注塑机原料温度闭环控制设计

第 1 章绪 论1Dissertation for the bachelor Degree in EngineeringCLOSED LOOP TEMPERATURE CONTROL OVER RAW MATERIAL OF INJECTION MOULDER Candidate: Yang JinhuaSupervisor: Prof.Li Huiguang Academic Degree Applied for: bachelor of EngineeringSpeciality： AutomationUniversity： Yanshan University燕山大学工学学士学位论文2第 1 章 绪 论1.1 单 片 机 及 其 发 展所 谓 单 片 机 是 指 由 一 个 芯 片 组 成 的 微 机 系 统 。 它 包 含 了CPU， 程 序 存 储 器 ， 数据 存 储 器 ， 定 时 器 /计 数 器 及 各 种 I/O 接 口 。单 片 机 又 称 微 机 控 制 器 ， 主 要 用 于 现 代 智 能 产 品 的 设 计 ， 由20 世 纪 初 至 今 ， 单片 机 已 有 了 30 多 年 的 发 展 历 史 了 ， 随 着 产 品 智 能 化 的 需 要 和 微 电 子 技 术 的 不 断 进步 ， 目 前 已 有 上 百 家 厂 商 生 产 几 千 种 型 号 的 单 片 机 。 单 片 机 正 在 向 着 高 速 低 功 耗 ，低 成 本 的 ， 多 档 次 ， 使 用 方 便 及 外 围 接 口 丰 富 等 方 面 发 展1.2 单 片 机 的 应 用 领 域单 片 机 具 有 极 为 广 阔 的 应 用 前 景 ， 主 要 应 用 领 域 为1.2.1 自 动 控 制单 片 机 在 工 业 过 程 控 制 ， 机 床 控 制 ， 机 器 人 控 制 ， 汽 车 控 制 ， 飞 行 器 制 导 系统 等 方 面 得 到 广 泛 的 应 用 ， 由 于 单 片 机 建 立 了 串 行 口 ， 很 容 易 建 立 双 机 或 多 机 之间 的 通 讯 联 系 。 从 而 为 建 立 分 布 式 控 制 系 统 制 造 了 十 分 有 利 的 条 件 ， 目 前 已 有 多种 分 布 式 控 制 系 统 用 于 工 业 控 制 之 中 。1.2.2 智 能 仪 器 仪 表由 于 单 元 片 机 具 有 超 微 型 化 的 特 点 ， 并 且 具 有 无 可 比 拟 的 高 性 能 价 格 比 ， 从而 为 仪 器 仪 表 的 智 能 化 提 供 了 可 能 。 大 量 的 智 能 化 仪 器 仪 表 应 运 而 生 。 如 ： 智 能化 示 波 器 、 智 能 化 数 字 仪 表 待 。1.2.3 数 字 采 集 系 统由 于 单 片 机 可 以 提 供 多 路 A/D 输 入 通 道 ， 因 此 很 适 应 于 模 拟 量 （ 温 度 、 压 力 及流 量 等 ） 输 入 采 样 系 统 。1.2.4 计 算 机 外 部 设 备 的 控 制 器计 算 机 的 外 部 设 备 五 花 八 门 ， 随 着 单 片 机 的 发 展 ， 很 多 外 部 设 备 都 使 用 单 片机 作 为 控 制 器 ， 使 这 些 外 部 设 备 智 能 化 。 智 能 化 键 盘 、 智 能 化 显 示 器 、 智 能 化 打印 机 、 智 能 化 软 盘 和 硬 盘 、 智 能 化 驱 动 器 、 智 能 化 磁 带 驱 动 器 、 智 能 化 绘 图 仪 等均 可 用 单 片 机 作 为 控 制 器 。1.2.5 家 用 电 器第 1 章绪 论3家 用 电 器 是 单 片 机 生 产 厂 家 竞 争 非 常 激 烈 的 应 用 领 域 。 这 个 领 域 的 特 点 是 ：量 大 、面 广 、 并 且 要 求 价 格 低 廉 。 电 饭 锅 、 电 子 游 戏 机 、 电 视 机 、 录 音 机 、 组 合音 响 、 录 像机 等 都 使 用 单 片 机 进 行 控 制 。 总 之 ， 单 片 机 由 于 体 积 小 ， 价 格 低 ， 性能 优 越 ， 可 靠 性高 ， 已 广 泛 地 渗 透 到 社 会 、 生 产 、 服 务 等 领 域 。 其 广 阔 的 前 景 是 无 限 光 明 的 。 所以 工 程 技 术 人 员 有 必 要 很 好 地 掌 握 单 片 机 的 工 作 原 理 及 系 统 设 计 技 术 。1.3 单 片 机 的 工 业 过 程 控 制所 谓 单 片 机 的 工 业 过 程 控 制 系 统 就 是 由 单 片 微 型 计 算 机 代 替 原 来 的 中 小 型 计算 机 ， 对 工 业 生 产 实 施 自 动 控 制 。 它 的 基 本 组 成 与 中 小 型 计 算 机 控 制 系 统 相 同 ，也 可 分 为 三 部 分 。 其 中 第 一 部 分 是 现 场 信 息 或 数 据 采 集 及 输 入 通 道 。 第 二 部 分 是单 片 机 系 统 。 第 三 部 分 是 控 制 信 息 输 出 通 道 的 执 行 机 构 。 第 一 部 分 用 来 对 现 场 参数 进 行 测 量 ， 并 把 模 拟 量 信 号 转 换 成 二 进 制 数 字 量 。 然 后 输 入 给 单 片 机 。 单 片 机根 据 输 入 的 生 产 过 程 参 数 ， 按 照 人 们 预 先 建 立 的 数 学 模 型 及 人 们 根 据 需 要 随 机 输入 的 控 制 要 求 进 行 分 析 、 计 算 、 判 断 并 做 出 决 策 。 然 后 由 输 出 通 道 发 出 各 种 控 制信 号 ， 控 制 执 行 机 构 对 受 控 对 象 进 行 实 际 控 制 。在 单 片 机 组 成 的 工 业 自 动 控 制 系 统 中 ， 也 可 根 据 生 产 过 程 的 复 杂 程 度 和 对 精度 的 要 求 采 用 不 同 的 控 制 方 式 ， 常 用 的 控 制 方 式 由 数 字 程 序 控 制 系 统 、 直 接 数 字控 制 系 统 、 监 督 控 制 系 统 与 分 级 控 制 系 统 等 。 其 中 数 字 程 序 控 制 系 统 方 式 是 将 控制 对 象 所 要 进 行 的 一 系 列 操 作 按 照 其 执 行 的 先 后 顺 序 编 写 程 序 ， 这 些 程 序 通 常 存在 外 部 存 储 器 中 ， 例 如 ： 磁 带 、 磁 盘 等 。 对 于 单 片 机 控 制 系 统 ， 通 常 存 在EPROM 存储 器 中 。 使 用 时 将 计 算 机 EPROM 存 储 器 插 入 相 应 的 插 座 上 ， 这 样 中 央 处 理 器 仅 作简 单 的 运 算 就 能 按 其 要 求 对 执 行 机 构 进 行 控 制 。 这 种 控 制 系 统 控 制 规 律 简 单 ， 专用 性 强 ， 速 度 不 高 ， 常 用 在 程 序 控 制 、 顺 序 控 制 和 数 值 控 制 等 场 合 ， 例 如 数 字 程序 控 制 线 切 割 机 、 数 控 机 床 、 电 脑 绣 花 机 、 自 动 定 时 控 制 装 置 等 。 直 接 数 字 控 制系 统 是 一 台 计 算 机 或 单 片 机 对 多 个 被 控 参 数 进 行 巡 回 检 测 ， 检 测 结 果 与 给 定 值 比较 ， 再 按 一 定 的 调 节 规 律 （ 例 如 PID 调 节 ） 进 行 控 制 计 算 ， 然 后 发 出 控 制 信 号 ， 由执 行 机 构 对 生 产 过 程 进 行 调 节 。 监 督 控 制 系 统 是 由 计 算 机 或 单 片 机 按 照 描 述 生 产过 程 的 数 学 模 型 计 算 出 最 佳 给 定 值 ， 送 给 模 拟 调 节 器 或 直 接 数 字 控 制 系 统 ， 最 后由 模 拟 调 节 器 或 直 接 数 字 控 制 系 统 控 制 生 产 过 程 ， 使 生 产 过 程 处 于 最 佳 状 态 。 分级 控 制 系 统 也 称 为 分 布 控 制 系 统 。 在 一 些 生 产 过 程 比 较 复 杂 或 者 被 控 制 的 设 备 台数 较 多 的 情 况 下 ， 往 往 采 用 分 级 控 制 。 它 是 将 一 个 较 大 的 复 杂 的 集 中 控 制 系 统 分燕山大学工学学士学位论文4解 为 若 干 个 较 小 的 独 立 系 统 ， 分 别 由 微 型 计 算 机 或 单 片 机 控 制 ， 或 者 将 单 台 或 多台 设备 由 一 台 微 型 计 算 机 或 单 片 机 控 制 ， 这 一 级 称 为 前 级 控 制 。 前 级 控 制 一 般 多采 用 数 字程 序 控 制 、 直 接 数 字 控 制 方 式 ， 或 者 进 行 巡 回 检 测 。 然 后 再 在 前 级 控 制的 上 面 设 置 一级 监 督 控 制 系 统 ， 用 为 进 行 全 部 生 产 过 程 的 最 佳 控 制 和 自 适 应 控 制 计 算 。 在 较 大的 多 级 控 制 系 统 中 ， 还 可 以 监 督 控 制 的 上 面 再 增 设 一 级 生 产 管 理 级 ， 一 方 面 对 生产 过 程 进 行 调 节 和 管 理 ， 另 一 方 面 根 据 控 制 要 求 指 挥 监 督 控 制 级 工 作 。在 以 上 的 控 制 方 式 中 ， 计 算 机 承 担 了 全 部 的 计 算 、 分 析 、 判 断 和 决 策 工 作 ，使 生 产 过 程 按 照 人 们 预 定 的 要 求 进 行 。 近 年 来 ， 随 着 微 型 计 算 机 的 发 展 ， 尤 其 是单 片 机 的 产 生 与 应 用 ， 使 自 动 控 制 向 前 迈 进 了 一 大 步 。 由 于 单 片 机 机 构 简 单 ， 体积 小 ， 抗 干 扰 能 力 强 ， 可 靠 性 高 ， 易 于 采 取 屏 蔽 措 施 ， 可 在 恶 劣 环 境 下 工 作 ， 因此 已 成 为 自 动 控 制 系 统 中 主 要 的 组 成 部 分 。 但 是 ， 由 于 与 中 型 机 、 大 中 型 机 比 较 ，功 能 毕 竟 有 限 。 因 此 单 片 机 主 要 用 于 数 字 程 序 控 制 、 直 接 数 字 控 制 、 监 督 控 制 、分 级 控 制 中 的 前 级 控 制 及 工 业 现 场 的 巡 回 检 测 。 随 着 半 导 体 微 电 子 技 术 的 发 展 ，单 片 机 的 功 能 还 在 不 断 的 增 强 ， 因 此 应 用 范 围 还 将 继 续 扩 大 。1.4 本 设 计 的 出 发 点 与 目 的在 工 业 生 产 中 ， 电 流 、 电 压 、 温 度 、 压 力 、 流 量 、 流 速 和 开 关 量 都 是 常 用 的主 要 被 控 参 数 。 例 如 ： 在 冶 金 工 业 、 化 学 生 产 、 电 力 工 程 、 机 械 制 造 、 和 食 品 加工 等 许 多 领 域 中 ， 人 们 都 需 要 对 各 类 加 热 炉 、 热 处 理 炉 、 反 应 炉 和 锅 炉 中 温 度 进行 监 督 和 控 制 。 采 用 单 片 机 来 对 它 们 进 行 控 制 不 仅 具 有 控 制 方 便 、 简 单 和 灵 活 性大 等 特 点 ， 而 且 可 以 大 幅 度 提 高 被 控 温 度 的 技 术 指 标 ， 从 而 能 够 大 大 提 高 产 品 的质 量 和 数 量 。 因 此 单 片 机 对 温 度 的 控 制 问 题 是 一 个 工 业 生 产 中 经 常 会 遇 到 的 控 制问 题 。 现 在 对 它 进 行 设 计 ， 这 不 仅 可 以 让 我 所 学 过 的 知 识 得 以 升 华 ， 而 且 还 能 得到 举 一 反 三 和 触 类 旁 通 的 效 果 。1.5 小 结本 章 介 绍 了 单 片 机 的 发 展 和 应 用 领 域 ， 并 主 要 介 绍 了 它 在 工 业 控 制 方 面 的 所发 挥 的 作 用 和 它 在 工 业 控 制 中 的 控 制 方 式 。 温 度 是 工 业 控 制 中 经 常 被 用 到 的 模 拟量 ， 对 它 进 行 设 计 是 具 有 典 型 性 和 必 要 性 的 。第 1 章绪 论5第 2 章 注 塑 机 的 工 作 过 程 式 及 工 艺2.1 注 射 成 型 工 艺注 塑 机 注 射 成 型 工 艺 就 是 将 塑 料 通 过 注 射 机 螺 杆 旋 转 而 将 料 斗 中 粉 粒 漏 入 保持 一 定 温 度 的 料 筒 之 内 ， 并 输 送 到 料 筒 的 前 部 而 积 聚 ， 塑 料 的 积 聚 给 予 螺 杆 反 作用 力 使 之 后 退 ， 用 限 位 开 关 来 决 定 螺 杆 的 后 退 距 离 ， 即 决 定 了 螺 杆 前 部 的 塑 料 量 。由 于 料 筒 保 持 30 -80 的 受 热 和 螺 杆 的 搅 拌 ， 使 料 筒 前 部 的 塑 料 达 到 粘 稠 状 态 。此 时 ， 开 动 连 接 在 螺 杆 后 面 的 注 射 活 塞 ， 则 熔 融 塑 料 即 以 高 压 、 高 速 通 过 料 筒 喷嘴 和 安 装 有 注 射 机 定 模 板 上 的 定 模 部 分 的 浇 口 套 及 浇 道 系 统 注 入 模 腔 内 。 熔 料 在模 具 内 冷 却 硬 化 到 一 定 时 间 后 ， 锁 模 机 构 松 压 并 带 动 其 动 模 板 与 定 模 板 沿 分 型 面分 开 ， 利 用 顶 出 机 构 把 塑 件 从 模 具 内 顶 出 ， 完 成 注 射 成 型 的 全 过 程 。2.2 热 塑 性 塑 料 注 射 成 型 过 程 及 原 理2.2.1 进 料 阶 段将 塑 料 放 入 注 射 机 料 斗 中 ， 由 螺 杆 或 柱 塞 将 定 量 的 塑 料 推 入 注 射 机 料 筒 内 。2.2.2 预 热 阶 段塑 料 在 保 持 一 定 温 度 的 料 筒 内 预 热 并 成 粘 稠 状 态 。 料 筒 的 温 度 一 般 为30 -802.2.3 合 模 阶 段模 具 沿 分 型 面 可 分 为 定 模 部 分 和 动 模 部 分 。 安 装 时 定 模 以 定 位 圈 或 浇 口 套 与注 射 机 定 模 板 上 的 定 位 孔 配 合 并 将 定 模 部 分 紧 固 在 定 模 板 上 ， 动 模 则 紧 固 在 注 射机 动 模 板 上 ， 待 塑 料 预 热 到 粘 稠 状 态 时 ， 注 射 机 的 锁 模 机 构 推 动 其 动 模 将 动 模 与定 模 锁 紧 合 模 。2.2.4 注 射 阶 段当 模 具 合 模 后 ， 启 动 注 射 机 液 压 缸 中 的 活 赛 ， 推 动 料 筒 中 的 螺 杆 ， 并 以40-130Mpa的 压 力 ， 将 注 射 料 筒 中 已 加 热 成 均 匀 熔 融 的 塑 料 ， 通 过 料 筒 喷 嘴 和 定 模 部分 的 浇 口 套 及 浇 道 系 统 注 入 定 模 与 动 模 锁 紧 后 组 成 的 型 腔 内 。2.2.5 保 压 阶 段塑 料 充 满 型 腔 后 需 保 持 一 定 时 间 的 注 射 压 力 ， 并 使 型 腔 内 有 足 够 的 压 力 ， 以对 塑 料 收 缩 时 行 补 料 ， 使 塑 件 密 实 ， 同 时 塑 件 在 模 内 冷 却 定 形 。2.2.6 开 模 卸 件 阶 段燕山大学工学学士学位论文6塑 件 在 模 具 型 腔 中 冷 却 硬 化 到 一 定 强 度 后 ， 注 射 机 的 锁 模 机 构 松 压 并 带 动 动模 板使 动 模 与 定 模 沿 分 型 面 分 开 ， 开 启 模 具 。 并 由 注 射 机 上 的 顶 出 机 构 ， 推 动 动模 部 分 的顶 出 系 统 ， 将 塑 件 从 模 具 内 顶 出 即 可 卸 下 塑 件 。经 过 上 述 六 个 阶 段 后 ， 即 可 制 成 塑 件 。 依 此 循 环 下 去 可 成 都 市 批 量 生 产 。2.3 料 筒 的 预 热塑 料 粉 粒 注 入 料 筒 后 的 温 度 应 是 逐 步 上 升 的 ， 范 围 为30 -80 。 最 终 达 到 粘 稠状 态 。 一 般 的 注 塑 机 从 前 到 后 共 分 四 段 。 本 设 计 中 前 三 段 温 度 达 到60 ， 设 定 第 四 段的 温 度 为 60 -80 ， 为 了 让 每 段 的 温 度 都 保 持 在 各 自 的 范 围 内 ， 对 每 个 加 热 圈 都进 行 闭 环 控 制 ， 利 用 热 电 偶 作 为 传 感 元 件 ， 用PID 数 字 调 节 器 对 电 热 圈 进 行 控 制 ，调 节 导 通 的 半 波 个 数 来 控 制 电 热 圈 的 功 率 使 温 度 保 持 在 规 定 范 围 内 。 流 程 图 如 图2-1。 * S 颫 图 2-1 用 单 片 机 控 制 电 热 圈 工 作Fig.2-1 resistance coil works under the control of 8031 singlechip2.4 小 结本 章 主 要 介 绍 了 注 塑 机 的 工 作 原 理 、 成 型 过 程 和 成 型 工 艺 。 对 料 筒 的 预 热 进行 了 详 细 介 绍 。 为 更 好 的 设 计 注 塑 机 的 温 度 控 制 系 统 打 下 了 良 好 的 基 础 。第 1 章绪 论7结 论注 塑 机 的 温 度 控 制 控 制 系 统 已 经 设 计 出 来 了 。 此 温 度 控 制 系 统 具 有 价 格 低 廉 、简 单 、 灵 活 、 易 维 护 等 特 点 。本 设 计 所 用 器 件 都 是 一 些 价 格 较 低 的 器 件 ， 所 以 从 整 体 来 说 价 格 低 廉 ； 由 于系 统 每 个 部 分 都 具 有 独 性 ， 所 以 当 其 中 一 个 器 件 损 坏 时 ， 只 需 更 换 此 器 件 ， 对 其它 元 件 是 没 有 影 响 的 。 所 以 此 系 统 维 护 起 来 非 常 简 单 。在 工 业 生 产 中 ， 温 度 是 常 用 到 的 主 要 被 控 参 数 。 例 如 ： 在 冶 金 工 业 、 化 工 生产 、 电 力 工 程 、 机 械 制 造 和 食 品 加 工 等 领 域 中 ， 人 们 都 需 要 对 各 类 加 热 炉 、 热 处理 炉 、 反 应 炉 和 锅 炉 中 温 度 进 行 监 测 和 控 制 。 采 用 单 片 机 来 对 它 们 进 行 控 制 ， 不仅 具 有 控 制 方 便 、 简 单 、 灵 活 等 特 点 。 而 且 可 大 副 度 提 高 被 控 温 度 的 指 标 ， 从 而大 大 提 高 产 品 的 质 量 和 数 量 ， 因 此 单 片 机 对 温 度 的 控 制 已 广 泛 应 用 于 工 业 生 产 中 。本 设 计 采 用 的 器 件 都 是 一 些 很 基 本 的 器 件 。 根 据 生 产 过 程 的 实 际 情 况 ， 我 们可 以 选 择 更 合 适 控 制 指 标 的 硬 件 系 统 。 例 如 ： 在MCS 51基 础 上 研 发 的 AVR系 统 单 片机 ， 它 具 有 很 高 的 运 算 速 度 。 它 里 面 具 有 快 速 存 取RISC存 储 器 ， 传 统 的 基 于 累 加 器的 结 构 需 要 大 量 的 程 序 代 码 以 实 现 累 加 器 和 存 储 器 之 间 的 数 据 传 输 。 在AVR单 片 机 中 ，可 以 避 免 传 统 的 累 加 器 和 存 储 器 之 间 的 数 据 传 输 造 成 的 颈 瓶 现 象 。 所 以 它 常 用 在实 时 性 要 求 高 的 场 合 。因 此 在 不 同 的 场 合 ， 不 同 的 时 间 ， 系 统 都 需 要 选 择 最 合 适 的 器 件 ， 以 更 好 的适 应 控 制 的 要 求 。燕山大学工学学士学位论文8参 考 文 献1 陈 万 林 .塑 料 模 具 设 计 与 制 作 教 程 .北 京 :北 京 希 望 电 子 出 版 社2 彭 建 声 .模 具 技 术 问 答 .北 京 :机 械 工 业 出 版 社3 编 写 组 .塑 料 模 具 设 计 手 册 .北 京 机 械 工 业 出 版 社4 丁 化 成 .AVR 单 片 机 应 用 设 计 .北 京 :北 京 航 空 航 天 大 学 出 版 社5 朱 晓 强 ,姚 志 石 .8096/8098 单 片 机 原 理 及