（机械电子工程专业论文）注塑机电液控制系统的建模及仿真研究.pdf

注塑机电液控制系统的建模及仿真研究 摘要 注塑机是注塑成型的主要设备，注塑机的技术参数与塑料性质和注 塑成型工艺有着密切的关系。注塑成型设备的进一步完善和发展必将推 动注塑成型技术的进步。本文在分析研究注塑机组成、各个工作过程、 注塑成型工艺的基础上，参考有关的研究和资料，对注塑机合模、注射、 保压、预塑工作过程进行了动态模拟和仿真。根据注塑机成型工艺对电 液控制系统的要求，在分析研究了电液比例控制系统在注塑机各个工作 过程的工作原理的基础上，建立了合模过程合模机构等效负载数学模型、 注射过程模腔压力及其压力损失负载数学模型、保压过程控制压力负载 数学模型、预塑过程液压马达功率负载数学模型及其各个过程电液比例 控制系统数学模型。在此基础上，采用m a t l a b 6 0 作为仿真平台，对各 个过程电液比例控制系统及其负载进行仿真。并利用仿真模型对电液比 例控制系统的流量特性、压力特性及其注塑机的各个工作过程特性参量 进行了研究。 关键词：注塑机、电液控制系统、建模、仿真 太疆理芏大学疆士学毽论文 m o d e l i n g a n d s i m u l a t i n g r e s e a r c h o nt h e e l e c t r o - h y d r a u l i c c o n t r o l s y s t e m o f i n j e c t i o nm o l d i n g m a c h i n e a b s t r a c t i n j e c t i o nm o l d i n gm a c h i n e i sam a i n e q u i p m e n t o ft h ei n j e c t i o nm o l d i n g t h et e c h n i c a lp a r a m e t e r so f t h e i n j e c t i o nm o l d i n g m a c h i n eh a v ec l o s er e l a t i o n w 臻p l a s t i c sn a t u r e a n di 蜀e c t i o nm o l d i n gt e c h n o l o g y 蠲e c t i o nm o l d i n g m a c h i n eb e i n gi m p r o v e da n dd e v e l o p e dd a yb yd a yn e c e s s a r i l yi m p r o v e s i n j e c t i o nm o l d i n gt e c h n o l o g y i nt h i sp a p e r , d y n a m i c i m i t a t i o na n ds i m u l a t i o n o f i n j e c t i o nm o l d i n g m a c h i n e w o r k i n gp r o c e s s s u c ha sc l o s e d - m o l d ，竭e c t i o n ， h o l d i n gp r e s s u r ea n dp l a s t i f i c a t i o np r o c e s sh a v eb e e nd o n eo i lt h eb a s i so f r e s e a r c ho fl 塌e c t i o nm o l d i n gm a c h i n ef o r m ，w o r k i n gp r o c e s sa n dm o l d i n g t e c h n o l o g y a c c o r d i n gt o t h er e q u i r e m e n to fe a c hw o r k i n gp r o c e s so ft h e i n j e c t i o nm o l d i n g m a c h i n et ot h e e l e c t r o - h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a l c o n t r o l s y s t e m ，b a s i n go na n a l y z i n ga n dr e s e a r c h i n gt h ew o r k i n gp r i n c i p l eo f t h e e l e c t r o h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a l c o n t r o ls y s t e mf o rt h ee a c ho fp r o c e s so f i n j e c t i o nm o l d i n gm a c h i n e ，t h em a t h e m a t i cm o d e lo f t h ee q u i v a l e n tl o a df o r t h ec l o s e d m o l dp h a s e ，t h ep r e s s u r eo f t h em o l dc a v i t ya n dt h el o s i n g p r e s s u r e f o rt h e i n j e c t i o np h a s e ，t h e l o a do fc o n t r o l l i n g p r e s s u r e f o rt h e h o l d i n g p r e s s u r ep h a s e ，t h ep o w e r l o a do ft h eh y d r a u l i cm o t o rf o rt h ep l a s t i f i c a t i o n p h a s ea n dt h ee l e c t r o w h y d r a u l i cc o n t r o ls y s t e mf o re a c ho fw o r k i n gp r o c e s s h a v eb e e nb u i l t t h i sp a p e ra d o p t sm a t l a b 6 0a ss i m u l a t i n gp l a t f o r ma n d m a k e su s eo fs i m u t i n kt o o l b o xa ss i m u l a t i n gt o o lt od ot h es i m u l a t i o no f e l e c t r o - h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a lc o n t r o ls y s t e ma n d i t sl o a dm o d e i tr e s e a r c h e s t h e p r o p e r t i e s o ft h e d i s c h a r g e a n dt h e p r e s s u r e o fe l e c t r o h y d r a u l i c p r o p o r t i o n a lc o n t r o ls y s t e m i ts t u d i e st h ep a r a m e t e ro fi n j e c t i o nm o l d i n g m a c h i n ew o r k i n g p r o c e s s t o o k e yw o r d s ：i n j e c t i o nm o l d i n gm a c h i n e ，e l e c t r o h y d r a u l i cc o n t r o ls y s t e m ， m o d e l ，s i m u l a t i o n l l 太原理z 丈学硕士学位论文 第一耄绪论 1 1 塑秘蔓渡穰整琵经济审的地位疑其发蔽 霆瓣互鼗是新蓍虢工照，蕊鬻代_ i 照孛簸一个羹要静 z - , j k 。与其它 工趣部门鞫诧，爨然怒很年轻，髓却怒发餍翁景广辅的工救鄢门。 出予耀瓣疑蠢重爨轻，嵩鹣魄强度( 警位霪爨的撬械强度) 、往髯鹣 魄气梭栽、馕越的假攀稳定挂、黪擦系数小鞠耐麟控黢，饯嶷敬吸震靼 漓声隔音搀霞，著虽套好瓣弹蠖，易成型、器翻嘲、荔搏按、憝强好蟪 与金嚣、玻璃、术糖鳗其它耱糕稳茨接等褥蠡，翳褰，联瓣袋溪瞧缀事 蹇，它在天民生溪、工农溅生产、警麓工栽等各方蘑都褥虽 越来髓广泛 瓣应爝，瓣蕊程逶7 黧鹞互鼗翡遮速发震。 在枫嚣制造工鼗中，塑瓣广泛遗被躅米糊造梳器零件、部件 得到要求的合模力。此合模装置酌液压缸结构比较复杂，液压缸麓径大 藤恩缸体也很长，对液压旺毒4 造爱求离，翳g l 起工 乍油发热和变藤等惩 题。主要用在中小型注塑机上。而混合式、特殊液压式合模装置使用两 令不霹壹经熬滚魇疑，分测潢是快速移蒺释最终会模力戆要求避免了充 液式工作油量大、功耗高、刚性差、结构笨重等缺点，但动作液压缸多， 滚蘧系统较复杂。主要薅予合模力在千堍力淡主鹣大鍪注熬祝上。 注射装置主要有柱塞式、预塑式两种，柱塞式由于塑化均一性差、 注射压力损失大、难以提供稳定的工艺条件等缺点，而逐渐被淘汰。从 而出现了对塑料的翅化和熔料注射分开进荦予的注射装置，统称为预塑式 注射装置。预塑式注射装鬣基本型式有双阶柱塞式、螺杆桂塞式、往复 螺稷= 式。款除毒主塞式由嚣令柱塞式注射装爨事接露藏，蓄炎褥塑睾喜粒经 预魍料筒塑化后送入注射料筒，然后再由注射柱塞将熔料波入模腔。这 稳爱式，褒扩大概器煞熬工能力等方蚕仍受翻一定隈裁，譬兹应焉较少。 螺杆柱塞式相当于在柱塞式注射装鼹上，装上一台仅作塑化用的单螺杆 挤滋供粒装置。这稀装萋谗存在着料筒内滞料现象严重、料筒清理不方 便、结构不紧凑等缺点。目前最广泛采用的是往复嫘杼式注射装置，这 种型式的螺秆同时具有塑化和注射两个功能，螺秆的塑化情况可以方便 的逶过调整螺抒转速和被愿寒进行调整。t 9 9 8 年王散岳提爨戆双斜锲注 塑机采用了一套斜楔装置来完成两个注塑机的注射动作提高了工效，降 低了功率溃耗。毽不嗣熬 妻射压力鞫注瓣逮凄峦瓣攘装置王侔瑟上设置 的不同角度来完成，预塑与注射装鬣分开，从而限制了它的发展。 4 太原理工夫学硕士学位论文 i 3 文献综述 l ，3 1 在注塑机的结构方面的研究 华南瑾工大学豫洪涛、是舜英发表了全滚益式锁模机构与精密注 射成型，该文从如何改善机台的受力情况，提高注射制品精度的角度来 探讨全液压式锁模机构在精密注射成型中的应用。间时，介绍一种瀚产 四缸直锁全液压二扳式锁模装置，分析了其节能以及提毫制晶成型精度 的原理 ”。章胜亮在二板式注塑机的技术探讨及发展前景中，对二 板式注塑瓠与髓桴式注塑援嚣了毙较，裂窭了毅型二叛式注魅极熬优点 及前景。直愿式二板注塑机根据合模液压缸阐油在液压缸中的流动情况 又分为无疆舔登、肉循环鳌秘岁 锤环鍪三静。无循环型注塑梳移模速度 受液压泵排鬣制约，移模速度不宜太高，但合模性能稳定可靠。内循环 型注濯祝豹合模液愿缸内部结鞠复杂，澍遗黉求较搿，一旦掇现内部渣 漏，处理十分困难。外循环犁注塑机的移模遮度较快，结构紧凑，液压 缸内部结构简单，制造成本也不高f 2 】。杨兆福、王克坚发表注射机的 薮型腿枉合模极构的开发与实践该文从理论上分毫蓐了一静屡极呈受受 排列的注射机双曲肘合模装鼹的运动学和动力学特性，并与后杆呈正角 接麓瓣注射孛晁双兹j l 孪台摸装嚣送行跑较，逡行实验骏涯驿l 。王效基发表 双斜楔注翅机的开发与应用一文中，介绍了一种新型的斜楔注射机 梅，研裁了双辩禊注餐撬。该注塑飘采霜徽机控翻馊系统结构篱纯，一 套电气和液艉系统控制二机构工作相应地省了一套控制系统，实现了机 一电一液一体化，傻功率可以得到充分利用 引。陈金元发表了注塑机 五铰点双蓝黔合模机构的分柝与硒究通过现行五铰点双曲肘合模枫梅 形态分析与综合，对可能形成的各种方案按照衡量机构工作性能的三个 太原堙工大学硕士学位论文 捂标：彳亍鞣比、力放大琵、功效系数递行了分辑院较筘l 。张克惠发表了 注塑件脱模阻力计算改进讨论了一般情况下脱模阻力计算公式的简 纯，引入了两个简化系数。分析了踅件从注塑模中脱出的三种情况即： ( 1 ) 从型腔中脱出；( 2 ) 从型芯上脱下，特别是从主型芯上脱下；( 3 ) 同时从型芯和型腔中脱下；以及这三种情况下脱横阻力的计算 6 】。 黄步竣发表擞纪之争全泼压式与全电动式注塑援毂范拔，就 全液压式与全电动式注塑机的锁模系统、注射系统和整机性能的优缺点 遂行了魄较。瘸述了箨者爨已懿瓣点：全魄动式注塑爹毛将_ 宝要矮予中小 型注射成燕! 机生产商档精密和小型精密零件，而不同类型的全液聪式注 塑辘孀子中离挡、麓档精密和特羽高档裁黼的成登。全电动注塑孛凡结构 l 1 一模具开闭ac 电机2 计鼹ac 电机3 一注射ac 电机4 一模_ | 蕈调 整电机5 一顶出a c 龟杌6 翔热器 图l 1全电动注塑机结构图 原理如图1 1 所示。全电动式注塑机诞生于8 0 年代初，囱一些闩本厂 家以镯照电枫取代聪援式注塑援的会部液攫缸剑答露成。全电动式注堑 机的锁模机构由于采用伺服电机，可以使肘杆在不同角度停下来，因此 鸯裁予改交镢模力及可以邃零亍疰缀成型，嚣基没有潼压净毒鹃影嗡，所 以噪音低、控制精胰高。全电动式淀塑机的注射系统有两种结构如图l 6 太原理工大学硕士学位论文 一2 所示 4 ( f t )( b ) 1 一伺服电机2 一皮带3 一滚珠丝杆4 一伺服电机5 一滚珠丝杆 ( a ) 皮带驱动方式( b ) 直接驱动方式 图1 2 全电动注塑机不同的注射系统的驱动方式 用皮带传动方式，精度会受影响，而用直接驱动方式，结构简单，但要 求电机转速较低、转动力矩大，而且超载保护较弱。采用伺服电机控制 螺杆的塑化计量精度较高，转速也较稳定，还可以进行多级速度控制， 并且对于注射压力和速度的控制都是比较准确的口】。 阎军威的硕士学位论文电磁动态注塑机的控制系统研究中讲述 了电磁动态注塑机的控制系统开发、研究。电磁动态注塑机的基本思想 是将电磁场引起的机械振动场引入到注塑成型的全过程，实现动态塑化、 动态锁模、动态低压注射。采用电磁动态塑化原理，在电磁振动场中将 塑料原料熔融塑化，提供一定数量的性能优异的塑料熔体以备注塑使用。 接着合模装置在电磁直线运动装置的直接驱动下进行合模和锁模，然后 注射装置和合模装置共同作用进行低压动态注射成型，从而完成整个动 太原理工大学硕士学位论文 态注鏊或蘩过程。奄磁动态注塑税凌予薪设备稍焉先进高效静换能方式， 摆脱了液压传动设备，能耗降低了3 5 ，整机结构紧凑，体积重量减少 4 5 ，噪窗降低至7 8 分贝以下嘲。 】，3 2 在注翅税龟滚滚翩、麓麓方蠢的研究凌袄 广东露颓德寄震德羹籽穰辕有疆公裁技术邦鹣慧国孛发表了一篇 困内外波魍机液压系统的现状及其发展趋势，该文叙述了注塑成型工 艺对液压系统酌要求，注黧视液匿系统的分类和比较，将注塑辊液压系 统分为三类：常规液压控制系统、伺服液压控制系统、比例液压控制系 统【9 。权龙、李风兰发表了注塑机电液控制系统节能原理及最新技术 撅逑了国产注塑掇邀液控剑技术现状，介缨了多耱节能的塑刳注燮枧电 液控制系统，特别魁9 0 年代中期外国才开始研制的变频电机驱动变潼泵 鳇嚷滚注鍪睾燕系统，对其遴行了分辑蓖较，并绘爨了关键元 孛弱结构及 性能【】。刘跃军、糕金平发表注妲机控制技术的现状与展望中指出 转统翡注婺梳一般采璃开环控稍帮羧慧预先设定毽迸行控籁，这释控钢 方法结构简单、抗干扰能力差、控制精度低。较好的控制方法是采用闭 环控制即按照在线测量值与预先设定值的偏差来避行控制。这种控制方 法抗干扰能力增强，控制精度有所提高。更离级盼控毒l 方法是应用计算 机进行控制，即构筑闭环实时计算机控制系统。注辍机的控制内容主要 有澡度( 秘篱湿度、嚷嘴澄瘦、模爨漫疫、涵滚瀑度) 控铡、压力 注 射压力和保压压力) 控制、速度( 注射速度) 控制、背压( 预塑背压) 整耧1 。赵立宏发凌了注鎏撬过程参数翔环控铡，分缓了对产赫质 量影响很大的过程参数：联力、速度、温度、位置的控制要求，给出了 位移、速度信号采集和处理硬件模块设计方案，实现了注塑机压力、注 太原理芏太学硬士学位论文 藜馕显及遮度懿 l l 黪控捌挖l 。秦奏餐戆矮学垃论文注塑援麓徽撬耀 环控制中根据生产需要和针对我国大部分企业的注塑机控制现状为单 梳控制，对注塑瓿的群控系统作了有益靛磷究帮探讨。该漾蘧采薅一台 p c 机作为上位机，数台8 0 9 8 系统作为下位机模拟群控技术，开发了上 位枫的操作界面，积下位祝静控澍系统”。王志新，张华等发表注塑 机电液比例控制的应用研究，该文在文献综述的基础上，对注塑机电液 比例控制技术与系统进行深入分析与研究，介绍了其开发的电液比例压 力、滚量复会控铡蜓与电波按利系绕及其在s z - - 2 0 0 1 2 0 型注塑瓿上进 行过程控制的实验结果f 1 4 1 。张利平、张秀敏发表注塑机的电液比例控 裁系统，余缓了美瓣v a nd o r a 塑撬公司，圭产静5 5 穗注燮穰静电滚毙 例控制系统的组成、原理 1 5 。刘向明发表注塑机电液伺服系统及p v t 控铡技术，研究了注塑机密液饲骚系统的鏊本组成及工 乍原理，采溺多 变量反馈，分模态控制，配以自适应控制算法及p v t ( 压力一比容温 度) 控制技术，构造现代注辍机电注伺服系统的控制模式 i 矗j 。罗维平发 表注塑枧的单片枕控制系统介绍了由8 0 3 1 单片枫控制注塑机鲍生产 过稔及其单片机系统的硬件、软件设计，给出了信号采集、信号处理、 键蠹秘显示毫路及笑较l 牛设诗挺銎h ”。薅露红、张建国发表环保式餐 服电动注塑机控制技术研究。该文针对伺服电动注嬲机性能特点，提出 了毫凌注鋈辘控崩系统懿硬 牛框粲鞠软件缝成，重点研究了基于速发环 节的压力闭环控制算法思想，弗经实验验证算法准确可靠。分析了愿力 波形追随控制和闭环增益蹑蹄人工智能技术在电动注塑视上的应用，为 我髫儡服电动注塑毒几鸱发展提供了联论依据耜参考【l 引。 万力、彭玉楼发表单片机在注塑机温度控制中的应用给出了注 塑桃鹳麓瀑发控剑方案及其袋用增鬟式状态分离p i d 算法，透过蠲擎片 机实现温度闭环控制，将料筒温度控制在1 。范围内，达到精密注塑机 太原理工大学硕士学位论文 对温度控制的要求【1 9 】。孙卫青、徐元昌发表精密注塑机料筒温度闭环 控制，提出以8 9 c 5 1 单片机为控制器，建立料筒温度控制模型，采用 改进型p i d 算法和脉宽调制( p w m ) 方法以及固态继电器实现注塑机料 筒温度的闭环控制，得到较高控制精度【2 “。钟汉如、周其节发表智能 积分方法在精密注塑机控制中的应用，研究了一种智能积分控制方法， 该方法采用m m 控制模式( 方法是在不同误差带范围内选用不同的放 大倍数，随着误差值减少，系统放大倍数也减少) 切换界面的仿人工智 能控制规则集，它把变放大系数的m m 控制模式和智能积分相结合， 具有仿照人的控制决策的性质，智能积分有非线性控制的特性【2 ”。陈可 简、吴玉斌发表注塑机智能控制系统设计，针对普通注塑机的特点， 提出对控制系统增加控制软件，使注塑机的各主要工艺参数的液、机、 电控制回路实现全闭环控制，实现了注塑机工艺过程参数自寻优控制， 从而使注塑机实现智能控制。d a n i a nz h e n g 发表“l e a r n i n gc o n t r o lo f a ne l e c t r o h y d r a u l i ci n j e c t i o nm o l d i n gm a c h i n ew i t l ls m o o t h e df i l l - t o - p a c k t r a n s i o n ”在这篇论文里设计和测试了提出的在注塑机注射和保压阶段 无冲击转换的学习控制方案【2 3 1 。h e a t h e rh a v l i c s e k 、a n d r e wa l l e y n e 发表 “n o n l i n e a rm o d e l i n go f a l le l e c t r o h y d r a u l i ci n j e c t i o nm o l d i n gm a c h i n e ” 在这篇论文里建立了由电子控制液压阀来完成控制的b o y5 0 t o n 注塑机 的充模和保压过程的模型，并通过实验数据来检验了系统的充模和保压 阶段非线性模型【2 4 】。t h o m a sc b u l g r i n 、t h o m a sh r i c h a r d s 发表了 ( ( a p p l i c a t i o no fa d v a n c e dc o n t r o lt h e o r yt o e n h a n c em o l d i n gm a c h i n e p e r f o r m a n c e ) ) 该文介绍了注塑机的典型控制策略，分析了传统p l c 控制 存在的问题和局限性。介绍了v a nd o md e m a g 公司采用数字过滤器、 状态转换逻辑器、温度控制器来更为准确控制注塑机的过程的新控制线 罔。w h e 、lf z h a n g 发表( ( d e v e l o p m e n to faf u z z y - n e u r os y s t e mf o r 太原理工大学硕士学位论文 p a r a m e t e rr e s e t t i n go fi n j e c t i o nm o l d i n g ) ) 介绍了用于注塑成型参数重新 设定的模糊神经网络系统。通过用运行中获得的注塑成型数据i j i i 练神经 网络，这一智能系统能预测降低或排除制品缺陷的参数调节量 2 6 。k h t a n m m f y u e n 发表了( ( c o m p u t e a i d e ds y s t e mf o rt h e i n i t i a ls e t t i n go f i n j e c t i o nm o l d i n gm a c h i n e ) ) 。开发了注塑机初始参数设置计算机辅助系 统。这一系统首先根据塑料类型、注塑模型来确定生产条件，再根据这 些生产条件按照标准化的模糊逻辑经验规则推导出过程参数，最后根据 这些过程参数经过简单的运算确定注塑机的初始参数。这一辅助系统经 过实验验证，结果显示对于简单几何形状的制件注塑机初始参数的设置 是可以接受1 2 7 】 1 4 课题的提出 我国自一九五八年生产出第一台液压传动的全自动柱塞式注射成 型机以来，到七十年代我国注射机的生产己初具系列，品种逐渐齐全。 注射成型机的设计制造水平，已由测绘仿制阶段过渡到自行设计阶段。 八十年代以来，塑料机械工业在我国获得了蓬勃的发展，特别是塑料注 塑机年生产能力己达万台以上，不仅满足了国内生产的需要，还大量出 口创汇，为满足这种机高输出力、快速响应、高速、压力控制精度和重 复精度的要求，国产注塑机几乎全采用了液压传动和电液比例控制技术， 为进一步提高精度，国外还开发了过程变量：模腔压力、注射速度、螺 杆转速等闭环微机控制的电液系统，我国在这方面也作了相应的研究。 但是进入九十年代以来，随着世晃各国在环境保护，如能耗、噪声、泄 漏等控制方面日益严格的要求，节能成为注塑机电液系统的研究重点， 为降低能耗，德、日等国已开发了全电气控制的注塑机，并投放市场， 太琢理工戈学硕士学救论文 与溉液控铡校澎，魄气簧动还存在无法实蕊集中羟铡，缀瓣实现高耩痊 的聪力控制，必须缀过中间转换裟援才能实现直线传动等不足。 注塑橇舱功率主要漓裁在滚压系统与蕊热装嚣滔大帮分上，它们分 别占8 2 和1 8 ，而注射和塑化工况耗能就占整个液压系统总能爨的 7 0 以上。可觅，在液压系统上采取优亿狡铡萄路、合理选用液压元件 等攒遮，可获褥显羲的节越效果。 目前，注塑机生产厂家对注塑机的设计还处在经验设计阶段，液压 元体、动力元 掌的选撂，瓤械结捻瓣注鋈撬逛液控制系统豁负载涎配及 其注塑机工作过程中的动态负载计算、电液控制系统压力、流量等参数 戆交位馕撬还没有上舞巍理论设诗承平，难驻把握注塑撬能整个动态工 作过程。 综上掰述，我们可戳看斑，对注塑祝惫滚控裁系统进行建模帮仿真 研究对于注握枫设计和节能研究具肖重要的意义。 太原理工大学硕士学位论文 第二章注塑机的工作原理及液压系统 2 1 注塑机的组成 注塑机是使塑料熔融并在模具中成型制品的设备。具有熔化塑料 的装置、把塑料熔体向模具推进的装置以及闭合模具的装置。近代通用 的注塑机( 见图2 1 ) 主要由如下几部分构成：合模与注塑的机械系统， 加热冷却系统，润滑系统，液压传动系统，电气控制系统，安全保护、 监测系统以及供料等辅助系统。 图2 一l 通用注塑机组成 1 一合模液压缸；2 调模机构；3 一后模板；4 一安全罩；5 一安全门：6 一动模 板；7 一机械安全装置；8 一操作箱；9 一前面固定板；1 0 一加热料筒( 内有螺杆) ； 1 1 一料斗；1 2 一注射座；1 3 一减速箱：1 4 一高速油马达：1 5 一注射液压缸：1 6 一注 1 3 太原理工大学硕士学位论文 射旗雅体移动液压缸；1 7 一控制箱；1 8 油箱( 强祝身两) ；i 9 一液匿控制装麓( 注 射阀板及阀类元件在盏内) ；2 0 一机身( 机架) ；2 1 一液压控制装置( 合模阀板及阀 类元件在盏内) ；2 2 一模具冷却水装置：2 3 一润滑油泵：2 4 蓄能器；2 s 安全罩： 2 6 一曲肘连梅机构；2 7 后安全罩；2 8 一拉杆( 四根) ；2 9 一拉杆螺母；3 0 一油冷 却器；3 1 一液压泵电机( 机身内) ；3 2 一液压泵( 机身内) ；3 3 一顶出装置 2 1 1 合模系统 合摸系统的作雨是馘定模其，使动模叛 乍意 i j 模运动，并赣繁模其。 合模系统主要由四根拉杆和螺母把前后模板联结起来形成整体刚性框 架。动模板装在前、后模板之闯，后模板上固定合模液压缸：动模板在 合模液压积的作用下以四投拉杆为导向柱作启闭模运动。模具的幼模装 在动模板上而定模则装在前固定横板上。当模具闭合后，在合模液压缸 压力俘鼹下，产生额定台摸力，镂紧搂具，防止摸兵注入藏压熔体霹模 具的型腔张开。当合模时，模具拉杆和前、后模粳形成力的封闭系统达 蚕平簿获惑。 在动模板的后侧装有及机械顶出装置。动模板在开启模具时，可通 过模其中的顶出枫构，瓢模腔中预出制品。在动横板或定模板上还装有 调模机构，以便在一定范围内调节模具厚度。在液压枧械式合模机构中， 还露通过调模机构来调试合模力的大小，控制超载。 含模槎絮蛇兹展侧设有安全罩、安全f 1 以及波压、极械安全保护装 置。为了确保安全，一般都用液压装置和电气限位开关耐安全门联锁， 当哭毫安全f j l l 合辩方能产生 l l 摸凌 睾。 2 ，l ，2 注射系统 注塑机注射系统的作用是使塑料塑化和熔融，并在高压和高速下将 1 4 太原理工大学硕士学位论文 熔体注入模腔。 注射系统主要由塑化装鼹、螺杆驱动装鼹、计摄装置、注射动作装 置、注射座以及整体移动和螺杆驱动装置、行程限位装置以及加料装置 等缎成。塑像装置又由螺柽潮加热料箍缝成，在螺栝头部装有防止熔体 倒流的上逆环和各种剪切或混炼元件；螺杆驱动装键主要由减速装管、 辖承支絮、主辘套耪嫘耪驱臻电援袋漓马达缳残。强塑化酵，餮力暹造 主轴套和轴承支架上的减速装置带动螺杆旋转。 注射装鬣主要由注射滚摄缸和活塞及嚷潞组藏。在注射对，液压锰 产生注射推力，通过主轴推动螺杆头部熔体产生高腰，使熔体通过喷嘴 充入模腔。 计量装鼹是由支架和行程挡块缎成的靛鼹，它与螺杆预塑后退动作 相联系，起塑化和计量作用。 注射座是一个霹以在毒睡身上移渤的基座，墼化装置、注鸯垂装置以及 计量装置和料斗都固定在注射座上。注射座在液压缸作用下，可以做整 体蔫迸或爱邈，霞唆灌与棱爨接歉袋离开。这个裁佟鬻称整体蘩遴残后 退。 2 1 3 加热、冷却系统 加热冷却系统鼹用来加热料筒及注射喷嘴的，注塑机料筒一般采用 毫黻翔热塑，套在瓣篱夕 部劳用热曦蝎分段捡测。热量通过篱壁向内传 热为物料塑化提供热源。 冷却系统是焉泉冷却液惩渡、瓣蜀鞋及模兵。冷却系统是一令粒阉 的循环系统，将冷却水分配到几个独立的回路上去并能对其流量进行调 节。通过检测承的濑度，实行阔环调节。 太原理工大学硕士学位论文 2 1 4 液压系统 液压系统是为注塑税的各种执行机构( 工作液压缸、油马达) 提供 压力和速度的回路。液压隧路一般由控制系统压力与流量的主回路和去 各执行机构的分回路组成。回路中由进出过滤器、液压泵、压力流量控 铡瓣、交换器以及器静压力、温度揍示仪褒等缀成。控毒压力一漉量执 行阀是比例先导阀的开启发，另外各种执行阀是开关阀。 2 1 5 电控系统 电控系统是注魏机的“中枢神经”系统，它控制着注塑机的各种程 序及其动作：对时阅、位趣、压力、速度、和转数等参数进行控带8 。主 要幽计算机及接口电路、各种检测原件及液压驱动放大电路组成闭环调 节系绫。 电控系统与机械液压系统相结合对注塑机的工艺程序进行精确稳定 熬控裁。 2 1 6 安全保护与徐测系绞 注塑枫的安全装置主溪用于保护人和机器的安全。由安全门、行程 阀、限位开关、光电检测元件等组成，实现电气机械一液压的联锁保 护。 监测系统主要对注塑机的油温、料温、系统超载以及工艺和设备故 障避雩亍整涮，发瑗簿零培溅进 亍攒示巍扳警。 2 2 注墼李置王终过程 塑糕注瓣残墅撬是把热辇淫塑瓣( 爨懿p v c 、a b s 、p e 、p p 警) 以 太原理工大学硕士学位论文 注射成型的方法，加热熔胶注射到模具腔，冷却后成为各种塑料制品的 加工机械。注塑机由三大部分组成：机械系统，液压系统，电控系统。 由电控系统输出程序控制信号驱动液压系统工作，产生相应的动力推动 机械装置运动。一个完整的注塑工艺流程如图2 2 。 图2 2 注塑机工艺流程图 近年来虽然注塑工艺和注塑设备有较大的发展，但是就多数通用注 塑机而言，主要工艺过程基本是一样的。如图2 3 所示 2 2 1 闭模和合紧 注塑机工作的原始状态是动模板在开启位置，模具的动模和定模分 开，注射座在后退位置，料筒的喷嘴和定模里非接触状态。注射成型机 的成型周期一般从模具闭合开始。参照图2 3 ( a ) ，注塑周期开始后， 动模板2 在合模机构1 的作用下向前移动，为防止动模板惯性冲击需慢 速启动，而在运行期间为缩短工作周期，模具以低压力快速进行移动， 当动模3 与固定在前模板上的模具的定模快要接触时，为防止冲击和安 全要减速。为保护模具安全，防止异物落入型腔，合模的动力系统自动 切换成低压( 即试合模压力) 、低速，在模具中无异物时，动模将继续向 前移动，当碰至限位开关时，动力系统切换进入高压锁模程序，使模具 闭紧，达到所调整的合模力，到此完成整个闭模程序。 太原理工大学硕士学位论文 ( a ) 国) ( c ) 船一 ( d ) 图2 - - 3 注塑枫工作程序 l 一合模机构：2 一动模板：3 一模具的动模：4 一模其的定模：s 一前模板：6 一 加热圈：7 一物料；8 一料斗；9 一注射液压缸：1 0 工作油；1 l 一活塞；1 2 一注射 座；1 3 一料戆；1 4 一螺桴：1 5 一唼嘴；1 6 - - 顼出装置：1 7 一冷却出强 1 8 太原理工大学硕士学位论文 2 2 2 注射装置前移和注射 当闭模到位后，注射座1 3 向定模板方向移动，使料筒1 4 上的喷嘴 1 6 和模具的主浇套相接触。于是接通了喷嘴一模具浇道一成型模腔系统 的通道，这一过程为注射座前进程序如图2 3 ( a ) ；当注射座到位，喷 嘴与主浇套压紧后，进入注射充模过程，液压系统向注射液压缸1 0 供高 压油1 1 ，推动注射活塞1 2 并连同螺杆1 5 向前运动将螺杆头部的塑料熔 体注入模腔中，并将模腔中的气体从模具分型面驱赶出去，如图2 3 ( b ) 所示。此时螺杆头部作用于熔料上的压力为注射压力，又称一次压力。 2 2 3 压力保持( 保压) 当注射过程完成后，整个模腔被熔体所充满，这时，注射螺杆已行 至最前位置，由于低温模具的冷却作用，使注入模腔内的熔料产生收缩， 为制得质量致密的制品，防止模腔中的熔体反压倒流和对制品补偿收缩， 注射液压缸1 0 内必须保持一定的压力，推动螺杆持续向模具中的熔料施 加压力一直到浇口处熔体冷却封口为止，如图2 3 ( c ) 所示。此时螺杆 作用于熔料上的压力称之为保压压力，又称二次压力。在保压时，螺杆 因补缩而会有少量的前移。 2 2 4 制品冷却和预塑化 当保压进行到模腔内的熔料失去从浇口回流可能性时( 即浇口封 闭) ，注射液压缸内保压压力即可卸去( 此时合模液压缸内的高压也可撤 除) ，使制品在模内冷却定型。此时螺杆在液压马达的驱动下旋转，将来 自料斗的粒状塑料沿螺槽向前输送。塑料在螺杆剪切热与料筒加热圈6 的同时供热下很快塑化并熔融，转变成粘流体存贮在螺杆前部的存贮室 太原理工大学硕士学位论文 内：与此同时，由于螺杆头部熔料压力的作用，螺杆在熔体的反作用力 推动下，边旋转边向后移动，使注射活塞回程，把注射液压缸进油腔的 工作油压回油箱。这一过程为预塑过程，如图2 3 ( d ) 所示；螺杆在塑 化时的后移量，即表示了螺杆头部所积存的熔料体积量。当螺杆后退到 所设定位置时，螺杆即停止转动，计量程序结束，准备下一次注射。制 品冷却与螺杆塑化在时间上通常是重叠的，在一般情况下，要求螺杆塑 化计量时间要少于制品冷却时间。 2 2 5 注射装置后退和开模顶出制品 螺杆塑化计量完毕后，为了使喷嘴不至于因长时间和冷模接触而形 成冷料等缘故，经常需要将喷嘴撤离模具，即注射装置后退。此动作进 行与否和先后的程序，机器均可进行选择。当注射装置后退到位后，合 模液压缸回油腔进压力油使动模板回程，开始启模，动模板到终止位置， 顶出装置动作使制品脱落，如2 3 ( d ) 所示。 2 3 注塑机对液压系统的要求 根据注塑成型工艺，塑料注射机的液压系统应满足下列要求 2 3 1 合模机构对液压系统的要求 在注射成型时，熔融塑料通常以4 0 1 3 0 m p a 的高压注射入模具内， 因此模具必须具有足够的合模力( 锁模力) ，否则会导运致模具离缝而产 生制件溢边现象。为此合模液压缸的压力必须满足合模力的要求。 另外，液压系统还应满足模具启闭时的速度要求，即既要考虑缩短 空载行程的时间，以提高机器的生产率，同时又要考虑到模具启闭过程 太原理工大学硕士学位论文 的缓冲要求，以防止损坏模具和制件，避免机器受到强烈振动和产生撞 击噪音，因此合模机构在启闭模过程中各阶段的速度变化一般是先慢后 快再慢。 2 3 2 注射座整体移动机构对液压系统的要求 为了适应加工各种塑料的需要，注射座整体移动液压缸除了保证在 注射时具有足够的推力，以使喷嘴与模具浇i ：i 紧密接触外，还应满足三 种预塑形式( 固定加料、前加料、后加料) 的要求，以使注射座整体移 动液压缸及时动作。 2 3 - 3 注射机构对液压系统的要求 在注射成型过程中，通常根据塑料的品种、制件的几何形状以及模 具的浇注系统的不同，需要灵活地调整注射压力和注射速度。 熔融粘度高的塑料要比熔融粘度低的塑料所需的压力要高；成型薄 壁制件和大面积、长流程、形状复杂的制品，所需的注射压力要高；模 具的浇注系统细小时，所需的注射压力要高。 注射速度的大小对制品质量有很大的影响。当注射速度很低时，制 品易形成冷接缝，而且也不易充满复杂的型腔，特别是对于结晶塑料和 薄壁制品表现更为突出。相反，当注射速度过高时，熔融塑料高速流经 喷嘴，易产生大量的摩擦热，会使塑料热分解和变色，同时模腔内气体 来不及排出，在制品中形成气泡。 根据注射成型工艺的要求，注射动作完成以后，需要进行保压。保 压的作用- n 使塑料紧贴模腔壁以获得精确的形状，再则可将熔融塑料 不断补入模腔，供制件冷却凝固时收缩之需，防止发生充料不足、空洞 等弊病。保压力应可根据需要调节。 2 l 太原理工大学硕士学位论文 另外，在用螺杆式注射机成型加工塑料制件时，螺杆转动的转速、 预塑背压，应能根据塑料的热敏性程度以及熔融粘度等情况而适当调整。 2 3 4 顶出机构对液压系统的要求 在制件顶出过程，除要求足够的顶出力外，还要求顶出速度平稳 可调。 由以上所述注塑机对液压系统的要求可知，注塑机需要在工作循环 中不断变换速度和压力，为了保证注塑机工艺过程要求( 压力、速度、 时间、温度) 和动作顺序准确有效的工作，现代注塑机几乎毫不例外地 采用了电液比例技术。因为传统注塑机液压控制系统由普通的液压泵、 普通的溢流阀等组成，其压力和速度的调节只有几级，对成形复杂制品 工艺的需求很难满足要求，而且功耗也比较大。而电液比例阀油路系统 通过外边设定的电模拟信号和磁力的比例作用，来控制阀芯的开口量或 阀芯的弹簧力对系统流量和压力进行控制，在注塑机上得到广泛的应用， 从而达到注塑速度、螺杆速度、开合模速度、保压压力、螺杆转矩、注 射座压力、项出力等实行单级、多级控制。 2 4 注塑机的典型液压系统 随着电液比例技术、微电子技术和计算机技术的发展和应用，注塑 机也广泛采用了微机控制的电液比例液压控制液压系统，其系统的压力 和流量可连续调节。 电液控制系统是在各个学科的基础上发展起来的，其根源来自四个 方面：液压流体力学、控制理论、电器学和电子学。在这些学科发展的 基础上，电液控制系统在第二次世界大战时得到了开发。到目前已成为 度擐理工大学i 器l 士学垃论文 工业控制巾一种不可缺少的控制方式。 近1 0 年来，方面塑料注射机的产爨大幅度增长，禺一方面其液压 系统豹钩戏也不羧发生变化。这受汇集了几个有代表蛙懿典型滚愿系统， 威映了塑机向高效率、高精密度、节能、微机控制和高殿可靠性方向发 矮，也款一令霰l 瓣爱袭了液嚣技零、注蘩税系统瓣应舔帮发震稳撬。 2 4 。l 豢惑注塑撬滚蓬控刽系绞 图2 4 为采爝豢擐波匿控制系统豹没塑规渡搓琢理图。由于拳援滚 压系统简单可靠、价格低、维修方便、齑观，目前在我嗣中小型注塑机 书傻占有稳当魄锲。毽蹩鬻褒瓣对滚基系绞戆匿力、滚豢、方两只耱是 开关式通断控制，不能连续按比例地调节。这种5 0 、6 0 年代的控制系统 曩缀难满麓今天多赭释、彩狭复杂、精度离等塑糕成蝥工艺要求。藏外 这种定量裂系统穰注塑机中的能耗大，因此这种采用常规液压系统的注 塑机属于淘汰产品。 黧2 4s z - - 2 5 0 a 淫鎏辊滚鹾控裁系统派理强 太原理工大学硕士学位论文 2 4 2 采用电液比例压力、流量复合阀控制的注塑机液压系统 图2 5 为采用电液比例压力流量复合控制注塑机液压系统原理图。 该系统比例压力流量控制采用日本油研e f b g 0 3 电液比例压力流量复合 阀。液压系统的压力由负载和同时受压力阀及流量先导阀影响的压力阀 主调节阀芯开度决定，并通过流量阀和压力阀来分别控制速度和压力。 压力阀始终接在液压系统中。在实施速度控制时，由于系统的压力低于 压力阀预先设定值，因而压力先导级起限压作用，系统压力由负载决定； 压力控制时，压力阀基于溢流阀原理工作。这类系统与采用分离元件构 成的液压系统相比，虽然可减少元件数量、简化结构、能满足注塑机对 压力、速度控制的要求实现比例调节，但由于采用定量泵作为油源，工 作过程始终存在着与流量有关的能量损失，同样也存在着能耗大的问题。 图2 5 注塑机电液比例压力流量复合控制液压系统原理图 太原理工大学硕士学位论文 2 4 3 负载感应型注塑机电液控制系统 针对具体电液控制系统能耗大的不足，国外发展了应用变量泵和电 液比例阀相结合的负载感应型的注塑机电液控制系统，原理如图2 6 所 示。执行机构的运动速度将由流过比例节流阀的流量和变量泵相结合来 叫卿 霈 由坤，。 山 图2 6 负载感应型注塑机电液控制系统 控制。比例节流阀进出口油压反馈到变量泵控制机构的先导阀上，通过 这一差压反馈调整变量泵的变量机构，使泵的输出的流量始终与负载所 要求的一致。这样就可消除采用定量泵加比例阀控制所存在的与流量有 关的能量损失，该系统在调整过程中，比例节流阀进出口两端的压差保 持恒定，这样通过比例节流阀的流量就可由电信号连续比例控制。当系 统运行的压力达到比例溢流阀v d b l 所限制的设定值，系统就从流量控 制状态转换为压力控制状态，系统仅输出维持压力所需的流量。采用这 种阀和泵相结合的方式，可以开环也可以闭环控制锁模机构、注塑过程、 背压以及辅助执行机构的运动。为了控制塑化过程中的充填压力，增加 羞一一墅毒习星 太原理工大学硕士学位论文 了溢流阀主阀v d b 2 ，与比例先导溢流阀一起控制压力。 2 4 4 应用p ql ：l ：f f l j 复合泵作动力源的注塑机电液系统 采用比例阀、泵相结合的负载敏感控制原理，尽管可消除应用定量 泵与三通比例阀所有的与流量有关的能量损失，但因比例节流阀存在固 定的压差，仍存在较大的节流损失，特别在高速阶段，这一损失就很大。 消除这一部分能量损失的方法是应用压力、流量直接闭环控制的高响应 变量泵作为动力源的电液系统即p q 比例变量泵电液系统。其回路原理 图如图2 7 所示。 母 n 创1 盟烛 l 图2 7 应用p q 复合比例泵的电液控制系统 该系统的最大优势就是不存在任何与流量和压力有关的能量损失。 为了提高动态响应速度，整个控制机构由差压控制型径向变量柱塞泵， 含位置闭环的高速比例阀，以及压力传感器和位移传感器组成，控制流 量同比例阀与检测变量泵偏心量的位移传感器构马的位置闭环系统完 太原理工大学硕士学位论文 成。通过压力传感器补偿因泄漏造成的流量损失，使泵输