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博客

   

解析挤出、注塑成型控制技术!

随着工业化技术的发展和人民生活水平的改善,人们对塑料制品种类和质量的要求日益提高。深入研究塑料成型装备及其相关控制技术,从而克服制品中的缺陷,提高制品质量,对于塑料成型技术的提高具有重要意义。在塑料成型装备中,挤出与注塑两种成型设备的使用最为广泛,因此本文对这两种装备的控制技术进行了较为详尽的介绍。

挤出成型设备的控制

1、挤出成型对控制系统的需求

(1)节能。在挤出成型过程中,能量的耗费大部分用于熔融树脂和驱动电动机。热能包括螺杆旋转产生的摩擦热和机筒加热器的热能两部分。随着能源供应的日趋紧张,研究开发具有高效节能的挤出成型设备显得十分必要。

(2)稳定性。挤出成型工艺的稳定性包括制品的质量稳定性和尺寸稳定性。对于片、膜及管等形状简单制品的尺寸测量,可通过性能优良的传感器和计算机直接进行测控。而对于形状复杂的异型材制品,由于直接测定尺寸十分困难,因此必须要求生产过程本身保持稳定。为此,研究开发挤出成型设备所用的高精度和高稳定性控制系统十分必要。

2、精密挤出成型控制系统的设计

挤出控制系统需要对整个挤出过程的工艺参数,如熔体压力及温度、各段机身温度、主螺杆和喂料螺杆转速、喂料量、各种原料的配比以及电机的电流电压等参数进行在线检测,并采用闭环控制技术。

挤出控制系统的设计包括:主控制器的选型、接口电路设计、驱动与放大电路设计、人机界面设计(HMI)以及控制算法软件设计等。根据精密挤出成型控制要求与特点,主控制器可选用PCC2003可编程计算机控制系统。可编程计算机控制器集成了可编程逻辑控制器的标准功能和工业计算机的分时多任务操作系统功能,能方便地处理开关量p模拟量及进行回路调节。其硬件具有独特新颖的插拔式结构,可使系统得到灵活多样的扩展和组态。软件也具备模块结构,系统扩容只需在原有基础上叠加应用软件模块,同时具有高级语言编程功能,并可以根据需要采用多种语言混合编程。精密挤出成型过程控制系统框图如图1所示。

图1. 精密挤出成型过程控制系统框图

在图1中,CPU模块为CP476,带有1个RS232接口以及1个CAN(Control Area Net)接口。其指令周期为0.5us,内置硬件狗功能。接口组件包括模拟量输入模块、模拟量输出模块、数字输入输出混合模块、温度模块及通信接口模块等。

注塑机控制

1、精密注塑机的闭环控制技术

(1)精密注塑控制的特点。与常规注射成型相比,精密注塑成型对成型参数的重复精度要求更高。因此,精密注塑机宜采用多级反馈控制。这种多级控制包括:感应式位移控制或时间控制的10级射胶闭环注射系统,多级保压时间、压力和速度控制,以及螺杆温度智能PID控制等。

另外,螺杆及喷嘴温度控制更精确。即升温时超调量小,使得温度的波动较小。对于常规控制,双位控温超调量为25~30℃时,螺杆计量引起的温度波动为4℃以上,而同样条件下精密注塑机的控温精度在±0.5℃以内。

液压油温控制精度更高。工作油温的变化会引起粘度的变化,使进入各执行机构的流量发生波动,引起启闭模速度、注射速度和螺杆转速不稳定,同时也会导致压力波动。对一般小型注塑机而言,在没有油温调节的情况下连续工作5h,油温会升高28℃,系统压力会升高0.19MPa,换算成对流道聚合物熔体的保压压力约为1.9~2.9MPa,从而必将影响到制品的尺寸偏差。为了防止这种情况的发生,精密注塑机采用了加热冷却的闭环装置,以此可将工作油的油温稳定在50~55℃。

模具温度控制更严,制品尺寸精度受模具温度的影响很大。不同材料制品的厚度不仅受冷却时间的影响, 而且受模具温度的影响。若冷却时间相同,模具型腔温度低,则制品的厚度相对较大。

基于精密注塑控制的上述特点,精密注塑机的控制系统要比常规注塑机复杂得多,它需要实现压力、速度等参数的全闭环控制。

(2)闭环控制原理和特点。闭环控制的原理如图2所示。从图中可以看出,闭环控制的起点是测量目标变量,由一个与目标变量相对应的传感器对目标变量进行检测,产生一个与目标变量成正比的输出,通常为电压、电流信号或模拟信号。这一信号反馈给闭环控制器并与设定值进行比较,当目标变量偏离设定值时,闭环控制器会产生附加控制信号,通过执行机构对控制对象进行调整,从而使目标变量与设定要求趋于一致。在上述过程中,闭环控制还可以消除不同的干扰量对控制对象的影响,从而进一步提高了控制精度。

闭环控制系统具有如下特点:系统输出信号对控制作用有直接影响;有反馈环节,并应用反馈作用来减少系统误差,以使系统的输出量趋于预定值;当出现干扰时,包括内扰和外扰,可以减弱其影响;系统可能出现不稳定,因此存在温度性校核问题(稳定判据)。

2、超高射速注塑机的控制技术

超高射速注塑机比传统的注塑机具有更高的注射速度,一般可以达到1000mm/s以上。如此高的注射速度,可为注塑加工及注塑产品带来以下好处:

(1)加工中极高的剪切速度,使得塑料的黏度下降,以此容易实现超薄成型以及减少制品的扭曲、翘曲变形。

(2)可减少表面的流纹与熔合线,从而提高制品表面光泽以及熔接部位强度,并防止冷却变形。

(3)缩短注射周期,提高注射效率和节能效果。

为了实现超高速注射,需要采用一些特殊的方法。例如,将高性能的直线电机用在全电动注塑机中,可使注射速度达到超高速状态。或者,在液压注塑机中采用超高速响应和高精确的大容量蓄能器,以及快速响应的伺服阀或比例阀,能够满足超高注射速度要求。

目前,后一种方法已经得到了工业应用,如INEWELL MACH INERY公司的SW2HSB系列、SUMITOMO公司的SE2HY系列以及BMC公司的FT2260BMC型等超高射速注塑机,都采用了这种方法。图2显示了超高射速注塑机的液压系统结构。

图2. 超高射速注塑机的液压系统结构示意图

3注塑机节能控制技术

进入21世纪以来,随着塑料工业的发展,注塑加工商对注塑机的节能与环保的要求日趋提高,使得注塑机节能控制技术受到普遍的重视,围绕节能控制技术的研究也因此有了较快的发展。可以说,节能化已成为当前注塑机发展的一个重要方向。

(1)比例变量泵系统。采用阀泵结合的负载敏感控制原理, 尽管可消除应用定量泵与三通压力流量比例阀造成的所有与流量有关的能量损失,但因比例节流阀存在固定的工作压差, 导致仍存在较大的节流损失,特别是在高速阶段, 这一损失更加显著。

为了解决这一问题,需要采用压力、流量直接闭环控制的高响应变量泵作为动力源,使常规的节流调速系统转变为比例变量调速系统,从而实现注塑机液压系统由阀控向泵控的转变。

比例变量泵系统简化的回路原理如图3所示。这一系统改变了常规的比例控制方法,由定量泵+PQ 比例阀系统转变为比例变量泵系统,其核心的控制元件采用了兼具比例压力、比例流量和负载压力反馈等多种复合控制功能的负载敏感型比例变量柱塞泵。

图3. 比例变量泵系统原理图

比例变量泵系统与普通定量泵+PQ比例阀系统相比较,节能效果明显,同时可使相同功率机器的注射速率得到提高,且系统发热降低。但变量泵对油的清洁度要求较高,工作噪音也较大。

(2)变频液压控制系统。变频液压控制技术的节能原理是,通过变频器对定量泵电动机进行转速调节,实现对于注塑机液压系统的工作流量的实时控制,使得定量泵输出的流量刚好满足注塑工艺要求的流量,从而基本达到无溢流损耗的目的。

目前,变频液压注塑机的动力源主要采用两种变频驱动方式:一种是,普通异步电动机通过变频调速与定量泵组成动力源;另一种是,用高响应的交流(AC)伺服电动机驱动定量泵作为动力源。

采用第一种节能控制方案的注塑机控制系统如图4所示。在该方案中,注塑机专用变频器通过获取比例流量阀、比例压力阀的电流控制信号及注塑机工艺流程信号来控制电机的转速。

图4. 变频液压调速控制系统

结语

我国塑料机械工业经过20多年的发展取得了长足的进步,大大小小的塑料机械制造企业已达数千家。一些国内塑料机械企业抓住了近年来的大好时机,实现了跨越式发展,不仅占据了国内的较大市场份额,而且还有相当数量的产品出口到国外。

然而,就整体技术水平而言,我国塑料机械与国外发达国家的差距仍很大。塑料加工装备的水平在很大程度上取决于测控水平的高低。国外先进塑料机械的控制系统普遍采用了以可编程序逻辑控制器(PLC)等为核心的控制系统,并在一些高精度生产装备上采用了模糊控制、统计过程控制(SPC),以及基于网络的远程监控、故障诊断等技术,而我国在这方面还存在较大的差距。因此,在我国,研制开发新一代的基于智能控制技术的塑料成型设备将会带来很高的经济效益和社会效益。