基于PLC一体化注塑机的结构设计与仿真研究10000字【论文】

.3应用价值应用及前景在世界能源危机出现之后，由于塑料良好的物理性能和化学性能，并且可以和除塑料以外的金属，玻璃，木材等等进行良好的配合。更因为如此优秀的性能，可以替代其他材料，而不仅仅与其进行配合。石化工业的发展越来越蓬勃，新型生产材料也喷涌而出，但是因为塑料的原料来源更加简便丰盛，可以保证原料的供应。原料解决后，有需求才有供应，行业需求量的增加和质量要求越来越高，也促进了注塑机的发展，传统注塑机被一体化注塑机替代，自动化代替人工。一体化注塑机是现代工业化的一个部分，根据我国国情，自动化的发展是国家重点项目。塑料制品出现在人们生活的方方面面，应用更加广泛，为了解决能源问题，所以我们国家极力促进将塑料替代金属、木材的进行。因此，注塑机的推广和发展是势在必行。塑料制品将替代非塑料制品，成为生活最佳品，注塑加工发展前景不可限量REF_Ref28050\w\h[3]。第二章总体设计2.1系统运行方式运行有手动和自动的形式，手动是通过人工参与注塑机的运行，一步步通过人机互动使注塑机按照设定的程序进行运作。自动则是进行开启之后，不需要与注塑机的互动，注塑机直接在你所编辑完成的程序按部就班的运行。手动比起自动极大浪费了人力，人工向自动发展是必要的。经过合理的构思，本设计采用自动方式运行，手动作为辅助。当注塑机产生故障或者需要修改某个参数的时候可以用手动进行操作。2.1.1工艺流程:一体化注塑机实物图为图1-1，注塑机结构图为图1-2，帮助我们了解一体化注塑机的设计REF_Ref28178\w\h[4]。图1-1注塑机实物图图1-2注塑机结构图1.上料，将分位排序完成的原料运送到注塑机主体工作台上，机器代替人工完成。2.将原料通过漏斗进入料筒，料筒加热，原料融化后用螺杆送到喷嘴。喷嘴注射到模具，经过一段时间，冷却定型。最后由装置顶出。主要在注塑机完成，工艺过程为:

（1)合模，液压推动动模板到一定位置接触定模板。模板先快后慢，前面是低压最后高压锁定。

（2)注射，液压推动料筒，喷嘴接近定模板，马达提供动力螺杆旋转，喷嘴注射出原液进入模具。

（3)保压，注射结束之后，液压持续保持推力防止原液流出。等待原液温度下降定型，需要维持一段时间。（4)开模，一段时间后，液压向后移动与合模动作相反，速度先慢后快，最后停止，主要是到原始位置。

（5)顶出，顶出主要是将成品顶出，这一部分也是液压的工作，用光电传感器测试是否完成，预防压坏成品。3.下料，非常简单就是将成品移动出来，成品最后到箱子里面。4.设计参数料筒温度：120~350℃本设计会根据模具的不同，选择不同的注射量，由螺杆的位移进行注射量的调节，在人机互动上呈现的是不同模具对应的标识REF_Ref28276\w\h[5]REF_Ref31633\w\h[6]。2.2系统总体框图2.2.1模拟量采集模块通过温度、压力、位移传感器将模拟量采集之后，传送到PLC控制器中进行分析操作，由控制器下达命令，执行驱动部分开始执行操作。模拟量需要设备将模拟量转化，方便控制器理解和分析操作。2.2.2数字量采集模块数字量主要是光电传感器和开关等I/O量收集起来，让控制器进行分析，并帮助执行驱动部分操作。数字量采集比起模拟量少了一个步骤，就是不需要转化模拟量。2.2.3执行驱动模块执行驱动部分主要是电机和液压装置进行操作，由控制器下达命令，进行运作。如果执行是发生故障，控制器就会发布停止信号，执行就停止。2.2.4人机互动模块人机互动就是将参数显示在工人面前，通过手动方式进行设置和调整；诊断注塑机的运行状态，如果产生故障可以及时停止，进行修复。第3章硬件部分设计3.1PLC选型根据本设计的要求，结合我们机器的工作地点。在众多可编程程序控制器中选择PLC，PLC具有比较高的稳定性，可靠性，容易操作和结构简单等优点，最主要是编程方便，处理数据的能力比较厉害。在众多PLC的型号中，根据性价比和设计要求选择了西门子S7200作为控制器REF_Ref28276\w\h[5]。优点是容量较大，运算较快，性价比高，最重要的是拥有扩展机架的扩展能力，可以增设模块，用来满足本身的一些缺陷。本设计中，我们就采用了扩展模块，跟扩展模块进行组合满足设计要求，用来采集模拟量的信号。根据要求的I/O点数量，数字量输入/输出是34和21个。但是自带的不够只有24和16个。所以，需要1个EM221-I16增加16个输入点。还有1个EM222-TQ8加入8个输出点，组成了足够的输入/输出点。因为我们选用的PLC不带有模拟量的输入通道，所以我们需要安装一个扩展模块，将我们需要的压力，位移，温度等模拟量进行输入REF_Ref28723\w\h[7]REF_Ref28733\w\h[8]REF_Ref28736\w\h[9]。模拟量为三种，只需要带有四路扩展模块就可以担任这项工作。EM231就恰恰好完成了这个需求，这个扩展模块适合复杂的运算，内置12位A/D转换器和4路模拟量输入，运用时进行合理化的设置。3.2温度传感器一体化注塑机需要进行多段温度的测量，如果按照传统方式进行测量就会造成测量的成本上升，精确性也下降。为了电路更加简便和稳定性增加，我们选择温度传感器+多路温度巡检仪的结构。

本设计采用0-400℃的K型热电偶来采集数据，信号传送迅速，极大方便了我们的操作，还具有其他优点：精度不错，直接接触原液，测量准确。只有两根金属丝，操作极其容易。温度多路采集使用XMTJ812D八路温度巡检仪，多点巡回检测温度信号，将信号进行滤波、放大，由485总线传输给控制器。所以我们采用XMTJ812D八路温度巡检仪作为我们温度巡检仪测量温度信号。其主要参数如表3-1所示。表3-1XMTJ812D八路温度巡检仪温度传感器分别安装在料筒周围，成为环绕式安装在料筒的内壁，因为K型热电偶可以在0℃-400℃使用，本设计要求的温度在测量范围之内，所以可以设计在料筒内壁测量温度。温度传感器信号传递路径图如图3-1所示。图3-1信号传递路径3.2位移传感器一体化注塑机控制系统需要对开/合模装置位移进行检测，方便我们对开/合模装置的位置进行观测，可以帮助调节开/合模装置位置的控制REF_Ref28860\w\h[10]。本文采用直线位移传感器检测开/合模装置位移，因为位移的检测不需要特别复杂的结构，只需要检测位置，采用最简单的直线位移传感器就可以满足需求。所以我们选用LT-M-0200-S直线位移传感器，具有容易安装，操作简单，方便检测的优点。LT-M-0200-S直线位移传感器其参数如表3-2所示。表3-2LT-M-0200-S直线位移传感器一体化注塑机中将位移传感器安装在动模板之上，用来测量与支座之间的距离，确定动模板的位置，进行开/合模距离的测量。3.3压力传感器一体化注塑机控制系统中同时需要对模腔压力进行实时监控，防止因为压力过大或者压力太小而造成开合模过程发生问题。

PT124B-123

是一种电阻应变式压力传感器，可以将压力的变化转换为电阻的增减REF_Ref28955\w\h[11]REF_Ref28945\w\h[12]。尤其对压力的变化极为敏感，一点点的压力变化都可以及时反应过来并表现在电阻上。主要参数如表3-3所示。表3-3PT124B-123

参数一体化注塑机的压力传感器安装在定模板之上，用来测量动模板与定模板之间的压力值，帮助开/合模确定压力，实现工艺流程中的保压过程。同时确保其他工艺流程的进行成功。3.4光电传感器一体化注塑机在顶出过程中，需要检测工件是否与机械本体分离完成，所以采用光电传感器检测工件是否已经与机械本体分离。它具有结构简单，操作方便，灵敏度高，容易安装的优点。因此,光电式传感器在工件检测和控制中应用非常广泛。本设计我们采用对射型光电传感器，由一个发光器和一个收光器组成开关，因为可以使发光器和收光器分离，检测的距离可以自己调节，简称对射式光电开关。分别装两侧，成品通过时是否挡光可以用来检测是否脱离机械本体。我们采用了型号为GD18/GV18/115/120的对射式光电传感器，因为这个型号的光电传感器价格实惠、容易操作、方便调节。GD18/GV18/115/120对射式光电传感器实物图3-2。图3-2光电传感器实物图

3.5执行驱动一体化注塑机的驱动方式可以分为：1电机驱动；2液压驱动；3气压驱动；4内燃机驱动。注塑机主要设计的就是注塑成型部分，注塑成型部分选择的驱动方式，是整个设计的重点。注塑成型部分因为保压的工艺流程，需要压力在一段时间内保持不变，根据上述选择，综合考虑。气压驱动噪声大，平稳性差所以排除。根据设计，如果是全液压驱动精度较低，不利于注塑机运行。所以在液压驱动的前提下与电机驱动进行了结合，比全电机驱动节省成本REF_Ref29092\w\h[13]REF_Ref29098\w\h[14]REF_Ref29105\w\h[15]。螺杆还需要选择一种驱动方式提供自身旋转的动力，电机驱动和内燃机都可以进行选择。因为内燃机驱动的污染较大，不利用环保，所以电机驱动是最佳选择。螺杆需要同一方向旋转，液压马达就可以提供动力，绿色环保REF_Ref29735\w\h[16]。驱动方式主要为注塑成型提供动力，液压驱动和电机驱动是本设计采用的驱动方式，上料和下料由机器人接手，不是我们设计重点。3.5.1电机电机驱动选为伺服电机，负责控制部分，可以实现一个伺服电机控制液压运动，精度较高，实现了闭环控制，并且更加准确实现了位移的移动。而且运行特别平稳，噪音污染也比较少REF_Ref29239\w\h[17]，REF_Ref29823\w\h[18]。采用伺服电机的优点有：1.反应快。比起之前的注塑机，其响应速度大大提高，不仅提高重复精度，且位置精度也提升不少。

2.节能减排。异步电机五分之四，伺服电机的效率高出不少，更加节约能耗。并且节水节油，节约一半以上。

3.污染小。动力系统噪音大，伺服电机和齿轮泵组合噪音就小，注塑机噪音也特别少。3.5.2液压元件液压驱动负责传动执行，使用液压管道、执行油缸以及换向阀、定量泵等REF_Ref29879\w\h[19]。开/合模、注射、顶出、射台移动几个动作交替执行，通过调节伺服电机的转速和转矩来控制各个阶段的流量和压力。为了实现液压控制，需要溢流阀，顺序阀和油箱等等。至少存在有两个好处：节省成本。不用需要过多的伺服电机，只需要一个，大大节省了成本。惯性力小、响应快、可靠性较高，具有自润滑特性，使用寿命比较长。液压元件图3-4。表3-4液压元件3.6I/O分配表3.6.1输入数据根据数字量输入点的数量，给开关或者工艺位置分配PLC输入地址，还有电路设计输入地址分配如表3-5所示。表3-5输入地址工艺位置数字量输入地址分配如表3-6所示。表3-6输入地址分配3.6.2输入电路根据开关状态和工艺位置数字量输入点的PLC输入地址分配，设计输入电路，输入电路3-3:每个地址都是常开开关，方便人们理解清楚各个开关与控制器的关系。

I0.0与Q0.1相关，Q0.1代表主电路，上电时Q0.1闭合，I0.0得电。I0.1与1K0有关，1K0是继电器，代表开车，上电时1K0闭合得电

:

I0.2为按钮，当故障发生时按下按钮，I0.3置1，报警取消，人工找地点原因:

I0.3、I0.4、I1.7

与传送带电机、工作台电机、项出装置电机的交流接触器KM1.

KM2、KMI3

有关，I0.3、I04、I1.7闭合得电:

I0.5-I0.6与YVI-YV7电磁阀有关，I0.5-I0.6闭合得电:

I2.0-I4.2与开关有关，开关闭合得电。包括行程开关和一个光电效应开关。图3-3输入电路（1）图3-3输入电路（2）图3-3输入电路（3）图3-3输入电路（4）图3-3输入电路（5）3.6.3输出数据根据数字量输出点的配置，分配PLC输出地址，设计PLC输出电路图。数字量输出地址分配如表3-7所示。表3-7输出地址分配3.6.4输出电路输出电路就是控制器的每个引脚关联到的元器件，清晰的把关系展现在我们面前。Q0.0和Q0.1与继电器1K0和1K1相关,表现为指示灯，指示灯的亮灭与开/停车和故障报警息息相关:

Q0.2、Q0.4和Q2.1与继电器1K2、1K4、1K17相关.

实现料斗和机械手友好互动:

Q0.3、Q0.5和Q2.0与继电器1K3、1K5、1K16相关，

就是对应电机，实现传送带电机、工作台电机、顶出装置的启停控制:

Q0.6-Q1.7与继电器1K6~1K15相关，对应就是电磁阀的启停:

Q2.2-Q24

与继电器1K18~1K20相关，1K18~1K20为固态，实现料筒是否加热。PLC数字量输出电路如图3-4所示图3-4输出电路（1）图3-4输出电路（2）图3-4输出电路（3）3.6.5通信接口设计上面的电路是控制器与执行元件之间的交流，那一定离不开通信接口，通信接口就是为此服务。通信接口的选择主要是看总线选用上面，我们的总线选用了485总线。是我们生活中最为常用的总线，因为总线的普遍性，所以与元件就有着良好的适配性。通信接口是一条线，有两端，分别是连接我们选中的巡检仪和上位机，其中上位机是我们的人机互动的界面。我们通过通信接口让PLC与其他器件进行沟通，在拥有总线的情况下其中Port0口可以连接上位机，Portl口可以与巡检仪连接REF_Ref29980\w\h[20]。Port0口：用485总线当桥梁，上位机与控制器信号可以来回传递，控制器默认的数据通讯在人机互动界面上显示出来。人机界面主要就是系统的运行情况，是否发生故障，是否需要开始、停止，我们都可以通过人机界面观测了解。(2)Portl口：巡检仪和PLC因为Port1口数据信号可以畅通无阻的交流，中间也有总线的功劳。因为Portl口和总线，巡检仪的温度数据才能以最快的速度到达控制器。第4章软件部分设计4.1主程序流程图主程序相当于作文的大纲，起着主导作用，想要编写别的程序一定是在主程序进行编写。经过上述内容我们知道要采集三种模拟量和一种数字量，因为数字量比较好采集，所以重点是三种模拟量。需要采集的信号确定之后，我们要为信号设计范围，不在范围之内就会产生故障，故障报警安排一下。程序如果要开始一定要初始化，初始化必须在首位。初始化之后，信号采集需要时间，上电延迟要存在一个。信号采集好了那就看一下逻辑通畅，如果通畅，只需要排除是否有故障了。存在故障一切回到原点，不存在故障时，我们主程序也进入结束了。然后开启下一次。主程序流程图如图4-1所示。图4-1主程序4.2初始流程图初始流程图的意义就是将信号还原成本来面目，信号经过一系列操作，转化成不同样子。我们需要一个程序专门将乱七八糟的信号还原成最初，让信号可以进入下一轮的程序的运行。所以初始流程图就包含存储器、定时器、寄存器的复位和初始参数设定。当然了程序不仅仅有之前的，还有关于信号是通过哪种方式运行也归初始程序。初始化程序流程如图4-2所示。图4-2初始化4.3压力流程图压力传感器主要作用在保压之中，保压需要压力不变坚持一段时间，压力传感器则是检测压力是否保持的重要器件。这个程序之中不仅仅是压力，还包括了位移，位移主要就是位移传感器测量，因为安装距离较进并且采集的信号都是模拟量，所以将压力与位移合并到一起，方便我们编写程序。模拟量一定要经过A/D转化，我们通过传感器将信号收集起来以后经过转化成数字量存放到寄存器中。A/D转化的步骤在设计时应该排在前面部分。只要是程序一定要有初始程序，因此，我们先进行初始化，其次将信号转化，转化之后方便读取，我们就进行读取分别装在不同的地址之中。其中压力为AIVO.位移为AIV2。起始位置压力为VW200，位移为VW202.压力/位移流程如图4-3所示。图4-3压力/位移4.4料筒温度流程图温度采集程序PLC控制器与温度巡检仪XMTJ812D之间的信号往来，巡检仪将不停巡回得到的信号快速传递到控制器里，控制器得到信号之后立即对信号进行分析，看信号是否在我们设定的数值区间内，如果是，那万事大吉，如果不是，我们就要发生故障，系统将停止。信号的传递是通过RS485串行总线，信号从巡检仪出发到控制器停止，中间是串行总线。程序包括初始化模块MBUS_

CTRL和读写MBUS_

MSG两个程序模块REF_Ref30215\w\h[21]，REF_Ref30222\w\h[22]。

温度巡检仪同样方式采集温度，我们需要了解一次就等于了解另外两次，拿第一次举例子。温度初始化程序模块如图4-4所示。图4-4温度4.5故障报警程序PLC控制器除了对外界发布命令，也对本身进行信息采集，一旦信号代表的含义不是安全的时候，就是发生了问题，以至于不能正常进行工作，也就是发生了故障。发生问题之后机器就不可以继续运行，控制器就会中断自身的运行，并发布信号通知管理人员，让管理人员对自己进行修复。发生故障主要是机器一些数值超越了我们给注塑机设定的尺度，如果继续运行整个机器可能就会报废。设定数值是对注塑机更好的保护。当一些信号超过或低于设定的数值区间时，系统自动关闭。无论是真的故障还是压力、温度，只要有一项超过或低于设定的数值空间，系统直接结束运行REF_Ref30398\w\h[23]REF_Ref30405\w\h[24]。我们在程序中设置M3.1、M3.2、

M33、M3.4分别作为控制器故障、接触器合闸故障、温度越限、压力越限的标志位，出现1时，代表发生相对应的问题，故障报警程序流程图如图4-5所示。图4-5故障4.6人机交互界面用来提供参数设置、状态显示、在线诊断、故障处理等功能。人机互动就是将参数显示在工人面前，通过手动方式进行设置和调整；诊断注塑机的运行状态，如果产生故障可以及时停止，进行修复。合模，合模主要是动模板在控制器的控制之下，向定模板运动。此时由位移传感器检测距离，传送到控制器，直至动模板与定模板接触，合模完成。射模就是注射，在合模完成之后，由压力传感器开始监控，保持压力不变。温度传感器发挥它最大的功效，检测温度是否可以使塑料原料通过喷射，进入模具之中。液压提供压力，注射进行。螺杆旋转，把熔融状态下的塑料送到模具之中。保压中起到重要作用的是压力传感器，实时检测。这个过程主要是让熔融状态下的塑料原料保持在一定形状的模具之中，经过一段时间使塑料原料冷却。要保证定模板与动模板紧紧贴合在一起。这个过程是设计的重点和难点。冷却就是承上启下，塑料原料的必经之路。需要的就是时间，这个过程压力传感器，液压驱动的优点显现出来，这个过程只有液压驱动可以办到。开模是代表进入了最后的阶段，这个过程中主要需要位移传感器发挥作用。模具分离到最初位置的过程，位移到限定位置后停止。顶出是最后一步，顶出完成代表注塑机工作结束。这个过程主要由光电传感器检测是否顶出完成，如果成功进入下一循环，如果没有则需要人工进行干涉，帮助机器完成工作。第5章系统调式与实验5.1系统调试5.1.1硬件调试硬件就是一些我们可以在生活中可以见到的一系列事物，看得见，摸得着。所以对硬件的调试相比较于软件来说，更加得心应手。硬件首要是电路，要保证电路的顺畅，不会出现一些漏接，多接等问题。其次，是电器件，电器件因为比较小，所以安排在第二部观测。电器件主要是会有短路，断路之类的，万用表就派上了用场，用万用表检测电器件是否连接完善。以上检查如果没有问题，打开总电源进行硬件的观察。如果机器顺利运转则代表硬件大体是成功了。如果没有，甚至出现更严重状况，立即关闭总电源。这也代表着刚刚的检测不够完善，需要我们再次认真检查一遍线路。完毕后，第二次尝试运行，成功继续、失败重启。直到硬件部分完美呈现。5.1.2软件调试软件与硬件相比是看不见，摸不着的，我们需要电脑的帮助，将软件放到我们眼前。软件主要就是运行过程之中存在了逻辑错误，程序没有办法顺利运行。所以我们需要将错误挖掘出来，分段对程序检测，观察每一小段程序，最终把问题找到。知道问题之后当然是解决问题，重新编写程序，放入总程序运行。一次不行就两次，直到问题解决，程序完美运行。软件中的程序除了在程序之中，还有些是在开头和结尾，寻找问题时，不能将它们放到一边，只顾中间。无论问题出现在哪，程序运行成功是最大的要求。不同错误不同方法，一切为了运行成功。第6章结论一体化注塑机的发展是跟随时代改变而不断是更新，传统的注塑机已经满足不了人们的需求。通过这次设计了解到注塑机的重点是温度和各个部分的配合。本设计的一个难点就是上下料与注塑机的配合，一体化注塑机不仅仅是注塑机本体就可以完成的。需要上下料中各个机器协助，而一体化就是体现在这种配合中。传统的注塑机在上料或者下料的时候需要人工才能完成，这也是会发生危险的缘由。比如在上下料的过程中不小心被机器弄伤，动作过快过慢了。而且传统注塑机效率低下，成品率较低，造成资源的浪费。上下料由机械接手之后安全性，可靠性大大增加。另一个难点就是注塑机的温度了，为了采集的温度精确并且实时掌控温度的变化，所以采用三段温度的收集，并使用多路温度巡检仪使温度控制更加灵活多变。一体化注塑机依靠的不仅仅是硬件，还有软件的配合，硬件通过数据口，将数据传送到软件中，通过软件的分析，进一步运行，并且反馈到触摸屏，让人更好的了解注塑机的状态并进行注塑机的运行控制。上面是设计的难点，接下来就是收获，通过这次设计最先感受到的是没有头绪，在老师帮助下查阅资料，自己整理思绪，在老师的引导下，一步步将自己的想法结合查阅的资料，整理出自己的思路。硬件选择根据资料，软件就需要主动性更强。通过这次设计更加了解到理论与实践结合的重要性，光说不练假把式，要知此事须躬行，增加了自己的动手能力，在未来的日子里，本设计带给我的感悟将更好的面对生活。参考文献冯刚,张朝阁,江平.注塑机驱动系统节能的研究现状及前景[J].工程塑料应用,2014,42(03):127-130.张友根.注塑设备智能化的研究(上)[J].橡塑技术与装备,2013,39(09):13-19.刘育.一体化注塑机控制系统的研究与设计[D].武汉理工大学,2019.陈浩.一体化注塑机伺服控制系统的研究与设计[D].武汉理工大学,2019.张磊.注塑机控制系统的研究与设计[D].湖南科技大学,2017.冯刚,王华峰,张朝阁,江平.注塑机控制系统的研究进展[J].工程塑料应用,2015,43(03):142-146.吴芹兰.PLC在注塑机控制系统中的应用[J].机械工程师,2011(03):78-80.翁嘉歆.基于PLC的精密微型注塑机控制系统的研制[D].广东工业大学,2016.姚绍雯.基于PLC注塑机控制系统设计与实现[D].电子科技大学,2014.LiKang,WenTanJiao.TheDesignoftheInjectionMoldingMachineControlSystemBasedonPLCController[J].AppliedMechanicsandMaterials,