（机械制造及其自动化专业论文）小型精密注塑机的闭环控制.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t t h i s p a p e rp r e s e n t s a c l o s e d - l o o p c o n t r o lm e t h o dt oc o n t r o lt h e p l a s t i c 埘e c t i o n - m o l d i n g m a c h i n e u s i n g m e c h a t r o n i c s t e c h n o l o g y a n d e 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 lt e c h n o l o g y i nt h eh y d r a u l i cs y s t e m ，i no r d e rt oc o n t r o lt h em u l t i l e v e lv e l o c i t ya n d p r e s s u r e ， t h ep r o p o r t i o n a lf l o wv a l v ea n dp r o p o r t i o n a lp r e s s u r ev a l v ea l eu s e dt or e p l a c et h e o r i g i n a l t h r o t t l e sa n dr e l i e fv a l v e s t h ec o n t r o l s y s t e m o fc l o s e d - l o o pb a s e do n s i n g l e c h i pm i c r o c o m p u t e r i su s e dt oc o n t r o lt h e p r o c e s s i n gp a r a m e t e ro fs m a l l p r e c i s i o ni n j e c t i o nm o l d i n gm a c h i n e t h ei m p r o v e dp i da l g o r i t h ma n dp w m ( r ) u l s e w i d t hm o d u l a t i o n ) t h e o r ya r ea d o p t e dt oc o n t r o lt h eb a r r e lt e m p e r a t u r eo f e c t i o n m o l d i n g i nt h i sp a p e r , e m u l a t o ra d j u s t st h ep a r a m e t e r so fp i dc o n t r o l l e r , t h ef u z z y l o g i cc o n t r o l l e ri sa d o p t e d t oc o n t r o lt h ev e l o c i t ya n d p r e s s u r e ，a n dt h ed i s p l a c e m e n t i sd e t e c t e du s i n gc o d e r a sar e s u l t ，t h ep r e c i s i o no fd e t e c t i o ni s i m p r o v e d a l lt h e f u z z yl o g i cc o n t r o l l i n gp r o c e s si ss i m u l a t e di nt h ep a p e r b a s e do nd e t a i l e da n a l y z i n gt h ep r e s s u r eo fm o u l d c a v i t y , t h e2 - d i m e n t i o n 呦 c o n t r o l l e ri sd e s i g n e d t h r o u g hi m p l e m e n t i n gt h es i m u l a t i v ea n a l y s i s ，t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h es e q u e n t a c t i o ni ss a t i s f i e d ，t h eb a r r e lt e m p e r a t u r ei sr a i s e dq u i c k l y ；t h ee r r o ro fs t a b l es t a t ei s s m a l l ，a n dt h er e s p o n s eo fi n j e c t i n gv e l o c i t ya n dp r e s s u r ei sq u i c k t h es o f t w a r ei s w r i t t e nb yc 5 1l a n g u a g e t h ea c 嘣p e r f o r m a n c e o f s y s t e m i ss a t i s f y i n g k e y w o r d s ：p l a s t i ci n j e c t i o nm o l d i n g m a c h i n e c l o s e d - l o o p c o n t r o l p r o c e s s i n gp a r a m e t e rf u z z yl o g i cc o n t r o l l e r p i d a l g o r i t h m i i 第一章绪论 1 1 塑料工业及注塑机的发展 随着塑料工业的迅速发展，塑料制品由于具有轻巧、便于加工 成型及抗腐蚀能力强1 、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 胶结等特点，广泛应用于国民经济各部1 7 和日常生活中。其材料 的来源也很丰富，预计到2 0 10 年，以重量计算的塑料产量将超过 钢的产量。 注塑机工业是一门新兴的行业，注塑机是对热塑性( 或热固性) 塑料进行加工熔融后，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。每年注塑机的产量占全部塑料加工机 械的5 0 左右，全世界2 5 3 0 塑料制品出自于注射成型，成为塑 料成型机械制造业中增长最快、产量最多的机中之一阻。 自从5 0 年代第一台往复螺杆式注塑机问世以来，它的性能和 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5 0 年代末已基本定型。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。 最初的注塑机主要采用硬接线连接控制装置( h a r d w i r e d c o n t r 0 1 ) 即继电器控制方式，”1 这种方式易于实现，但控制范围有 限，控制精度低。到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，另外，加工精度也有相对的提高， 但对注塑机精密程度的要求也随之提高了，开环控制已不能满足需 求。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 第一章绪论 1 1 塑料工业及注塑机的发展 随着塑料工业的迅速发展，塑料制品由于具有轻巧、便于加工 成型及抗腐蚀能力强1 、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 胶结等特点，广泛应用于国民经济各部1 7 和日常生活中。其材料 的来源也很丰富，预计到2 0 10 年，以重量计算的塑料产量将超过 钢的产量。 注塑机工业是一门新兴的行业，注塑机是对热塑性( 或热固性) 塑料进行加工熔融后，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。每年注塑机的产量占全部塑料加工机 械的5 0 左右，全世界2 5 3 0 塑料制品出自于注射成型，成为塑 料成型机械制造业中增长最快、产量最多的机中之一阻。 自从5 0 年代第一台往复螺杆式注塑机问世以来，它的性能和 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5 0 年代末已基本定型。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。 最初的注塑机主要采用硬接线连接控制装置( h a r d w i r e d c o n t r 0 1 ) 即继电器控制方式，”1 这种方式易于实现，但控制范围有 限，控制精度低。到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，另外，加工精度也有相对的提高， 但对注塑机精密程度的要求也随之提高了，开环控制已不能满足需 求。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 ： ：罂盐奎鎏耋垫暨堡垫璺堑茎趔罂言主堡垒耋j 2 2 j 制。控制参数很多，研制费用昂贵。8 0 年代初期的研究成果表明： 对注射过程中的一些重要参数，如注射速度、冲模压力、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，如西德n e g r i b o s s i 公 司的m 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。 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 的更新换代。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p l c 价格较高，在实际 控制中应用不多。 近年来，电液b e 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，3 也是注塑机发 展的一个方向。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l5 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 第一章绪论 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。 电动式注射成型机以其显著的节能特点将成为注塑机重要的 发展方向。”1 在美国2 0 0 0 国家塑料展览会( n p e 2 0 0 0 ) 上展出了 当今最大的全电动注射成型机，锁模力达1 55 0 吨，共采用了7 台 伺服电机。日本t o s h i b am a c h i n e 在北美的公司，在展览会上展出 的锁模力10 0 0 k n 的全电动注塑机，成型周期仅为2 6 秒。德国 b a t t e n f e l d 公司的世界最小电动注塑机，锁模力仅为2 t ；s u m i t 0 1 t i o p l a s t i c s - m a c h i n e r y 公司的全电动注塑机目标为超小和超薄制品， 现场演示的制品仅为o 3 9 的1 m m 3 的线圈架。 在2 0 0 0 年6 月北京国际塑胶工业展览会上，由东华机械有限 公司生产的我国第一台全电动注塑机参加了展出，它具有精密、节 能、环保、噪音低和高重复精度等优点，填补了国内该项空白。 1 2 课题的提出 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，但其控制却在不断更新和发展，国外己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，自动化程度不断提 高，国内直到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 代压延成型”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，自动化程 度较低，产品竞争能力不强。 近年来，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。但能源危机的出现， 第一章绪论 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。 电动式注射成型机以其显著的节能特点将成为注塑机重要的 发展方向。”1 在美国2 0 0 0 国家塑料展览会( n p e 2 0 0 0 ) 上展出了 当今最大的全电动注射成型机，锁模力达1 55 0 吨，共采用了7 台 伺服电机。日本t o s h i b am a c h i n e 在北美的公司，在展览会上展出 的锁模力10 0 0 k n 的全电动注塑机，成型周期仅为2 6 秒。德国 b a t t e n f e l d 公司的世界最小电动注塑机，锁模力仅为2 t ；s u m i t 0 1 t i o p l a s t i c s - m a c h i n e r y 公司的全电动注塑机目标为超小和超薄制品， 现场演示的制品仅为o 3 9 的1 m m 3 的线圈架。 在2 0 0 0 年6 月北京国际塑胶工业展览会上，由东华机械有限 公司生产的我国第一台全电动注塑机参加了展出，它具有精密、节 能、环保、噪音低和高重复精度等优点，填补了国内该项空白。 1 2 课题的提出 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，但其控制却在不断更新和发展，国外己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，自动化程度不断提 高，国内直到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 代压延成型”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，自动化程 度较低，产品竞争能力不强。 近年来，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。但能源危机的出现， ： ：型芷奎鎏耋垫箜垡垫璺叠苎耋!罂主芏笙垒耋：! ! ： 劳动力缺乏，加之对制品的要求越来越高，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己成为必然的趋 势。 精密注塑是指塑件的尺寸精度达到0 0 l 0 0 0 1 m m 的注塑。1 6 】 有关资料表明，8 0 年代精密塑件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，这一比例有急剧上升之势。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l9 9 8 年10 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，用来生产重量为2 m g 植入人耳的高精度传感 器。这必将对塑料成型设备提出更高的要求，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。因此要求精密注塑机械的注塑压力、速度、温度、计量 等都能控制准确到相应精度。能否实现过程参数的精确控制，是衡 量注塑机整机水平的重要标志。 本课题就是在这样的背景下提出的，通过对前人技术的吸收、 继承和发展，并实地考察了我国注塑机的技术情况，旨在开发一套 既符合我国国情又具有一定市场竞争力的精密注塑机微机闭环控 制系统。 董三兰鋈皇垫丝圭丝堡垩垒鎏星量丝墼墼垄 第二章注塑机的工作原理及液压系统的改进 2 1 注塑机的机械结构 一台普通的注塑机包括以下部件“。：合模装置、注射装置、液压 传动和电气控制系统，结构如图2 1 所示： 图2 1 注塑机的组成 1 注射装置 2 合模装置3 液压传动系统4 电气控制系统 注射装置：主要作用是使塑料均匀地塑化成熔融状态，并以足够 的压力和速度将一定量的熔料注射入模腔内，因此注射装置应具有塑 化良好，计量准确的性能。 合模装置：它是保证成型模具可靠地闭合和实现启模动作的部分， 即成型制品的工作部件。注射时要求合模装置给模具以足够的合模力， 防止制品发生飞边现象。 液压传动和电气控制系统：注射成型是由塑料塑化、模具闭合、 塑料注射入模腔、压力保持、制品固化定型、开模取出制品等工序组 成的连续过程，液压和电气系统则是为了保证注塑机按工艺过程预定 的要求( 压力、速度、温度、时间) 和动作顺序，准确无误地进行工 作而设置的传动和控制系统。 2 2 注塑机工作过程和原理 闭模与合紧注塑机的成型周期一般从模具闭合开始。模具首先 以低压快速进行闭合，当动模板与定模板快要接近时，合模的动力系 统自动切换成低压、低速，在确认模具内无异物时，再切换成高压将 董三兰鋈皇垫丝圭丝堡垩垒鎏星量丝墼墼垄 第二章注塑机的工作原理及液压系统的改进 2 1 注塑机的机械结构 一台普通的注塑机包括以下部件“。：合模装置、注射装置、液压 传动和电气控制系统，结构如图2 1 所示： 图2 1 注塑机的组成 1 注射装置 2 合模装置3 液压传动系统4 电气控制系统 注射装置：主要作用是使塑料均匀地塑化成熔融状态，并以足够 的压力和速度将一定量的熔料注射入模腔内，因此注射装置应具有塑 化良好，计量准确的性能。 合模装置：它是保证成型模具可靠地闭合和实现启模动作的部分， 即成型制品的工作部件。注射时要求合模装置给模具以足够的合模力， 防止制品发生飞边现象。 液压传动和电气控制系统：注射成型是由塑料塑化、模具闭合、 塑料注射入模腔、压力保持、制品固化定型、开模取出制品等工序组 成的连续过程，液压和电气系统则是为了保证注塑机按工艺过程预定 的要求( 压力、速度、温度、时间) 和动作顺序，准确无误地进行工 作而设置的传动和控制系统。 2 2 注塑机工作过程和原理 闭模与合紧注塑机的成型周期一般从模具闭合开始。模具首先 以低压快速进行闭合，当动模板与定模板快要接近时，合模的动力系 统自动切换成低压、低速，在确认模具内无异物时，再切换成高压将 模具合紧。 注射装置前移和注射在确认模具达到所要求的合紧程度后，注 射装置前移，使喷嘴与模具贴合，便可以向注射油缸通入压力油，则 与油缸活塞杆相接的螺杆以高压、高速将头部的熔料注入模腔，此时 螺杆头部作用于熔料上的压力为注射压力。注射压力和速度，以及熔 料与模具的温度，决定了塑料能否充满模腔。 压力保持注入模腔的熔料，由于低温模具的冷却作用会产生收 缩，压力保持就是对熔料保持定的压力进行补缩，使制品致密，此 时螺杆作用于熔料上的压力称为保压压力。保压时，螺杆因补缩而有 少量前移。 制品冷却和预塑当保压进行到模腔注入的熔料失去从浇口回流 的可能性时，保压压力即可卸去，使制品冷却定型，此时螺杆在液压 马达的驱动下转动，来自料斗的粒状塑料借助旋转螺杆的输送作用， 不断沿螺槽向前运动。塑料在运动的过程中，由于外部加热及螺杆剪 切作用发生剧烈的内磨擦，温度均匀升高，最终逐步软化成为熔融粘 流状态，并不断地被输送到料筒前端。由于螺杆头部熔料压力的作用， 使螺杆后退，当退至计量值时，螺杆即停止转动，准备下次注射。 注射装置后退和开模顶出制品 制品冷却后，合模装置升模并自 行顶落制品。整个工作循环周期如图2 2 所示，注塑机基本动作顺序如 图2 3 所示： 广一闺送i 区画匠卜伍冲 压茸卜t 匾丑五寸一 l 匾副h 画画卧一l i r | - 1 退回塑焦i 一 图2 2 工作循环周期图 合模注射 2 压力保持 与帝0 品冷却 3 螺杆预塑 与制品顶出 2 3 锄一 图2 3 注塑机基本动作顺序 料斗2 螺杆传动装置3 注射油缸4 计量装置 5 螺秆6 加热装置7 喷嘴8 模具 2 3 液压传动系统的改进 根据塑料成型工艺特点，注射过程的注射速度、注射压力和保压压 力等过程参数对塑料制品的质量有很大的影响，传统的溢流阀和节流 阀，已经不能满足精密注塑对液压传动系统的要求。6 0 年代后期发展 起来的电液比侈【5 技术，具有价廉、可靠、对流体介质清洁度要求较低 等特点，同时，控制精度和响应特性又能满足工程实际需要1 。所以， 采用电液比例技术对注塑机传统的液压系统进行改造。 综合考虑液压回路的结构、操作、功耗、效率、动态性能等因素， 采取使用比例阀的控制方案，用v i c k e r 公司生产的先导式比例溢流阀 来控制系统的压力。该阀的输出压力与比例电磁阀线圈的电流输入呈 合模注射 2 压力保持 与帝0 品冷却 3 螺杆预塑 与制品顶出 2 3 锄一 图2 3 注塑机基本动作顺序 料斗2 螺杆传动装置3 注射油缸4 计量装置 5 螺秆6 加热装置7 喷嘴8 模具 2 3 液压传动系统的改进 根据塑料成型工艺特点，注射过程的注射速度、注射压力和保压压 力等过程参数对塑料制品的质量有很大的影响，传统的溢流阀和节流 阀，已经不能满足精密注塑对液压传动系统的要求。6 0 年代后期发展 起来的电液比侈【5 技术，具有价廉、可靠、对流体介质清洁度要求较低 等特点，同时，控制精度和响应特性又能满足工程实际需要1 。所以， 采用电液比例技术对注塑机传统的液压系统进行改造。 综合考虑液压回路的结构、操作、功耗、效率、动态性能等因素， 采取使用比例阀的控制方案，用v i c k e r 公司生产的先导式比例溢流阀 来控制系统的压力。该阀的输出压力与比例电磁阀线圈的电流输入呈 ：型茎童薹茎垫篁篓垫璺量笔立|翟圭主釜垒：! ! ： 线性关系，因而通过控制线圈的输入电流，就可达到控制系统压力的 目的。该阀的压力变化速率及最大、最小压力对应的电流可以调节， 其比例控制放大器的型号为：e e a p a m 1 1 9 一a 1 0 。结构如图2 4 所示 在线路板上，改变焊接桥路( m 4 a ，m 4 b ) 可以使电路带斜坡和不带 斜坡。当有斜坡时压力上升和下降速率可以用“斜坡上升”和“斜坡 r 一一1 图2 4 比例控制放大器 下降”旋转电位器分别调节。 选用的另外一个电液比例阀是：b e f g 3 1 0 4 - 2 c - b x 1 3 0 - 儿型，带 位移一流量一压力反馈节流口的负载补偿性比例方向流量阀。该阀的 工作原理如图2 5 所示。“。由力矩马达驱动的双喷嘴挡板作为先导级， 主阀套用正遮盖的四边滑阎，在阀芯与左右负载腔相关的控制边附近， 设有一特殊的位移一流量一压力反馈节流口，由它实现负载压力补偿， 通过主阀口的流量与负载变化无关。当输入力矩马达的信号为零时， 假定挡板向右移动，右喷嘴液阻增加，左喷嘴的液阻减少，先导液桥 产生控制压差，推动主阀芯向左移动，使p a ，b - t 接通，与此同时， 主阀芯上的小节流口p 。：与负载腔a 沟通，使主阀芯右端的压力p 。：下 降，其程度随着主阀芯左移行程的增大而增大，直至作用于主阀芯两 量三耋鋈耋垫篁三堡堡堡垒鎏垒垒彗彗鉴鎏 端的先导油压p ，与p ，。重新相等，此时主阀芯受力重新平衡，于是主 阀芯就稳定在某一位置上。这就是阀的位移一流量一压力反馈原理。 a 图2 5电液比例阀工作原理图 当负载p 增大时，通过反馈节流口p ，。的通道，使主阀芯右端容腔压 力p v z 也升高，以致使主阀芯向左的位移x 增大，补偿了由于p 增大使 主阀口压差下降引起的趋势。同理，当p 下降时，阀也能达到补偿流 量的目的。这就是负载一流量一压力反馈原理。补偿节流口的设置与液 桥输出压力的选择，使阀的受控流量q 取决于电信号，而与负载变化 无关，如上图b 所示。补偿节流口与主阀口具有相同的轴向开口量x ， 和近似相同的压降p o - p 一一当控制电信号输入后，挡板发生偏移，所 引起的液桥输出的稳态流量( q 。一q 。) ，应与经补偿节流口流入b l 腔的 补偿流量近似相等。反馈节流口流量是： 厅 q 3 2 2 a 出“耽。m 。、亏一) 他1 而主阀流量是： r 一 q = a 盘职皿、i - 鲁 p o b 1 ) ( 2 - 2 ) vp 、 由于p v , p m = p o p b , ，并认为a 出与缸近似相等，则： 图2 6 液压系统原理图 1 0 q = w x x 掣 ( 2 - 3 ) 式中：a 出2 为反馈节流口局部阻力系数，缸2 为主阀节流口局部阻 力系数。液桥输出流量q 。z 在p 和几何尺寸给定后，仅取决于输入电流 信号，而w x 、w c 分别为主阀口和节流口的面积增益，可以设计成常数。 因此，主阀口流量与负载压力的变化无关，仅与输入电信号、主阀口 面积、补偿阀口面积增益之比成比例。 改造后的注塑机液压系统如图2 6 示。 ：垒丝童鋈茎垫塑丝垫粤垒堡室：彗圭茎垡垒耋；些；： 第三章总体系统设计 3 1 注塑机的控制要求 为获得高精度的塑料制品，根据注塑机的工作原理，对注塑机 的控制系统提出以下要求： 1 能够自动完成工作过程的全部顺序动作。 2 具有参数显示和设定功能，当停机和断电时，所有过程参 数不应丢失，再次开机时，不需重新设置大量的工艺参数。 3 对料筒温度分段进行闭环控制。 4 对注射过程中的注射速度进行闭环分级控制。 5 对保压过程中的模腔压力进行闭环分级控制。 6 具有实时报警功能。 3 2 总体控制方案 注塑机的控制系统主要包含三个方面：一是顺序动作控制，二 是料简温度控制，再是生产过程控制。 顺序动作控制主要是让注塑机根据工艺流程自动地完成各个 动作。工序到位的检测是用接近开关作为传感元件，接近开关的状 态( 通、断) 就代表着某个工序是否到位；而检测出来的状态通过 光电隔离输入给计算机，经过逻辑运算处理后，再输出控制信号去 作用于电磁阀，使注塑机实现对应的动作。 不同塑料的熔化温度不同，因此对料筒温度的控制是必要的， 采用沿螺杆方向分段控制，控制算法用p i d 算法1 。 对过程参数中的注射速度、注射压力、模腔压力进行分级闭环 控制，综合比较各种控制算法，拟采用模糊控制算法 1 。 系统闭环控制方框图如图3 1 所示。 微处理器采用8 位的8 0 c 5 5 2 单片机们，内部有1 个8 路1 0 位片内a d 转换器，大大提高了系统的可靠性。两路8 位分辨率的 脉宽调制器输出p w m 。具有15 个中断向量。为满足程序结构化强、 ：垒丝童鋈茎垫塑丝垫粤垒堡室：彗圭茎垡垒耋；些；： 第三章总体系统设计 3 1 注塑机的控制要求 为获得高精度的塑料制品，根据注塑机的工作原理，对注塑机 的控制系统提出以下要求： 1 能够自动完成工作过程的全部顺序动作。 2 具有参数显示和设定功能，当停机和断电时，所有过程参 数不应丢失，再次开机时，不需重新设置大量的工艺参数。 3 对料筒温度分段进行闭环控制。 4 对注射过程中的注射速度进行闭环分级控制。 5 对保压过程中的模腔压力进行闭环分级控制。 6 具有实时报警功能。 3 2 总体控制方案 注塑机的控制系统主要包含三个方面：一是顺序动作控制，二 是料简温度控制，再是生产过程控制。 顺序动作控制主要是让注塑机根据工艺流程自动地完成各个 动作。工序到位的检测是用接近开关作为传感元件，接近开关的状 态( 通、断) 就代表着某个工序是否到位；而检测出来的状态通过 光电隔离输入给计算机，经过逻辑运算处理后，再输出控制信号去 作用于电磁阀，使注塑机实现对应的动作。 不同塑料的熔化温度不同，因此对料筒温度的控制是必要的， 采用沿螺杆方向分段控制，控制算法用p i d 算法1 。 对过程参数中的注射速度、注射压力、模腔压力进行分级闭环 控制，综合比较各种控制算法，拟采用模糊控制算法 1 。 系统闭环控制方框图如图3 1 所示。 微处理器采用8 位的8 0 c 5 5 2 单片机们，内部有1 个8 路1 0 位片内a d 转换器，大大提高了系统的可靠性。两路8 位分辨率的 脉宽调制器输出p w m 。具有15 个中断向量。为满足程序结构化强、 模块清晰等特点，增强与硬件模块化设计的一致性，系统软件采用 c 5 l 语言设计。 图3 1 总控制方块图 3 3 注塑过程的顺序控制 对注塑机进行微机控制的第一步工作是在计算机程序的控制 下，注塑机能够有条不紊地执行工艺流程的各个动作，各工序的检 测信号通过检测接近开关获得，接近开关的通断状态代表着工序是 否到位。预塑和注射分级由编码器来检测。在安装了比例流量阀和 比例压力阀后。电磁换向阀仍然应用，由固态继电器( s s r ) 代替 原来的继电器实旌开关控制。在工序到位后，系统经过逻辑运算和 处理，输出控制信号到s s r 、比例流量阀和比例压力阀的控制放大 器，从而完成相应的工序。接近开关、电磁阀以及位移传感器与微 机控制系统的连接关系如图3 2 所示，其中各点电平变化如表3 1 所示。 顺序控制共用了六个接近开关，输出的控制点为九个电磁阀和 一个比例流量阀及一个比例压力阀。接近开关和编码器的作用见表 3 2 。 模块清晰等特点，增强与硬件模块化设计的一致性，系统软件采用 c 5 l 语言设计。 图3 1 总控制方块图 3 3 注塑过程的顺序控制 对注塑机进行微机控制的第一步工作是在计算机程序的控制 下，注塑机能够有条不紊地执行工艺流程的各个动作，各工序的检 测信号通过检测接近开关获得，接近开关的通断状态代表着工序是 否到位。预塑和注射分级由编码器来检测。在安装了比例流量阀和 比例压力阀后。电磁换向阀仍然应用，由固态继电器( s s r ) 代替 原来的继电器实旌开关控制。在工序到位后，系统经过逻辑运算和 处理，输出控制信号到s s r 、比例流量阀和比例压力阀的控制放大 器，从而完成相应的工序。接近开关、电磁阀以及位移传感器与微 机控制系统的连接关系如图3 2 所示，其中各点电平变化如表3 1 所示。 顺序控制共用了六个接近开关，输出的控制点为九个电磁阀和 一个比例流量阀及一个比例压力阀。接近开关和编码器的作用见表 3 2 。 图3 2 微机控制仪与外围元件连接图 表3 一l 电平变化表 abcde备注 l 接近开关+ 5 v o 微机读取接近开关的 状态( a 点) 0+ 5 v状态信息是反向的 j 微机输出+ 5 v o+ 2 4 v 电磁阀d 失电 ( c 点)o+ l2 vo电磁阀d 得电 | 表3 2 接近开关作用表 代号说明 l x安全作用，关上安全门才能闭模 3 x模板闭紧，注射开始 4 x切断d 1 电源，移模慢速 5 x开模结束 7 x予塑停止，进行冷却 9 x注射完毕，开始保压 编码器检测位移量 注塑机的顺序动作过程，接近开关所处的具体状态和电磁阀开 启情况见表3 3 。“= 1 ”表示接近开关触点接通：“= 0 ”表示接近 开关触点断开。 从表3 3 可看出，注塑机整个顺序控制的要求是：检测工序到 位后，注塑机就应该打开相应的阀执行下一个工序，顺序控制是检 测状态( 接近开关) 和输出状态( 电磁阀) 的过程。表3 3 是软件 设计的依据。 表3 3注射工序与电磁阀对应关系表 电磁阀接近 d ld 2d 3d 4d 5d 6d 7d 8d 9 开关 注塑工序状态 快速闭模 + lx = 1 慢速闭模 + 4 x = l 注射 +十+ 3 x = l 保压 + 9 x = 1 预塑 + 7 x = 0 慢速启模 +十 了x = l 快速启模 + 4 x = 0 启模停止5 x = 1 “+ ”电磁阀得电 注释 “l ”触点接通，“0 ”触点断开 3 4 料筒温度的闭环控制 由于熔融物料和喷嘴温度的高低直接影响到塑料制品的质量， 所以对注射温度的控制是必要的。注射过程需控制的温度有料筒温 度、喷嘴温度和模具温度，前两种主要是影响塑料的塑化和流动， 而后一种主要是影响塑料的流动和冷却1 。采用单片机实现料筒 ! ；型堑童鎏耋垫墼丝垫璺堑堇型彗圭茎堡垒圣；! 竖 ： 温度的闭环控制。 3 4 1 料筒温度理论分析 熔料的温度取决于料筒的温度和料筒内螺杆与塑料之间的剪 切热，预塑到位后，熔料的温度主要取决于外加热源的温度，因此， 该温度控制主要表现为料筒的温度控制。 料简的温度太低，即熔料的温度太低，塑料在螺杆与料筒壁之 间产生不必要的剪切力，靠近螺杆槽表面的一层熔料，由于剪切而 产生固化，但内部中心却未塑化好，产生冷固化现象。这种现象会 使螺杆注射困难，甚至损坏机器。当温度过高时，塑料原料成型分 子发生胶联，会使组织疏松，产生发泡现象，影响制品质量。 在注射过程中，料筒的温度是分段控制的，以便逐段加热，避 免加热过分激烈，而引起塑料的粘度变化，发生填充不良等现象。 料筒温度分布状况如图3 3 所示”3 。 、 、一 喷嘴处 熔料温度 室温 u u u 图3 3 料筒温度分布 图3 4 耦合系统 料筒外加热器采用分三段加热8 1 ，每一段装组加热线圈 有一相电源加热。在每段几何中心安装一个温度传感器检测温度 温度要求稳定在设定值附近，使偏差l 范围内。 我们可以把料筒看作一个三输入三输出的耦合系统2 3 系统如图3 4 所示。其中第i 段温度可用式( 3 一1 ) 表示： 1 2 3 3 r ( f ) = h ，“，o ) i = l ，2 ，3( 3 1 ) ，；l 每一段的温度，不仅取决于本段的给定值，而且其它段的温度对它 也有一定的影响。但是由于料筒一般采用定值控制，且误差范围不 大，这种影响可近似看作定值，这样系统就可简化为三个独立的单 输入单输出环节。 每个单输入单输出环节的对象是由加热器、料筒和熔料组成的， 其传递函数从理论上推导比较复杂，可采用测试法建立其数学模 图3 5 螺杆加热系统阶跃响应图 型，被控对象的阶跃响应曲线如图3 5 所示。根据图示曲线，用一 阶惯性环节加纯迟延来拟合，则被控对象的传递函数为1 ： r g ( s ) = 了- e ” ( 3 - 2 ) i 十j 3 4 2 料筒温度控制方案 温变模块把由于温度变化而引起铂热电阻的变化转换成标准 的电信号输出，单片机经采样电路得到该信号，然后进行a d 转 换，采用p i d 算法求出控制量，计算机通过p w m 输出控制信号， 经驱动电路控制固态继电器( s s r ) 的直流端，通过调节给定周期 中s s r 的通断次数比，来控制加热线圈上的输出功率，从而达到 3 r ( f ) = h ，“，o ) i = l ，2 ，3( 3 1 ) ，；l 每一段的温度，不仅取决于本段的给定值，而且其它段的温度对它 也有一定的影响。但是由于料筒一般采用定值控制，且误差范围不 大，这种影响可近似看作定值，这样系统就可简化为三个独立的单 输入单输出环节。 每个单输入单输出环节的对象是由加热器、料筒和熔料组成的， 其传递函数从理论上推导比较复杂，可采用测试法建立其数学模 图3 5 螺杆加热系统阶跃响应图 型，被控对象的阶跃响应曲线如图3 5 所示。根据图示曲线，用一 阶惯性环节加纯迟延来拟合，则被控对象的传递函数为1 ： r g ( s ) = 了- e ” ( 3 - 2 ) i 十j 3 4 2 料筒温度控制方案 温变模块把由于温度变化而引起铂热电阻的变化转换成标准 的电信号输出，单片机经采样电路得到该信号，然后进行a d 转 换，采用p i d 算法求出控制量，计算机通过p w m 输出控制信号， 经驱动电路控制固态继电器( s s r ) 的直流端，通过调节给定周期 中s s r 的通断次数比，来控制加热线圈上的输出功率，从而达到 尘篓垫童鋈窒垫塑堡垒望堑鉴型塑圭茎堡垒圣；! ! ； 控制温度的目的。由于采用s s r 实现了强电( 加热线圈部分) 与 弱电( 微机部分) 的光电隔离，因此系统的抗干扰能力得以增强， 工作可靠性好，简化了控制及辅助装置”。 料筒温度闭环控制框图”如图3 6 所示 1 温度传感器： 图3 6 温度闭环控制框图 热电阻传感器主要是利用温度变化时传感器电阻发生变化的 原理测量温度，这种温度传感器在常温和较低温区范围内有比热电 偶更高的灵敏度，常用于( 2 0 0 6 5 0 ) 内的温度测量。 由于注塑机的温度范围一般在2 0 0 4 0 0 之间，可采用应 用最为广泛的铂热电阻测温，铂热电阻的测温范围2 0 0 + 5 0 0 ，它在氧化性介质或高温中有较好的物理和化学稳定性，因此， 利用铂金属制作的铂电阻温度传感器有较高的精度，热电偶j 9 1 | | 温 范围为2 0 0 + 13 0 0 ( 镍铬镍硅) ，对注塑机的温度范围来说， 铂电阻测温也比热电偶精度高。另一方面热电偶测温时还得需要温 度冷端补偿，这会增加硬件系统和软件编程的难度。而热电阻测温 就比较方便。铂电阻的主要技术参数有： ( 1 ) 铂电阻温度与电阻的关系 在2 0 0 o 范围内，铂电阻的电阻值r 。与温度t 的关系为式( 3 3 ) ： r t = 鼬l l + a t + b t 2 + c ( t 1 0 0 0 c ，3 l ( 3 3 ) 在0 8 0 0 范围内，r 。与t 的关系为式( 3 4 ) ： 芦爨感 溷 翟 r f - r o ( 1 + a t 十b t 2 ) ( 3 - 4 ) 式中：r 卜温度为t 时铂电阻的电阻值： r o 一0 时铂电阻的电阻值： a 、b 、c 分别为常数，其值为： a = 3 9 0 8 0 2 l o 一3 o c b = 一5 8 0 2x 1 0 7 o c c ：4 2 7 3 5 0 1 0 1 2 o c 4 满足上式的铂电阻，其温度系数为： a = 3 8 5 0 1 0 3 o c ( 2 ) 电阻值 铂电阻温度传感器的精度与铂丝的纯度有关，通常用电阻比 r l o o r o 来衡量铂丝的纯度，其中r l0 0 和r o 分别为铂电阻传感器在 lo o 和o 的电阻值。i e c 标准规定r l o o r o = 1 38 5 0 。铂电阻在0 时的电阻值分别为两种：l0 0 f l 和1 0 0 ，其中，优选值为1 0 0 f l 。 0 时电阻值为1 0 f l 的铂电阻传感器一般用于6 0 0 温度以上的测 量。 2 温变模块 温变模块的作用就是把非电量信号变换成电信号。该模块把由于 温度变化而引起铂热电阻的变化，转换成4 2 0 m a 的电流信号输 出。再由i v 转换电路将电流信号转换为l 5 v 的电压信号，直接 输入到单片机的a d 输入端。 3 固态继电器( s s r ) 固态继电器( $ s r ) 是一种电子开关川，无触点工作，避免了 负载电流频繁通过触点造成损坏，故使用寿命长，隔离性能好：输 出端与外壳间高绝缘，输入端与输出端之间采用光电隔离耦合，避 免了输出功率负载对输入逻辑电路产生影响。因此s s r 既有微弱 控制信号的传递和转换作用，同时又起光电隔离器件作用，避免强 弱电信号的串扰，从而使控制装置工作可靠，抗干扰能力强。 尘茎垫垂鋈茎垫墼堡垫望至垄笪錾圭茎堡垒鑫：；2 ：； 温度控制输出由8 0 c 5 5 2 单片机以脉宽调制( p w m ) 方式4 1 ， 通过调节s s r 在给定周期内，输出端导通与关断的次数比，来控制 输出功率。当在s s r 输入端加直流或脉冲信号时，输出端输出相对 于输入端的导通或关断状态。 3 4 3p i d 控制算法 自六十年代来，尽管现代控制理论取得了很大进展，并在工程 实践中取得了一定的经济效益。但根据经典控制理论提出的p i d ( 比例一微分一积分) 控制器，在工程应用中仍占很大比重。因这 种控制器结构简单、调整方便，更重要的是该控制器稳定性好、可 靠性高，系统设计调整并不要求过多的受控对象的先验知识，具