（机械设计及理论专业论文）全电动注塑机中新型顶出控制技术的研究.pdf

摘要 全电动注塑机的出现在很大程度上克服了在传统液压型注塑机中存在的能耗 大、有污染、以及控制精度不够高等问题，因而代表了新世纪注塑机的发展方向。 在全电动注塑机中，由于用电机代替了传统的液压油缸作为驱动元件，使得应用 于注塑机中的控制技术也发生了很大的改变，获得了许多在传统的液压型注塑机 中难以获得的控制性能。 随着全电动注塑机的蓬勃发展，许多国内知名的注塑机生产厂家也开始加太 投入，积极研发具有自主知识产权的全电动注塑机。但是，由于国内在注塑机控 制技术方面的研究较为薄弱，加上新技术的产权保护等因素的影响，使得自行研 发的电动注塑机受到控制系统性能的影响，在整体性能上与国外新型电动注塑机 还有一定的差距。 本文针对在电动注塑机中出现的新型控制技术进行研究，研究在全电动注塑 机中采用这些新技术获得的新的性能。在此基础上，以制品顶出过程的新型控制 技术为主要研究对象，研究电动注塑机中实现智能化制品顶出的控制原理、以及 所采用的控制方法。并从软件和硬件两个方面研究了系统的构成和实现方法。通 过原理的分析研究和系统软硬件的设计以期为实际的注塑成型生产提供理论和实 践的指导。 关键词电动注塑机；新型控制技术；顶出控制； 华南理工大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ed e v e l o p m e n to fa l l - e l e c t r i ci n j e c t i o nm o l d i n gm a c h i n eg r e a t l yo v e r c o m e s t h ep r o b i e m se x i s ti nt r a d i t i o n a lh y d r a u l i ct n j e c t i o nm o l d i n gm a c h i n e ( i m m ) s u c ha s b i ge n e r g yc o s t ，e n v i r o n m e n tp o l l u t i o na n dh a r dt og e th i 曲c o n t r o lp r e c i s i o n i t r e p r e s e n t st h ed e v e l o p i n gd i r e c t i o no fi m m i nt h en e wc e n t u r y i nt h ea l l e l e c t r i c i n j e c t i o nm o l d i n gm a c h i n e ，m o t o r s a r eu s e dt o r e p l a c e t h et r a d i t i o n a l h y d r a u l i c c y l i n d e r s ，t h ec o n t r o lt e c h n o l o g yu s e d i na l l e l e c t r i ci m mi sa l s og r e a t l yc h a n g e d ，t h u s a c q u i r e dm a n y c o n t r o lc h a r a c t e r sw h i c hi sh a r dt og e ti nh y d r a u l i ci m m w i t ht h ef l o u r i s ho fa l l - e l e c t r i ci m m ，m a n yf a m o u sd o m e s t i ci m mm a n u f a c t u r e r s b e g i nt op u tm o r ea n dm o r ee n e r g yi n t h er e s e a r c h i n ga n dd e v e l o p i n gw o r ko f a l l - e l e c t r i ci m mw i t hw h o l ei m e l l e e t u a lp r o p e r t y b u tt h ew e a k n e s si nt h er e s e a r c ho f t h ec o n t r o lt e c h n o l o g ya n da l s ot h ea f f e c t i o no ft h ef a c t o ro f p r o t e c t i n gt h ei n t e l l e c t u a l p r o p e r t y , t h ei n t e g e rp e r f o r m a n c eo ft h e a l l - e l e c t r i ci m md e v e l o p e dh e r ei no u r c o u n t r yi ss t i l ln o ta sg o o d a st h o s em a n u f a c t u r e di n f o r e i g nc o u n t r i e s i nt h i st h e s i sw ed i dr e s e a r c ho nt h en e w e s tc o n t r o lt e c h n o l o g i e sa p p l i e dt ot h ea l l e l e c t r i ci m m ，a n dt h en e w p e r f o r m a n c eb r o u g h tb y t h e s en e w w a y s o fc o n t r o li ni m m t h et h e s i sf o c u so nt h en e w t y p eo f c o n t r o la p p l i e di nt h ep r o c e s so f e j e c t i o n ，i t sb a s i c p r i n c i p l e sa n dw a y so fc o n t r o la x ed i s c u s s e d r e s e a r c h e sa r ea l s oc a r r i e do u ti nt h e h a r d w a r ea n ds o f t w a r ec o n s t r u c t i o no ft h es y s t e ma n dk sr e a l i z a t i o n h o p i n gt h a tb y d e s i g n i n ga n de x p e r i m e n t i n g ，w ec a nb r i n gf o r w a r ds o m e u s e f u ls u g g e s t i o n sa n d h e l p t ot h ep r o d u c t i o na n d p r a c t i c eo fi n j e c t i o nm o l d i n g k e y w o r d ：a l l - e l e c t r i ci m m ；n e wt y p e so f c o n t r o lt e c h n o l o g y ；e j e c t i o nc o n t r o l i i 学位论文原创性声明 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进 行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。 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后果由本人承担。 作者签名：升j 虱犁 f1 日期：2 0 0 3 年6 月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规 定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华南理工大学可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密回。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：叶l 秭日期：2 0 0 3 年6 月日 导师签名：名牛f 墨批 日期：2 。3 年6 月日 符号说明 i m m p m s m l ，b l j 口，l 印 j 耐，i 船 j 州，z 日阿 v d j e f ，v w 咿 ，v 嘲 s v p w m k 乩， u 。 a d r j s c s p i u s a r t s s p s c i t x s t a r c s t a t s r t x r e g a d r e s h a d r e s l a d o r d 0 d a 0 符号说明 注塑机 永磁同步电机 定子三相电流 定子电流 ，仂轴向分量 定子电流，q ) 轴或磁隙转矩向分量 磁隙和转矩分量 参考转子电压( 吐q ) 轴分量 参考转子电压缸，西轴分量 空间脉冲宽度调制 截止电流 比较电压 稳压管击穿电压 模拟数字 精简指令集 串行外围器件接口 通用同异步收发器 同步串行口 串行通信接口 发送状态和控制寄存器 接收状态和控制寄存器 发送移位寄存器 发送缓冲器 a 3 d 转换结果高字节寄存器 a j d 转换结果低字节寄存器 a e f i v e x 数据对象 远程数据对象 数据访问对象 第一章绪论 1 1 课题研究背景 1 1 1 注射成型设备的发展现状及方向 进入2 1 世纪，随着电子、信息、生物、交通等各个领域产品的不断更新变化， 材料科学也得到了极大的发展。由于塑料具有密度小、质量轻，比强度高、电气 性能优异、化学稳定性高、耐磨性能优良、减震、隔音性好等特点，加上还具有 易成型、易切削、易焊接、能很好的与金属、玻璃、木材及其它材料相互粘接等 性能，因而被广泛应用于工业、农业、国防以及人们日常生活的各个领域【1 】。 注射成型也称为注塑成型，它是成型塑料制品最为广泛使用的一种方法。其 基本过程是将树脂原料加热至熔融态( 也称为塑化态) ，从而使其具有一定的流动 性；之后，通过螺杆将熔料注射进模具的型腔内，依靠冷却( 对于热塑性树脂) 或 加热( 对于热固性树脂) 使熔料固化成型，然后从模具中取出所需的成型制品。注 塑成型具有生产周期快、生产效率高、能成型尺寸精确、形状复杂或带镶嵌件的 制品，并易于实现自动化等特点，因而在整个塑料制品生产行业中占有非常重要 的地位。目前除少数几种塑料外，几乎所有的塑料都可以采用注塑成型的方法来 生产制品。 塑料制品随着应用的日益广泛，正向着轻量化、复合化和功能化的方向发展， 塑料制品的发展同时也对塑料加工机械提出了新的更高的要求。从近年来塑料机 械展览会展示的技术来看，目前注塑成型设备正向着高速高效、精密节能、低噪 声和高自动化等方向快速发展。从下面的一些比较数字可以明显看出这种发展趋 势： 注塑机的启闭模速度、注射速度、注射压力等与过去相比均得到了成倍的增 加：就启闭模速度而言，从过去的2 0 3 0 m m i n 提高到4 0 5 0 m m i n ，最高的达 到7 0 m r a i n ；注射速度从过去的l o o m m s 提高到现在的2 5 0 m m s ，有的成型机的 注射速度甚至达到4 5 0 m m s ；注射压力从过去的1 2 0 1 5 0 m p a 提高到目前的1 8 0 2 5 0 m p a ，有的机型甚至达到4 6 0 m p a 。在这种成型压力下成型出制品的收缩率几 乎为零，制品公差可保证在0 0 2 o 0 3 r a m ，壁厚偏差可保证在0 1 o 2 m m 【2 j ； 节能方面从过去使用定量泵、定量马达加流量比例和压力比例控制发展到变 量控制，变频调速控制，伺服控制。采用变频控制技术的注塑机，能耗仅为传统 的5 0 ，而采用了伺服控制技术的新型全电动注塑机的节能效果则更为优越，其 堂童堡三奎堂三堂堡圭耋堡垒塞 ，： 能耗仅为传统机器的3 0 ； 注塑机生产的高效率主要体现在工作节拍加快，制品周期缩短。成型一个制 品所需耗费的时间普遍比过去缩短2 4 以上。在全电动注塑机中可以实现开模与 预塑化的同步完成，并可在开模过程中同时完成抽芯和顶出，更加缩短了成型时 间，提高了成型效率。在1 9 9 9 年日本橡塑展上成型速度最快的注塑机，整个工作 周期只有1 秒钟1 2 j 。 高速高效、精密节能、低噪声以及高自动化已成为新世纪注塑机生产厂家所 追求的目标。这种发展趋势一方面集中体现在传统的注塑机生产厂家不断的将机 械、控制领域的新技术应用到注塑机的设计和制造中；另一方面则体现在全电动 注塑机的出现与兴起。注塑机市场一直由液压型注塑机一统天下的格局已经被打 破，电动注塑机正以一种前所未有的速度得到迅猛发展。 1 1 2 电动注塑机的发展现状 一直到上个世纪末，应用于注射成型的注塑机几乎全部是采用液压动力的液 压型注塑机。这种注塑机具有驱动力大，传递运动比较平稳、具有过载保护功能 等特点。但是，这种以液压元件为动力的注塑机也存在着明显的不足之处。主要 体现在以下几个方面： 各机构动作的控制精度相对较低，传动比不如机械式传动精确； 用于驱动工作元件的液压油随环境温度及自身工作状况的变化会发生物理特 性上的变化，如粘度会随着温度变化而波动，这一点，严重的影响到系统控制的 稳定性与精密性； 另一方面，液压系统中的液压油在流经泵、阀和管道时，会产生大量热量， 从而导致液压油温度的上升，影响液压系统的正常工作，因此需要通过油冷却器 将液压油中的热量带出，从而消耗了大量能量。 液压系统的工作噪音大，同时液压油的泄漏也难以避免，给工作环境带来许 多不良的影响；液压系统的油冷却器需要以冷却水循环流动来带走液压油中的热 量，因而增加了资源的消耗；此外，液压油以及液压元器件需要经常更换，更增 加了运行时的成本。 以上所述的各种问题都是由于液压型注塑机的机械结构与动力系统的架构所 决定的，虽然有很多的公司一直致力于改进这些方面的不足，但是由于结构特性 的影响，始终无法得到彻底有效的解决。 上个世纪8 0 年代，日本日精树脂工业公司推出了一种以伺服电机来代替传统 注塑机中的液压油缸来驱动运动机构完成注射、计量与模具的开合等动作的注塑 机。这种不需要任何液压动力装置的注塑机被称为全电动注塑机，它的出现开辟 的注塑工业一个崭新的领域。 采用具有高输出功率的交流电动机作为驱动装置后，由于能够同时控制注射 成型过程中的开模、合模以及制品顶出等动作，因而大大的缩短了成型时间，提 高了生产效率。在能耗方面，电动式注塑机克服了传统液压式注塑机能耗大的缺 点，生产能力相同的全电动注塑机比液压型注塑机的耗电量减少近2 3 。此外， 由于电动注塑机不使用液压油，因此便于维护作业环境的清洁，而且在液压马达、 油泵、液压油缸等器件中由于液压冲击所产生的噪声也得到了消除 3 0 。 正是由于电动注塑机不仅能够同时提高生产效率、降低成本还可以起到环境 保护的作用，因而近年来不断被电子、汽车以及电机制造等厂家所采用。越来越 多的注塑机制造商也相继推出自己的全电动注塑机，比较知名的除了日精公司外 还有日本的住友s u m i t o m o 公司和法那克f a n u c 公司，北美加拿大的e a g l e 公司和 美国c i n c i n n a t i 以及m i l a c r o n 公司，目前，电动注塑机在欧洲以及北美的市场 上所占有的份额越来越大，许多公司都乐观的预计全电动注塑机在北美市场上的 销售量在未来一两年中将超过液压型注塑机。 1 1 3 电动注塑机控制技术的发展 随着越来越多知名的注塑机制造商加大投入，进行电动的注塑机的研发与生 产，电动注塑机的性能也不断的得以改进与提高。实际上，由于全电动注塑机与 传统的液压型注塑机在整个动力系统的结构，包括驱动传动装置上都发生了根本 性的改变，因此使得电动注塑机控制系统在系统构成、所采用的控制方法以及实 现方式等方面也发生了相应的改变。这些变化使得应用于传统液压型注塑机中的 液压传动及控制的一些基本原理已经不再适用于电动注塑机的控制，取而代之的 是复杂的电机控制原理和一些新的控制技术。 图1 1 电动注塑机与液压注塑机中模具保护性能比较图 f i g1 - 1c o m p a r i s o no ft h ep e r f o r m a n c eo fm o l dp r o t e c t i o ni na l l e l e c t r i ca n dh 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 3 这些新技术的应用使得在电动注塑机中实现了一系列在传统液压型注塑机中 所未有实现或难以实现的控制性能。2 0 0 2 年，日本法纳克( f a n u c ) 公司推出了一 种具有智能控制的全电动注塑机r o b o s h o ts - 2 0 0 0 i ，在这一型号的电动注塑机 中，结合先进的电机伺服控制技术，首先在电动注塑机中实现了在传统液压注塑 机中难以实现的智能制品顶出控制( a ie j e c t o r ) 、智能模具保护( a im o l d p r o t e c t i o n ) 、以及智能压力曲线跟踪控制( a tp r e s s u r ep r o f i l et r a c ec o n t r 0 1 ) 等智能化 的控制功能旧”l 。 在智能顶出控制中，不仅可以避免顶针因异常故障而受到损坏，还可以对成 型制品的质量以及模具的完好性等指标进行监测；在智能模具保护中，可以使模 具以及制品在合模过程中受到极高可靠性的保护。图1 1 显示了在智能模具保护 下与传统液压注塑机中模具保护下，锁模过程受到障碍物的干涉时注塑机的反应 效果。由图中作为干涉物的薄壁纸杯的完好性比较可以看出，电动注塑机中实现 的智能控制对成型设备、成型制品和操作人员都起到了很好的保护作用。智能压 力曲线跟踪控制则为复杂的注射过程提出了一种全新的控制方案，使用这种控制 方案可以极大的提高成型制品的质量。可班说，电动注塑机中新型控制技术应用 标志着注塑机控制技术发展的一个崭新的阶段。 1 2 课题的研究意义、目标及主要内容 1 2 1 课题的研究意义 随着全电动注塑机的蓬勃发展，目前，许多国内知名的注塑机生产厂家也开 始加大投入，积极研发具有自主知识产权的全电动注塑机，并已取得了令人鼓舞 的成绩。尤其是全电动注塑机机械结构和动力构成等方面已经获得了长足的进步， 缩短了与国外电动注塑机之间的差距。但是，对注塑机中核心控制技术的研究力 量比较薄弱，一直以来都是国内注塑机制造商所面临的较大的问题。因此，在一 些核心控制技术的掌握与应用方面，由于基础理论研究的相对滞后加上新技术产 权保护等因素的影响，一直处于弱势。这一点也体现在国内自行设计生产的电动 注塑机由于控制技术的相对落后使得其整体性能仍与目前国外的发展水平有一定 的差距。因此，在现有的基础上积极的消化吸收国外注塑机中所采用的先进的控 制技术并为我所用，对我国注塑机设计与制造水平的提高具有重要的意义。 1 2 2 课题的研究目标 本课题以目前国外电动注塑机中实现的新型的控制技术为研究对象，研究在 电动注塑机中采用这些新型控制技术所获得的新的性能，并在此基础上，以顶出 过程的新型控制为主要研究对象，分析研究这些新型控制技术所涉及的控制原理 和控制方法。从软件和硬件两个方面对新型顶出过程控制系统的构成和软硬件上 的实现进行研究。通过原理的分析和系统软硬件的设计以期为电动注塑机的研发 与实际的生产提供理论和实践的指导。 1 2 3 主要内容 第一部分，系统的研究了全电动注塑机机械动力系统与控制系统的结构组成： 在此基础上，通过与传统液压型注塑机的比较，对电动注塑机中所获得的新的特 性及其关键性问题进行分析。 第二部分，在第一部分的基础上，对电动注塑机中新型顶出过程控制的原理 进行了分析，并对原理所涉及到的控制算法进行了细致的研究； 第三部分，在第二部分分析研究所获得的结论的基础上，对实现新型顶出控 制所需的硬件系统的结构与组成进行了分析，在此基础上，提出了一套可满足所 需控制要求的硬件构成方案； 第四部分，在设计的硬件系统的基础上，开发设计了一套可实际应用于顶出 过程监控与管理的顶出控制管理软件，并结合硬件系统，对软件的功能和可靠性 进行了实验验证； 第五部分，对论文的工作进行总结，并对今后的研究工作进行了展望。 第二章全电动注塑机的结构与性能分析 相对于传统的液压型注塑机来说，全电动注塑机无论在结构设计、动力系统 的构成还是控制系统的结构与组成上都发生了很大的改变。这些改变与全电动注 塑机所获得的优异控制特性是紧密联系的。可以说正是这些变化给电动注塑机带 来了新的特性与优点。本章中将对电动注塑机的结构组成进行分析、论述，在此 基础上，通过与传统液压型注塑机的比较，得出电动注塑机在整体上所具有的各 种优点，并对电动注塑机各个功能单元中应用的新型的控制技术进行进一步的分 析。 2 1 电动注塑机的机械结构组成 2 1 1 电动注塑机的整体架构 无论是全电动注塑机还是传统的液压注塑机，为了实现塑料制品的成型生产， 都必须按照注射成型的工艺要求完成相同的单元操作。以最通用的螺杆式液压注 塑机为例，通常一个工作周期可分为：塑化计量、注射充模、冷却定型和开模顶 出等几个阶段。这一周期性的过程如图2 一l 所示。 因此，在功能结构上，电动注塑机与液压型注塑机一样，也可以分为注射单 元，合模单元等。但是由于在电动注塑机中采用电机取代了传统注塑机中的液压 马达、液压油缸等驱动装置，因而在结构上与传统液压注塑机也存在较大差异。 图2 2 是全电动注塑机的结构示意图，从图中可以看出，在传统液压型注塑 机中用于提供动力的各种液压动力器件如液压马达，液压油缸等完全被不同的电 机所代替悼j 。 1 一模具开闭a c 电机2 一计量a c 电机3 一注射a c 电机 4 一模厚调整电机5 一顶出a c 电机6 一加热器 图2 2 全电动注塑机结构示意图 f i g 2 - 2s k e t c ho ft h es t r u c t u r eo fa l le l e c t r i ci m m 6 模 满 材 却 图2 - 1 注射成型过程 f i g 2 - 1i n j e c t i o nm o l d i n gp r o c e s s 7 ，。一：一一。：! 堂垦垄三盔堂三兰堡圭堂堡墼塞：一一一。一：。 在摄早出现的电动注塑机中，所有运动机构都是由伺服电机驱动的，为了达 到高精度的控制，注射装置中各机构的动作( 注射、塑化、计量和射台移动) 以 及合模装置各机构的运动( 开合模、锁模、顶出等) 全部采用伺服电动机驱动实 现。也有的公司为了降低成本，将些对制品质量影响不大且要求控制精度不高 的驱动部分用其它类型的电机代替，例如，有的电动注塑机生产公司将驱动射台 移动的电机选用普通电机或变频电机从而起到降低成本的作用。 2 1 。2 全电动注塑机注射装置结构 不管是在液压式还是全电动式注塑机中，注射装置的结构和采用控制方法对 制品的质量都起着决定性的影响，不仅如此，注射装置的设计及工作性能还直接 影响着制品的生产成本，因此，注射装置是注塑机中非常关键的部分。 电动注塑机注射装置通常有两种驱动形式：皮带式驱动和直接驱动。显然， 采用皮带传动的方式，能获得较大的力矩，而且由于有传动皮带的存在，因此在 出现过载等异常情况下电机能得到定的保护。但是，它也兵有带传动的不足之 处：传动精度不高。 不采用带传动的直接驱动式的结构优点在于结构比较紧凑，但是这种驱动方 式要求电机具有转速低、转动力矩大的特性，而且这种方式下的超载保护作用较 弱。因此，在成型大件制品时，通常使用皮带式驱动，而对于小制品则常常采用 直接驱动方式。 电靖注妻枷注射机构疆磅方式1 皮带式曩动 饲最电机 电碛泣塑机注射蓑1 取谛方式2 直接式正动 图2 3 两种不同的注射机构驱动方式 f i g 2 3t w od i f f e r e n td r i v e rm o d e so ft h ei n j e c t i o nu n i t 图2 - 3 所示是两种不同传动方式的结构示意图 8 1 ，通过比较可以看出，采用 直接驱动方式的注塑机的注射装置更紧凑。而且，由于取消了带传动，因此其精 度也得到了较大的提高。但是同时也要求电机能提供足够高的转矩来使螺杆正常 的完成注射、计量，塑化等动作。 苎轩 董三茎全垦垫鋈塑塾墼堑垫量丝墼坌堑 2 。1 3 电动注塑机开、合模装置结构 电动注塑机的合模机构主要采用肘杆式机构，小型机也有的采用曲柄连杆机 构。与传统的液压型注塑机所不同之处主要在于使用电动机代替液压油缸作为动 力源，驱动相应的装置实现开合模和制品顶出等动作。 图2 - 4 为全电动注塑机合模装置的实物照片。全部的功能由三台电机完成： 模具开闭电机代替了传统的移模油缸，通过驱动滚珠丝杆转动，推动十字头 做直线运动，进而推动曲轴运动实现开合模的动作。同样，调模电机替代了传统 的调模油缸，而顶出电机则替代了顶出油缸，分别实现调模和项出的功能。 电动注整机台模机构实物照片1 电动注塑机合模机构实物照片2 图2 4 电动注塑机开合模机构实物图片 f i g2 - 4r e a lp i c t u r eo f t h ec l a m p i n gu n i to fa l le l e c t r i ci m m - 9 ：。；：兰里垄三查耋三耋壅圭耋堡丝塞。； 在目前大多数的全电动注塑机中，都采用了滚珠丝杆作为传动件。其结构如 图2 - 5 所示，这种丝杆的结构特点是：通过滚珠，增加了螺母与丝杆之间的接触 面积，从而提高了承受载荷的能力p 1 。 瘩茸兰轩( 循环蕾式】 1 一丝杆轴2 一珲母 】一循环蕾【翻车循坏用) 4 一饲珠 图2 5 滚珠丝杆机构框图 f i g 2 - 5s k e t c hp i c t u r eo fb a l ls c r e w 2 2 电动注塑机控制系统架构 2 2 1 硬件系统结构 以电机作为驱动装置的全电动注塑机的硬件结构如图2 - 6 所示1 0 1 。它由人机 界面、逻辑控制器、运动中心、伺服驱动、温度控制和传感器六个部分构成。 图2 - 6 电动注塑机控制系统硬件结构 f i g 2 - 6h a r d w a r ec o n s t r u c t i o no ft h ec o n t r o ls y s t e mo f a l l e l e c t r i ci n j e c t i o nm o l d i n gm a c h i n e !。；董三童全塞垫鎏望i l 墼筮塑皇丝墼坌堡 人机界面用通常由液晶显示模块和按键所构成，用于实现控制系统与操作者 之间的信息交互，其主要的工作包括：1 ，接收操作者设定的各种注射成型工艺参 数；2 ，将控制系统所收集到的注塑机在工作过程中的状态信息反馈给操作者；3 ， 在不同的工作模式下，将接收到的按键指令传递给注塑工艺逻辑控制单元以及运 动控制中心，使注塑机能按照操作者的命令进行工作。 注塑工艺逻辑控制单元主要是根据从人机界面获取的信息，按一定的时间顺 序向各个功能单元发出动作命令，使注塑机能按要求正确的完成注射成型的工艺 过程。 运动控制中心的主要功能是接收注塑工艺逻辑控制单元传输过来的动作命 令，将这些命令转化为各个伺服控制单元的控制指令、控制参数。并将各个伺服 控制单元反馈的信息传送到人机界面供操作者进行判断和修正。 各个伺服控制单元直接控制各个驱动马达，完成不同的成型动作。 温度控制单元是一个与运动控制单元并行的独立控制模块，主要控制机筒外 加热套的加热过程，来确保机筒内熔体的温度能稳定的保持在系统设定的温度下。 2 2 - 2 控制系统软件结构 图2 7 是电动注塑机控制系统软件的基本构成 10 1 。系统以通讯软件公用模块 为中心进行工作。按照一定的通讯协议，在层与层之间建立了良好的数据接口。 因此软件功能模块可以根据各个层的分工规定独立设计。 图2 7 电动注塑机控制系统硬件结构 f i g 2 - 7s o f t w a r ec o n s t r u c t i o no ft h ec o n t r o ls y s t e mo f 系统监控、显示层主要承担人机接口参数设置、状态监控、安全报警和人机 交互等工作，此模块用于接收系统所需的参数和注塑工艺过程要求，同时通过数 据通信来监控各个工作单元的工作状态。 ：，：一：。，一：! 。：堂查垄苫奎耋苫耋壅圭堂壑i 垒塞： !：，。， 注塑工艺流程控制层主要是接收来自系统需求的具体指示，完成注塑工艺的 选择和组合，对各种复合工艺进行解释和i o 输出控制。同时通过检测各个传感 器信号是否正常来维护系统和机器的安全运作。 伺服控制软件主要承担伺服系统的位置控制、速度控制和电流控制。伺服控 制软件和工艺流程控制软件关系密切，它们之间的协调使用，能达到自由度很高 的工艺程序控制1 1 。 2 _ 2 3 控制系统数字通信模块的结构 从上面对电动注塑机控制系统软硬件的分析可以看出，与传统液压型注塑机 相比，电动注塑机的控制系统的架构也发生了很大的变化。其中一个主要的变化 就是对全部或大多数动力单元而言，有了独立的驱动控制模块。这使得电动注塑 机中不同的运动机构可以在各自运动控制单元的控制下进行同步运动。这种变化 也使得控制系统由液压型注塑机中的集中式控制转变为分布式控制。 但是，各个运动控制模块并不是完全独立的，它们都与系统的主控制单元之 闻保持着紧密的联系：一方面不断扶主控单元获得新的控制参数，控带8 指标，对 伺服控制进行修正，另一方面，将在伺服控制过程中采集到的执行机构的运行参 数传送到主控制单元，通过入机交互接口供操作人员参考。因而在电动注塑机控 制系统中数据通信模块具有举足轻重的作用。 通过前面对全电动注塑机的控制系统的结构及组成的介绍，在分析其功能构 成的基础上，我们可以进一步将其结构划分为图2 8 所示的一主多从的结构：在 主控制模块中，主要完成系统监控、显示、人机交互以及工艺流程控制等功能： 从模块主要是各个执行电机的伺服控制单元以及一个温度巡检控制单元。从前面 的分析可以看出，采用基于r s 2 3 2 标准的两器件间的通讯模式已不能满足这种较 复杂的数据通信的要求，而必须采用多点之间的通讯方式。 主控制单元 图2 s 电动注塑机控制系统通信模块示意图 f i g 2 - 8c o m m u n i c a t i o nm o d u l eo f a l le l e c t r i ci m m 目前，已有多种总线或组网方式被应用于多机之间的通信中，如最初应用于 汽车中的控制局部网络c a n 、采用令牌方式的基金会现场总线f f 等。但是，从 对图2 8 的分析可以看出，对于主控制模块之外的各个独立的子模块之间均没有 数据的交互，因此，对于这种一主多从的结构除了应用上面所述的几种较复杂的 现场总线技术外，还有一种比较简便可行的方式可以实现，即采用4 8 5 总线。其 与r s 2 3 2 方式的性能比较如表2 1 所示【l ”。 标准r $ 2 3 2 cr $ 4 8 5 最大传输率c o i t s ) 1 9 ，2 0 01 0 m 最大传输距离( m ) 1 51 2 0 0 传输方式及介质单端电压接口差动电压双绞线 驱动器13 2 接收器13 2 工作原理全双工点对点半双工点对点 表2 1 两种通信模式的比较 t a b l e2 - 1c o m p a r i s o no ft w oc o m m u n i c a t i o nm o d e s r s 4 8 5 通信协议是工业界使用最为广泛的双向、平衡传输线标准。它支持多 点连接，允许创建多达3 2 个节点的网络，并且传输距离可以达到1 2 0 0 m 。r s 4 8 5 标准支持半双工通信，因而只需两根线就可同时进行数据的发送和接收。由于采 用了差动的传输方式，使得数据传输的精度得到提高，而且传输速率也比r s 2 3 2 标准有了大幅度的提高，可达1 0 mb i f f s 1 l 】。因此，在全电动作注塑机中，同样可 以采用r s 4 8 5 的总线方式来实现系统能够各个功能模块之间的数字通信。系统的 通信结构框图如下图所示： 图2 - 9 采用r s 4 8 5 总线方式的系统通信模块组成图 f i g 2 - 9c o n s t r u c t i o no fc o m m u n i c a t i o ns y s t e mi n4 8 5m o d e 1 3 - 2 2 4 电动注塑机电机伺服控制单元 电动注塑机的性能在很大程度上依赖于伺服控制系统的精密性和稳定性。电 动注塑机所希望获得的高速高精密的生产也对各个伺服控制单元提出了很高的要 求。由于不同的伺服控制单元所需完成的任务不同，因此其要求也不尽相同，但 大致可概括为以下四个方面。 ( 1 ) 精度高为保证注射制品的成型能满足精密注射的要求，并具有高的质 量和稳定性，必须保证射胶等动作的执行具有很高的精度，因此，在伺服控制中 的位置控制要求有高的定位精度；而在速度控制中，更要求伺服控制单元能提供 高的调速精度。 ( 2 ) 响应速度快在注射成型过程中，为了成型具有复杂结构的制品，常常 需要进行多级注射，为了保证执行机构能严格按照设定的要求进行成型参数的切 换，要求系统除了有高的定位精度外，还应具有良好的快速响应特性，即要求跟 踪指令信号的响应要快，跟踪误差要小。 ( 3 ) 调速范围宽无论是对于注射单元还是锁模单元，在工作过程中，执行 机构都需要在较大的速度范围内进行工作，例如为了保护模具的安全，锁模机构 在驱动动模板进行合模的过程中，需要从移模阶段的高速切换到即将闭紧模具时 的低速，因此，驱动锁模机构运行的伺服单元必须能提供最高转速与最低转速比 比较大的调速范围。 ( 4 ) 输出转矩大由于在注射成型的工艺过程中，常常需要为执行机构如提 供大的输出力矩。例如，螺杆的注射和保压，以及模具的闭合，因此，要求伺服 系统有大的转矩输出。 交流伺服单元有模拟式和数字式之分。早期的伺服单元全是模拟式，这种完 全由硬件电路实现的伺服控制难于实现复杂的控制方法，并且存在器件多，体积 大，不易调试，有零点漂移等问题。 随着电子技术的发展，出现了数字式伺服控制。这种控制以先进的微控制器 或专用的数字信号处理器为核心。其优点是可通过软件编程，易于实现复杂的算 法，而且柔性好，不同控制算法的更换只需对软件进行修改即可实现，而无需硬 件上的改动；此外，硬件电路一般比较简单，可以设计得相当紧凑。由于参数的 设定和调节不必通过调节电位器等模拟器件来进行，因此具有重复性好，易于批 量生产等特点。目前，在全电动注塑机的电机控制中基本都采用了数字式的伺服 控制技术。 3 2 3 电液两型注塑机性能比较 全电动注塑机与传统液压注塑机在整体性能上的比较而言，其特点体现在以 下几个方面： ! ! 一。：。一：叁三茎，盒皇垫鎏垄童i 墼鱼选丝丝坌堑 。， 2 3 1 节能特性 全电动注塑机与液压型注塑机相比，最大的特点就是它优异的节能特性。对 于液压式注塑机，在整个成型过程中液压油泵始终处于连续的运转状态，即使在 无锁模力和注射压力的无负荷状态下，驱动油泵的电机也要消耗其额定功率约 1 3 左右的电能。这种耗电的情况在电动注塑机中有了极大的改善，由于在电动 注塑机中，各个机构只有在工艺要求其动作时，驱动该机构的电机才运转，在无 动作要求时，所有的电能只用于熔料的加热，因而所消耗的电能远少于液压式。 图2 一1 0 是三菱公司电液两型注塑机能耗比较的实验数据 1 2 】。实验将两台工作 能力相当的注塑机在相同的条件下进行生产，并比较其能耗情况，可以看出，全 电动注塑机比液压型在耗电耗能等方面均有极大的降低，生产效益也得到极大的 提高。 基：萎竖( j o o 吨) ，。，】。千已时，单斑点坚 士童压坚0 0 0 t ) 0 23 6 千瓦甘，单挺蓝生 图2 一1 0 电液两型注塑机能耗比较示意图 f i g2 - 10c o m p a r i s o no fe n e r g yc o n s u m eb e t w e e nh y d r a u l i ca n de l e c t r i ci m m 2 3 2 安静与环保 由于全电动注塑机用电机取代了液压油缸，因此，液压油高速流动所产生的 冲击噪声被消除了，这使得全电动注塑机在工作时能保持良好的环境的安静性。 m i l a c r o n 公司的实验表明，全电动注塑机正常的工作噪声通常小于7 0 分贝，约 为液压型注塑机的2 3 ，完全达到了安静操作的标准【1 3 】。 此外，由于全电动式注塑机不用液压油，没有油冷却器及所需的冷却水循环 装置，所以不需要安装购置这些设各及对这些设备所需进行的维护保养，此外， 操作场地也不会因漏油漏水等问题造成环境的污染。 2 3 3 生产的稳定性 由于全电动注塑机采用全电子控制，因此，不像液压型注塑机那样会受到液 压油特性变化带来的影响。此外，由于电机的控制精度远远高于比例压力阀，比 例流量阀等液压元器件，而且在控制策略上可以选用多种参数进行闭环控制，因 此，在一定的成型条件下所获得的制品的质量非常稳定，制品性能质量参数的统 计偏差远小于液压型注塑机所生产的制品。 由图2 1 1 中统计样本曲线可以看出，全电动注塑机制品质量的稳定性大大优 于传统液压型注塑机所生产的制品【1 2 。 通过闭环控制实现稳定且可重复挂扭好的制品生产 成型参数 - 5 0 0 m e 电动型 树膪原料：p c 罔崩时旧j 6 秽 m o d e l 电稀坚 楮晓 建压型 插0 a 日 平均质量i 质量塌盖r r 虚 1 2 唱 亘住哈 i 住埘 20 2 住 r j s 锥阿社o j 口 “1 v ”“”。叭v 一 051 01 s2 d萏，o篇坫 图2 1 l 电液两型注塑机制品性能稳定性比较示意图 f i g2 - 1 1c o m p a r i s o no fp r o d u c t sp e r f o r m a n c eb e t w e e n h y d r a u l i c a n de l e c t r i ci m m 2 3 4 良好的控制特性 全电动注塑机在生产中所获得的优异性能得益于其良好的控制特性。这一特 性集中体现在以下两个方面： 1 优异的速度控制特性：对于成型不同形状的制品或采用不同的原料进行生 产，对注射速度的要求常不尽相同。例如，对于薄壁制品的成型，要求注射速度 非常高，以避免发生变形；而对如光学透镜等的壁厚较大的制品，则要求以极低 的速度进行注射，而且能进行微量控制。因此通常希望同一台注塑机注射速度的 可控制范围从低速到高速尽可能宽。 液压式的注塑机中，通过采用蓄能器的技术可以获得较高的注射速度，但是 对于低注射速度区域，由于液压阀和蓄能器动作特性的缘故，受到了一定的限制， 不可能获得很低的注射速度。对于伺服电动机来说，其速度的可控范围非常大， 。，：，。，。! ，垄三薹全避望l i 墼塑丝墼坌堡： 。 通常从极低到极高的范围都可以进行控制，例如，法那克公司的a u t o s h o t 型 伺服电机，其速度可调范围为o 3 2 8 5 m m s ，高低相差近1 0 0 0 倍。 2 良好的设定条件的响应性：般来说，将注塑机的注射压力和注射速度的上 升时间控制在一个很短的时间内是非常重要的：尤其在成型小型制品或短注射行 程的场合，若响应特性差，在达到设定速度之前注射动作就己停止，则速度控制 就不能完成本身的功能要求。而且，如果加速和减速时的响应特性都不理想的话， 则会产生注射程序控制指令与实际动作不相一致的问题。因此，在高低速的整个 速度范围，具有高响应特性十分关键。同时，从高速向低速尽可能的平滑转换， 且能在短时间内完成也是非常关键的。这对于在注射动作结束向保压切换时，完 成平稳的v - p 切换控制，防止过分填充和进行稳定的保压都是十分重要的。 由于电动注塑机采用数字式的伺服控制技术，从而使得注射压力的上升速度 比液压式快数倍之多。注射速度的控制精度和响应特性也优于液压型注塑机。图 2 一1 2 是应用于液压型注塑机中，且具有较好性能的液压伺服系统与电动注塑机电 气控制伺服系统的对比p j 。从图中可以看出，电气伺服系统中的伺服电动机相当 于液压传动装置中的动力源油泵，同时又直接起着液压伺服阀和执行元件( 油缸) 的作用，所以其响应速度快，精度也高。 a 液压伺服系统 b 电气伺服系统 图2 1 2 液压与电气伺服控制比较 f i g2 - 1 2c o m p a r i s o no f h y d r a u l i ca n d e l e c t r i cs e r v oc o n t r o l 2 4 电动注塑机中的新型控制技术 在上一节中，通过与传统的液压型注塑机的比较，得出了全电动注塑机在整 体性能上所具有的优势与特点。实际上，一台注塑机性能的优劣不仅可以表现在 整体的性能上，而且在各个工作单元的性能中也一样得到了体现。两者之间是相 些查墨王丕堂三堂亟主堂焦监塞 辅相成，互为联系的。全电动注塑机中采用了先进的电机控制技术不仅获得了整 体性能的极大改观，在各个功能单元里的控制性能也得到了极大的提高，出现在 全电动注塑机中的新型控制技术就是一个明显的体现。在本节中，将对几种先进 的新型控制技术进行简要的介绍。这些技术包括： 2 4 1 顶出过程的智能控制 在塑料制品的成型过程中，经过注射、保压、冷却之后，就需要进行开模和 制品的顶出。在冷却过程中，随着聚合物温度的降低，模腔内的压力也随之降低。 通常对于脱模时的剩余压力有一个最低的要求，如果不低于这个压