , t h ei n t e g r a t i o no fs y s t e mi si m p r o v e d ； t h eq u a l i t yo fp l a s t i cp r o d u c t sh a v eb e e ng u a r a n t e e da n dt h ec o s t - e f f e c t i v eo f i n j e c t i o nm o l d i n gm a c h i n ec o n t r o l l e rw a si m p r o v e db e c a u s eo ft h er a t i o n a ld e s i g no f s o f t w a r ea n dt h ei n t r o d u c t i o no fa d v a n c e dc o n t r o la l g o r i t h m s k e yw o r d s ：i i l j e c t i o nm o l d i n gm a c h i n ec o n t r o l l e r , a v rr n i c r o c o n t r o l l c r , p i d ， a d a p t i v ec o n t r o l m 武汉理工大学硕士学位论文 目录 第1 章绪论l 1 1 弓i 言1 1 2 注塑机控制器的发展历程2 1 3 国内外的发展状况以及发展趋势4 1 4 本文研究的内容和方法7 1 4 1 课题来源及所需解决的问题7 1 4 2 研究内容与方法8 1 5 本章小结8 第2 章多c p u 注塑机控制器设计方案9 2 1 注塑机的基本机构及工作原理9 2 2 注塑机工作的基本流程lo 2 3 硬件设计要求及总体方案设计一1 2 2 3 1 控制器的硬件设计要求1 2 2 3 2 控制器系统硬件总体方案1 3 2 4 软件设计要求及总体方案设计1 4 2 4 1 控制器的软件设计要求1 4 2 4 2 控制器软件设计总体方案1 5 2 5 本章小结1 6 第3 章多c p u 注塑机控制器硬件设计与实现1 7 3 1 处理器模块1 7 3 2 输入输出模块1 7 3 3 人机界面模块一2 0 3 4 通讯模块电路2 l 3 5 温度控制模块2 1 3 6 电源管理模块2 3 3 7 控制器系统抗干扰措施2 4 3 7 1 硬件抗干扰2 4 3 7 1 软件抗干扰2 5 3 8 本章小结2 6 第4 章多c p u 注塑机控制器软件设计与实现。2 7 4 1 下位机软件设计2 7 4 1 1a d 转换模块2 7 i v 武汉理工大学硕士学位论文 4 1 2i o 模块2 8 4 1 3 温度控制模块2 8 4 1 4 工序控制模块3 0 4 2 上位机软件设计3 2 4 2 1 通讯模块一3 2 4 2 2 初始化模块。3 4 4 2 3 人机界面模块一3 5 4 2 4 时间模块3 5 4 3 本章小节3 7 第5 章料简温度自适应控制算法实现3 8 5 1 料筒温度控制系统分析3 8 5 1 1 注塑机温度控制的原理3 8 5 1 2 注塑过程中熔体温度特性3 8 5 2 料筒温度控制方案的选择3 9 5 3 自校正控制系统简介4 1 5 3 1 自校正控制系统概要4 1 5 3 2 自校正控制系统设计原理4 2 5 4 自校正p i d 控制算法的实现4 2 5 4 1 常规p i d 控制器设计4 3 5 4 2 带遗忘因子的递推最小二乘法4 4 5 4 3 自校正p i d 控制算法的实现4 7 5 5 控制结果仿真和分析5 0 5 5 1 控制结果仿真图5 0 5 5 2 控制算法结果分析5 2 5 6 本章小结5 2 第6 章结论与展望5 3 6 1 论文主要工作及总结5 3 6 2 后续研究工作与展望5 4 参考文献5 5 研究生期间发表的论文5 7 实用新型专利申请5 8 致谢5 9 v 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 注塑机是一种集机、电、液为一体化的现代化设备，也是一个高度集成的 智能控制系统。注塑机成型工艺简单，能够一次成型各种形状复杂高精度的塑 料制品，包括注塑成型管件、阀类、轴套、齿轮、各种车辆用零件、凸轮、日 常生活中应用的盆、碗、盖、盘以及各种容器等。因为可供注塑机加工的塑料 种类非常多，而且塑件具有质量稳定、生产过程效率高、制造成本低、易于实 现批量化自动化生产的等优点，所以注塑机生产的塑料制品正被广泛应用于农 业、国防科技、机电设计、汽车行业、交通运输部门、包装建材市场等国民经 济各个部门。而注塑机作为生产塑料制品的主要设备也越来越来受到人们重视。 从某种程度上说，注塑机的控制技术在一定程度上体现出一个国家的工业设计 水准和工艺制造实力。 众所周知，当今世界上如果一个国家拥有先进的高新技术，其塑料机械工 业也是非常的发达。正因为如此，近几年我国迫于世界各国的竞争压力，注塑 成型技术得到了迅速的发展，注塑机生产的塑料制品也越来越多，占整个塑料 成型产品的三分之一以上【l 】。据有关资料统计，1 9 9 8 年以前我国主要依靠进口注 塑机来满足国内需求，出口注塑机数量较小，而且主要集中在中低端产品上， 直到2 0 0 0 年底我国注塑机产量明显增加，其销售额占注塑机总销售额的4 2 9 。 由于注塑机的需求量大，我国注塑机产量也一直处于快速增长的水平，在2 0 1 0 年中国注塑机累计出口已达4 9 万台，销售金额高达1 0 亿美元。同时为引进国 外先进技术只进口高端注塑机产品，年累计进口约为1 万台，中端注塑机产品 的进口越来越少。正因为注塑机市场的良好前景，设计高性能的注塑机控制系 统也成为当前注塑机工业控制的研究热点之一。 随着科学技术的飞速发展，各种先进控制技术的广泛应用，注塑机控制系 统中各种比例阀与变频控制技术的合理配合使用，以及各种先进的控制算法的 运用，对注塑机的工作过程实现了精确的控制，同时各种新型高精度传感器的 使用，大大提高了产品质量和生产的安全管理，使得注塑机控制系统真正意义 上实现了网络化和智能化。由于很多行业的产品可由塑料制品来替代，所以人 武汉理工大学硕士学位论文 们对塑料制品的需求量也随着激增，相应的对塑料制品的质量要求也随着增高， 塑料加工时对注塑机也提出的要求更加严格。但是目前注塑机的性能和生产效 率都有不足，难以真正意义上满足人们的需求，这些不足主要反映在微型塑料 制品的生产上，包括加工产品的尺寸精度和质量精度。为了满足实际生产需求， 使得塑料产品向着轻量化、复合化、精密化和多功能化的方向发展，就必须研 究更加先进可靠的高性能注塑机控制系统。针对目前注塑机控制系统存在的高 功耗、高污染、低效率、结构复杂等问题，必须研制高效率、高精度，高效率、 低功耗、低噪音、低环境污染、操作界面人性化等性价比高的注塑机控制系统 2 1 。 因此，设计合理、高性能的注塑机控制系统，必然使得注塑机产品在注塑机市 场拥有较强竞争力的优势。 1 2 注塑机控制器的发展历程 自从世界上第一台注塑机由斯托格思公司推出后，注塑机经历了五代的发 展历程 3 1 ，第一代主要由机械部分来完成控制，采用柱塞式注射机构，动力传动 方式，控制部分主要是机械系统和液压系统；第二代采用了电控方式，主要以 各种开关式电气元件、继电器及开关式液压控制阀作为控制；第三代也采用了 电控方式，以微型计算机为核心控制、对各种比例阀伺服采用的是开环控制技 术；第四代也以微型计算机为核心控制，对各个参数的控制采用的是闭环控制 方式；第五代注塑机除了采用微机闭环控制方式外，还运用多级控制结构以及 现场总线技术，注塑机控制系统具有通讯、网络功能以及监控报警等功能，使 得注塑机更加的人性化、智能化。 注塑机的发展经历了五代的发展历程，注塑机控制器作为核心的控制机构 其发展主要经历了四个过程 4 1 ，分别为继电器、接触器控制阶段，电子电路顺序 控制阶段，可编程序控制器( p l c ) 控制阶段和微型计算机控制阶段，现分别介 绍如下。 ( 1 ) 继电器、接触器控制阶段。注塑机刚刚问世的时候，注塑机的控制主 要采用的是手动控制方式，从1 9 6 5 年到1 9 8 0 年便开始采用继电器、接触器控 制，但是几乎所有的控制过程都采用的是开环方式。工作原理简单，主要由行 程开关检测位置，再由相关机械来完成各个动作程序的切换。这种控制方式是 采用导线连接来实现的，所以只能完成固定的工艺过程，当需要改变工艺流程 时系统也必须要重新设计、安装调试，而且对料筒温度控制只能做简单的调节 2 武汉理工大学硕士学位论文 控制，显然这种控制方式存在开发周期长、可靠性差、不易检查故障、控制精 度低等一系列的不足，因此注塑机的性能很难提高，现在基本已经淘汰。 ( 2 ) 电子电路顺序控制阶段。采用电子电路顺序控制方式是指控制电路主 要由分立元件或部分集成电路组成，用数字逻辑门电路取代接触器，采用直流 电磁阀和无触点行程开关及挡板来实现整个工序的控制，在一定程度上提高了 系统的响应速度，减少了体积，成本也降低了，但还存在控制精度不够、可靠 性不强等一系列的问题。 ( 3 ) 可编程控制器控制阶段。目前市场上大多数注塑机控制系统还是主要 采用p l c 作为控制器，可以准确的控制注塑过程的各个工序和过程参数，各种 高精度的传感器和p l c 控制器的有机结合，使得以p l c 为控制器的注塑机控制 系统具有运行可靠性、反应灵敏、运行速度快等优点，同时液晶屏和合理的按 键设计使得人机界面更加人性化，并能实现了参数的在线设定和修改，对生产 过程进行全方位的监控，大大提高了注塑机控制系统的整机性能。但缺点是注 塑机体积大、能耗高、噪声大以及系统集成度低，所以还需进一步研究注塑机 控制器的设计，以进一步提高注塑机的性价比。 ( 4 ) 微机控制器阶段。由于电子技术的飞速发展，注塑机控制系统中也开 始大量的使用微处理器作为注塑机控制系统的核心控制器【5 1 。通过近几年的研 究，研制出了不同档次的注塑机控制器，大致分为三个档次分别为采用单片机 为核心的中低档注塑机控制器；采用d s p 为核心的中高档注塑机控制器；采用 d p s 或工控机为核心，以r c t 为人机界面的高档注塑机控制器。 中低档注塑机控制器以单片机为核心，采用液晶显示屏设计人机界面，对 注塑机的整个工艺过程可以实现全自动控制，而且具有良好的人机界面，可以 对参数进行在线调节，实时显示当前注塑机系统工作的部分状况。系统设计时 以电子尺来代替行程开关来实现位置控制，明显地提高了控制精度，但是采用 单个c p u 的设计方案，控制器的计算能力不够，很能对所有的参量实现全闭环 控制，所以大大影响了注塑机控制系统性能，因此有必要研究采用多个微处理 器作为注塑机的控制器。 中高档注塑机控制器设计时，方案中采用了高速的模数、数模转换芯片， d s p 的应用满足了高速运算的需求，控制器能对注塑机工艺流程中的所有参量 进行全闭环控制，并引进先进的智能控制算法，极大的提高了控制系统的控制 精度。同时采用大屏幕液晶显示器作为人机界面，可以在线调整各种参数，能 够全面直观的观察注塑机的整个运行状态，使得注塑机控制系统更加人性化， 武汉理工大学硕士学位论文 保证了产品的质量，进一步提高了注塑机的性价比。 高档微机控制器设计采用高端c p u 为核心，人机界面和中档注塑机控制器 一样，在给料筒温度控制建模时更加精确，提高了控制精度。对模具内部温度 和模型腔壁的厚度也增加了相应的控制量，使得注射控制更加的精确，还增加 了部分必要的质量分析模块，进一步保证塑料制品的质量。所以，适合于生产 高精密、小批量的塑料制品。 虽然注塑机的控制器从最初的继电器、接触器控制，发展到现在的微型计 算机控制，一定程度上达到了实际的需求，但是在不同档次的注塑机控制器的 性价比还不尽人意，所以注塑机控制器还有待进一步的深入研究。 1 3 国内外的发展状况以及发展趋势 目前，国外的注塑机控制系统是通过多个微分处理器分工来实现的，同时 融合了各种先进的硬件和软件技术，使得注塑机控制系统更加的智能化，主要 体现在人机界面的设计上，高智能的注塑机控制系统能将整个注塑过程呈现在 操作者的面前，让用户能够更快更好的掌握注塑机的工艺流程，最大限度的发 挥注塑机的各种功能。目前，大多数的注塑机人机界面还支持多种语言的显示， 突破了语言的障碍，使得注塑机产品更好的走向国际市场。此外，有的注塑机 还配置了更多高级的控制功能【6 l 。例如，塑料注射模腔过程专家系统、智能调校 锁模参数、自动设定注射压力参数、智能识别模腔塑料注射保压点的切换等， 这些高端配置都大大的提升的了注塑机的整体性能。 国外对于注塑机的研究应用经有一百多年的历史了 7 1 ，无论是从产品质量还 是注塑成型周期上来说都远远超过我国的水平，在注塑压力上也有明显的差距， 日本的s n l 2 系列的注塑机注射压力可达到5 0 0 m p a ，可以很好的保证塑料制品 的质量。在节能上也有了很大的进步，传统的控制方式采用流量比例和压力比 例阀控制，而现在大多数采用的是变频器控制，变频器的运用可以大大的降低 注塑机工作时的能耗。近几年来，由于各种先进控制技术和机械结构的改进， 注塑机的工作效率也有了很大的提高。美国费洛斯公司研发制造的注塑机控制 系统可使得一个工作周期只有0 6 3 s ，同时制品的误差率可精确到0 1 5 。目前， 一种更为先进的全电动式注塑机已经慢慢的进入了市场，该注塑机具有较多的 优点，不但可以保证高精度的注射，还可以实现节能减排，例如日本n i s s e i 公 司和奥地利e n g e l 公司研发生产的全电动式注塑机在全世界都受到欢迎。与西 4 武汉理工大学硕士学位论文 方国家的同行相比，日韩注塑机市场产品增长一直都比较稳定，而中国的注塑 机市场正在经历一场大的变革。 自从注塑机引进中国以来，世界注塑机市场的结构就像一个金字塔。处于 塔尖上是主要是欧美国家的各种高精密注塑机，来自日韩和港台的注塑机处于 塔基中间，而占据金字塔塔基的则大部分是中国国产的注塑机。中国注塑机市 场处于快速发展的阶段，并一直努力地朝着高端产品的方向发展。例如宁波海 天集团股份有限公司等中国企业也在积极推广他们的注塑机产品。因此，增加 注塑机研究的投资是很有必要，同时日益增长的需求也需要更加节省能耗、更 加节省材料的机器设备来支持。针对当前注塑机市场的行情，为了在激烈的市 场竞争中占有一席之地，国产注塑机必须不断的提升产品质量。 由于我国注塑机的整体起步较晚，注塑机的发展缓慢。与发达国家相比， 我国的注塑机的研究设计还远远不够，无论是在技术上还是人力上的投入还都 比较小，同时因为注塑机的研究设计涉及的技术面较广，包括机械设计、液压 传动系统设计、计算机控制技术以及塑料品质等各个方面，针对注塑机的研究 是一项复杂的工程，所以有业内专家提出，一定要大力加强国产注塑机的投资 和开发力度i s 。国内有些注塑机生产厂厂家虽然已近在该领域有所突破，如海天 机械有限公司，创始至今已有三十多年了，目前己成为国内最大的塑料机械生 产基地，掌握了一部分高新技术，并能在不同的场合应用闭环控制技术，但尚 未形成大规模产业化，技术上与先进国家( 如美国、日本) 相比还存在较大差距。 再如利源公司生产的1 7 系列全自动精密注射，其大部分的技术国外已经很普及 了，利源公司生产的注塑机在温度控制上采用了闭环控制和先进的p i d 控制算 法，提高了系统的控制精度。但是，目前我国有些关键零部件还需要进口，因 此我们应仔细地分析，清醒的认识到我国注塑机的研究设计与工业发达国家的 差距，同时充分认识到塑料工业的发展对注塑机性能提出的新需求【9 】。 由于塑料的需求量不断增加，同时加大了注塑机的研发力度，近年来我国 注塑机市场发展也非常的迅速。中国注塑机的市场份额也在逐步的扩大，经过 多年的研发制造和新技术的引进，通过自主创新，国产注塑机中的低端注塑机， 技术水平基本赶上了发达国家，甚至有些地方已经超多了国际水平，而且我国 具有劳动力价格的优势，注塑机产品性价比较高，使得国产的中低端注塑机出 口名列世界前茅【1 0 1 。而精密注塑机、大型注塑机的技术含量却远远不及欧美等国 家，在工程上应用的塑料制品还不能和国外相比。例如一个精密的齿轮要求它 的精度达到0 0 5 r a m 以上，收缩率在l 以下，国产注塑机生产的制品很难达到 5 武汉理工大学硕士学位论文 这一要求。因此，必须研发设计精密注塑机、大型注塑机，提高注塑机的加工 精度，提供可靠的控制系统、液压系统以及各种高精度的元器件，争取在高端 注塑机领域也取得了进一步的突破。 相信在不久的将来，仅靠进口机器的时代即将结束了。中国本地的企业在 竞争中不断提升自己的技术水平，加上劳动力的廉价的优势，因此在国际市场 上具有一定的竞争优势。近几年来我国主要生产各种通用注塑机，用于特殊领 域的高端注塑机还是要从国外进口，相信未来国产注塑机也会向着更好高层次 的方向发展。不久的将来，注塑机市场的金字塔结构将出现一定程度上的转变， 高端注塑机继续保持在一定的数量，中档注塑机成为市场的主流，低端注塑机 所占比例越来越小。相信在十年后，中国注塑机市场将会发生一场新的变化， 处于塔尖的是国产的高端注塑机，形成倒金字塔。 综上所述，依照中国注塑机的基本行情，要着力开发新产品，投入更多的 资金，加强技术力量的整合，加强先进技术的应用，以提高注塑机控制系统的 控制水平，逐步缩小与世界发达国家的差距。为了避免我国广阔的注塑机市场 拱手让于他人，应该把握注塑机技术的发展方向，在引进国外先进技术的同时， 还需要根据我国国情大力发展适合于国情的注塑机，在一个新的层次上开展先 进的注塑机控制器的研究【1 1 1 。 目前，注塑机的研究方向主要着手于低能耗、低噪声、低污染、低成本、 高精度、高效率、高性能等方面，从真正意义上实现节能减排。因此，提高注 塑机控制系统的技术水平，使得注塑机满足各个行业的需求是一个很重要的课 题，总体来说当前注塑机发展的趋势可归纳为以下几点。 ( 1 ) 根据我国的国情，按照市场需求，研发设计生产专用和特殊功能的注 塑机，具有性价比高，使用领域专一的特征。 ( 2 ) 注塑机向着高精密、高速度、高效率的方向发展，要求注塑机的螺杆 转速快、塑化快，注射速度高、开模和闭模的速度快，成型周期短。在市场策 略上，以中低档注塑机为主，大力发展高档微型精密注塑机【1 2 1 。 ( 3 ) 加强机械结构的改造，采用各种先进的方法，进一步研究设计合模机 构，改进螺杆结构、压缩比例等，最终减小注塑机的体积。 ( 4 ) 注塑机要向绿色节能环保的方向发展，改进液压系统，系统采用变频 器控制各种新型液压马达使得液压系统向着高精度、高灵敏度、低噪声、省电 化的方向发展，真正达到节能目的【1 3 1 。 ( 5 ) 机械设计、电子应用技术、计算机控制技术、网络信息技术、液压技 6 武汉理：亡大学硕士学位论文 术等各个方面的先进技术用于注塑机控制系统设计，可以实现注塑机控制系统 的闭环自动控制、自动诊断和自动调节，从真正意义实现无人化、网络化、智 能化、向着高集成、高性能的方向发展【1 4 1 。 ( 6 ) 将微机技术和新型液压系统有机的结合，减少生产中的废品、节约原 材料，提高产品质量。 ( 7 ) 进一步研究设计注塑机的外观，同时采用各种方案降低注塑机工作时 的噪声，使得注塑机更加安全可靠，更加人性化。例如有些开发商通过选取低 噪泵、低噪音的电机、控制管道中液压油的速度等方法来减小噪声，这样给操 作工人提供了安静的工作环境，提高了注塑机的安全性，进一步改善了注塑机 的品质。 ( 8 ) 将注塑机系统分解成各个部分，然后对各个部分进行模块化的设计， 这样便于注塑机的组装和检测维修。 。 1 4 本文研究的内容和方法 1 4 1 课题来源及所需解决的问题 本课题来源研究生创新基金。目前，工业和日常生活中越来越多的产品将 由塑料制品来取代，作为主要生产塑料制品的注塑机的控制效果又不尽人意， 难以真正的满足实际生产需求。所以应该进一步研究注塑机微型控制器。本文 旨在设计一种多c p u 的高效注塑机控制器，解决当前注塑机控制器结构复杂、 能耗高、控制精度和稳定性不高、自动化和网络化程度低以及性价比低的问题。 本控制器的设计针对当前注塑机市场上的中端注塑机控制器的改进，方案中成 功的采用多个低端c p u 代替单个高端c p u 方案，很大程度上降低了系统的能耗， 同时也降低了成本，同时采用单电路板大板结构和光电隔离等方法，提高系统 的集成度及抗干扰能力，成功的解决多个c p u 之间的协同工作以及数据通讯等 科学问题。 控制器能对注塑机工艺流程中的各个参数实现全闭环控制，其中，对位移 量、压力、流量等参数控制，无论是从控制精度和动态响应上来说，都有较大 的提高；硬件电路设计要求采用大板结构，提高系统集成度的同时保证各个c p u 之间能够协同工作和正常的数据通讯。温度控制上，采用先进的自适应智能控 制算法代替传统的p i d 控制算法，缩短了响应时间，减小稳态误差，提高控制 7 武汉理工大学硕士学位论文 精度和保证了系统的可靠性。 1 4 2 研究内容与方法 本文研究设计种多c p u 注塑机控制器，主要研究内容包括研究多c p u 注 塑机控制器的硬件结构和软件结构；在硬件设计方案的基础上进行详细的硬件 设计；在软件设计方案的基础上进行详细的软件设计；以料筒温度为模型研究 自校正p i d 控制算法的实现及其软件设计，具体内容如下。 第1 章简略介绍了注塑机控制系统的发展以及未来注塑机发展的方向，概 述了本文要解决的主要问题以及所研究的主要内容和采用的方法。 第2 章简略介绍了注塑机的基本机构及工作原理，提出了注塑机硬件系统 和软件系统设计的要求，对注塑机控制系统硬件和软件的总体方案设计进行了 研究。 第3 章对注塑机控制器的各个硬件电路模块进行设计，主要包括的模块、 人机界面、通讯模块、温度模块等，最后从硬件和软件两方面提出了控制系统 抗干扰的主要措施。 第4 章对注塑机控制器的各个软件模块进行设计，主要包括a d 转换模块、 i o 模块、工序控制模块、键盘显示模块、时间模块等，并简单介绍了通讯模块 中的通讯协议。 第5 章为了解决实际应用中传统的控制方法存在的问题，对注塑机料筒加 热系统进行了分析和研究，采用自校正p i d 控制算法对料筒温度进行控制，试 验表明，自适应控制算法对注塑机料筒温度控制具有非常理想的控制效果。 第6 章主要总结了本文所做的工作和有待于进一步研究的工作。 1 5 本章小结 本章主要介绍了注塑机的应用领域，注塑机的发展趋势，以及注塑机控制 器的发展状况以及发展趋势，在对目前国内注塑机应用领域考察的基础上，分 析了当前注塑机控制器系统存在的不足以及还需完善的地方，提出了以多c p u 为核心的注塑机控制器设计方案，采用了自校正p i d 控制算法实现料筒温度控 制，提高了注塑机控制系统的性价比。 8 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章多c p u 注塑机控制器设计方案 本章将主要介绍注塑机的基本机构及工作原理，分析注塑机工作的基本流 程，提出多c p u 注塑机控制器硬件系统和软件系统设计的要求，并对注塑机控 制器硬件和软件的总体方案设计进行研究。 2 1 注塑机的基本机构及工作原理 注塑机系统是一个集机、电、液于一体的典型控制系统。一台通用的注塑 机主要由四大部分组成，包括注射部分、合模部分、液压部分和控制部分，还 有一些辅助结构，主要由加热系统、润滑系统、安全保护装置、监测系统、冷 却系统和加料装置等组成【1 5 l 。注塑机系统框图如图2 1 所示。由图2 1 可知，注 塑机是一个复杂的控制系统，各个部分互相牵制、互相协调地控制着注塑机工 序的执行，下面介绍每个部分的组成以及功能。 注射部分一般由注射系统由塑化装置和动力传递装置组成，是注塑机的重 要组成部分之一，常用的注塑方式有柱塞式