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电气工程工业应用综述 精密注塑 机器人 智能电网与自动化技术 主要内容 精密注塑成型过程及其控制注塑自动化 注塑机械手工业机器人技术研究智能电网自动化技术 微网 精密注塑成型过程及其控制 注塑成型过程及其工艺注塑成型控制问题注塑过程精密及节能技术精密注塑控制方法及控制系统主要成果应用及未来方向 注塑成型过程及其工艺 塑料及注塑起源 塑料已经和钢材 水泥 木材一起成为人类使用的四大材料第一个塑料产品 19世纪60 70年代 赛璐珞 硝化纤维塑料 可用制作于乒乓球 眼镜架 玩具等1872年美国人发展了模压成型技术1903年德国人A 艾兴格林发明了不易燃烧的醋酸纤维素和注射成型方法 塑料加工发展 天然高分子加工阶段 19世纪 1910以天然高分子 主要是纤维素的改性和加工为特征 合成树脂阶段 1910 1960以合成树脂为基础原料生产塑料为特征大发展阶段 1970 通用塑料的产量迅速增大 形成了世界上产量最大的聚烯烃塑料系列 同时出现了多品种高性能的工程塑料 中国塑料工业发展 1921年上海胜德赛珍厂 现胜德塑料厂 开始生产赛璐珞制品1926年上海胜德赛珍厂开始生产酚醛树脂及模塑粉1958年自行研究设计的第一套聚氯乙烯年产3kt的生产装置在锦西化工厂建成投产 这是中国塑料工业进入一个新时期的标志目前中国已成为世界塑业第一消费大国 塑料机械产量占世界第一 塑料加工方法 注射成型 挤出成型 如管材类产品 型材类产品 建材用 吹塑成型 如油箱 加注管 民用油 水壶 热成型 真空吸塑成型 如轿车塑料地垫 防水帘等浇铸成型 如方向盘 仪表板压延与涂层 如人造革烧结成型 主要PTFE制品搪塑成型 如玩具类产品 车门扶手表皮模压成型 板材 注塑成型 将经过加热融化的塑料通过喷嘴注射进入模具 经冷却凝固成为塑料制品的一种加工形式 一般使用热塑型塑料 个别使用热固塑料 注塑成型优点 塑料注射成型可对形状复杂的制品实现一次成型 具有效率高 尺寸精确 适合大批量生产等特点 是塑料制品最具优势也是最主要的加工方式 在航空航天 电子 通信工程 汽车 包装 家电 IT行业 医疗卫生等领域有着广泛应用 浙江和广东是我国两大注塑产业基地我国注塑机械产量的注塑产品量都居世界第一 2010年占世界总生产量62 97 注塑产品应用 我们已被塑料包围 精密零件 光学产品IT产品及娱乐电子产品汽车配件家电产品玩具工程及建筑材料医疗 化工产品日常生活 注塑的三要素 注塑原料注塑工艺注塑机械 注塑材料 专业化 专料专用高端化 聚酰亚胺 PI 聚砜 PSF 聚苯硫醚 PPS 聚醚醚酮 PEEK 液晶聚合物 LCP 环境友好 可降解塑料 节能减排型 按塑料的物理化学性能分 1 热塑性塑料 在特定温度范围内能反复加热软化和冷却硬化的塑料 如聚乙烯塑料 聚氯乙烯塑料 2 热固性塑料 因受热或其它条件能固化成不熔不溶性物料的塑料 如酚醛塑料 环氧塑料等 塑料原料对塑料制品的尺寸精度的影响因素 1 原材料的收缩率的影响原料收缩率越大 制品的精度越低 2 原料蠕变的影响 蠕变即制品在受力状态下所产生的形变 3 原料线性膨胀的影响 线性膨胀系数 热胀系数 4 原料吸水率的影吸水后收起体积膨胀 导致尺寸增大 严重影响制品的尺寸精度 原料的吸水率性 还会严重影响原料加工成零件后的物理机械性能 5 原料溶胀的影响 原料耐溶剂性会严重响制品的尺寸精度及制品的物理机械性能6 填料影响 塑料材料进行增强或无机填充改性后 可提高塑料制品的尺寸精度 注塑材料 按用途分 一通用塑料 产量大 用途广 成型性好 价廉聚乙烯 PE 聚丙烯 PP 聚氯乙烯 PVC ABS树脂聚苯乙烯 PS 二 工程塑料 能承受一定的外力作用 并有良好的机械性能和尺寸稳定性 在高 低温下仍能保持其优良性能聚酰胺 PA ABS尼龙 陶氏化学公司巴斯夫公司壳牌公司杜邦公司中国石油化工集团公司台塑集团拜耳公司旭化成帝人化成株式会社通用电器三井化学雪佛龙菲利浦斯LG化学 世界著名塑料生产商 塑料成型工艺 注塑成型的工艺参数 新型注塑方式 双色注塑热流道注塑气体辅助注塑真空塑化 日本 微型注塑微分注塑 注塑机分类 液压式注塑机 液压式注塑机 液电混合注塑机 注塑机 按结构分 卧式注塑机立式注塑机 注塑过程的特点 注塑过程是一个复杂的非线性过程注塑过程是一个动态过程注塑过程是一个周期性过程 注塑成型控制的三个层次 注塑过程控制注塑质量控制注塑工业监控及统计控制 注塑过程控制 精确控制注塑成型每个过程的过程变量 精确控制成型过程 最终获得高质量产品注塑过程变量的控制注塑工艺过程的控制间接控制 无法直接控制产品质量 注塑质量控制 注塑质量的表现外观质量 尺寸精度光滑度色泽内在质量 内部应力韧性强度以上都难以通用进行描述重量重复精度 注塑工业监控及统计控制 注塑质量统计分析注塑工艺参数优化控制 注塑机成型示意图 注塑机通用液压系统示意图 注塑过程控制 从控制变量来分 压力控制速度控制位置控制时间控制温度控制 从过程来划分开合模控制注塑保压控制预塑控制座台控制顶针控制 注塑流程 注塑成产过程模拟 注塑成型过程 合模过程控制注射保压过程控制储料冷却控制开模顶出控制 注塑成型过程及相关控制要求 一个完整的注塑过程及有关的影响因素如下表 原料 融熔 充填 充满 保压 冷却 开模 产品 干燥温度干燥时间原料混合次料大小次料比例原料牌号原料等级 料筒温度螺杆转速螺杆背压预塑时间预塑量扭力料口冷却的温度 注射速度注射压力模具温度转换位置充填时间充填分段合模力 压力时间转换点模具温度合模力 压力时间胶口封闭的时间模具温度合模力 时间模具温度 开模时间开模行程顶出行程顶出次数顶出时间取出速度顶出速度再循环时间 检验检验的温度或时间组装预定型 注塑成型工艺变量控制 压力控制速度控制位置控制时间控制温度控制 最重要的速度控制 注射速度 射出速度控制 原料在型腔的流动前进如下图 充填进模腔的原料经过型腔时 在型腔表面凝固成一层皮肤层停留在型腔表面 接着注射进来的塑料 把中间未凝固的塑料往前推 随着时间的前进 凝固层越来越厚 塑料流动前端的前进速度要保持一致 表面质量才会一致 所以 在壁厚有变化的产品 也要使原料前进的速度一致 这个时候 就要利用注射分段调速 来达到此要求 成型工艺 注射速度设定 射出速度的分段控制 V2 V3 V4 水口V1 分段原则 1 壁厚变化点2 产品转折点3 汇流点 成型工艺 注射速度对产品质量的影响 这里讲的速度是指充填速度 速度的选择主要是依据材料特性 壁厚 形状 及模具排气而定 速度太低 会充填不足 接合纹 玻纤纹 波浪纹等 1 2 成型工艺 注射速度 速度太高 会有放射纹 尾部烧焦 黯晕雾 毛边等下图这种情况 关键在模具的进胶口位置 大小 过渡尖锐等 3 成型工艺 融胶速度 每种原料容许的最大速度不一样 基本上 热敏性高的料 容许速度小 一般的PP PE PS PA等 线速度60m min 以内 PC ABS PET PBT等可在30m min 以内 UPVC CPVC在10m min 以内 螺杆速度越高 剪切力越大 剪切热也就大 1 2 螺杆的速度设定 以冷却时间内完成为原则 速度太快料筒容易温升 又耗能 3 最重要的压力控制 保压压力 保压 在模腔完全被充填以后 随着冷却时间的前进 塑料会产生比容积的变化而使体积下降 而产生收缩 在还没完全凝固前 这些收缩利用保压来起到补偿作用 保压的最终目标是产品不缩水 无毛边 重量标准 产品应力低 分布均匀 保压的三个重要参数 各段压力大小 时间长短 起始点位置压力太大会使内应力太高 重量大 毛边 波浪纹 尺寸大 不易开模等压力太小会造成短射 缩痕 尺寸小 缩收拉力等 时间依产品固化而定 固化时间与材料 壁厚 浇口有关 1 2 保压的起始点 切换点 太早 太晚都不好 在近95 最好 切换依据有位置 时间 模腔压力 合模压力等 保压分段的用意是在较大壁厚及面积产品上 使其离浇口远进的各部位 得到相同的密度 3 4 成型工艺 保压压力 注塑过程模腔压力变化 典型的模腔内部压力变化曲线如下 保压压力的分段控制 与注塑速度类似 注塑保压过程的压力也采用分段进行控制 溫度控制 料筒喷嘴热流道模具 最重要温度控制 料筒温度 熔体温度直接影响到熔体密度 粘性 流动速度 因此直接关系到产品质量通过控制料筒温度来间接控制熔体温度 料筒温度的分段控制 螺杆功能区不同要求熔体温度不同加料段 压缩段 计量段大型机料筒较长 必须采用多段控制 溫度控制 喷嘴温度控制 喷嘴溫度控制1 用來控制喷嘴溫度2 大部分成型机用温度控制器来控制喷嘴的温度 一些老式成型及使用电变压器 powertransformer 3 喷嘴温度控制的目的 a 当喷嘴靠著模具时 保持喷嘴里塑料不凝固b 保持喷嘴区的熔料温度 溫度控制 热流道温度控制 热流道温度控制1 用於控制热流道模具加热部分的金属温度2 热流道温度設定的目的是為了使每个型腔获得一致的充填程度和压力3 在热流板中的几个区域和喷嘴的温度设置是可调的 設置基於以下因素 每额型腔的塑料压力 成品重量 成品尺寸 溫度控制 模温控制 模温控制1 控制模具金属温度或冷卻剂溫度2 调节塑料的冷卻速度a 改变冷卻剂的溫度b 改变模具中每个冷却区域的冷卻剂的流动速度 其他溫度控制 液压油溫度的控制1 液压油的溫度必須被控制 太高或太低都对机器和成型过程不利2 液压油的冷卻a 通过一个热交換的水循环控制3 定期检测液压油溫a 太高温度会导致油的降解 degrade 和破坏油的密封b 太低温度将减慢阀的操作速度 成型工艺 其他温度 热流道温度相当于第二个料筒 它也有停留时间 流道剪切力 死角 不容易冷却而过热等问题 原料干燥机的温度与停留时间有关 它要有足够的干燥时间 但太长也会影响材料的劣化 1 2 水温影响机器设备及模具的冷却 水质影响冷却器的热传导性能 环境的温度 湿度 对一般产品影响不大 严苛产品要避免影响模具结露 产品污染 影响后变形等 3 4 注塑成型位置控制 开模停止位置注射切换控制储料位置座台位置顶针位置 注塑过程控制方法 速度控制位置控制压力控制温度控制 速度控制 开合模速度 注射速度 储料速度控制方法 PID控制模糊控制预测控制滑模控制迭代学习控制 位置控制 开模停止位置 注射切换位置 储料位置控制方法 双闭环PID控制 内环速度PID控制 外环位置PD控制迭代学习控制预测控制 压力控制 合模压力 保压压力 储料压力 背压控制方法 PID闭环控制自适应控制 温度控制 熔体温度对象 熔体温度是一个非线性 强耦合的不确定性对象 其余螺杆转速 熔胶背压 料筒温度 材料及环境干扰等有关 温度控制 控制方式 控制方式 普通加热圈加热电磁感应加热 温度控制 控制方法 控制方法 PID控制模糊控制智能PID控制模型预测控制迭代学习控制 注塑机液压系统的节能 传动液压传送方式 三项异步电机 定量泵提供液压油流量比例阀 压力比例阀控制液压系统速度和压力缺点电机额定转速运转 多余流量泄流会油箱 能耗大液压油过热 节能方法 变量泵液压系统变频控制液压系统伺服驱动 液压系统变频控制 液压系统伺服驱动控制 能耗比较 注塑控制系统 任务及功能 注塑过程控制注塑工艺调节人机操作方便生产统计功能安全保护及故障检测 注塑机控制系统 操作面板 主控制结构注塑过程变量采集 位置 压力 速度 温度工艺控制 IO控制模拟量控制 温度 压力人机操作 参数设置 过程监控报警 生产统计 注塑控制系统 模拟量的采集和控制 温度的采集和控制位置的采集和控制压力和速度的控制要求 高精度 快速的AD采集和DA输出 注塑工艺的切换及控制 工艺的切换设计辅助压力和速度控制要求IO控制为主 辅助以模拟输出控制 注塑控制系统 人机交互 手动操作工艺修改参数修改调试测试功能故障检测及监视 注塑控制系统 生产统计 产品量统计 废品统计班次生产量统计总产品数量控制网络化管理和统计 注塑实验系统 操作面板及控制器 研制成功精密注塑控制系统 填补国内空白48路数字输入56路数字输出9温度采集和控制10路模拟输入 10路模拟输出10寸彩色LCD 应用 50 6000顿注塑机普通三板机及新型二板机控制 监视页面 参数设置 注塑机的网络化管理和控制软件 注塑成型控制的网络化监控及质量管理 注塑过程网络监控界面 主要成果 国家科技支撑计划项目 浙江省重点科技攻关项目 浙江省自然科学基金项目 宁波市科技计划项目研发多个系列注塑智能控制系统申请发明专利8项 获得授权4项软件著作权2项论文20多篇 未来研究方向 注塑工艺变量精确控制方法注塑工艺参数优化 专家系统新型注塑工艺研究注塑过程监视 网络化系统注塑质量控制注塑过程自优化控制 注塑自动化 注塑机械手 普通注塑工艺注塑专用机械手注塑机械手应用领域 普通 特殊工艺 注塑机械手控制技术 伺服驱动 气动控制 主要成果及未来方向 普通注塑 人 注塑机 人工生产缺点 人工成本高3班生产每班1 2人民工荒生产效率低劳动强度大 效率降低消极怠工影响产品质量精密产品无法手工操作安全性低容易发生安全事故 自动化注塑 注塑机 机械手 注塑机械手代替人工实现自动化生产 注塑机械手分类 气动机械手电动机械手全伺服机械手 注塑机械手 按手臂划分单臂机械手双臂机械手 气动注塑机械手 特点 成本低 维护方便 使用最广泛 分为单臂和双臂 电动注塑机械手 特点 速度较快 位置精度较高 成本适中 全伺服注塑机械手 特点 速度快 精度高 功能全 满足各种复杂注塑要求 如瓶胚注塑 模内贴标 嵌入式注塑等 注塑机械手的主要功能 代替人工取产品实现自动化生产配合特殊注塑工艺 辅助注塑生产模内贴标嵌件注塑模内组装大型产品注塑 注塑机机械手执行机构 夹具 吸盘 抱 剪刀 喷雾基本采用气动方式驱动 最简单的注塑机械手应用例子 注塑机械手控制技术 人机界面技术驱动控制技术注塑工艺辅助控制机器手试教技术多轴伺服的联动规划控制技术 气 电动注塑机械手控制系统功能1 单双臂混合控制 一套控制系统即可实现单臂控制 也是与双臂控制气动电动混合控制 一套系统即可用于双臂气动机械手 也可用于双臂电动机械手中英文双语界面 操作方便 界面友好 适合中国人操作习惯最多32路输入 32路输出 气 电动注塑机械手控制系统功能2 抱 夹 吸 剪 输送 喷雾等组合功能20种标准模式 80套可教导模式灵活的教导功能 满足复杂注塑工艺要求丰富的故障检测和保护功能 确保机械手安全运行 具有12组故障记录查询及实时报警显示功能网络化管理接口 可实现网络化集中监控管理 伺服注塑机械手控制系统功能1 速度快 最高速度3m s精度高 定位精度 0 1mm可实现多轴联动32位高性能双CPU处理器 3 7寸LCD显示 可配触摸屏中英文操作界面 操作简单 界面友好 伺服注塑机械手控制系统功能2 20套标准模式 80到可教导程序灵活的教导模式 满足特种注塑要求丰富的故障保护及报警功能 故障查询功能网络化生产管理接口机软件远程模具资料修改 复制 远程生产信息查询能够实现模内贴标 嵌件注塑 瓶胚取出等多找那个复杂注塑工艺 产