（机械设计及理论专业论文）注射机实验系统注射过程能耗的研究.pdf

摘要 注射机实验系统注射过程能耗的研究 摘要 注射成型是批量生产塑料制品的首选方法，在生产中得到广泛的应 用，是塑料加工中重要的成型方法之一。塑料制品加工行业是国民经济各 行业中近几年发展速度较快的行业之一，但注射机的能耗问题已经日益凸 现。注射能耗问题的解决，关系着塑料制品加工行业的发展，关系着整个 行业的前景。 本课题主要研究了注射机实验系统中，注射工艺参数与注射过程能耗 的关系。 协助建立注射机实验系统，包括注射成型机、传感检测系统及数据采 集系统，为课题研究奠定基础。提出以单产注射能耗作为能耗评价标准， 并设计了正交试验来研究注射参数对单产注射能耗影响。通过分析得到各 注射工艺参数对单产注射能耗的影响程度排序，并得到能使能耗相对降低 的工艺参数组合。对于对注射能耗影响最大的3 个参数喷嘴温度、注 射速度、保压压力分别进行单因素变动试验，分析各参数与注射功耗以及 制品质量的关系，从而探讨各参数对单产注射能耗的影响。 应用神经网络对注塑工艺参数及其相对应的单产注射能耗样本进行 训练，得到描述工艺参数到单产注射能耗映射关系的a n n 模型，并通过 实际的注射实验数据验证了此模型的准确性。通过舢州模型建立起了工 艺参数与单产注射能耗的内在联系。使用神经网络模型结合小步长搜索法 北京化工大学硕士学位论文 进行工艺参数优化，通过安排二次正交试验并利用神经网络模型的预测功 能以及二次正交试验结果的级差分析，对通过传统的单次正交试验所得到 的最优化注射成型工艺参数组合进行了进一步的优化，使能耗进一步降 低。 本课题的研究取得了一些对生产实际具有一定指导意义的理论依据 和具有参考价值的结论及实验数据，并为后续的研究工作打下了良好的基 础。 关键词：注射成型，注射能耗，正交试验法，神经网络，小步长搜索 i i 摘要 s t u d yo ni n j e c t i o ne n e r g yco n s u m p t i o n i nt h ei n j e c t i o nm o l d i n g 【a c h i n e e x p e r i m e n t a l s y s t e m a b s t r a c t i n j e c t i o nm o l d i n g ，ap r e f 打e dm e t h o dt op r o d u c et h ep l a s t i cp r o d u c t si n b a t c h e s ，h a sb e c o m ea ni m p o n a n tm o l d i n gm e t h o di np l a s t i cp r o c e s s i n g i th a s b e e n 舒p e r i e n c i n gar 印i d l yd e v e l o p i n gp e r i o d ，w h e r e a st h ep r o b l e mo fe n e r g y c o n s u m p t i o no fi n je c t i o nm o l d i n gm a c h i n ea r ep r e s e n t e dm o r ea n dm o r e o b v i o u s l y s o l v i n go ft h i sp r o b l e mi sr e l a t e dt ot h ed e v e l o p m e n to ft h ew h o l e p l a s t i cp r o c e s s i n gi n d u s t r y t h i sm e s i si sm a i n l ya b o u tt h ee f r e c to fi n j e c t i o np 猢e t e r so nt h e i n je c t i o ne n e 玛yc o m s u i n p t i o n t h ee c t i o nm o l d i n gm a c h i n ee x p 甜m e n t a ls y s t e mi n c l u d i n gt h e i n j e c t i o nm o l d i n gm a c h i n e ， s e n s o r s s y s t e ma n dd a t ar e c o r d i n gs y s t e mi s e s t a b l i s h e dw i t ht e a c h e r s ，w h i c hs e t t l e st h eb e d r o c ko ft h e f o l l o w i n g r e s e a r c h i n gw o r k i n j e c t i o ne n e r g yc o m s u i n p t i o np e ry i e l di sc o n s i d e r e da s t h e e v a l u a t i n g s t a n d a r do fe n e 玛y c o m s u m p t i o n m e a n w h i l e ，t a g u c h i o r t h o g o n a le x p e r i m e n ti sd e s i g n e dt os t l l d yt h ee f r e c to fi n je c t i o np a 您m e t e r s o ne n e 玛yc o n s u m p t i o n a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i so fi t sr e s u l t ，t h e 础n g a b o u tt h ei n n u e n c e so fv 撕o u sp r o c e s sp a r a 】n e t e r st oe n e r g yc o n s u i n p t i o ni s i i i 北京化工大掌颐士学位论文 r e a c h e da n dt h eo p t i m i z e d p a r a m e t e rc o m b i n a t i o ni so b t a i n e dt om i n i m i z et h e e n e r g yc o n s u m p t i o n t h ee f r e c to fv a r i o u s p r o c e s sp a r a m e t e r s n o z z l e t e m p e r a t u r e ，r 咖v e l o c 毋a n dp a c l ( i n gp r e s s u r e ，w r h i c hi n n u e n c em o s to nm e e n e r g yc o m s u m p t i o ni ni n j e c t i o np r o c e s s ，a r ed i s c u s s e db ys i n g l ef a c t o r e ) 【p e r i m e n t s a c c o r m n gt ot h ea n a l y s i so ft h er e s u l t s ， t h e r e l a t i o n s h i p s b e 觚e e ne a c hp a r a m e t e ra n d 坷e c t i o np o 、阳rc o s ta sw e na sp r o d u c tm a s sa r e i n v e s t i g a t e ds oa st oi n q u i r et h ee 虢c t so fv a r i o u sp a r a m e t e r so ni n je c t i o n e n e r g yc o m s u m p t i o np e r e l d n o n l i n e a rr e l a t i o n s h i pb e 觚e e nt h e i n j e c t i o np r o c e s sp a r a m e t e r sa n d i 巧e c t i o ne n e r g yc o m s u i n p t i o np e ry i e l di se s t a b l i s h e dt h r o u g ht h ea r t i f i c i a l n e u r a ln e 锕o r kw h i c hi st r a i n e db yt h e t r a i n i n gs a n l p l e s 舶mt a g u c l l i e x p e r i m e n ta n dt e s t i f i e db yt h et e s ts a m p l e s 盘o ms i n g l ef a c t o re ) 【p e r i m e n t s t h eo p t i m i z a t i o no f 埘e c t i o np a r 锄e t e r si sp e 晌m e dt h r o u 曲t h ea n n m o d e la n dt i n yi n c r e m e n ts c o u t i n gm e t h o d t h es e c o n d a 巧 o m l o g o n a l e x p e r i m e mi sa n 加g e da n di t s r e s u l ti ss i n m l a t e db yt h ea n nm o d e l a c c o r d i n gt o t h ea n a l y s i so ft h er e s u l t ，t h e 如r t h e r _ 叩t i m i z e dp a r a m e t e r c o m b i n a t i o ni so b t a i n e dt o 向r t h e rm i n i m i z et h ee n e 玛yc o n s u i n p t i o n i i lc o n c l u s i o n ，h e r es o m ee l e m e n t a 拶s t u d i e so ft h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n i n j e c t i o np a r a m e t e r sa n di n j e c t i o ne n e r g yc o n s u i n p t i o no fi n j e c t i o nm 0 1 d i n g m a c h i n ea r ep r o p o s e d i tw i l lm a k eag o o db a s i sf o r 缸r u l e rs t l l d yi nt h e 向t u r e 1 v 摘要 l 皿yw o r d s ： 询e c t i o nm 0 1 d i n g ，厕e c t i o ne n e r g yc o m s u m p t i o n ，t a g u c h i o r t h o g o n a lm e t l l o d ，a n n ，t i n yi n c r e m e n ts c o u t i n gm e t h o d v 符号说明 符号说明 q s单产注射能耗，( 10 2 w s ) g m 制品质量，g q注射功耗，1 0 2 w s p主电机功率，1 0 2 w q每个采样间隔内的注射功耗值，1 0 2 w s p k数据采集系统第k 次采样的功率值，1 0 2 w t数据采集系统采样间隔，s a s螺杆截面积，锄2 t l喷嘴温度， v l注射速率，吼3 s v 2注射速度，c “s p 1注射压力，m p a p 2保压压力，m p a t l 保压时间，s n神经网络模型隐含层神经元个数 n i 埘赋神经网络模型输入层神经元个数 n 眦咖神经网络模型输出层神经元个数 0 【一个介于1 到1 0 之间的整数调整值，用于调整神经网络模型隐含 层神经元个数 x i l 北京化工大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声 明的法律结果由本人承担。 作者签名：日期： 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文的 规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京 化工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件 和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部 或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学 位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在土年解密后适用本授 权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 作者签名： 导师签名： 日期： 日期： 第一章绪论 1 1 注塑机及注射充模过程 第一章绪论 注射成型又称注射模塑或注塑，是塑料加工中重要的成型方法之一。它是将粒状 或粉状的聚合物原料加进注射机料筒内，使聚合物物料在热和机械剪切力的作用下塑 化成具有良好流动性的熔体，随后在柱塞或螺杆的推动下熔体快速进入温度较低的模 具内，冷却定型形成与模腔形状一致的塑料制品。 注射成型因为可以生产和制造形状较为复杂的制品，在高分子材料的成型方法中 一直占有极其重要的地位。注塑制品的产量占塑料制品产量的3 0 以上，在国民经济 的各个领域中都有广泛应用【。尤其是塑料作为工程结构材料出现之后，注塑成型制 品的用途越来越广，并将逐步代替传统的金属和非金属制品。近年来中国塑料机械发 展迅速，门类齐全。目前中国主要塑料机械制造企业近4 0 0 家，大中企业2 0 0 余家， 主要分布在江浙、东南沿海、珠江三角洲一带。 注塑机的结构分为卧式、立式和角式三种；按生产出的制品可以分为普通和精密 注塑机；它的加工原料有热固性塑料、热塑性塑料和橡胶三种，其中热塑性塑料包括 p s 、p e 、p p 、p a 、p c 、p m m a 、a b s 等；从制品来看，有单色、双色、复合等普通和精 密制品。 一台典型的往复式注射成型机主要由塑化注射装置、合模装置、液压系统和控制 系统等部分组成，如图卜1 所示。 图1 1 注射成型机 f i g 1 - l i n j e c t i o nm 0 1 d i n gm a c h i i l e 1 、注射装置 它的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熔料注 北京化工大学硕士学位论文 射入模具中。它主要由塑化部件( 机筒、螺杆或柱塞、喷嘴等) 、料斗、螺杆传动装 置( 油马达等) 、注射油缸、注射座移动油缸等组成。 2 、合模装置 它是保证成型模具可靠的闭合和实现启闭模动作以及取出制品的部件。由于熔料 以很高的压力注入模腔中，为了锁紧模具而不致使制品产生飞边或影响制品质量，就 要对模具施加足够的锁紧力( 即合模力) 。合模装置主要包括固定模板、移动模板、 后墙板、连接前后模板用的拉杆、合模油缸、顶出油缸、调模装置等组成。 3 、液压系统 提供注射成型各动作所需要的动力并顺序完成注射成型周期各动作。注射成型机 是由塑料熔融、模具闭合、注射入模、制品固化、开模取出制品等工序所组成的连续 生产过程。液压和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 分主要有油马达、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、油箱等。 4 、控制系统 控制系统控制注塑周期的顺序( 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。 图1 - 2 注塑成型周期 f i g 1 - 2 删e c t i o nm o l d i i l gc y c l e 注塑成型过程【2 】包括预塑计量、注射充模、冷却定型。其中，注射充模过程是将 计量室中预塑好的塑料熔体在一定的压力和速度下经喷嘴、流道和浇口注入模具型腔 内的过程。注射充模过程( 周期) 分为注射充模、压实、保压补缩和保压切换倒流。 在一个注射成型周期内，注射座、合模装置、螺杆的动作时间顺序及熔体经历的过程 2 第一章绪论 如图1 2 所示。充模过程中它是高温熔体向相对低温的模腔中流动的阶段，决定聚合 物定向和结晶，直接影响着制品的质量。 1 2 注射充模过程中的工艺参数 注射机能耗中的注射和塑化能耗占整个液压系统的7 0 以上。注射充模工艺参数 对注射机能耗影响很大，因此有必要对注射充模系统进行全面的能耗分析，以达到高 效、节能的目的。 1 、温度： 喷嘴有加速熔体和提高温度的作用，喷嘴本身热惯性很小但却与大的模具和前 模板接触，热交换会很快的带走热量。喷嘴温度一般比料筒的第三段温度高出2 0 3 0 度，其具体设定温度视聚合物性质、喷嘴及模具流道不同而不同，它可由温度传感 器( 热电偶) 检测，通过控制加热时间和功率进行控制。 模具温度是指与制品接触的模腔表面温度，直接影响到制品在模腔中的冷却速度 ( 或过冷度) ，是充模过程中的一个重要参数。模温设定应考虑聚合物性质、制品大 小和形状、模具结构和浇道系统以及环境温度等情况。对于同种材料，模温对制品质 量的影响可分为三方面：模温高低、模温稳定性、模温均匀性。 国内外学者对于不同的材料进行了大量的研究，如p p 【3 1 、p c 【4 1 、p m m a 【5 1 、h d p e 【6 1 、 a b s 【7 】、p s 【8 1 等，从他们的研究可以看出温度参数对不同材料成型都有很大影响。 2 、压力： 注射压力是指注射时，在螺杆头部建立的熔体压力。注射压力通过调节注射系统 油路的压力来实现【9 】。选择注射制品的注射压力时，首先要考虑注塑机所允许的注射 压力，只有在注塑机额定的注射压力范围之内，才能够调整出具体制品所需求的注射 压力。 在充模阶段，柱塞或螺杆头部的压力迅速达到最大值，喷嘴压力亦逐步上升，熔 体具有的压力很低，只需克服流动阻力和排气压力，随着熔体的流程加长和充模量的 增加以及前锋熔体的温度下降，黏度增加，随后进入末端的熔体压力也逐渐升高，实 际充模时的熔体压力取决于物料性能、熔体温度、模具结构、浇注系统、模具温度等 因素【1 0 j 。 3 、速度： 在注射成型过程中，注射速率是注射机在单位时间内注入模腔中的熔体的容积， 对注塑制品的质量和生产效率等都有重要影响。注射速率影响着剪切速率和剪切应 力，对制品的特征如收缩、翘曲和冲击强度等都有很大的影响。调整注射速率可以改 善熔接线、焦痕、缺料或凹陷、胀模、翘曲变形等一系列制品质量缺陷，同时可以缩 短注射时间、提高生产效率。 北京化工大学硕士学位论文 聚合物注入模具的注射流率无法直接测量，但其受注射机的注射速度控制，二者 之间存在一定的定量转换关系【l l 】。注射速度是指注塑时螺杆或活塞的移动速度。注射 速度的大小，直接影响到生产效率和制品的质量。产品质量的很多问题如冷焊接、密 度不均、应力大、溢边、物料烧焦等都可以通过控制注射速度来改善和消除【挖】。 此外，注射机主电机的功率消耗也是必须考虑的因素之一，它是注射机能耗的评 价指标。 1 3 注射能耗及注射节能研究现状 1 3 1 注射能耗 随着我国国民经济的长期高速增长，能源供应状况十分严峻，提高能源利用效率、 减少能源消耗成为了我国实现长期可持续发展的必由之路。高聚物材料生产是耗能大 户，各种材料的生产能耗占全国总能耗3 0 以上，大量能耗也对环境造成了严重污染 【13 1 。减少能耗刻不容缓。 注塑机能耗的本质，就是动力系统输出的能量；加工一个同样的制品，输出的能 量少即节能【1 4 1 。注塑机的节能主要有三个主要的研究方向： 执行机构( 合模机构、注射机构) 的型式及其效率； 动力控制系统的型式( 液压式或电控式) 及其效率； 节能注射成型原理。 1 3 2 注射节能研究现状 1 、改进执行机构( 合模机构、注射机构) 的型式及其效率 在注塑机执行机构的节能改造中，采用热流道模具是常见的一种节能方式【”1 。近 几年随着热流道价格的大幅下降，在国外，热流道模具的实际使用量已经占全部模具 用量中的3 0 以上【1 6 】。热流道模具不产生浇注系统料把，可以省去浇口料把切除工序， 省去料把的回收能耗( 对回收料进行破碎和熔化冷却消耗的能量) ，并达到节省工时 的作用【1 7 j 引。 2 、改进动力控制系统的型式( 液压式或电控式) 及其效率 液压系统是注塑机的主要能耗部件，其性能好坏直接影响整机的运行和效率的高 低。在液压系统中，保证油的质量、性能、洁净及合适温度至关重要 侈】。改进液压系 统节能的方式有【2 0 】：选用高效油马达；采用节能的合模机构；通过采用节能液压回路 提高注射速度和开合模速度；用变量泵代替定量泵；对于大型注塑机采用负载敏感泵 与定量泵并行的多泵控制系统等。 4 第一章绪论 若采用电液比例径向柱塞泵控制系统作为动力源，可进一步简化系统，提高工效， 提高节能效果。电液比例径向柱塞泵控制系统工作原理如图1 3 所示【2 l 】。为进一步降低 能耗，国外发展了应用变量泵和电液比例阀结合的负载感应型的注塑机电液控制系 统，作为电液控制中最基本的节能方法已在国外被广泛应用。目前在各种注塑机节能 控制技术中，比例变量泵和变频定量泵两种节能控制系统，节能效果最明显【2 2 】。 1 径向柱塞泵2 比例漉量阀3 比例压力褥 禾负载传感晦5 溢流褥& 加裁节藏橱 图1 - 3 电液比例径向柱塞泵控制系统上作原理图 f i g 1 37 r h ew o r k i n gp r i n c i p l eo f e 1 e c 仃o - h y d r a u 】i cp 吼，0 n i o n a lr a d i a l “s t o np u m pc o n 仃o l l i n gs y s t 锄 华南理工大学的瞿金平等人2 3 2 4 1 对振动力场强化聚合物塑化注射成型原理进行 了研究，开发出了电磁式动态塑化注射成型机。该注射机将电磁场引起的机械振动力 场施加到注射螺杆上，使螺杆在原来匀速运动的基础上叠加了一个脉动，从而有控制 的将振动场引入塑料熔融、塑化、注射、保压全过程，实现了动态塑化计量、动态注 射、动态保压，即聚合物速滑注射成型全过程均处于周期性振动状态【2 5 。2 6 】。 3 、基于节能注射成型原理的注射能耗研究 目前对注射机节能技术的主要研发工作中，缺少对节能注射成形原理的创新开发。 对于注射充模过程而言，这方面的研究需要通过研究注射过程中不同的工艺参数条件 下所消耗的能耗，对过程中的工艺参数和能耗的关系进行深入探讨和不断实验，并对 实验结果进行深入的研究分析。而目前的注射成型研究中，国内外对于注射成型工艺 参数的研究成果很多，但对于注射工艺参数与能耗之间的关系这一研究领域，尚为一 片空白。 ( 1 ) t a g u c h i 正交试验法 研究及优化设计注射成型过程中的工艺参数的试验方法有很多，其中t a g u c b j 正交 试验法是一种易于操作且有较高实用价值的优化方法【2 7 。2 8 1 。t a g u c h i 正交法是一种安排 多因素试验的数学方法，简单易行，效果良好，广泛应用在注塑工艺参数设计和优化 5 北京化工大学硕士学位论文 的研究中，特别是在注射工艺参数与制品质量的关系的研究中。正交试验法是通过简 单计算各因素水平对实验结果的影响，并将其用图表形式表示出来，再通过极差分析、 综合比较，最后确定优化参数。计算在正交表上进行，整个过程简单明了，可以很大 程度地缩短产品的开发设计周期，在实际生产、研究过程中具有十分重要的意义。金 新明和朱学峰【2 9 】通过正交试验研究了注射速度、模具温度和保压时间对注塑件几何尺 寸、重量、翘曲变形、溢料飞边和拉伸力的影响，通过对实验结果的分析，为注塑缺 陷的消除和注塑参数的设定提供了有益的参考。s h t 肌g 等人【3 0 】研究了影响薄壁注 塑制品翘曲变形的各工艺参数。t u n c a ve 仞删m l u 和ba j b wo z c e l i k 等人【3 l 】利用正交试验 法，对模具温度、熔体温度、注射压力等几个典型的注射工艺参数进行了优化设计。 m c s o n g 等【3 2 】使用t a g u c l l i 正交试验法，并结合计算机模拟技术，研究了不同注塑参 数( 注射压力、熔体温度、制品厚度等) 对超薄壁制品注射成型的影响。在具体的注 塑产品设计应用研究领域中，正交试验法也得到广泛的应用。r sc h e l l 【3 3 】利用t a g u c l l i 正交试验法实现了汽车缓冲器注塑成型过程参数的最优化设计。c h e n g _ h s i e i lw u 和 w ：e i - s h i uc h e n 【3 4 】应用正交法研究了d v d 读写镜头注射工艺参数对其产品成型质量的 影响。 随着c a e 技术的发展，正交试验法结合c a e 技术的注射工艺参数c a e 模拟正交试 验方法开始被越来越多的研究人员所采用。该方法可以明显缩短优化工艺参数的时 间，提高工艺设计效率，同时在数值模拟试验次数一定的条件下，能获得比单纯使用 正交试验和数值模拟方法更为精确的结果。m i n g _ c h i hh u a l l g 和c 1 l i n g - c 1 1 i h1 a i 【3 5 】利用 正交法和c a e 软件c m o l d 对工艺参数与薄壳注塑件的翘曲进行了研究。欧长劲等【3 6 】 运用正交试验方法对待定气辅注射成型工艺参数进行合理的实验设计，采用塑料成型 过程模拟仿真软件m o l d f l o w 对气辅成型塑料周转箱制品进行f l o w c o o l f l o w 分 析，代替传统试模方法，并对c a e 后处理结果进行综合分析，得到一组优化的工艺 参数组合。h a s a no k t e m 等人【了7 】应用m o l d n o w 分析软件结合正交试验法，对薄壁制品 翘曲变形进行了分析，其优化结果使制品的翘曲和收缩分别减少了2 1 7 和o 7 。陈 晓平【3 8 】、朱洪艳【3 9 1 和颜克辉【删分别将正交试验与m o l d n o w 数值模拟相结合用于注塑过 程参数优化，研究了注塑工艺参数与制品翘曲变形量的关系，分析比较了不同工艺参 数对翘曲变形量的影响程度，得到了优化的工艺参数组合。许荔珉【4 1 】运用基于c a e 技 术的注塑工艺参数优化配置和注塑工艺方案设计的思想，结合正交试验方法对工艺参 数进行c a e 仿真试验，并以零件翘曲变形为优化目标，通过敏感因子分析，获得最佳 工艺参数组合。张志莲等人【4 2 】结合c a e 技术，针对注塑成型的充填阶段，应用正交试 验法，研究了注射成型充填阶段所选参数对制品的熔体前沿加权平均流动温度、加权 平均剪切应力、模腔平均压力的影响，针对手机壳产品，优化了其工艺参数，从而提 高制品质量。针对正交试验中因子间交互作用存在且影响显著的问题，张志莲等【4 3 】 还曾运用f r a c t i o n a lf a c t o d a l 方法从众多的实验因子中初步筛选出与制品质量密切相 6 第一章绪论 关的若干个独立因子和交互因子，并利用正交试验技术结合c a e 分析技术，将这些因 子进一步优化。 ( 2 ) 人工神经网络技术( a n i 6 c i a ln e u r a ln e 咐o r k ，a n n ) 人工神经网络是由大量的、简单的处理单元( 称为神经元) 广泛地相互连接而形 成的复杂网络系统，是一个高度复杂的非线性动力学系统，采用物理上可实现的器件 或采用计算机来模拟生物体中神经网络的某些结构和功能，并应用于工程领域，具有 大规模并行、分布式存储和处理、自组织、自适应和自学习能力，特别适合于处理那 些需要同时考虑许多因素和条件的、模糊不精确的信息处理问题4 6 1 。 目前，人工神经网络技术( a n i f i c i a ln e u r a ln e 研o r k ，a n n ) 在模式识别与图像处 理、控制与优化、预测与管理、通信等各领域已经得到了较好的应用，取得了较大的 成功。 对于注射工艺参数的研究，人工神经网络是目前采用较多的一种数学分析方法。 通常人们是根据正交试验所得到的注射工艺参数和试验目标参数，加以训练建立神经 网络模型，利用得到的模型针对新的工艺参数预测样本进行目标参数的预测【4 7 】。王德 翔等人【4 8 】研究了人工神经网络技术在注塑成型工艺参数优化中的应用，通过建立基于 神经网络的压力和温度模型以及优化工艺参数的目标函数，实现了基于人工神经网络 技术的注射成型工艺参数优化。王蓓【4 9 5 0 】在c a e 模拟结果的基础上采用神经网络对 注射压力进行工艺控制，通过精密的控制方式与高效的控制算法有机的结合，使整个 注塑过程动态地出于最佳成型工艺条件下，从而确保生产出来的产品尺寸稳定性好、 表面质量及内部性能达到要求。郑士龙【5 l 】利用人工神经网络技术在c a e 模拟基础上 对单目标问题进行了优化和控制，通过具有不同学习算法、不同传递函数及不同隐含 层神经元个数的b p 神经网络性能进行比较后确定其网络结构和参数，对注塑成型过 程的工艺参数进行预测。查志锋( 5 2 】对注塑制品成型中常见的缺陷征兆及其成因与具体 解决方法进行全面分析总结，运用模糊理论、神经网络及专家系统技术，在对由“缺 陷征兆 求解“缺陷成因”过程中存在的模糊性和不确定性问题进行分析研究的基础 上，构建了适用于注塑制品缺陷分析诊断的模糊神经网络模型。 路书芬【5 3 】选用p p 和a b s 两种材料，对一维流动平板两个方向的收缩、强度、熔 接线、制品质量等进行实验研究，并利用神经网络技术建立了质量指标与工艺参数之 间的关系模型。张磊【5 4 】采用b p 神经网络建立注塑成型工艺参数与注塑制品收缩率之 间的网络模型，并通过试验数据对成型工艺参数进行优化。陈晓平【5 5 l 等人利用 m 0 1 d n o w 模拟试验，获得电脑显示器前壳注射成型时不同工艺参数组合对应的翘曲 量，建立神经网络模型并通过样本验证了模型的准确性，并采用该模型代替c a e 软 件模拟试验，对工艺参数进一步优化。b o z c e l i k 【5 6 】贝f j 在其研究中使用了方差分析、 遗传算法和人工神经网络模型相结合的分析方法，对塑料注射成型制品的翘曲变形进 行了分析和研究。 7 北京化工大学硕士学位论文 结合人工神经网络所表现出的良好特性，在分析注塑成型工艺参数对注射能耗的 影响的问题研究中，将神经网络理论与正交试验相结合，建立注射成型工艺参数与注 射能耗之间的非线性关系，在注射成型工艺参数优化研究以及注射能耗研究方面是一 次较新的尝试。 1 4 论文研究的意义与内容 1 4 1 论文研究的意义 随着我国国民经济的长期高速的增长，能源的供应状况十分严峻，提高能源利用 效率、减少能源消耗成为了我国实现长期可持续发展的必由之路。对注塑机进行节能 技术改造非常迫切和必要，注射能耗问题的解决关系着塑料制品加工行业的发展。 而目前，在对注塑机节能技术的研发方面，缺少针对节能注射成形原理的创新开 发。因此，综上所述，我们应该从节能注射成型原理方面出发，建立一个注射成型能 耗评价系统，对注射能耗进行测试和分析，找出注射能耗与注射过程工艺参数之间的 关系，并基于注射能耗对注射工艺参数进行优化，展开关于注射能耗的研究。 本课题是海天北化科技有限公司注射成型实验机系统的一部分，主要是建立注射 成型实验台，测试分析注射过程的能耗情况，找出能耗和工艺参数的关系，建立能耗 的评价系统，并对工艺过程进行优化，降低能耗。这样我们可以为生产过程中注射工 艺参数的设定提供可靠的依据，从而能更好的降低注射能耗，同时也可以为注射机的 设计提供可靠的节能设计依据。 1 4 2 主要研究内容 本课题的主要研究内容是：注射机实验系统注射过程能耗的研究，即以单产注射 能耗作为注射能耗的评价指标，建立一个注射成型能耗评价系统，通过实验，对不同 注射工艺参数组合下的单产注射能耗进行测试和分析，并采用神经网络模型建立起注 射工艺参数与单产注射能耗之间的非线性映射关系，建立能耗的评价系统，以此来实 现对注射工艺参数的优化，从而降低单产注射能耗。 主要包括以下几个方面研究工作： 1 、协助建立注射机实验系统 本部分工作内容是建立注射成型机实验台，并调试注射机及传感器和检测系统。 注射成型机实验台是由海天北化公司与宁波海天股份有限公司共同建立的注射成型 机实验系统。它主要由三部分组成：注射成型机、传感检测装置和数据采集系统。 2 、测试分析不同工艺参数时注射过程中的能耗情况 第一章绪论 根据对注射过程几个主要的工艺参数和对注射过程的分析，本课题设计了一套研 究注射参数对单产注射能耗影响的实验和数据分析方案，包括正交试验、正交表级差 分析、分析结果验证试验及单因素变动试验，从而通过研究注射过程中不同的工艺参 数条件下的单产注射能耗，对过程中的工艺参数和能耗的关系进行深入探讨和不断实 验，并对实验结果进行深入的研究分析。 一 3 、研究注射过程工艺参数与能耗的关系，建立注射过程能耗的评价系统( 神经 网络模型) 注射工艺参数与能耗之间存在着非线性映射关系，而正交实验所得到的只是此映 射空间中若干离散的点，而基于正交实验的注射工艺参数优化是在这些离散的点中找 到具有最优值的点，但这个点却并不一定是能使能耗达到最小的工艺参数组合点。因 此，要找出能耗和工艺参数的关系，建立能耗的评价体系，就应该采用人工神经网络 ( a 卜烈) 逼近该非线性映射，基于上述正交表建立a n n 模型。 将t a g u c h i 正交实验获得的工艺参数组合及其各自对应的能耗结果，作为神经网 络的训练和测试数据。确定网络结构和传递函数( 训练方法) ，并通过训练，建立神 经网络模型。 4 、优化注射过程参数与能耗 利用小步长搜索法，对正交实验所得的最优工艺参数组合进行增减小步长，生成 新的正交表。对新生成的正交表，通过神经网络模型做预测计算，得到一系列能耗值， 并得到最小能耗值所对应的新参数组合，用神经网络模型计算该组合下的能耗值。对 分析出的参数优化组合做进一步验证实验，即在此最佳工艺参数组合之下进行实验， 将所得到的能耗与所做过的实验结果进行比较，证明能耗已经降低至最小，以验证 触蝌模型所得到的工艺参数组合。 9 北京化工大学硕士学位论文 2 1 引言 第二章注射能耗及注射机实验系统 合成树脂、合成橡胶、合成纤维三大类合成高分子新型材料，已经与钢铁、木材、 水泥一起构成现代社会中的四大基础材料，是信息、能源、工业、农业、交通运输、 乃至宇宙空间技术和海洋开发等影响国民经济发展的各个领域当中所不可缺少的新 型材料。中国塑料工业多年持续高速增长，1 9 9 1 年产量仅为2 5 0 万吨，1 9 9 5 年增为3 5 0 万吨，1 9 9 8 年超过7 0 0 万吨，到2 0 0 2 年已增达约1 4 0 0 万吨，超过日本而成为世界第3 大 塑料原料生产国。而注塑机是塑料加工业主要设备，我国每年大约新增5 万台套塑机 投入工业运行，能源消耗不可低估【2 0 1 。 塑料制品加工行业是国民经济各行业中近几年发展速度较快的行业之一，但注射 机的能耗问题已经日益凸现，节能降耗已经成为现代注塑机发展的关键和主要开发方 向，研究注射机能耗有非常大的现实意义和经济价值。能耗直接反映到制品的生产成 本上，高能耗的设备使制品高成本，在市场激烈竞争的情况下，高能耗的设备没有生 存的活力。因此，注射能耗问题的解决，关系着塑料制品加工行业的发展，关系着整 个行业的前景。 近年来，注塑机的节能技术有了很大的进展。注塑机生产厂家及塑料制品厂都很 重视节能技术的研发和应用，主要在中、小型注塑机上进行节能技术开发，在某一机 构上进行改进，缺少对节能注射成形原理的创新开发【2 2 】。从根本上实现注塑机的节能 注射成形，只有创新的节能的注射成形技术、节能的动力系统和节能执行机构，三者 合为一体，才能实现真正的节能，达到完满的节能性能。想要全面而准确的对注射成 型机能耗进行分析研究，就必须建立起一套注射成型机实验系统，对注射成型机及注 射成型过程的能耗进行全面准确地测定，并做出相应的分析研究。 本章的研究工作，就是建立一台注射成型机测试系统，对注射成型机的几个能耗 点加装传感器，建立测试平台，为下一步进行能耗的分析测定实验，找出能耗原因， 进行注射机节能分析研究创造条件。这是本课题的首要任务，也是本课题所有研究工 作得以进行的前提条件。 2 2 注射机实验系统 注射成型机实验台是由海天北化公司与宁波海天股份有限公司共同建立的注射 成型机实验系统。它主要由三部分组成： l o 第二章注射能耗及注射机实验系统 注射成型机； 传感检测装置； 数据采集系统。 2 2 1 注射成型机 图2 1h r f l 2 0 ) ( 2 注射成型机 f i g 2 - 1h 1 f l2 0 ) ( 2h j e 以0 nm o l d i i l gm 池i i l l e 表2 1h f f l 2 0 x 2 主要性能参数列表 t a | b l e2 - 1n eh s to f 蚴i i l lp a 嘲o fh t f l 2 【2 删e c 矗o nm o l d i n gm a d i i n e 机器型号h t f l 2 0 2 塑料注射成型机 螺杆直径( 姗) 注射容量( 理论) ( 锄3 ) 注射重量( p s ) ( g ) 注射压力( m p a ) 注射行程( 啪) 螺杆转速( 幽血) 料筒加热功率( k w ) 锁模力( 烈) 油泵电机功率( k w ) 电动机型号 液压马达型号 4 0 2 1 4 1 9 5 1 6 0 1 7 0 m 之2 0 9 3 1 2 0 0 1 5 s z y l 8 0 【，6 ，1 5 k w n m 0 6 - 4 0 0 0 0 0 0 d 31 北京化工大学硕士学位论文 注射成型机是由海天公司提供的h t f l 2 0 x 2 系列注射机，如图2 1 所示，它是海天 公司生产的标准注塑机系列之一，适合大部分精度要求、表观质量要求较高的产品， 如电子、电脑、手机、汽车配件、高档家电、容器等。本注射成型机上安装了许多传 感检测装置用于测量重要的加工参数，如测量螺杆扭矩的扭矩传感器、测量机筒各段 温度和压力的传感器、测量电机功率的功率传感器、模腔压力传感器以及喷嘴口注射 熔体温度和压力的传感器等。 h t f l 2 0 ) ( 2 注射成型试验机的主要技术参数如表2 1 所示。 2 2 2 传感检测装置 传感检测装置主要是由转矩转速传感器、温度传感器、压力传感器和功率传感器 组成。 1 、转矩转速传感器 转矩转速传感器用于测量注射机的螺杆转动扭矩和转速，它是由湖南长沙湘仪动 力测试仪器有限公司生产，型号为j c 7 2 ，其额定转矩是2 0 0 0 n m ，工作转速是 m 4 0 0 0 r m i n 。 j c 7 2 传感器的主要技术指标如下： 转矩测量精度：o 1 ； 转矩测量单位：n m ； 转速测量精度：0 0 5 ； 转速显示精度：一位小数； 转速显示单位：r m i n ； 功率运算精度：1 个字； 功率显示单位：w 或k w 任意选择； 常规测量速率：1 0 0 m s 5 s ； 快速采样速率：1 m s 9 9 m s 。 2 、温度和压力传感器 温度和压力传感器采用的是瑞士k i s t l e r 公司的传感器，它们是用来测试机筒内 物料的实际温度和压力、喷嘴的温度和压力以及模腔压力的。 3 、功率传感器 功率传感器用来测量主电机功率p 。 本课题中我们使用的电量功率隔离传感器是由绵阳市维博电子有限责任公司生 产的w b p 2 1 2 p 7 1 型功率传感器，我们用两个电流互感器将电机中的电流缩小到传感 器可测量的范围，然后接入功率传感器，并连接到n i 卡进行数据采集。安装后的功 率传感器如图2 2 所示。 1 2 第二章注射能耗及注射机实验系统 图2 - 2 电机功率传感器安装示意图 瑰2 - 2i i l 8 t a l l a ：t i o l lo f p o w 豇s 锄8 0 r f 0 rm o 自d r 表2 - 2w b p 2 1 2 p 7 l 型功率传感器的主要参数 t i l b k2 - 2m a i n 脚e t 粥o f w b p 21 2 p 7 lp 0 w c rs e 鹪o r 、b p 2 1 2 p 7 1 型功率传感器的参数如表2 2 所示。 w b p 2 1 2 p 7 1 型功率传感器有以下特点： 采用电磁隔离、专用功率测量芯片，高精度，微功耗； 线性测量范围：电压：2 0 一1 2 0 标称输入值； 电流：1 一1 2 0 标称输入值； 被测信号频率：工频或中频； 隔离电压：大于2 5 k vd c ，1 痂n ； 过载能力：电压2 倍标称输入值，可持续；电流l o 倍标称输入值，持续5 s ； 额定环境温度：商业级0 斗5 0 ；工业级一2 5 + 7 0 ； 平均无故障工作时间：大于5 0 0 0 0 h ； 输入阻抗：r v = v x l