（系统工程专业论文）注塑机液压伺服系统设计与实现.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 随着注塑技术的发展 注塑产品应用领域不断扩大 对注塑机注射系统的 控制质量提出了更高的要求 成本控制在注塑机制造业中发挥着重要的作用 所以最大化地压缩成本是注塑机行业最突出的特点之一 在保持现有硬件成本 不变的同时 最大限度地提高控制精度变得极为重要了 本文以贝加莱公司的注塑机控制系统项目为背景展开课题研究 首先介绍 了注塑机中开合模 锁模 注射和保压等概念 分析了注塑机的组成结构及工 作原理 通过介绍注塑机的工艺流程分析控制系统应达到的目标和要求 然后 通过流体力学和经典控制理论建立了伺服阀和阀控液压缸的数学模型 在此模 型的基础上 分析了注塑过程中螺杆注射速度闭环控制和速度分段控制方案 此外 还分析了注射速度和系统压力的变化 两者之间的相互影响 以及压力 切换时间对系统压力的影响 最后给出详细的控制系统方案和控制算法 并进 行了实验检验 常规的p i d 控制器在工业控制中有较好的效果 但是对注塑机液压伺服系 统中要求精度高 响应快的控制 效果并不理想 本文结合p i d 控制器简单方 便的优点 引入前馈加p i d 控制来提高注射系统的控制精度和速度 前馈控制 由于具有快速简单的特点 可以弥补p i d 在控制速度中的不足 在注塑机的前 馈控制中使用了预测算法来提高控制器的反应速度 不使用位置反馈给出速度 切换的信号 根据当前速度以及设定速度估计出切换的时间点 使用控制器自 身的计时器来给出切换信号 提高响应速度 同时为了使用好p i d 控制 根据 每次切换的具体情况决定加入p i d 控制的时机 本文设计的带有自动切换功能 的前馈加p i d 控制器 不但弥补了传统p i d 控制器的调整速度不能太快的不足 也消除了p i d 控制器中的静差 使用m a t l a b 软件进行仿真实验 比较控制算法 的效果 并进行改进 最后在使用贝加莱控制面板和i o 设备搭建的注塑机控制 系统上调试 得到了满意的控制效果 关键词 液压伺服系统 注塑机 前馈控制 预测算法 p i d 控制 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n j e c t i o nm o l d i n gt e c h n o l o g y t h ea p p l i c a t i o no f p l a s t i cp r o d u c ti se x p a n d i n g t h ec o n t r o ls y s t e mo fi n j e c t i o nm o l d i n gs y s t e mn e e d s t om e e tt h eh i g h e rd e m a n d c o s tc o n t r o lp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei ni n j e c t i o nm o l d i n g m a c h i n em a n u f a c t u r i n gi n d u s t r y s om a k i n gt h ec o s ta sl i a l ea sp o s s i b l ei so n eo ft h e b i g g e s tf e a t u r e s i m p r o v i n gt h ec o n t r o lp r e c i s i o nb e c o m e se x t r e m e l yi m p o r t a n tw h i l e m a i n t a i nt h es a m eh a r d w a r es y s t e m t h i sp a p e ri so nt h eb a s eo fi n j e c t i o nm o l d i n gm a c h i n eo fb r c o m p a n y f i r s t l y i n t r o d u c et h ec o n c e p t so fm o l do p e n i n ga n dc l o s i n g m o l dl o c k i n g i n j e c t i o n a n d h o l d i n gp r e s s u r e a n a l y z et h ec o m p o s i t i o no ft h ei n j e c t i o nm o l d i n gm a c h i n ea n d w o r k i n gp r i n c i p l e t h r o u g hi n t r o d u c i n gt h ep r o c e s so fi n j e c t i o nm o l d i n gm a c h i n e a n a l y z et h eo b j e c t i v e sa n dr e q u i r e m e n t sw h i c ht h ec o n t r o ls y s t e ms h o u l dm e e t t h e n b u i l dt h es e r v ov a l v em o d e la n dt h ev a l v ec o n t r o l l e dh y d r a u l i cc y l i n d e rm o d e lb a s e d o nt h eh y d r o d y n a m i c sa n dt h ec l a s s i c a lc o n t r o lt h e o r y w i t ht h em o d e l s t h es p e e d c l o s e l o o pc o n t r o la n dt h em e t h o do ft h es p e e ds e c t i o n a lc o n t r o li ni n j e c t i n ga n d k e e p i n gp r e s s u r ea r ea n a l y z e d b e s i d e s t h ev a r i a t i o n so ft h ei n j e c t i o ns p e e da n dt h e s y s t e mp r e s s u r e t h em u t u a li n f l u e n c eb e t w e e nt h et w ov a r i a b l e sa n dt h em e t h o do f t h ep r e s s u r es w i t c h i n ga r ea l s oa n a l y z e d f i n a l l y t h ed e t a i l e ds c h e m eo fc o n t r o l s y s t e ma n dc o n t r o la l g o r i t h mi sg i v e n a n dt h es c h e m ei st e s t e db ye x p e r i m e n t s c o n v e n t i o n a lp i dc o n t r o l l e ri ni n d u s t r i a lc o n t r o lh a sg o o de f f e c t b u tt h e i n j e c t i o nm o l d i n gm a c h i n eh y d r a u l i cs e r v os y s t e mr e q u i r e sh i g hp r e c i s i o n f a s t r e s p o n s eo ft h ec o n t r 0 1 p i dc o n t r o l l e rc a n ts a t i s f yt h er e q u i r e m e n t i nt h i sp a p e r f e e d f o r w a r dc o n t r o li sa d d e dt op i dc o n t r o l l e rt oi m p r o v et h es p e e da n dp r e c i s i o no f c o n t r 0 1 t h ea d v a n t a g eo fp i di su s e de n o u g h b e c a u s eo ft h ef a s ta n ds i m p l e c h a r a c t e r so ff e e d f o r w a r d f e e d f o r w a r dc o n t r o lc a nc o m p e n s a t et h ed i s a d v a n t a g eo f p i dc o n t r 0 1 i nt h ef e e d f o r w a r dc o n t r o lo fi n j e c t i o nm o l d i n gm a c h i n e p r e d i c t i o n a l g o r i t h mi su s e dt oi m p r o v et h er e a c t i o ns p e e do fc o n t r o l l e r t h es i g n a lo fs w i t c h i n g s p e e di sn o tg i v e nb yp o s i t i o nf e e d b a c k e s t i m a t et h et i m es w i t c h i n gp o i n ta c c o r d i n g t ot h ec u r r e n ts p e e da n ds e ts p e e d t h es w i t c h i n gs i g n a li sg i v e nb yc o n t r o l l e ro w n 山东大学硕士学位论文 t i m e rt oi m p r o v et h es p e e do fr e s p o n s e a tt h es a m et i m e d e c i d ew h e nt h ep i d c o n t r o li si no p e r a t i o na c c o r d i n gt ot h er e s u l t so fc o n t r 0 1 t h e np i dc o n t r o lc a nb e m a d eg o o du s eo f i nt h i sp a p e r t h ed e s i g no fa u t o m a t i cs w i t c h i n gf u n c t i o nn o to n l y m a k e su pt h es p e e dd i s a d v a n t a g e m e n to ft h et r a d i t i o n a lp i dc o n t r o l l e r b u ta l s o e l i m i n a t e st h es t a t i ce r r o ro fp i dc o n t r o l l e r u s em a t l a bs o f t w a r et oc o m p a r et h e e f f e c t i v e n e s so fd i f f e r e n tc o n t r o la l g o r i t h m sa n dm a k eb e r e rt h ea l g o r i t h m f i n a l l y u s eb rc o n t r o lp a n e la n d1 0d e v i c e st ob u i l do nt h ei n j e c t i o nm o l d i n gm a c h i n e c o n t r o ls y s t e ma n dt e s tt h ea l g o r i t h m s t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ep r o p o s e ds c h e m ei s e f f e c t i v e k e yw o r d s h y d r a u l i cs e r v os y s t e m i n j e c t i o nm o l d i n gm a c h i n e f e e d f o r w a r d c o n t r o l p r e d i c t i o na l g o r i t h m p i dc o n t r o l 1 1 1 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 独立进行研究所取得的成果 除文中已经注明引用的内容外 本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果 对本 文的研究作出重要贡献的个人和集体 均已在文中以明确方式标明 本声明的法律责任由本人承担 论文作者签名 鱼翌连 日期 翌z 堕 竺 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留 使用学位论文的规定 同意 学校保留或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 本人授权山东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 缩印或其他 复制手段保存论文和汇编本学位论文 保密论文在解密后应遵守此规定 论文作者签名 差 早沥导师签名 日期 山东大学硕士学位论文 1 1 课题背景与意义 第一章绪论 注塑机制造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 机型之一 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 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 l j 近年来 随着注塑机在行业中的比重不断加大 其出口量已超过造纸机 成为我国轻工系统最大宗的出口设备 但随着能源危机的出现 劳动力缺乏 加之对制品的质量要求越来越高 注塑机的节能高效 自动化程度高的性能己 为用户所追求 同时 对于大中规模注塑工厂 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已成为必然的趋势 z j 精密注塑是指塑件的尺寸精度达到0 1 0 0 0 1 m m 的注塑 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 l t 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 这些都必 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 山东大学硕士学位论文 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 原轻工总会将精密注 塑机研制列入其项目指南 本课题就是在这样的背景下提出的 通过对已有技术的吸收 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 1 2 注塑机的研究现状与发展 从注塑机问世起 锁模力在1 0 0 0 5 0 0 0 k n 注射量在5 0 2 0 0 0 9 的中小型注 射机占绝大多数 到了7 0 年代后期 由于工程塑料的发展 特别是在汽车 船 舶 宇航 机械以及大型家用电器方面的广泛应用 使大型注射机得到了迅速 发展 美国最为明显 在1 9 8 0 年美国约有1 4 0 台1 0 0 0 0 k n 以上锁模力的大型 注塑机投入市场 到1 9 8 5 年增至5 0 0 多台 日本名机公司已经成功地制造了当 今世界上最大的注塑机 其锁模力达到1 2 0 0 0 0 k n 注射量达到9 2 0 0 0 9 8 0 年代以来 c a d c a e c a p p c a m 计算机应用技术在塑机制造业的广泛 采用 促进了我国注塑机研发和制造水平的高速发展 以宁波海天公司为代表 的一批国家级高新技术企业都相继引进美国u g s 公司和p t c 公司的计算机辅 助设计和分析等软件 实现了三位立体参数化建模 机构运动仿真 对关键零 件分析 对高应力区的应力分布 应力峰值 危险区域等进行准确的分析计算 帮助设计人员迅速地了解 评估和修改设计方案 保证重要零件结构合理性和 可靠性达到完美结合 国际上注塑机的移模速度 已从过去的2 0 3 0 m m i n 提高到4 0 5 0 m r a i n 最高的达到7 0 m m i n 国内领先公司的中小型机已经跨进4 0 5 0 m m i n 水平 大 型机处在3 0 3 5 m m i n 水平 注射速度从过去的1 0 0 m m s 提高到现在的2 5 0 m m s 有的达到4 5 0 m m s 日本制钢所研制的电动型注塑机达到9 0 0 m m s 国内先进 的注塑机一般都超过1 3 0 m m s 用蓄能器加速达到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 日本的s n l 2 0 p 机已达到4 6 0 m p a 它生产的制品收缩率几乎为零 制品公差可保证在o 0 2 0 0 3 m m 壁厚可保证 2 山东大学硕士学位论文 o 1 0 2 m m 节能方面从过去的流量比例和压力比例控制发展到变量控制或定量 控制 变频调速控制 伺服控制技术的注塑机 能耗仅为传统机器的3 0 国 内采用变频伺服技术的注塑机 能耗仅为传统的5 0 注塑机的高效率主要体 现在工作节拍快 制品周期短 普遍比过去提高2 4 以上 高效注塑机的开模 与预塑一般都是同步完成 开模中同时完成抽芯和项出 日本最快的注塑机工 作周期只有1 秒钟 注塑机的控制技术历经了继电器 接触器控制及可编程序 控制器控制和专用计算机控制的发展过程 自6 0 年代末美国费洛斯公司首先应 用计算机控制技术 经过8 0 年代以来的高速发展 已经不是简单的动作控制 而是包括熔体温度 注射压力 注射速度 保压时间 冷却过程及液压回路的 各种参数的综合控制 过去大多数采用开环控制 目前正在向闭环控制方向发 展 德国克劳斯马菲公司的p m 控制系统 通过合模力 模腔压力和充模过程 的控制 使制品质量的误差精确到0 1 5 国内领先的控制技术与当今的国际 先进水平的差距还比较大 我们自主研制的专用电脑在可靠性和稳定性 抗干 扰能力及反馈响应灵敏度 分辨率精度等方面与西门子 巴巴康门等有一定距 离 另外硬件的运动精度 综合误差都需要进一步提高1 3 j 目前注塑机发展的另一个重要方面 是各种专用注塑机 如排气式注塑机 发泡注塑机 多色注塑机等等 以加拿大h u s k y 公司为代表的瓶胚机 包装 机 集中体现了高新技术含量的特征 该公司推出的低压注塑成型技术 在锁 模力只有传统三分一时 仍可高质量的保证制品成型 使机器的体积和重量都 大幅度降低 在节能和制品成本控制方面都具有重大意义 我们国内领先公司 也积极研制了h t c 系统的热固性材料注塑机 h t p 包装专用注塑机 t h e 瓶 胚专用注塑机 h t s 双色成型注塑机 1 3 注塑机电气控制的研究现状与发展 注塑机电气控制技术经历了以下五个相互重叠的发展阶段 1 初级阶段的注塑机采用手动控制方式 2 从1 9 3 5 年至u 1 9 7 0 年 采用机械和继电器控制方式 其中 节流阀 压力阀由 手动调节 通过机械限位开关 机械开关定时器进行切换控制 对温度作简单的 调节控制 山东大学硕士学位论文 3 从1 9 6 5 年到1 9 8 0 年 注塑机控制采用电子控制器 数字设定 电子定时器 接近开关 以及行程测量系统 并由比例 积分 微分 p i d 调节器控制温度 4 从1 9 7 8 年到1 9 8 9 年 微机普及应用 数显技术更为完善 微机开环控制方式 已经普及 闭环控制技术逐渐得以采用和日趋完善 控制系统多采用多处理结构 能够实施程序控制 过程控制和温度控制掣4 1 现代控制理论广泛用于预塑计量 控制 成型过程控制 温度控制 接触式行程开关完全被感应开关和各种模拟 数字位移测量系统代替 5 到了2 0 世纪9 0 年代 注塑机控制进入了第五阶段 配有通讯接口和总线功能 便于与主机进行联机控制 并对注塑a n r 过程进行质量管理与综合控制 1 4 本章小结 本课题是在上海贝加莱工业自动化有限公司注塑机项目基础上 研究液压 伺服系统 建立伺服阀和阀控液压缸数学模型 并针对注塑机的结构和特点 对速度和压力控制系统的控制算法进行改进 单一的常规p i d 控制器的控制效 果无法满足高速精密注塑机的控制要求 设计前馈控制加p i d 控制的综合控制 器 引入前馈控制来实现提高系统反应速度的目的 减小振荡误差实现精确高 速控制 本课题研究的主要内容包括 1 了解注塑机的组成和工作原理 重点是注塑成型 液力传动 液压伺服系统 的原理和特点 针对注塑机中的液压伺服系统 分析注射过程的速度闭环控制 推导注射速度和注射压力与流量 输入电流的关系 建立数学模型 分析注射过 程中随着熔料的不断填充 注射速度的变化与受力面积扩大导致的压力变化 并 进一步分析注射速度与压力之间的影响 2 针对注塑机液压系统的复杂 时滞等特点和对注射速度精度的要求 引入前 馈控制来提高p i d 控制的反应速度和控制精度 通过m m l a b 编写算法仿真程序 验证其控制性能 3 通过贝加莱运动控制系统 以可编程计算机控制器 p c c 为核心构成注塑 机控制系统 将前馈控制算法用于注塑过程中的速度和压力控制 解决系统时滞 以及速度 压力切换对控制性能的影响问题 调试程序并分析实验结果 验证实 4 山东大学硕士学位论文 际控制效果和控制精度 本文共分为七章 第一章介绍了课题研究背景 注塑机注射控制系统研究现 状和存在的问题 第二章分析了注塑机的注塑原理和工艺流程 第三章分析了注 射系统的原理并建立电液伺服系统的伺服阀和阀控液压缸的数学模型 并分析了 系统特点 第四章首先介绍了p i d 控制器 然后针对其不足引入了改进型p i d 并根据p i d 自身调节的不足加入前馈控制 最后通过仿真分析控制器的控制效果 第五章介绍了现代运动控制并重点介绍了贝加莱运动控制系统的硬件和软件 并 针对本课题介绍了液压函数库中一些用于液压伺服控制的标准函数 第六章结合 贝加莱注塑机项目 推导了注塑机注射速度和注射压力的模型 并分析了速度和 压力的切换控制 并将前馈力i p i d 控制算法用于实际现场控制中 结果证明了其 控制精度满足要求 第七章对全文进行总结 并指出今后还需要进一步研究的方 向 山东大学硕士学位论文 第二章注塑机的原理及工艺流程 2 1 注塑机系统的组成和工作原理 注塑机根据注射成型工艺要求是一个机电一体化很强的机种 主要由注射部 件 合模部件 机身 液压系统 加热系统 控制系统 加料装置等组成 如图 2 1 所示 图2 1 注塑机组成方框图 现代注塑机一般由注射装置 锁模装置 液压传动和电气控制系统等部分组 山东大学硕士学位论文 成i 引 1 注射装置包括料筒 加热圈 注射油缸 射台移动油缸 预塑马达及螺杆 等 其主要功能是使塑料均匀地塑化 并以足够的压力和速度将一定剂量的熔料 注射到锁紧的模腔内 要求注射装置塑化性能好 计量精确 并能够提供准确的 注射压力和注射速度 2 锁模装置主要由动模板 定模板 拉杆 锁模机构 包括合模油缸 制 品顶出装置和安全门等组成 是成型注塑制品的工作部件 由于高速注入模腔中 的熔料具有一定的压力 只有在锁模装置给予了模具足够的锁模力情况下 才能 防止因熔料的压力作用致使模具被打开 造成制品出现飞边 精度下降等缺陷 因此 要求锁模装置必须能够保证模具可靠地闭合 并实现模具启闭和制品顶出 在 守0 3 液压传动和电气控制系统液压传动和电气控制系统相互协调 完成主机预 定动作 其中 液压传动系统包括油泵 控制阀 比例 伺服阀 常规方向 压 力和流量阀 和附属装置 管路 冷却器 过滤器 蓄能器 油箱箱体 等 电 气控制系统包括电源 微机控制器 加热及检测元件 执行机构等 2 2 注塑机电液比例控制的特点 在注塑生产中引入微机 控制理论及电液比例 伺服技术 已成为各注塑机 制造厂商追求的目标 事实证明 这也是提高产品质量 满足各行业对注塑制品 日益增长的质量要求最为有效的技术措施和途径 同时 其可观的节能效果 生 产效率的显著提高和优良的控制 操作性能等 使得主机的技术附加值得以提高 增强了其市场竞争力 电液比例控制及单元在注塑机上得到成功应用 并越来越趋于广泛与普及 具有便于调节和维护 缩小安装体积 简化控制回路 延长寿命 满足加工制品 特殊要求 实现成型过程多级速度与压力控制的特点 以及在节能 节省物料 缩短成型周期 提高生产效率 降低废品率 提高制品质量等方面获得显著成效 并已成为提高注塑机档次 技术附加值及获得高质量制品的有效途径 5 儿6 1 2 3 注塑机注塑成型工艺流程 8 山东大学硕士学位论文 2 3 1 注塑机作业循环流程 注塑机集机 电 液于一体 完成驱动 控制等动作 成型过程以顺序驱动为 主 完成基本动作 要求控制系统具有足够的驱动能力 准确 可靠的逻辑控制 功能 执行元件 液压阀 等动作可靠 响应速度快 并能够进行准确控制 过 程参数控制是提高制品质量和成型效率 降低废品率的重要手段 关键在于预塑 计量控制 注射填充过程控制两个过程 前者决定制品的重量精度 后者包括注 射及保压两部分 分别对于成型工艺周期 制品表面质量缺陷 内应力 分子排 列及尺寸精度和成型效率等产生作用 注塑成型是利用塑料的热物理性质 把物料从料斗加入料筒中 料筒外由加 热圈加热 使物料熔融 在料筒内装有在外动力马达作用下驱动旋转的螺杆 物 料在螺杆的作用下 沿着螺槽向前输送并压实 物料在外加热和螺杆剪切的双重 作用下逐渐地塑化 熔融和均化 当螺杆旋转时 物料在螺槽摩擦力及剪切力的 作用下 把已熔融的物料推到螺杆的头部 与此同时 螺杆在物料的反作用下后 退 使螺杆头部形成储料空间 完成塑化过程 然后 螺杆在注射油缸的活塞推 力的作用下 以高速 高压 将储料室内的熔融料通过喷嘴注射到模具的型腔中 型腔中的熔料经过保压 冷却 固化定型后 模具在合模机构的作用下 开启模 具 并通过顶出装置把定型好的制品从模具顶出落下 注塑机作业循环流程如图2 2 所示 图2 2 注塑机作业循环流程图 1 充模与压实阶段在该阶段 压力随熔料流入路径而增高 并达到最大值 9 山东大学硕士学位论文 同时 注射速度迅速下降 压实模腔内的熔料 由于熔料在模腔内的流动状态会 直接影响制品的表面质量 分子取向 制品内应力等 因此 为了调节充模过程 根据塑料制品和模具结构特点 可以采用多级注射速度 即在熔料流经浇口和充 模结束时速度较低 其他过程则采用高速注射 而根据注塑材料的不同 模具的 不同和工艺的不同 在不同的注射阶段需要不同的注射速度 2 保压增密阶段在该阶段 模具冷却 熔料的体积变化 引起制品收缩 需 要对螺杆施加一定的保压压力 以补缩和增密熔料 保压时间及压力大小与制品 的应力有关 压力越高 制品收缩小 但压力过大 容易产生较大的残余应力 导致脱模困难 3 倒流阶段在该阶段 模腔压力高于浇口至螺杆处熔料的压力 模腔内的塑 料尚未完全固化 内层塑料还具有一定的流动性 有可能向浇口作微量的倒流 引起制品产生缩孔 中空等缺陷 采用多级保压压力 按时间进行切换 能够消 除残余应力 4 制品冷却阶段在该阶段 模腔内塑料继续冷却 使制品在脱模时具有足够 的刚度 冷却时间长短与制品的残余应力大小有关 2 3 2 注塑机主要技术指标 注塑机的技术指标包括螺杆直径 螺杆长径比 螺杆行程 螺杆转速 最大 注射量 注射压力 塑化能力等 主要的技术指标有 1 注射量说明在对空注射条件下 注射螺杆在做一次最大行程时 注射装置 能够达到的最大注出量 反映了注塑机能够生产塑料制品的最大重量 故常用作 表征注塑机规格的主要参数 2 注射压力就是由注射油缸经螺杆对塑料施加的压力 用来克服熔料流经喷 嘴 流道和模腔等处的流动阻力 该参数非常重要 对制品尺寸与质量精度 以 及制品的应力都有影响 可以根据加工塑料性能 成型制品几何形状及精度要求 塑化方式 模具和模具温度等加以选择 3 注射速度通过喷嘴后的熔料势必要冷却 为了获得密度均匀和高精度的制 品 要求能够在短时间内把熔料充满模腔 因此 需要利用一定的注射速度进行 快速充模 通常 低速注射熔料 充模时间长 制品容易出现冷接缝 密度不均 匀和残余应力大等缺陷 高速注射虽然可以减少模腔内的熔料温差 改善压力传 1 0 山东大学硕士学位论文 递效果 得到密度均匀 应力小的精密制品 并缩短成型周期 但是 过高的注 射速度使得熔料流经浇口等处时 容易形成不规则的流动 吸入气体和排气等 直接影响制品的表面质量 2 4 注塑机注塑成型过程的控制要求 塑化好的熔料受到螺杆的推动作用 经料筒喷嘴和流道 浇口高速注入锁紧 的模具 熔料在模腔内的充模过程 可以描述为非牛顿流体在模温低于聚合物凝 固点的模腔中的非稳态流动行为 因此 为了避免熔料在模腔中过早凝固 必须 通过控制充模速度 确保熔料在模腔中的流动速率为常数 通常 速度控制是通 过控制螺杆移动速度 并基于时间或位移进行多级注射速度切换控制来实现的 在熔料充满模腔后 即刻进行压实和补缩 进行注射转保压过程切换控制 并以 压力控制为主 准确控制注射速度转压力控制切换点是确保注塑制品质量和精度 的技术关键 7 1 通常 可以采用定时注射时间 或检测注射螺杆位置 注射压力 及模具变形等间接方法 或直接检测模腔压力进行切换控制 保压阶段对于制品 内应力 分子排列及尺寸影响很大 一般采用多级保压压力控制方式 以补偿材 料的收缩 避免材料外溢 引 总结注塑机的控制要求主要有以下几点 1 注射成型过程及其控制效果是影响注塑制品质量的关键 2 基于液压系统压力 喷嘴压力控制注射过程 基于模腔浇口压力控制注射 填充 注射转保压及保压过程 能够获得较常规基于行程 时间及模具变形实施 控制更为理想得效果 3 注射成型过程分为若干阶段 可获得相应的数学模型 为实施过程控制提供 了理论依据 4 注塑成型过程控制基于以下策略 即 注射阶段最初基于喷嘴压力进行闭环 控制 待模腔浇口压力达到设定值时 即刻转为基于模腔浇口压力实施闭环控制 直到模腔浇口压力达到另一设定值 且压力梯度迅速增大 就转为填充阶段 并 基于模腔浇口峰值压力作为注射转保压控制切换点 随后进入保压控制阶段 基 于模腔浇口压力进行多级保压控制 5 模腔压力响应为一动态过程 调节注射成型工艺参数 三级注射压力 保压 山东大学硕士学位论文 压力及注射转保压切换时间 可控制模腔峰值压力大小 避免出现过充或填料不 足等缺陷 6 注射压力增加 模腔内壁模压最大值也相应增大 同时 模内残余压力也相 应增加 过大的注射压力是引起制品出现开裂或翘曲 飞边等缺陷的根源 同时 引起制品脱模较困难 适当提高料温 可增强熔料流动特性 降低残余压力 以 及注射压力 2 5 本章小结 本章介绍了注塑机的组成原理 其中重点分析了电液混合系统的特点和工作 原理 同时介绍了注塑机注塑成型的工艺流程 分析了每个动作阶段的特点 尤 其重点分析了注射和保压阶段的螺杆动作特点和规律 总结出了注塑作业工艺对 控制系统的要求 为下文设计控制系统设定了目标和参数要求 1 2 山东大学硕士学位论文 第三章液压伺服系统的研究 3 1注塑机液压系统的组成和工作原理 3 1 1 注塑机液压系统的组成 注塑机是机 电 液一体化 集成化和自动化程度都很高 无论是机械液压 式还是全液压式 液压部分都占有相当的比值 对注塑机的技术性能 节能 环 保以及成本占有重要部分 注塑机液压系统由主回路 执行回路及辅助回路系统组成 如图3 1 所示 蛰露 系统 主回 鬟系 图3 l 油路系统组成图 1 2 3 4 5 蝴别为合模油缸 滑模油缸 顶出油缸 注射座油缸 注射油缸 液压马达 7 8 9 1 0 l1 1 2 一分别为油缸的控制模块 c u 指令模块 c m 1 3 一系统压力 p 流量 q 的控制和指令模块 1 4 一泵 1 5 一电机 m 1 6 一进油过滤器 l 卜油冷却器 1 8 一油箱 卜进油管路 高压 卜回油管路 低压 油路总管线 p t p 的上部分是执行回路系统 下部分是主回路系统及 辅助回路系统 执行回路系统 主要由各执行机构 油缸 和指令及控制装置 电磁阀 组 成 其功能是将进入管路p 的高压油按程序放到油缸的左腔或右腔中去 推动活 塞杆执行动作 高压油进入的时间 顺序和位置是通过电磁换向阀来实现的 工 山东大学硕士学位论文 作指令通过电信号发给电磁阀的电磁铁 控制其阀芯动作 将控制油路 p 的 高压油 进入换向阀推动阀芯动作 将高压油接通到油缸中去 而各油缸中的回 油经回油管路t 及辅助油路系统放回油箱 主回路系统 由动力源和控制模块组成 动力源系统 电机 油泵 产生油 压 p 和流量 q 与指令 c u 及控制 c m 模块 压力阀 流量阀等 组成回路 从泵来的高压油 进入主管路的时间 顺序 压力及流量 是通过流 量阀 压力阀是电磁铁获得 指令的时间 顺序和强弱 由控制其阀芯的推力和 开度来确定的 执行回路与主回路之间是通过进油管路p 高压 回油管路t 低压 以 及控制回路p 高压 形成 连接网络 注塑机对液压系统的要求是 1 具有足够的合模力熔融塑料以1 2 0 2 0 0 m p a 的高压注入模腔 在已经闭合 的模具上会产生很大的开模力 所以合模液压缸必须产生足够的合模力 确保对 闭合后的模具的锁紧 否则注塑时模具会产生缝隙使塑料制品产生溢边 出现废 品 2 模具的开 合模速度可调 当动模离静模距离较远时 即开合模具为空程时 为了提高生产效率 要求动模快速运动 合模时要求动模慢速运动 以免冲击力 太大撞坏模具 并减少合模时的振动和噪声 因此 一般开 合模的速度按慢一 快一慢运动的规律变化 3 注射座整体进退 要求注射座移动液压缸应有足够的推力 确保注塑时注射 嘴和模具浇口能紧密接触 防止注射时有熔融的塑料从缝隙中溢出 4 注射压力和注射速度可调注塑机为了适应不同塑料品种 制品形状及模具 浇注系统的工艺要求 注射时的压力与速度在一定的范围内可调 5 保压及压力可调 当熔融塑料依次经过机筒 注射嘴 模具浇e l 和模具型腔 完成注射后 需要对注射在模具中的塑料保压一段时间 以保证塑料紧贴模腔而 获得精确的形状 另外在制品冷却凝固而收缩过程中 熔化塑料可不断充入模腔 防止产生充料不足的废品 保压的压力也要求根据不同情况可以调整 6 制品顶出速度要平稳 以保证成品制品不受损坏 1 4 山东大学硕士学位论文 图3 2 注塑机液压结构图 a 大流量液压泵e 小流量液压泵l 2 电液换向阀3 电磁换向阀4 5 电液换向阀6 2 1 电磁换 向阀 7 8 9 溢流阀 l o l l 1 2 单向阀 1 3 液控单向阀 1 4 节流阀1 5 1 6 调速阀1 7 1 8 单向 顺序阀1 9 行程阀2 0 液压马达 注塑机各执行元件的动作循环主要依靠行程开关切换电磁换向阀来实现 1 5 山东大学硕士学位论文 电磁铁动作顺序如表3 1 所示 表3 1 2 5 0 克注塑机液压系统原理图电磁铁动作表 动作程序 1 y a2 y a 3 y a 4 y a5 y a6 y a眦8 y a9 y a1 0 y a1 1 y a 启动 慢移 合快速 模 合模 增压 锁模 注射座整 体快移 注射 注射保压 减压排气 再增压 预塑进料 注射座后 移 慢速 开 开模 模快速 开模 顶出 缸伸 推 出 料顶出 缸缩 回 系统 卸荷 注 表不电磁铁通电 一 表不电磁铁断电 为保证安全生产 注塑机设置了安全门 并在安全门下装设一个行程阀1 9 加以控制 只有在安全门关闭 行程阀1 9 上位接入系统的情况下 系统才能进行 合模运动 3 1 2 注塑机液压系统分析 在液压系统执行回路中 根据主油路和各执行油缸的功能 液压组件在液 压系统上可组成控制模块 以提高系统的集成度 注塑机控制油路的模块有 压力 流量控制模块 p q 油路块 注射 预塑控制模块 合模控制模块 顶出 控制模块 1 压力 流量控制模块 p q 油路块 1 6 山东大学硕士学位论文 主要控制系统中油的压力 p 和流量 q 对各执行机构的速度和推力 的大小及程序进行控制 我们设备中用的是定量泵 比例压力流量阀控制回路 如图3 3 所示 由比 例压力流量阀v 1 泵p 电动机m t r 组成 d 1 d 2 分别是控制流量和压力 的电磁铁 当电动机启动后 泵就输出一定的流量 此时d 1 d 2 无电信号输 入 泵输出流量通过v 1 流回油箱 系统压力为零 如d 1 d 2 有电信号输入 则v 1 开始工作 部分油通过比例阀所设定的开启压力 比例溢流阀打开 把 多余的油放回油箱 只要改变d 1 d 2 电信号的输入值 就可实现对系统的压 力和速度调节 图3 3 压力 流量控制回路图图3 4 注射 预塑控制模块 2 注射 预塑控制模块 该模块主要是对注射 射退 预塑 射台前进 后退 背压的动作和程序进行 控制 如图3 4 所示 由三位四通电磁换向阀v l 控制座移油缸的前进 后退 三位四通换向阀v 2 控制注射 射退 二位四通换向阀v 3 控制预塑 溢流阀v 4 控制预塑背压 卜压力 卜回油 其工作原理是 当电磁铁d 1 d 2 无信号输入时 油口封闭 注射座保持 原位 当d 1 得电信号时 压力油经v l 进入座移油缸的杆腔 从另腔排出的油 经v l 至回油t 推动活塞实现射台后退动作 9 1 当电磁铁d 2 得信号时 压力油 经v l 进入座移油缸的无杆腔 从另腔排出的油经v l 至回油推动活塞实现射台 前进动作 当电磁铁d 3 d 4 d 5 无信号输入时 油口封闭 螺杆保持原位 当d 3 山东大学硕士学位论文 得电信号时 压力油经v 2 进入注射油缸的无杆腔 从另腔排出的油经v 2 到回 油t 推动活塞实现射退动作 当d 4 得电信号时 压力油经v 2 进入注射油缸 的杆腔 从另腔排出的油经v 2 到回油t 推动活塞实现注射动作 1 0 1 1 5 当d 5 得电信号时 压力油经v 3 进入预塑马达的压力油腔 从回油腔排出 的油直接到回油t 使马达旋转 实现预塑动作 同时 注射油缸的无杆腔油 经v 2 到回油t 另腔油经v 4 至回油 调节v 4 可对螺杆后退速度实施调节 3 合模控制模块 该模块主要是对合模 模具低压保护 高压锁模 开模动作和程序进行控 制 其工作原理类似于注射 预塑控制模块 4 顶出控制模块 该模块主要对顶出 顶退 模具抽芯的动作和程序的控制 其工作原理类 似于注射 预塑控制模块 3 1 3 注塑机液压系统的要求 1 注塑机从关模开始到开模结束 中间经过关模慢 快 慢 低压保护 高压锁模 注射座前进 多级注射 多级保压 预塑 冷却定型 开模 慢 快 慢专顶出等多动作程序 每个程序中又都有对压力和速度的不同要 求 即 动作中的不同时刻或不同位置 流量和压力是瞬时的 多级变化的 所 以对注塑机液压系统及其组成液压组件的灵敏性 可靠性 静音性和安全性都有 很高的要求 2 注塑充模质量决定制品质量 而充模质量与液压系统结构有直接关系 在充 模时 螺杆前部所形成的聚合物黏流态系统与螺杆后面通过注射油缸与油路系统 形成了一个封闭流体阻力系统 充模速率受到油路系统参量 介质 黏度 系统 结构及其液压刚性等影响 所以 液压系统水平与注塑质量密切相关 3 2 液压伺服系统的组成和工作原理 3 2 1液压伺服系统的组成 液压伺服控制系统是由一些基本元件组成 根据元件的功能可分为如下几 个部分 输入元件 反馈测量元件 比较元件 放大转换元件 执行元件以及 1 8 山东大学硕士学位论文 控制对象 液压伺服控制系统组成框图如下图3 5 所示 图3 5 液压伺服控制系统组成框图 液压伺服控制系统从不同角度主要可以分为如下类别 1 按输出信号分 位置伺服系统 速度伺服系统 加速度伺服系统 压力伺服 系统及其他系统 2 按驱动装置的控制方式分 节流式控制 阀控 系统和容积式控制 变量泵 或马达控制 系统 其中阀控系统又分为阀控液压缸系统和阀控液压马达系统 容积控制系统又分为伺服变量泵系统和伺服变量马达系统两类 3 按信号传递介质的形式分 机械一液压伺服系统 电气一液压伺服系统和气 动一液压伺服系统 l l 本文研究的注塑机液压伺服系统是电液式阀控液压缸系统 主要研究位置 速度和压力系统的控制 3 2 2 液压伺服系统的工作原理 电液伺服阀是一种自动控制阀 它既是电液转换元件 又是功率放大元件 其功用是将小功率的模拟量电信号转换为随电信号大小和极性变化 且快速响 应的大功率液压能 流量和压力 输出 从而实现对液压执行器位移 速度 加速度和力的控制 1 2 电液伺服阀的主要优点是 输入信号功率很小 通常仅有几十毫瓦 功率 放大系数高 能够对输出流量和压力进行连续双向控制 直线性好 死区小 灵敏度高 动态响应速度快 控制精度高 体积小 结构紧凑 所以广泛应用 于快速高精度的各类机械设备的