（模式识别与智能系统专业论文）大型注塑机电脑控制系统设计.pdf

中国科学技术大学硕士论文 摘要 从2 0 寸h = 纪5 0 年代技术创新推出了螺杆式塑料注射成型机至今已有5 0 多年的历史。 目前在：翻鼙塑料业中，8 0 的塑料制品采用了注射成型。近年来汽车、建筑、家用电器、 食品、医药等行业对注塑制品日益增长的需求，更推动了注射成型技术承平的发展和提 高。中国塑料机械2 0 0 0 年销售额在7 0 亿元人民币左右，以台数计为8 5 万台，其中4 0 左右是注射成型机。从美国、日本、德国、加拿大等主要生产国家来看，注塑机的产量 都在逐年增加，在塑料机械中占的比重最大。因此随着注塑机的，泛应用，其控制技术 成为该领域内的一个研究热点。 对注塑机的控制就是对温度、压力、时问、料量和合模力的计算控制问题。但是温 度、压力、时间这三个参数互相耦合，对控制技术提出了挑战。每完成一个制品的成型 过程，都要经过熔融混炼、流动造型、冷却固化，所以齄个过程很复杂。更困难的是， 每一种特定的高聚物材料具有不同的流变特性，各个过程参数的注塑工作范嗣不同，因 而具体的过程参数也是不同的：另外当更换模具时即使同样的材料可能有不同的过程 参数。因此寻找一组使注塑周期最短( 对应生产效率) 、机械冲击( 对应机器使用寿命) 及能耗等性能指标最优的过程参数就需要专家的人为干预。因此，注塑机系统是一个多 交域、分布参数、离散、间歇工作、大滞后、非线性、强耦合、分散性很强且需要人i ： 参与的复杂人系统，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 的数学模型北常困难甚至不可能，其。r 艺参数的选择和机器参数的确定，很大程度上依 赖丁人类专家的经验和智慧。因此注塑机控制系统其实就是一个多输入多输出的复杂专 家系统。 我们的设计i ：t 标是开发一个所有信号都通过微电脑处理的全l 司环控制系统此系统 包括：键箍输入、屏幕显示、系统运行、系统检测、信号反馈及校正等。操作人员可根 据屏幕上显示的问题输入指令或数据，如：熔胶筒温度、开台模距离、注射压力、注射 速度、保乐压力、冷却时间、顶出次数、生产周期、模腔数、生产总数等。数据或指令 输入完毕后，系统便会按照输入的数据或指令运行，同时微电脑处理系统开始监视雨f 检 测系统实际数据和设定数据是否一致，如发现两者有差异则迅速反馈给处理系统予以及 时纠止。同时机床上备有数据存储器，可将当前生产数据存储，以便下次生产时再_ j 。 综上所述，整个控制系统涉及到的技术非常庞杂，我主要负责了以下四个方面的 作，本文也嗣绕这四个方面加以详细介绍。 1 探讨注塑机控制系统主控板的硬件设计方法。从功能分析到硬件选型做出一系列介 至；f ： ，同时探讨了硬件设计时最需要关心的抗干扰设计等需要注意的事项。 2 通过分析注塑机控制器设计要求，提山一种分层、基于事件驱动的控制器软t 1 二设计 思想，并在此基础上给出了实现框架。同时，在改善人机交互方面提出了一种简单 而方便管理的嵌入式汉字库管理方法。 3 参考国际标准i s o 来设计通信协议，并完整地给出一种适合单片机通讯、软件实现 的c r c 快速校验算法。 4 对注塑机的熔胶筒温度控制做理论分析和仿真试验，对我们提出的设计方案加以肯 定。 关键词：注塑机，通信协议，事件驱动，单片机，p i d 控制，l c d 编程 ! 璧型堂楚查查兰堡兰堡苎 a b s t r a c t s i n c et h ei n n o v a t i o no ft h ei n d u s t r i a lt e c h n o l o g yi nt h ef i f t i e so f2 0 “c e n t u r y , t h e s c r e w - t y p e di n j e c t i o nm o l d i n gm a c h i n eh a sb e e nd e v e l o p e dm o r et h a n5 0y e a r s u pt od a t e ， p r o d u c t i o nf r o mt h i sm e t h o dc o v e r sa l m o s te i 曲t yp e r c e n to fo u rd a i l yu s e dp l a s t i c s p r o d u c t i o n m o r e o v e r , a sm er e q u i r e m e n to fp l a s t i c sp r o d u c t si na u t o m o b i l e s a r c h i t e c t u r e h o m ee l e c t r i ca p p l i a n c e ，f o o da n dp h a r m a c e u t i c a le t ci si n c r e a s i n gs w i r l y , s u c ht e c h n i q u e s h o u l db ep r o m o t e dd e f i n i t e l y f o re x a m p l e ，s a l eo ft h ep l a s t i c sm o l d i n gm a c h i n ew a s7 b i l l i o no rs oi nc h i n ao n l yi n2 0 0 0 ，n e a r l y8 5t h o u s a n de n g i n e s ，f o r t yp e r c e n to fw h i c ha r e i n j e c t i o nm o l d i n gm a c h i n e s a sac o o s e q u e n c e , c o n t r o l l i n gt e c h n i q u ei nt h i sf i l e db e c o m e sa h o tt o p i cr e c e n t l y , d u et ot h ei n t e n s i v ea p p l i c a t i o no f t h i sm a c h i n e c o n t r o l l i n gi ni n j e e t i o nm o l d i n gm a c h i n eu s u a l l yc o n s i s t so f t h ec o n t r o lo f t e m p e r a t u r e ， p r e s s u r e ，t i m e ，m e a s u r e m e n to fm a t e r i a le r e 。a n di ti sac h a l l e n g eb e c a u s eo ft h ec o u p l i n g b e t w e e nt h e s ep a r a m e t e r s d u r i n gt h ew h o l ep r o c e d u r eo ft h em o l d i n g , t h ec r u d em a t e r i a l u n d e r g o e ss e v e r a is t e p sa n da l lo f t h e ma r ec o m p l e xa n dh a r dt oc o n t r 0 1 m o r e o v e r , a l io f t l e p a r a m e t e r sn e e dt ob ee o r r e c t 酣a i ma td i f i e r e n tm a t e r i a la n dd i f i e r e n tp r o c e s s s oi ti so u r d u 垮t ol o o kf ras e to f p & r a m _ e t e r st h a tc o u l dr e s u l ti nas h o r t e s tm o l d i n gp e r i o d i c 批am o s t s a r i s 盘i n gm a c h i n es t r i k i n ga n dl o we n e r g yc o s t o u ro b j e c ti st od e v e l o pa c l o s e - l o o p e dc o n t r o l l i n gs y s t e m ，i nw h i c ha l ls i g n a l sc o u l db e a n a l y z e dw i t hm i c r o c o m p u t e r s u c has y s t e mi sm a d eu po f k e y b o a r d ，s c r e e n ，c i r c u l a t i n gp a r t ， c h e c k i n gp a r ta n df e e d b a c ks y s t e m s ，s ot h ec o n t r o l l e rc o u l di n p u tc o m m a n d sr e l y i n go nt h e s c r e e ns h o w i n ga n da d j u s tt h es y s t e ms i m u l t a n e o u s l ys oa st om a k ei tw o r ka sw h a tw en e e d i nt h em e a n w h i l e ，t h ed a t ar e c o r di nt h em e m o r ys u p p l i e di m p o r t a n tr e f e r e n c ef o rt h en e x t t a s k i ns u m m a r y ，t h ee n t i r es y s t e mi sc o m p l i c a t e da n di n v o l v e dk i n d so f t e c h n i q u e s n o w , i n t h i sp a p e r , w e j u s t m e n t i o n t h e m a i n f o u r p a r t s w ea r e i nc h a r g e o f i n t h i s d e s i g na s f o l l o w s 1 h a r d w a r ed e s i g no ft h em a n a g e m e n tb o a r do fc o n t r o ls y s t e mi nt h ei n j e c t i o nm o l d i n g m a c h i n e w ei n t r e d u c et h ef u n c t i o na n dt h es e l e c t i o no ft h eh a r d w a r e a n dp r o b ei n t o s o m ei t e r n sm u s tb ep a i da t t e n t i o ni nh a r d w a r ed e s i g n 。s u c ha sa n t i i n t e r f e r e n c ee t c 2 am u l t i l a y e r , e v e n td r i v e ns o f t w a r ed e s i g no f t h ec o n t r o l l e ri sb r o u g h tf o r w a r db a s e do n t h ea n a l y s i so ft h ec o n t r o l l e rd e s i g nr e q u i r e m e n t w ee v e ns u g g e s tt h ef r a m et or e a l i z e t h ed e s i g na n da na d m i n i s t r a t i v em e t h o do ft h ee m b e d d e dc h i n e s ed a t a b a s ef o c u s e do n i m p r o v e m e n to f t h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nu s e r sa n de q u i p m e n t s 3 c o n s u l tt h ei n t e r n a t i o n a ls t a n d a r di s ot od e s i g nt h ec o m m u n i c a t i o np r o t o c 0 1 p r o v i d ea s u i t a b l ec r cf a s tc h e c k - u pa l g o r i t h mt h a te n a b l e st h es o f t w a r et or e a l i z eo n e c h i p c o m p u t e rc o m m u n i c a t i o n 4 p r o v i d eat h e o r e t i e a la n a l y s i sa n ds i m u l a t i o no ft h eb a r r e lt e r n p e r a t u r ei nt h ei n j e c t i o n m o l d i n gm a c h i n e ，s oa st oc o n f i r mt h ev a l i d i t yo f o u rd e s i g ns c h e e l u l e 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 ，c o m m u n i c a t i o np r o t o c o l ，e v e n t - d r i v e nm e t h o d ， s i n g l e c h i pc o m p u t e r i i 中国科学技术大学硕士论文第一章绪论 第一章绪论 本章介绍论文提出的背景，注塑机的组成和工作过程控制系统的发展历程及现状 和控制内容。最后给出我的主要二r = 作内容。 1 1 课题的提出 随着塑料工业的迅速发展，塑料由于具有轻巧、便于加工成型及抗腐蚀能力强、电 气特性优异及化学性质稳定、吸震和消声隔离作用优良、能很好地与金属、玻璃、木材 及其它材料相胶结等特点，已逐渐成为继钢材、木材、水泥之后的四大支柱材料之一f i l 。 同时因其来源丰富，塑料制品已经广泛应用于农业、建材、包装、机械电子、汽车、交 通、家电、石油化工和国防等各个领域。塑料在材料结构中所占的比例正在以高于8 的速度逐年上升1 4 j 。多年的实践也证明，增加塑料在整个材料结构中的比重。j 。泛采用 高分子合成材料，可节约资源、降低能耗，使社会总体经济效益大幅度提高，社会资金 和自然资源得到更为合理的分配和利用【3 】。正是由于企业生产和人们日常生活中对塑料 制品的强烈需求以及塑料制品其原材料的来源丰富而廉价，极大地促进了塑料丁业特 别是塑料机械i i ：业的不断发展与进步，促进塑料加工技术和工艺的不断完善。 注射成型是加j f ：塑料制品的主要方法之一，这种方法能制得外形复杂、尺寸精确和 带有金属嵌件的制品。另外，该：j ：艺对各种聚合物加 ：的适应性强，易于实现生产自动 化，冈此在塑料机械中f 有较火的比重。目前世界上8 0 的工程塑料制品采用注射成型 加f ：技术进行生产f 4 j 。由此可见，注塑成型在塑料工业中有其特殊的地位，它是塑料加 i ：机械的典型代表。以此为对象研究注塑机的加工二r = 艺，对改进加工手段、提高塑料制 品质鼙以及推动注塑1 ：业的发展，都将具有重要的意义。目前最为广泛应用注塑成型i 艺的设备是注塑机，它是对热塑性( 或熟同性) 塑料进行加工熔融后，以高压、高速注射 入模腔，进而嗍化成酗生产山塑料制晶的机械设备。每年注塑机的塑料产量i f l 全部塑 料加i ：机械塑料山产量的8 0 左右，所以注塑机已经成为塑料成型机械制造业中增欧最 快、产量最人的机种2 一 2 1 。 注塑机自本世纪3 0 年代问世以来主机结构及传动原理变化不大但其控制系统 却在不断得到更新和发展。国外已由手动操作的第一代产品发展成为基于微机闭环控制 的第五代产品，其自动化程度已经得到了很大提高。而我国直到5 0 年代末才开始生产 注塑机，起步相对较晚。但由于采取了引进消化、吸收和逐步提高的国产化方针，同时 钢材价格上涨，4 i 化工业能够为塑料生产提供充足原材料( 包括工程塑料) ，便形成了“以 塑代钢”，“以注塑代压延成型”的特有高速发展模式嘲。但是，国内注塑机发展异常 迅猛的同时，暴露了其控制水平低，自动化程度低，产品竞争能力不强的严重缺陷。 近年来，随着注塑机在行业中的比重不断加大，其出口量己超过造纸机，成为我国 轻工系统最大宗出口的机器设备【4 】。但能源危机的出现，劳动力缺乏的出现，加之对产 品质量要求越来越高，注塑机的节能高效、自动化程度高等性能已为用户所关注的问题； 同时。对于中大规模注塑工厂( 车间) ，甚至量少、品种多的小规模注塑车间，在保证制 品质量的前提“f ，如何利用成熟的自动化设备，提高产品精度，降低废品、次品率，节约 原材料和能源来降低成本增强市场竞争也逐渐引起人们的高度重视。总之，采_ = i 先进 的控制技术和管理手段改进现有的注塑机工业生产己成为必然的趋势。 中国科学技术大学硕士论文第一章绪论 有关资料表明，8 0 年代精密塑件( 指塑件的尺寸精度达到o 0 1 0 0 0 1 m m 的注塑嘲) 在整个注塑产品所占的比重约为1 ，9 0 年代则为1 0 左右，特别是近年来随着v c d 、 d v d 以及微电子通讯产品的迅猛发展，这一比例有急剧增长之势。一些注塑设备生产 厂家，为了适应这一发展，加大了精密注塑机及其辅助设备的研制开发力度，不断推出 适于精密注塑的新机型。如1 9 9 8 年1 0 月在德国杜塞尔多夫举办的第1 4 届国际塑料与 橡胶展览会上日本n i s s e i 公司推出的d v d 注塑机，德国b a t t e nf e l d 公司推出的 一种伺服电动注塑机( 用来生产重撬为2 m g 植入人耳的高精度传感器) ，日本松r 公 司使用计算机控制的透镜精密机等已成功地将塑件尺寸精度提高到1 0 至1 0 0 m m ，形状 精度小t5 u m f 日。这些产品的出现必然对塑料成型设备提出更高的标准，要求使他们向 产品品种多、规格全、质量稳定可靠、自动化程度高、快速高效、高精度低噪音方面发 展，相应地，就是要求精密注塑机械的注塑压力、速度、温度、计量等都能准确控制到 相应的精度。能否实现该过程参数的精确控制，成为衡量注塑机整机水平的一个重要标 志。 本课题就是在这样的背景下提出的，通过对已有技术加以吸收、继承和发展，结合 实地考察的国内注塑机技术情况，提出并开发一套既符合我国国情又具有定市场竞争 力的精密注塑机电脑闭环控制系统。 1 2 注塑机简介 注塑机全称为注塑成型机，就是把塑料原材料加工制造成各种特定形状、特定_ l j 途 塑料制品( 譬如塑料脸盆、矿泉水瓶等等) 的1 ：业设备。它从2 0 世纪5 0 年代诞生发展 至今已有5 0 多年的历史。近年来汽车、建筑、家用电器、食品、医药等行业对注塑制 品日益增& 的需求，更推动了注射成型技术水平的发展和提高 4 1 。 1 2 1 注塑机的组成 台通i j 的注塑机主要由注射装置、台模装置、液压系统和电气控制系统组成，结 构如图1 1 所示： ( 1 ) 注射装置 图1 1 注塑机的组成 2 开关 中隔科学技术大学硕士论文第一章绪论 它的主要作用是使塑料塑化成熔融状态，并以足够的压力和速度将一定的熔料注到 模腔内。因此，注射装置应具有塑化良好，计量精确的性能，并且在注射时对熔胶能提 供准确的压力和速度。注射装置一般由塑化部件( 熔胶筒、螺杆、喷嘴等) 、料斗、计 量装置、螺杆传动装置及注射和射移油缸等组成。 ( 2 ) 合模装置 它是保证成型模具可靠地闭合和实现模具启闭动作并顶出制品，即成型制品的工作 部件。因为在注射时，进入模腔中的熔料还具有一定的压力。这就要求合模装置给予模 具以足够的合紧力，以防止在熔料的压力下模具被打开，从而导致制品溢边或使制品精 度下降。合模装置主要由模板、栏杆、合模机构、制品项出装置和安全门、调模装置等 组成。 ( 3 ) 液压系统 注射成型机是由塑料熔融、模子闭合、注射入模、制品固化、闭模取出制品等】：序 所组成的连续生产过程。液压拳电气则是为了保证注射成型机按工艺过程预定的要求 ( 压力、速度、温度、时间及位置) 和动作程序，准确无误的进行工作而设置的动力和 控制系统。液压部分主要有动力油泵、比例乐力阀( 控制压力变化) 、比例流量阀( 控 制速度变化) 、方向阀、管路、油箱等。 ( 4 ) 控制系统 控制系统控制注塑周删的顺序( 顺序控制) 及维持过程温度、时间、压力及速度于 设定值( 过程控制) 。电气部分主要由动力、动作程序和加热控制等组成。这一部分止 是我们研究的重点。 1 2 2 注塑机的工作过程 各种注塑机完成注塑成型的动作可能不完全相同，但其成型的基本过程人致相同。 现以螺杆式注塑机为例予以说明。 从料斗落入螺杆筒中的物料随着螺杆的转动沿着螺杆向前输送。在输送的过程中， 物料被逐渐压紧压实，物料中的气体由加料口排出。在螺杆筒外加热和螺杆剪切热的作 用- 卜，物料实现其物理状态的变化，最后成为黏流态，并形成一定的压力。当螺杆头部 的熔料压力达到能克服注射油缸话塞退回时的阻力( 所谓背压) 时，螺杆便后退进行 所谓计量。与此同时螺杆筒前端和螺杆头部熔料逐渐增多，当达到所需要的注射量( 即 螺杆退同到一定位置) 时，计量装置撞击限位开关。螺杆停止转动并后退。至此，预塑 完毕。同时，合模油缸中的压力油推动合模机构动作，移动模板使模具闭合。继而，注 塑座前移，注塑油缸注入压力油。使油缸活塞带动螺杆按要求的压力和速度将熔料注入 到模腔内。当熔料充满模腔后，螺杆仍对熔料保持一定的压力( 即所谓的保压) ，以防 j r 模腔中熔料的反流，并向模腔内充入因制品冷却收缩所需要的补充物料。模腔中的熔 料经过冷却，由黏流态恢复到玻璃态。从而定型，获得一定尺寸精度和表面光洁度的制 品。当完全冷却定型后，模具打开，在顶出机构的作用下，制件被推出，从而完成一个 注塑成型的完整周期。 注塑机基本工序如图1 _ 2 所示，由合模、射台进、射料、保压、冷却、射台退、 预塑、防涎、开模、顶针进和顶针退等基本过程组成。下面将逐一加以说明。 3 中周科学技术大学硬j j 论文 第章绪论 图l 一2 注塑机基本工序 ( 1 ) 合模过程 合模油缸中的压力油推动锁模机构动作，动模板移动使模具闭合。其中，模具首先 以低压高速f j j 合；当动模板即将接近定模板时，再切换成低速、低压 j j 合( 即模具保护 二l ：况) ：在确认模具内无异物存在时，切换成高压( 锁模力) 并将模具锁紧。 ( 2 ) 射台进和射料过程 模具以锁模力锁紧后，射台以二r ：况使喷嘴和模真贴合。注射电磁阀通电后。注射油 缸充人压力油推动与该油缸活塞杆相连接的螺杆，并按照分等级的压力和速度将熔胶筒 内的熔料注人锁紧的模腔内。 ( 3 ) 保压过程 熔料在充填模腔过程中直至充填满腔后，要求螺杆仍对熔料保持一定的压力，以防 l e 模具中的熔料网流；同时，施加保压压力，以便向模腔内补充因制品冷缩所需的物料。 避免制品产生缩孔等缺陷。 ( 4 ) 冷却和预塑过程 一旦浇口封死后，取消保压过程，制品在模具内自然冷却定型；同时驱动预塑油 马达使螺杆转动，将来自料斗的粒状塑料向前输送，进行塑化。在原料塑化返到预定计 量值后，为了防j l 已熔化的塑料溢出喷嘴，需要将螺杆向后移动一定距离，即进行防涎 处理。 ( 5 ) 射台退、开模及制品顶出过程 预塑计鼙及防涎过程结束后为了使喷嘴不致于因长时间和冷模接触而形成冷料 通常需要将喷嘴撤离模具，即进入射台退 况。该动作是否执行，以及执行的先后挫序 可供选择。一口制品冷却定型后就开模。并自动顶出制品。 1 3 注塑机控制系统简介 1 ，3 1 注塑机控制系统的发展历程 注塑机自问世以来，其电气控制方式先后采用继电器、电子电路顺序控制、可编群 控制器( p l c ) 及电脑控制系统等，并与液压紧密结合，构成简单的普通开环控制系统， 或复杂的模拟控制( 比例阀伺服阀) 和数字控制系统，来实现电液比例伺服控制。 ( 1 ) 继电器、接触器控制 2 0 世纪6 0 年代采用继电器、接触器进行控制，多数情况f 为开环方式由行程开 关和挡块进行动作程序进行切换控制。这种控制方式由于采用导线连接，仅适用于某一 个同定的j l 艺过程一旦过程有变化就必须重新连接、安裟，因而存在研制和调试时间 长、修改不方便、寿命短、可靠件差、故障检查困难、控制精度低等严重不足，这样的 注塑机工艺水平难以提高，缺乏市场竞争力。 4 中国科学技术大学硕士论文 第一章绪论 ( 2 ) 电子电路顺序控制 电子电路顺序控制采用分立元件或部分采用集成电路，以门电路来代替继电器用 赢流电磁阀代替交流电磁阀用无触点行程开关及挡块实现动作程序的切换，具有感应 快、体积小、成本低等优点。 ( 3 ) 可编程控制器控制 用p l c 控制注塑机的动作程序及过程参数，采用数字定时器代替时间继电器、中 间继电器。该控制系统能产生2 4 v 直流电压，提供给直流电磁阀。用位移传感器等来实 现动作程序和过程程序的切换并进行比例压力和比例流量控制。采片；i 程序存储方式， 具有修改程序方便、结构小巧、可靠、反应灵敏、运行速度快等优点，并且可以进行开 关量逻辑控制：同时，其兼有模拟量( 例如温度、压力、流量、转速等) 闭环控制等功 能。借助液晶或数码显示和键盘设定，生产者可以修改 ：艺过程参数、监测生产过程， 从而大大提高了整机水平，适合加工高精度注塑制品。 ( 4 ) 电脑控制系统 利用液晶( l c d ) 来显示设定参数和过程参数及过程变化曲线，通过图形动画及菜单， 使得成型过程可视化，具有信息容量大、操作直观方便等特点。同时，还具有较强的计 算能力和臼诊断、故障报警、模具参数储存、压力和流量无级可调、在线设定、修改参 数、人机会话方式、在线监涮动作状态、中文提示等功能，具有中、英等多种语言，可 自由进行选择切换。该系统能够实现成型过程开环及闭环控制，提高了注塑机的性能， 并能够成型极高质量的塑料制品。高性能嵌入式系统控制由开环控制逐步发展为带有比 例伺服系统的闭环控制并推，。群控技术。据不完全统计、国外注塑机中采h ；i 闭环控制 的约l i1 5 而开环控制则i _ 8 5 t 4 1 ，注塑机可通过专用键盘及液晶显示屏，设定若干 级压力、速度及温度参数，以曲线形式显示各参数变化情况。系统可具有数套缄数十套 模具( 含i ：艺参数) 的储存能力，还可以对若干种故障进行报警。 1 3 2 注塑机电脑控制系统的现状 注塑机发展的重要特点是向精密化、低噪声、高效率、节能和高度自动化方向发展， 在控制系统设计方面，采_ i j 全闭环伺服电机为驱动的伺服液压执行阀，配台压力传感器 和激光测昔尺，做到压力平速度全闭环。这就要求注塑机控制系统具有较高的品质指标。 目前，国外注塑机控制系统多通过多个微处理器分工，融合先进的硬件及软件技术 而成。控制系统的设计，特别注重机器与操作者的沟通，使操作者更容易掌握及发挥机 器的各项优越性能。多种语言显示功能，克服了人机交互的语言障碍。此外，还配置了 许多高级的控制功能例如塑料注射模腔过程专家系统、智能识别模腔塑料注射保压点 切换、自动设定注射压力参数和注射速度参数、智能调校锁模参数等。美国著名的注塑 机公司c i n c i n n a t im i l a c r o n ，百余年来不论在机械制造技术、设计开发、研究发展方面， 都走在世界的前列，该公司制造的v i s t a 系列注塑机甚至应用了航天工业的特殊技术 材料、尖端控制系统及液压技术。而美国m o o gc o n t r o l s 公司研究的p c 2 8 注塑机控制 系统和m o o ( 2 0 0 0 注塑机电脑控制系统。具有工业控制机的所有功能，全套注塑机输 入输出和检测控制接口及注塑机控制程序软件。香港华大机械设备有限公司生产的c 2 系列注塑机，在日本厂商配合下开发了c i m t r o l 电脑控制系统，该系统较为全面的注塑 机电脑控制功能使操作者深刻地体会到现代洼塑成型工艺控制的优越性能。 与发达国家相比，中国的精密注塑机控制系统开发研究显得微乎其微。在技术研究 5 中国科学技术大学硕：t 论文第一章绪论 上投入的人力、物力较小，而这方面的技术研究涉及面广，涉及机械设计、液压传动系 统、计算机控制系统以及化 ：高分子塑料等众多学科的综合性研究。目前，中国塑料机 械行业在应朋高新技术、提高控制技术水平以及在推广应用机电一体化等方面已经取 得了一定的发展，并有部分企业已经开始采用微电脑控制，并且能够应用闭环控制技术。 但前方发达国家应用这种技术已相当普遍而成熟，他们能够采用开环与闭环应用的控制 技术用一些高性能注塑机控制系统取代传统的i 开式继电器控制，从而大人提高了产品的 精度、质量、稳定性和可靠性。 1 3 3 注塑机电脑控制系统的控制内容 注塑机控制系统是控制塑料熔体注射到模腔中成型的过程。根据高分子物理学的概 念，热塑性塑料在恒定压力下受热时存在三种物理状态转变，即玻璃态、高弹性态和黏 流态的相互转变。而塑料三态转变除了与温度有关外，还和应力作用的时间和作用力施 加的速度等有关，非牛顿型物理流动定律和液体的黏度定理 ，d v 、n 仁一矽 式中一熔体的黏度： n 一流变指数； 车一剪切速度： 盯v f 一剪戍力； 熔体的黏度与l ：艺注塑过程参数有 艇火关系，它的函数关系式可由一卜式表示 = f ( p ，t ，址w ) 式中p - - - 塑料熔体压力 卜一熔体压力作用时间； ，熔体温度； v 熔体在任一点的流向速度； w 一高分子材料的结构性能。 ( 1 2 ) 从式( i - 1 ) 和式( 1 - 2 ) 可知，要使塑料熔体通过控制系统在黏流态注射到模腔转 化为高弹性态，冷却后变成玻璃态，这个过程需要控制系统控制好熔体温度7 _ 、压力p 、 时间t 以及高分子材料的结构性能，而这些参数是互相耦合的，例如温度t 对速度v 有 影响，压力p 对温度r 有影响等。因此，精密注塑机就是要研究塑料熔体注射到模具冷 却成型过程的控制规律。这个控制规律是基于流变学的非牛顿型流动定律基础上的，通 过控制注射压力、注射速度、保压时间，从而使塑料制品成型收缩率达到晟小。所以控 6 中l = 目科学技术大学硕士论文 第一章绪论 制系统设计在注塑机中是至关重要的部分。 影响塑料制品精度的因素很多，而且十分复杂，但归纳起来有几个方面的主要因素： 塑料的成型收缩率以及收缩率的波动模具结构与制造精度，模具在使用过程中的磨损。 而塑料本身的特点和成型1 ：艺条件对塑料成型收缩率以及收缩率的波动影响很大。另 外，材料的结晶性，流动性，弹性模量，料温，模具温度，注射压力，保压压力，塑化 背压，成型周期等参数也都需要通过控制系统来寻找最佳参数进行闭环控制。 1 4 本课题的研究任务 我们设计的注塑机控制器的硬件要求如下： ( 1 ) 提供6 0 个模具资料的非易失性存储空间； ( 2 )支持5 段熔胶筒温度的采用和p w m 控制输出通道； ( 3 ) 3 2 路行程开关量输入；3 2 路电磁阀输出和2 路比例压力流量模拟量输出和 4 路位移模拟量输入； ( 4 )提供友好的液晶人机界面显示。用于模具资料的实时显示，熔胶筒温度显示 机器当前 ：作状态的监控显示，以及系统时钟的显示等。 ( 5 ) 提供1 3 个设定键3 个操作模式键。1 0 个数字键，1 5 个备用功能键，4 个 光标移动键，1 7 个手动动作键，以及电热、马达键。 系统按分布式控制系统模式设计，整个系统由二块c p u 板组成，分别控制温度、 人机交互和注射速度、压力和动作先后顺序的控制。它们之问通过r s 4 2 2 总线通讯。这 三块c p u 板能够把控制所需要的可控变量采集进来。可控变量有两类：一类以模拟鲑 形式输入，如熔胶筒各段温度、注塑系统压力、螺杆和顶针的位置等；另一类是数字簧 形式的输入变鼙，如螺杆后退停l t 位置、射台前进位置、射台后退位置等限位开关。输 出驱动量也有两类：一类以模拟量输出，如比例流量和比例压力的p w m ：另一类是数 字颦形式的输出鼙，如继电器的开关控制。这样就构成了注塑速度和压力的开环控制、 熔胶筒温度的闭环控制以及动作流程的闭环控制。同时，我们还着力丁设计一个界面友 好美观、性能可靠、使用方便的人机交互界面。 熔胶筒温度控制是注塑：t ：艺的重要参数，是塑化装置的唯一外部供热，因此熔胶筒 的温度控制技术将直接影响到制品质量。注塑熔胶筒的加热段般分三段到八段，通过 热电藕和闹态继电器对加热电阻圈的控制与调节组成闭环控制回路。我们的目标是要把 温度控制在+ 2 0 0 6 静态误差1o c 。 注塑速度控制包括两种含义：一个是对螺杆推进物料的速度进行开环控制；一个是 对螺杆推进速度同时进行位置和速度值的多级切换，称多级注塑速度切换或控制。注塑 压力控制也包括两种含义：一个是对螺杆推进物料的压力进行开环控制；另一个是对螺 杆推进压力同时进行位置和压力值的多级切换，称多级注塑压力切换或控制。注塑机采 _ 【 = l 位移传感器进行位置检测，应用模拟量或数字量设定通过电液比例系统实现多级注塑 速度和注塑压力控制。但就注塑速度控制而言，是采用位移检测、多级速度开环控制； 就注塑压力控制而言，其切换方式又有位置切换或时间切换两种。从射胶压力到保压压 力采用位置切换，而到保压阶段时就从位置切换转入时间切换控制多级保压压力。 动作流程控制是使注塑机按照事先设定好的动作前后顺序，按时间进行j 作。 7 中嘲科学技术大学硕士论文 第一章绪论 本论文的主要工作： 冈为注塑机控制系统是一个多变量、大滞后、强耦合、非线性的复杂_ 业控制系统， 其中涉及到很多的控制和技术细节。作者在此课题中主要负责s 3 c 4 4 b o x 主控板模块的 硬件设计和软件编程以及r s 4 2 2 总线的通信协议的设计同时对熔胶桶温度控制做前期 的理论调研准备。 在该控制系统中，由丁两个s p c e 0 6 1 a 从控制板都在得到s 3 c 4 4 b o x 主控板命令后 才执行特定的动作，s 3 c 4 4 b o x 主控板就相当于整个系统的决策头脑。因而硬件的抗干扰 设计和软件编程的合理性成为一个极为重要的问题。 硬件在满足功能需求的前提f ，通过合理的p c b 版圈设计，尽晟大可能提高抗干 扰的能力同时器件尽量选取工业级的芯片，还必须设置硬件看门狗。 在软件设计的过程中，通过分析用户需求，我们发现，主控制板的软件除了必须能 可靠的按照用户的要求工作外还必须解决如下几个问题： 执行效率高：对系统中某些关键任务必须具有很高的响应速度。 可移植性好：由于系统硬件设计或者其他某种原因可能会导致硬件部分产生改 变，主控板软件应能很好的适应这一改变，即在出现改变时应能尽量少地改动 代码而适应新的硬件结构。 可扩展性：系统可能随着注塑机工业的发展，需要添加一些新的功能，闪此要 求软件部分能适应这一发展。 容错能力强：系统l | 作环境恶劣。干扰严重，因此需要软件有比较好的处理错 误的能力和自动恢复能力。 鉴丁以上几点原因，对注塑机主控板软件的设计提出了很大的挑战。而本文设计的 控制板软件设计方法则很好地满足了以上几点要求。具体来说： 执行效率的提高方法可以分为两个层面：设计和实现层面。实现层面主要表现 为采t f j 了良好的编程语言环境，采用了较高效的算法，选用优化的执行指令序 列等等。而本文对设计层面的一系列考虑主要包括： 1 ) 定时器管理：传统的方法是依次对每个定时器进行计数和判断操作，效 率很低，本文设计了一种定时器队列结构，在消耗极少的额外存储空间承i c p u 进行队列管理的时间前提f ，只需对队列头的定时器进行计数年判断 显著地减少了系统中定时器操作次数，从而提高了系统时钟的响应速度。 2 ) 把每个含有循环和延时的处理程序分解成各个不含循环和延时的子线程 提高了系统的执行效率和可靠性。 系统模块的整体结构采用分层式设计，把直接硬件接口的部分单独分离出来成 为一层一驱动层。系统的应用层采用高级语言设计，它们之间的接口采用规范 化的方法设计。这样，当我们更换硬件时，只需修改驱动层使其提供同样的 接口，而上层的应用层无需修改。使系统满足了可移植性良好的要求。 系统设计和实现采用了事件驱动的思想，采用这种方法，当系统中要添加新的 功能时，只需要为新的功能设计一个事件，在调用该功能的地方激活该事件， 然后在该事件处理程序里实现该功能即可。如果该功能很复杂，可以再将该功 能进行分解。因而这种设计方法使功能的扩充变得十分简易。 控制软件充分利用了硬件提供的w a t c h d o g ，避免了系统因干扰导致p c 指针跑 e 程序灭效的问题。另外还采用重要数据冗余设计，使错误发生后能及时捕获 并加以处理和恢复重要数据。 8 中因科学技术大学硕士论文 第一章绪论 通过如上的设计，主控板软件很好的满足了系统的设计需求，解决了控制软件的 设计难题。 4 2 2 总线如同连接决策头脑( s 3 c 4 4 b o x 主控板) 和双手( s p c e 0 6 1 a 执行板) 的 神经系统。因此设计一个良好的通信协议使通信更加可靠和稳定也是整个系统稳定与否 的关键。本文将主要介绍通信协议参数的选取、协议的层次结构、帧结构、应用层协议 内容和通信过程中的信逆访问控制方法及传输控制。 注塑机的熔胶筒温度控制技术：目前国内的注塑机大多采用普通p i d 控制。p i d 的 控制参数由人l ：现场输入。我们也沿用这个方法，作者将在这个技术点上做理论上的探 索和仿真，以使项目小组后期的实现有基本的理论根据。 综上所述，作者将设计个稳定可靠的注塑机控制系统主控板电路，并以解决目前 注塑机控制系统中存在的一些控制算法和软件设计难题为研究的主要方向，以提高注塑 机生产效率和产品质量为最终目标。 1 5 研究生阶段的具体工作 2 0 0 2 年9 月2 0 0 3 年5 月完成智能小区控制项目，经费6 万。 2 0 0 3 年9 月- 2 0 0 5 年7 月参与注塑机电脑控制系统设计，经费2 0 万 l 、对注塑机控制系统的现状和技术难点进行了广泛的调研，选择了其中较凼难的 一部分作为我的论文主题内容。 2 、调研人域嵌入式c p u ，最后选定s 3 c 4 4 b o x ，带领小组对它进行技术研究。 3 、设计了主控板端硬中i ：电路。 4 、设计了一种新型的嵌入式字库管理方法，写有一篇论文( 正在评审) 。 5 、设计了一种适合我们项目的通讯协议，给出简化c r c 校验算法。 6 、调研注塑机熔胶筒温度控制系统，在自动化与仪表上发表论文一篇。 7 、把事件驱动编程思想引入嵌入式系统软件开发。 9 中瑚科学技术大学硕，i 二论文第= 章控制系统主控扳硬件设计 第二章控制系统主控板硬件设计 本章先介绍了整个控制系统的概貌。然后引出我要设计的主控板的所需要完成的功 能。然后详细介绍主控板硬件电路系统设计( 处理器、存储器和液晶的选取、r s - 2 3 2 和r s 4 2 2 的设计分析、电源设计、抗干扰设计) 。 2 1 控制系统总体设计 目前最先进的注塑机控制系统设计模式是多处理器分布控制模式。它的设计思想是 将多任务进行分散控制，由一个主处理器做决策控制，其他若干从处理器来完成独立的 特定1 = 作。如此设计的优点是： 因为每个处理器只需要完成特定的功能。所以有足够的处理能力来完成复杂算 法的实现( 譬如说熔胶筒温度控制，如果加入模型在线辨识和p i d 参数自整定 功能就很耗处理器资源) 。同时，系统实时响应故障的能力也会增强。 注塑机设备越来越复杂化、大型化，如果采用单处理器集中控制，那么从控制 接口连接到执行机构的走线就必然非常长，有可能会带来驱动能力不够或干扰 串入等一系列问题。多处理器模式因为采用分散控制，所以每个控制板都可以 放在展靠近它控制的执行机构附近，各控制板之间又是专用的工业总线米交互 数据。彻底解决了干扰串入和驱动能力不足的问题。 冈此我们在分析系统的功能要求的基础上，把功能分成三类： 第一类是8 路温度控制采集模块和8 路温度控制输出模块。因为温度控制算法比 较复杂，需要消耗比较多的处理器资源，丙此我们用一个单独的s p c e 0 6 1 a 控制它。 第一二类是3 2 路l o 输入、3 2 路i o 输出，4 路a d 和3 路p w m 输出。此模块也 用一个s p c e 0 6 1 a 来控制。 第三类是键盘输入神i 液晶屏显示，用s 3 c 4 4 b o x 来控制a 根据此分类。我们设计了分布式3 破e 理器结构的控制系统，其中一个从处理器 b ( s p c e 0 6 1 a ) 负责温度控制此模块里已经包含了温度采集和电热丝加热通断执行机 构，因此它即使不和主处理器通讯也能独立完成温度闭环控制了：另一个从处理器 a ( s p c e 0 6 i a ) 负责限位开关输入、方向阀的开关、注塑机的螺杆位置和坐台位置以及顶 针位置的输入、压力刺速度的输山，在主处理器对它做完初始化后，它也能独立的1 ：作； 主处理器负责l c d 的显示和