（电气工程专业论文）注塑机控制系统设计.pdf

中文摘要 摘要：注塑成型是目前应用较广泛的塑料加工方法，而注塑机则是注塑成型的主 要加工设备。因此，研究注塑机的控制问题对提高塑料制品质量，推动塑料工业 的发展有重要意义。本论文以我们承接的某型号注塑机控制系统改造任务为研究 对象，提出注射保压全过程的迭代学习控制方案，并进行了试验验证。 首先，论文介绍了注塑机的结构组成、工作原理。其次，对注塑机控制系统 进行了软硬件的改造设计。在硬件系统改造中，分析了注塑机系统的i o 信号特性 和数据采集卡对采集信号的要求，从而设计出系统接线原理图。在控制软件设计 中，首先利用7 q n x 系统的实时多任务特点，对软件所实现的功能进行任务划分， 并设计出下位机软件流程图；然后通过q n x 的p h a b 编程软件，按照注塑机监测 和控制的需求，完成了系统监控画面的设计实现。实际运行表明，开发出的控制 系统运行可靠，满足了用户的要求。 最后，论文就迭代学习控制算法在注塑过程中的实际应用进行了研究，并试 验验证了其控制的有效性。针对注射及保压过程，文章研究了最优注射速度与保 压压力曲线的设定，解决了由采样延迟引发的迭代学习控制的不稳定问题，确定 了考虑延迟因素的开环p 型迭代学习控制方案。在大量仿真及试验基础上，实现 了注射速度和保压压力在有限时间区域内对期望轨迹的完全跟踪。此方法对实际 生产过程具有一定的指导意义。 关键词：注塑机；迭代学习控制；注射速度；保压压力 分类号：t q 3 1 5 a bs t r a c t 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 m m ) i so n eo ft h em o s ti m p o r t a n t e q u i p m e n ti np l a s t i ci n d u s t r y s or e s e a r c ho nt h ec o n t r o lm e t h o do fi m m h a s s i g n i f i c a n tm e a n i n gf o rb o t ht h eq u a l i t yi m p r o v e m e n to fp l a s t i cp r o d u c ta n dt h e p r o g r e s so fp l a s t i ci n d u s t r y b a s eo nt h em i s s i o nw eo b t a i no fa l t e r a t i o no fai m m c o n t r o ls y s t e m , t h ed i s s e r t a t i o np r e s e n t sa ni t e r a t i v el e a r n i n gc o n t r o l ( i l c ) s c h e m ef o rt h ee n t i r ep r o c e s so fi n j e c t i o na n dp a c k i n g , a n dv a l i d a t e st h es c h e m e w i t he x p e r i m e n t s f i r s to fa l l ，t h ed i s s e r t a t i o nd o e sad e e p l yr e s e a r c ho nt h et e c h n o l o g i cp r o c e s so f i n j e c t i o nm o l d i n gt h r o u g ht h ec o m p o s i n gs t r u c t u r ea n dw o r k i n gp r i n c i p l eo ft h ei m m a f t e r w a r d ，r e f o r m a t i o na n dd e s i g no fc o n t r o ls y s t e mf o ri m mc o n s i s to ft w op a r t s ， r e b u i l d i n go ft h eh a r d w a r es y s t e ma n dd e s i g no f t h es o r w a r ef o rc o n t r o ls y s t e m i nt h e f o r m e r , t h ec h a r a c t e ro ft h ei n p u ta n do u t p u ts i g n a l sa n dd e m a n do fa c q u i s i t i o nc a r d sf o r s i g n a l sa r ea n a l y z e d ，a n dt h ew i r i n gd i a g r a m sa r ed e s i g n e d i nt h el a t t e r , f i r s t l yt a s k sa r e d i v i d e da c c o r d i n gt of u n c t i o n ss o f t w a r ei m p l e m e n t sa n df l o w c h a r to fs u b o r d i n a t e c o m p u t e rp r o g r a mi sp l a n n e d ，a v a i l i n go ft h er e a l - t i m em u l f i t a s kc h a r a c t e ro fq n x o p e r a t i n gs y s t e m s e c o n d l y , m o n i t o r i n gs y s t e mi sa c c o m p l i s h e du s i n gp h a bs o f t w a r eo f q n x ，t os a t i s f yt h es u p e r v i s o r yc o n t r o ln e e d so fi m m t h ed e v e l o p e dc o n t r o ls y s t e mi s r e l i a b l ea n df u l f i l l st h en e e d so fc o n s u m e r a tt h ee n d ，e x p e r i m e n t sa r ec a r r i e do u tt ov a l i d a t et h ee f f e c t i v e n e s so fi l cc o n t r o l s c h e m ei ni n j e c t i o nm o l d i n gp r o c e s s f o rt h ei n j e c t i o na n dp a c k i n gp h a s e s ，c u r v es e t t i n g o fo p t i m u mi n j e c t i o ns p e e da n dp a c k i n gp r e s s u r ei sf i r s t l yr e s e a r c h e d t h e nb a s e do n t h ea n a l y s i so ft h ei n s t a b i l i t yp r o b l e mo fi l cc a u s e db ys a m p l i n gd e l a y , t h eo p e n l o o p p - t y p ec o n t r o ls c h e m ed e a l i n gw i t ht h ed e l a yf a c t o ri si m p l e m e n t e d ，a n dt h ec o m p l e t e t r a c k i n go fi n j e c t i o ns p e e da n dp a c k i n gp r e s s u r ei sr e a l i z e da f t e rl o t so f s i m u l a t i o n sa n d e x p e r i m e n t s t h em e t h o dh a ss o m ed e g r e eo fg u i d i n gs i g n i f i c a n c e i n p r a c t i c a l p r o d u c t i o n k e y w 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 ；i t e r a t i v el e a r n i n gc o n t r o l ( i l c ) ；i n j e c t i o n v e l o c i t y ；p a c k i n gp r e s s u r e c l a s s n o ：t q 3 1 5 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学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， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：导师签名： 签字1 7 t 期：年月日签字日期：年月日 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和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或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了谢意。 学位论文作者签名：签字日期： 年月日 致谢 首先感谢汤钰鹏副教授，是汤老师把我引入科学研究的大门，是他的谆谆善 诱和不断的鼓励才使我找到正确的研究方向，是他的渊博学识和耐心指导才使我 能够深入研究并于枯燥的理论中获得了科研的乐趣。汤老师对知识孜孜以求的探 索精神及对学术前沿敏锐的洞察力使我受益良多；他广博的知识、敏锐的洞察力、 热情的鼓励和深厚的文学功底，帮助我逾越了许多障碍；在此，谨向恩师汤副教 授致以崇高的敬意和衷心的感谢! 衷心感谢我院刘喜梅高级工程师对我在研制过程中所提供的帮助，感谢辅导 员及每一位曾经任课的恩师在学术和生活上的指导和帮助。 感谢三年多来与我并肩学习的同学们：刘俊、续明进、李明、陈海、李海军 以及工程硕士班的全体同学。正是他们营造了一个温暖的集体和优越的学习坏境， 使我能够始终保持轻松愉快的心情，笑对困难，无论何时都充满信心。 最后，我要深深感谢我工作单位各位领导和同事对我的支持，以及一直在我 身后默默支持我的父母，没有他们无私的资助和关爱，我不可能取得今天的成绩。 1 1 课题研究的背景 1 引言 随着社会的不断发展，塑料与混凝土、钢铁、木材并称为四大工业材料，塑 料作为新型合成材料，具有诸多优良特性，如塑料质地轻巧、耐水、耐化学腐蚀， 塑料制品外形美观、便于加工安装、具有优异的电气特性及化学稳定性、优良的 吸震和消声隔离作用、能很好地与金属、玻璃、木材及其它材料相胶结等。正是 由于塑料具有诸多优点，因此广泛应用于国民经济各部门和日常生活中。塑料在 材料结构中所占的比例正在逐年上升。预计到2 0 1 0 年，以重量计算的塑料产量将 超过钢的产量。多年的实践也证明，增加塑料在整个材料结构中的比重，广泛采 用高分子合成材料，可节省资源，降低能耗，社会总体经济效益可大为提高，社 会资金和自然资源可以得到更合理的利用【l 】。 注射成型是加工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，对各种聚合物加工的适应性强，易于实现全自动化 生产，因此在塑料机械中占有很大比重。目前世界上8 0 的工程塑料制品采用注 射成型加工技术进行生产。由此可见，注射成型在塑料工业中有其特殊的地位。 注塑机是注射成型的主要设备，它是塑料加工机械的典型代表：注塑机是一个集 机、电、液于一体的典型系统。注塑加工能够一次成型形状复杂的塑料制品，如 照相机镜头、塑料齿轮和激光光碟等精密塑料制品，同时，可供注塑加工的塑料 种类非常多，具有适应性强、效率高和后加工量少等特点，其产量在塑料机械中 所占比例达到4 0 左右。因此，研究注塑机的加工工艺，对改进加工手段、提高 塑料制品质量、推动注塑工业的发展有重要作用【2 】。 注塑机的工作过程为：将粒状高分子材料经过注塑机螺杆的挤压和加热，成 为熔融状态的熔体；在螺杆的推动下，塑料熔体通过注塑机喷嘴、模具的流道和 浇口进入模具型腔；经冷却，成型出具有一定形状和尺寸塑料制品。一个完整的 注塑工艺流程包括合模、预塑、注塑、保压、冷却、开模、项出和调模等几道工 序。注塑机是以一定工序批量生产塑料制品的工业设备，它是一种典型的间歇过 程生产设备。 间歇生产过程是以顺序操作步骤进行产品批量生产的生产过程。它是工业生 产中广泛采用的一种生产方式，与我们的生活密切相关。间歇过程本身具有多变 量、多工序、时变性、反应复杂、工序运行时间不确定等特点。因此对于间歇过 程先进控制的研究具有重大的理论意义和良好的经济效益。 塑料在注塑成型过程中必定发生熔体流动和传热等一些输送过程，涉及熔体 的热流变、传热学等复杂的物理动力学问题。高聚物熔体的流变行为增加了实际 生产中工艺控制的难度，工艺条件制定得正确与否直接影响注塑件的质量和生产 的效率。 成型工艺的制定是一项影响因素多、经验性强、复杂度大的技术工作。成型 参数与质量指标间缺乏精确的解析表达以及工艺参数具有相互耦合和非线性时变 特征，使得长期以来工艺优化主要依靠工艺师的经验通过反复试错来实现。从经 济角度看，传统试模的方法需要在注塑机上反复调整参数，比较每次调整后的制 品质量，不仅试模时间长、成本高，而且准确度不高；从知识运用的角度，该方 法过分依赖经验和以往案例。在目前市场多变和新产品层出不穷的经济浪潮中， 该方法面临较大的挑战。 质量和效率是市场制胜的第一要素。传统的试模方法不再适应现在生产的 “快、精、新”的发展要求，注塑件生产急需一套低成本、高效率、并能出产高品质 制件的解决方案。面临全球日益激烈的市场竞争和不断加快的产品更新步伐，解 决注塑成型质量控制和工艺优化问题就显得尤为迫切1 3 j 。 注塑成型质量控制和工艺优化不仅是工业生产中一个急需解决的问题，同时 也是近些年来学术界关注的热点之一。正是在这样的背景下，本文的研究更具有 意义。 注塑机是一种对热塑性( 或热固性) 塑料进行加热熔融后，以高压、高速注 射入模腔，进而固化成型，生产出塑料制品的机械设备。 注塑机的发展起源于上世纪三十年代，自从上世纪5 0 年代第一台往复螺杆式 注塑机问世以来，注塑机的性能和效率得到不断的改善，这种改善涉及到注塑机 的几个主要组成部分，即合模装置、注射装置、液压系统及电气控制系统。其中 机械结构于上世纪5 0 年代末已基本定型。在液压系统方面，液压系统随着电液比 例技术的日益发展成熟，正由原来的开关阀控制向电液比例阀控制发展。在控制 系统方面，先后研制出了不同的控制器来保证塑料制品的质量，减少废品，提高 注射成型加工的生产效率【4 1 。 1 2 国内外技术现状 原始的注塑机主要采用硬接线连接控制即继电器控制方式，这种方式易于实 现，但控制范围有限，控制精度低。到上世纪6 0 年代末，随着电子工业的发展， 这种控制系统逐渐被新型控制系统取代，加工精度也有相对的提高，但对注塑机 2 精密程度的要求也随之提高了，开环控制已不能满足需求。上世纪7 0 年代中期， 欧美一些厂家提出了对注塑机参数进行闭环控制的设想。但是，由于研制初期尚 未弄清哪些过程参数应该加以控制。控制参数很多，研制费用昂贵。上世纪8 0 年 代初期，由研究才得出结论：对注射过程中的一些重要参数，如注射速度、充模 压力、保压压力、熔料温度等参数进行闭环控制，可以大大改善注塑制品的质量。 当时一些制造厂家开发了一系列相应的装置，如n e g r i b o s s i 公司的e c i 和 s y n t r o l z h 系统，通过对模腔压力( 充模压力、保压压力) 的闭环控制，产品的质 量有了很大的提高。 同时，随着微电子技术的飞跃发展，计算机和微处理器介入了注塑机的控制 系统，使闭环系统的研制费用得以减少，推动了注塑机控制系统的更新换代。上 世纪7 0 年代末，欧洲一些厂家开发了专用于注塑机的可编程序逻辑控制器 p l c ( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ) ，该装置编程方便、结构紧凑、可靠性高、抗 干扰能力强、改变工艺条件方便，但是由于带有模拟量输入输出控制的可编程序 逻辑控制器p l c 价格较高，在实际控制中应用不多。 电液比例技术和微机控制技术的结合，使注塑机的控制系统进入一个崭新的 领域。因微处理器具有逻辑运算功能，适用于开环控制、闭环控制和检测控制。 微处理器除了能完成所有的工业逻辑控制外，对料筒温度、注射速度、充模压力、 保压压力等过程参数可以采用闭环控制，还配有c r t 在线显示，具有参数记忆等 功能，如v i c k e r s 公司的s y s t e m 2 3 0 系统，日本三菱公司的m a g 系统等。 由大型计算机与微处理机结合组成监控系统，也是注塑机发展的一个方向。 上世纪8 0 年代中期，日本三菱公司研制了最多可以控制八台注塑机的集中监控系 统。由单个注塑机的控制向整个生产车间的自动化管理发展。该系统具有多功能 人机接口，可以存取，并以各种画面显示构成参数，控制变量及其它参数。对模 具的使用，不同类型制品的成型条件，异常情况等进行集中监督和管理。西德 b a t t e n f e l d 公司研制的计算机可以管理1 5 台注塑机，这种方式可以保证产品精度， 并能将最优工艺条件存储在计算机中，从而保证每一批产品的质量稳定。在注塑 制品的生产中，制品的质量与原材料及成型设备的选择、成型工艺、模具条件， 环境状况等密切相关。就国际塑料机械的发展而言，正朝着快速、高效、节能、 精密、占地面积小、环保以及低成本的方向发展。 随着自动化和计算机技术的发展，西方工业国家已成功推出新一代自动塑料 机械，不仅自动化程度高，易操作，而且生产效率和产品质量也大大提高。在国 际上注塑机工业不断进步的推动下，国内的注塑机工业也在快速发展。注塑机自 上世纪3 0 年代问世以来，主机结构及传动原理变化不大，但其控制却在不断更新 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 3 品，自动化程度不断提高，国内直到2 0 世纪5 0 年代末才开始生产注塑机，由于 采取了引进消化、吸收和逐步提高、国产化的方针，再加上钢材价格上涨，石化 工业能够提供原料( 包括工程塑料) ，便形成了“以塑代钢”，“以注塑代压缩成型” 的趋势。国内注塑机的发展速度异常快，但控制水平较低，档次不高，绝大多数 仍基于继电器和可编程控制器，自动化程度较低，产品竞争能力不强【5 1 。 随着注塑机在行业中的比重不断加大，其出口量已超过纸机，成为我国轻工 系统最大宗的出口设备。注塑机的节能高效、自动化程度高的性能已为用户所追 求；同时，对于大中规模注塑工厂( 车间) ，甚至批量少、品种多的小规模注塑车 间，在保证制品质量的前提下，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，增强市场竞争已引起人们的 高度重视，采用先进的控制技术和管理手段已成为必然的趋势【6 】。 现代注塑机的发展重点在于提高控制水平和整机自动化程度，以及整机优化 设计和加工工艺的改进等方面，满足对于注塑制品质量及节能的要求。通过不断 完善液压系统，采用先进的控制手段，性能优良的设备、质量可靠的电气系统及 液压系统，以确保注塑机动作灵敏、运行稳定和可靠，最终达到改善劳动条件、 减轻维修工作量、降低能耗、节省原料的目的，最终朝着高速、高效、高精度、 高质量、低噪声、自动化、节能，以及降低生产成本的方向发展川。 在注射速度控制方面，p a n d d i d i s 和a g r a w a l 8 】【9 】针对w 吼9 1 0 】提出的线性注射 速度模型进行了一系列控制仿真研究，虽然取得了理想的仿真结果，但缺乏实验 验证。并且仿真过程中注射速度的非线性和时变性特性被忽略。t a nk k 和h u a n g t l l 】 采用了多项式逼近的方法，避开了系统模型中的高阶分量，得到了比较理想的仿 真结果。其方法必须首先离线辨识，使系统参数的初始值覆盖工作点。但其结果 是建立在线性假设的基础上，其实用价值受到限制。t s o i 和g a o 2 1 分析了注射速 度的非线性和时变性特性特性，设计了模糊控制器，虽然它可以在不同工况下有 效工作但设计控制器过程中需要相当多的经验知识。y a n g 和g a o 1 3 j 设计了基于极 点配置的自适应注射速度控制器。针对不同的注射条件控制器表现出很好的特性， 但是这种控制器对模型失配表现太过敏感。t a n 和t a n g 1 4 提出了增强学习型p i 控 制结构，使用p i 控制器作为反馈控制器，迭代学习控制器作为前馈控制器。这两 种控制方法的结合能使控制效果随着批次而逐渐改善。虽然取得了理想的仿真结 果，但同样没有实验验证。 。 在保压压力控制方面，初期的压力控制研究采用了传统的控制方法。k a m a l 等人利用p i 和p i d 结合增益控制的方法控制喷嘴压力和模腔浇口压力【l 孓1 6 】，其中 增益控制方法用来克服成型过程的非线性特征，并获得了较好的结果。但这种方 法很难扩展用于不同的模具和机器。c o s t i n g 等人研究了一种液压控制系统，采用 4 自适应调节( s t r ) 和p i 控制系统来实现的【m 。从其实验结果来看，s t r 的控制 功能要好于p i ，但两者都存在一些明显的误差。a b uf a r a 和k a m a l 等人针对保压 阶段研究了一种闭环模腔压力控制系统 1 8 - 1 9 。g a o 等人采用现代控制技术实现了对 模腔内指定位置的模腔压力的闭环控制1 2 0 】。w u 等人分析了模腔压力轨迹与机器参 数和制品质量之间的关系1 2 ，把模腔压力轨迹转变为代表轨迹显著特征的离散数 据模式，建立起一个基于特征数据的专家系统。 1 3本文主要工作 本文以我院承接的某公司注塑机改造项目为研究背景，对型号为h t f 5 8 x 2 的 注塑机控制系统进行改造设计，并对注射、保压过程进行深入研究。在分析了注 射速度和保压压力大时滞、非线性以及时变性动态特性基础上，引入迭代学习控 制方法，针对注射速度和保压压力均设计了开环迭代学习控制器和辅助反馈迭代 学习控制器，从实用的角度有效解决了采样延迟及学习周期不等长问题，试验结 果证明了控制器的有效性。 研究工作的具体内容如下： 1 ) 介绍了课题的研究背景及意义、注塑机的发展历史及技术现状、迭代学习 控制理论的基本原理与思想及其在国内外的应用现状。 2 ) 在该注塑机原有控制系统的基础上，通过线路改造和软件设计，使其满足 用户的技术要求。改造设计分为两部分，硬件系统的设计改造和控制系统的软件 设计。线路改造部分分析了f o 信号特性和数据采集卡的功能，并分别阐述了具体 的线路改造方案。在软件设计部分，划分出软件功能模块，给出了下位机软件主 程序流程图和监控画面的设计实例。 3 ) 针对注射保压控制阶段，分析了注射速度与保压压力对制品质量的影响及 最优控制曲线设定，结合成型过程特性和迭代学习控制的适用范围，提出了经修 正的开环p 型迭代学习控制律，解决了采样延迟及纯滞后引发的迭代学习控制不 稳定问题。 最后，对本文工作进行总结，分析尚存在的不足之处及今后值得研究的方向。 5 韭毫窑堑厶望主些亟堂垃监毫往塑扭= 挂星壅凰基红盘纽 2 注塑机工作原理及系统介绍 2 1注塑机工作原理 注塑机是一类把塑料原料加热溶化后注射到模具中，经冷却形成塑料制品的 机床。它具有高生产效率，产品一次成型的优点，所以在加工制造业的各个领域 中得到了广泛应用。本章将以h t f 5 8 x 2 型往复螺杆式注塑机为研究对象介绍注塑 机的组成和基本工作原理。 2 11注塑机的结构组成 注塑机义称之为注射成型机，功用是将热塑性塑料从粒状原料转变成虽后的 成型品，并在每一步中完成熔融、注射、保压及冷却一个循环。注塑机的具体组 成部分有：液压油路系统，注射系统，射台移动系统，加热冷却系统，模具系统， 锁模系统，润滑系统，电气控制系统，安全保护、监授慊统以及供料等辅助系统 捌。 一个典型的注塑成型机的结构如图21 所示。 控制糸筑 图2 1 注塑机的基本组成部分 f i g21c o n f i g u r a t i o no f l m m ( ”注射系统 注塑机注射系统的作用是使塑料塑化和熔融，井在高压和高速下将熔体注入 模腔。注射系统主要由塑化装置、螺轩驱动装置、计量装置、注射动作装置、注 射座整体移动装箕、行程限位装置以及加料装置等组成。塑化装置又由螺轩和加 热料简组成在螺杆头部装有防止熔体倒流的止逆环和各种剪切或混炼元件；螺 杆驱动装簧主要由减速装置、轴承支架、主轴套和螺幸f 驰动电机或液压马达组成。 预塑化时，动力通过主轴套和轴承支架上的减速装置带动螺杆旋转。 注射装置主要由注射液压缸和活塞及喷嘴组成。在注射时，液压缸产生注射 推力，通过主轴推动螺杆向头部熔体施加高压，使熔体通过喷嘴充入模腔。 计量装置是由支架和行程挡块组成的装置，它与螺杆预塑后退动作相联系， 起塑化和计量作用。 注射座是一个可以在机身上移动的基座，塑化装置、注射装置以及计量装置 和料斗都固定在注射座上。注射座在液压缸作用下，可以做整体前进或后退，使 喷嘴与模具接触或离开。 ( 2 ) 锁模系统 锁模系统的作用是推动模具进行开合运动，使动模板作启闭模往返移动，并 锁紧模具。锁模力要大于注射压力，使塑料制品没有飞边。锁模系统主要由四根 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、后模板之间， 后模板上固定合模液压缸，动模板在合模液压缸的作用下以四根拉杆为导向柱作 启闭模运动。模具的动模装在动模板上而定模则装在前固定模板上。当模具闭合 后，在合模液压缸压力作用下，产生额定合模力，锁紧模具，防止模具注入高压 熔体时模具的型腔张开。当合模时，模具拉杆和前、后模板形成力的封闭系统达 到平衡状态。 在动模板的后侧装有液压及机械顶出装置。动模板在开启模具时，可通过模 具中的顶出机构，从模腔中顶出制品。在动模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。在液压机械式合模机构中，还要通过调模机构来 调试合模力的大小，控制超载。 合模框架的前后侧设有安全罩、安全门以及液压、机械安全保护装置。为了 确保安全，一般都用液压装置和电气限位开关同安全门连锁，只有当安全门闭合 时才能进行闭模动作。 ( 3 ) 液压系统 注塑机的液压系统为模具的打开和关闭提供动力，同时在锁模时为模具提供 动力。此外，螺杆的旋转，螺杆推进，顶出杆以及动模板的移动，都靠液压系统 提供动力。液压回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、比例压力阀( 控制压力变化) 、比例流量 阀( 控制速度变化) 、方向阀、管路、油箱、交换器以及各种压力、温度指示仪表 等组成【2 3 1 。 ( 4 ) 加热、冷却系统 加热系统是用来加热料筒及注射喷嘴的，注塑机料筒一般采用电阻加热圈， 套在料筒外部并用热电偶分段检测。热量通过筒壁向内传递为物料塑化提供热源。 冷却系统用来冷却液压油、料口以及模具。它是一个封闭的循环系统，能将 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，通过检测水的温度， 实行闭环调节。 ( 5 ) 电控系统 电控系统是注塑机的“中枢神经”系统，它控制着注塑机的各种程序及其动作； 对时间、位置、压力、速度、和转速等参数进行控制。主要由计算机及接口电路、 各种检测原件及液压驱动放大电路组成闭环调节系统。 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的控制。 ( 6 ) 安全保护与监测系统 注塑机的安全装置主要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、液压的连锁保护。 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进行监 测，发现异常情况即进行指示或报警。 2 1 2 注塑工艺周期与工作循环 获得注塑制品的过程，称之为注塑成型或者注射成型，或者简单地称之为注 塑。注塑成型的基本过程是：颗粒状的高分子材料( 以下简称为塑料) 经过注塑 机螺杆的挤压和加热，成为熔融状态的可以流动的熔体。在螺杆的推动下，塑料 熔体通过注塑机喷嘴、模具的主流道、分流道和浇口进入模具型腔，成型出具有 一定形状和尺寸制品的过程。注塑周期主要由闭模、注射座前进、注射、保压、 预塑计量、冷却、开模、顶出制品等程序组成。一个完整的注塑工艺流程如图2 2 所示【2 4 1 。 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。 ( 1 ) 注射前准备阶段 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，料筒的喷嘴和定模呈非接触状态。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，动模板在合模机构的作用下向前 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，至i j 此完成整个锁模程序。 模 图2 2 注塑机t 艺流程图 f i g 2 2p r o d u c t i o nf l o wo fl m m ( a ) 锁模，模具合上并锁紧 ( a ) m o l dc l o s e ，c l o s et h em o l da n dl o c ki tt i g h t l y ( 1 ) 注射，熔融状态的塑料射入模具 ( b ) i n j e c t i o n ，i n j e c tm e l t e dp l a s t i ci n t ot h em o l d ( c ) 保压，对塑料完全充满的模腔继续施加压力 ( c ) p a c k i n g ，k e e po nb r i n g i n gt h ep r e s s u r et ob e a ro nt h em o l dc a v i t yf u l lo fp l a s t i c 9 达 ( d ) 冷却，塑料塑化并计量 ( d ) c o o l i n g ，p l a s t i c a t i o na n dm e a s u r ep l a s t i cm a t e r i a l ( e ) 开模，模具打开，顶出制品 ( e ) m o l do p e n ，o p e nt h em o l da n de j e c tp r o d u c t 图2 3 螺杆式注塑机的注塑过程 f i g 2 3i n j e c t i o nf l o w c h a r to fs h u t t l es c r e wi m m 当闭模到位后，注射座向定模板方向移动，使料筒上的喷嘴和模具的主浇套 相接触。于是接通了喷嘴、模具浇道、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 ) 。 ( 2 ) 注射阶段 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 液压缸供高压油，推动注射活塞并连同螺杆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。 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。 ( 3 ) 保压阶段 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 1 0 输送。 ( 4 ) 冷却塑化阶段 塑料在螺杆剪切热与料筒加热圈的同时供热下很快塑化并熔融，转变成黏流 体存贮在螺杆前部的存贮室内；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。 ( 5 ) 制品取出阶段 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 ( e ) 所示【2 5 1 。 2 2注塑机系统简介 2 2 1注塑机系统参数 注塑机是实现塑料注塑加工成型的设备，我院承接了某公司生产的往复螺杆 式注塑机改造任务。其主要参数为：锁模力5 8 0 k n ，最大注射量8 0 克( p s ) 。其它 主要性能指标如表2 1 所示。 表2 1 注塑机主要指标 t a b l e2 1p r i m a r yp a r a m e t e r so fi m mf o re x p e r i m e n t 合模力 c l a m pt o n n a g e 5 8 0k n 移模行程 最大模厚 晟小模厚 项出行程 顶出力 t o g g l es t r o k e m a xm o l dh e i g h t m i nm o l dh e i g h t e j e c t o rs t r o k e e j e c t o rt o n n a g e 2 7 0 m m 3 2 0 m 1 1 1 1 2 0 m m 7 0 m i l l 2 2k n 2 2 2注塑机液压控制系统 注塑机的工作特点以及众多的运动部件使得用液压系统传动及控制显得极为 方便。注塑机液压系统除了满足其规定的工作程序、其系统压力、流量能精确、 连续地按照工艺要求进行变化之外，它还具有良好的稳定性、重复精度，工作可 靠，噪音低，密封性好，易于安装调整，维修保养，节能等特点。因此，注塑机 液压系统的好坏是决定注塑机性能好坏的关键问题之一。它的发展经历了开关控 制与电液控制两个阶段【2 6 】。 开关回路的应用历史是比较长的，但是，开关阀件对液压系统的压力、流量、 方向只能是开关式通断控制，不能连续按比例调节，进行过程控制较难，不能为 最佳过程控制提供可行性，并且这些系统的能耗往往很大。控制特性较差。这种 五六十年代的控制系统已很难满足今天多品种、形状复杂、精度高等注塑成型工 艺要求，正逐渐被其他类型控制系统取代。 电液控制回路的一个突出特点是为注塑机进行过程控制提供了可行性。它的 连续调压、调速、闭环控制的能力都使得过程控制极为方便，同时也简化了液压 系统。由于它独特的元器件的优异性能，使得系统可设计成各种节能回路【2 7 】。 电液控制有伺服控制系统和比例控制系统两种。伺服控制系统是国外6 0 年代 发展起来的一门新型控制技术，具有结构紧凑，重量轻、响应快等优点。在国外 一些高档精密注塑机中不失为一种高质量行之有效的控制方法。如德国巴顿菲尔 德公司生产的2 0 0 0 9 双组分结构发泡微机控制注塑机中就采用了伺服控制系统。 但由于液压伺服控制系统对液体介质清洁度要求十分苛刻，制造成本和维护费昂 贵，系统耗能大等主要特点，使其难为广大工业用户接受。目前在我国尚未得到 推广应用。 1 2 山口匠= u 斟鞲 z o _ 卜u f - z h 杂爱 滥j n n o z 饕倒 匣0 卜u f - 擎鼙 山芝rlu山篮3眈山匣厶o一工 卜王口一山z一o 逊器 辎骘 表2 2 电磁铁动作图 t a b l e2 2a c t i o nc h a ao ft h em a g n e t s 注：1 “+ ”为标准正常功能时通电，“- ，为标准可选功能时通电。 2 d 5 控制流量，d 6 控制压力，均为比例可调。 3 d 1 9 通电时为高速差动合模，此为标准可选功能，用户可根据要求自行设定。 1 5 0 1 2 5 渣i 量7 5 5 0 i j a i n 2 , 5 o e f 8 b - 0 3 l1 f i o 1 霉 卜叫 ll 设定信号 f l 一黠闻 图2 1 1e f b g - 0 3 流量控制特性曲线 f i g 2 11c h a r a c t e r i s t i co i 1 w eo fe f b g - 0 3u n d e rf l o wc o n t r o lm o d e 电液比例控制技术是为了满足民用工业的要求而发展起来的，它与伺服控制 技术相比具有价格低廉，阀1 2 1 压降小，抗污染能力强等特点。比例控制器件设计 1 4 原理采用压力、流量、位移内反馈和动压反馈及电校正等手段，使电液比例控制 阀的稳态精度、动态响应速度、稳定性均和工业伺服阀相近。另外，比例技术及 插装技术相结合，开发出各种不同功能规格的比例插装阀，使其能与插装阀组成 集成块系统。目前，除了制造成本的原因，比例阀在中位仍保留死区外，在滞环、 重复精度等主要特性上已与伺服阀相当。因此，它获得了比伺服系统更为广泛的 应用。世界工业发达国家已在注塑机上广泛采用这种系统，我国从8 0 年代末开始 在注塑机上采用。它已成为当今注塑机液压控制方式的主要方向。 注塑机的动力系统由液压系统构成，其液压原理如图2 1 0 所示，液压油路系 统开关阀工作顺序见表2 2 。二者配合研读即可得注塑机机械动作全程控制阀门的 动作情况。 液压系统工作部件有四个，即合模机构、注座移动机构、注射( 包括预塑) 机构和顶出机构( 机械项出) 。本文主要研究内容基于注射机构，它由三个基本 回路组成，即压力控制回路、方向控制回路和速度控制回路，其动作包括注射、 保压、预塑和螺杆后退过程。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，其流量控制特性曲线见图2 1 1 。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，并通过比例流量阀 和比例压力阀来分别控制速度和压力。 2 3本章小结 本章首先从往复螺杆式注塑机的结构组成、工作原理的角度介绍了注塑生产 的工作循环过程。之后，介绍了改造前注塑机的概况，包括机器的基本参数和电 液系统的工作原理。这些工作的目的是熟悉注塑机的结构和生产工艺，为实现原 注塑机控制系统改造和控制系统软件设计打下基础。 1 5 3 注塑机控制系统改造设计 原注塑机自带控锖t 系统可以很好的实现注塑生产需求，但是，其内置的控制 算法不能修改，也无法通过外部计算机对注塑生产过程进行监测控制，为提高系 统灵活性，满足网络化发展方向，该公司委托我院对原注塑机控制系统进行改造。 本章将分硬件和软件两部分来详细介绍控制系统改造设计的思想和具体方案。 3 1注塑机硬件系统设计改造 3 1 1注塑机硬件改造的总体方案 为满足厂方的需求，确定了在原注塑机控制系统的基础上，实现原、新控制 系统的信号共享和切换控制的改造目标。信号共享是指传感器采集到的反应注塑 机工作状态的部分模拟信号和数字信号，通过线路的并接实现双系统共享；切换 控制是指通过转换开关手动选择，由原系统控制还是改造后的新系统控制，二者 不能同时发挥控制作用。 出于软件设计方面的考虑，新的计算机控制系统没有采取常规的p l c 模式， 而是采用了研华数据采集卡和工控机的实现方式，由数据采集卡来完成模拟量f o 和开关量f o 信号的采集和发送，如图3 1 所示。 注 塑 机 f o 信 号 中 间 电 路 a o d 1 _ _ _ - d o 图3 1 计算机控制系统硬件组成示意图 f i g 3 1c o n f i g u r a t i o no f c o m p u t e rc o n 缸 o ls y s t e m 在整个硬件系统的设计中，注塑机i o 信号的种类特性和数据采集卡的功能， 是决定整个设计方案的关键。注塑机控制系统共有1 0 个模拟量输入，2 个模拟量 输出，9 个开关量输入：1 7 个开关量输出。研华数据采集卡共4 块，实现功能如 1 6 翻囵囵器蔓 图3 1 所示。中间电路是实现i o 信号和采集卡对接的桥梁，同时它也要实现原系 统与新系统的信号共享和切换控制。随后的两小节内容将分两个部分对控制系统 硬件改造方法进