我國注塑機控制技術(shù)及進(jìn)展趨勢

我國注塑機控制技術(shù)及進(jìn)展趨勢

    塑料注射成型機，簡稱注塑機，是我國產(chǎn)量和應(yīng)用量Z大的塑料機品種。我國自行生產(chǎn)的第一臺注塑機誕生于20世紀(jì)50年代后期，經(jīng)過50多年的發(fā)展，目前已能生產(chǎn)大部分機種。盡管如此，我們的技術(shù)水平與世界先進(jìn)國家相比還是有著不小的差距。正如我國著名的塑機專家王興天（北京化工大學(xué)教授）所說，塑機是整個塑料產(chǎn)業(yè)中Z能體現(xiàn)核心技術(shù)價值的領(lǐng)域，但在這個領(lǐng)域，我們幾乎不擁有重要的核心技術(shù)。

    注塑機的控制技術(shù)是提升注塑機整體技術(shù)水平的關(guān)鍵技術(shù)之一。注塑機的控制技術(shù)歷經(jīng)了繼電器、接觸器控制及可編程序控制器控制和計算機控制的發(fā)展過程。注塑機由于使用了計算機控制技術(shù)，使智能控制注塑工藝過程各參數(shù)達(dá)到Z佳成為可能，同時控制方式也發(fā)生了從開環(huán)到閉環(huán)的轉(zhuǎn)變。

     一、注塑過程的控制變量

    從目前的技術(shù)發(fā)展水平來看，注塑機的過程控制主要是通過對注塑過程的可控工藝參數(shù)進(jìn)行控制。

    注塑機的可控變量有兩種，一類是基本以模擬量形式的輸入變量，如料筒各段溫度、聚合物熔體溫度、螺桿溫度、模具溫度、注射系統(tǒng)壓力、螺桿轉(zhuǎn)速等；另一類是數(shù)字量形式的輸入變量，如螺桿后退停止位置、注射座前后位置、模板向前和向后運動以及超行程等。根據(jù)這些輸入變量，我們可以進(jìn)行對注塑參數(shù)和溫度的控制。

    1、注塑參數(shù)的控制

    注塑參數(shù)的控制主要有對注射速度與注射壓力的控制、PVT保壓過程控制、緩沖量控制、背壓控制等。注射速度是指螺桿向前推進(jìn)的速度，其速度快慢會影響到注射壓力、熔體流率等參數(shù)，并直接影響到制品質(zhì)量。對注射速度的控制包含兩種含義：一個是對螺桿（或柱塞）推進(jìn)物料的速度進(jìn)行開環(huán)或閉環(huán)控制。另一個是對螺桿推進(jìn)速度同時進(jìn)行位置和速度值的多級切換，稱為多級注射速度切換或控制。

    對于注射壓力的控制，傳統(tǒng)注塑機一般基于行程和時間來進(jìn)行壓力切換，其控制也包含兩層含義：一個是對螺桿推進(jìn)物料的壓力進(jìn)行開環(huán)或閉環(huán)控制。另一個是對螺桿推進(jìn)壓力同時進(jìn)行位置和壓力值的多級切換，稱為多級注射壓力切換或控制。傳統(tǒng)注塑機的這種從注射壓力到保壓壓力采用位置切換，而到保壓階段就從位置切換轉(zhuǎn)入用時間切換多級保壓壓力的控制方法，其精度和穩(wěn)定性都較差。先進(jìn)注塑機的注射壓力控制是依靠檢測模腔壓力來實現(xiàn)壓力切換的，即通過一個預(yù)先設(shè)定的程序來控制。也就是切換點的壓力值先存儲在控制系統(tǒng)中，其后轉(zhuǎn)換成邏輯控制信號，如果模腔中的壓力與設(shè)定值相同，則立即切換到保壓控制。

    現(xiàn)代注塑機的保壓控制采用精度和穩(wěn)定性較高的PVT保壓控制，即先用壓力和溫度傳感器對模腔壓力和模腔溫度及噴嘴處的物料溫度進(jìn)行檢測，并作為反饋信號輸入給控制裝置進(jìn)行“PVT”（T—模腔中物料的溫度，V—比容，P—模腔壓力）邏輯運算，再發(fā)出指令對比例壓力電磁閥進(jìn)行比例調(diào)節(jié)，從而使注射與保壓時的系統(tǒng)油壓能按PVT特性曲線的指令變化。模內(nèi)熔體的溫度是時間的函數(shù)，該溫度是通過傳感器進(jìn)行連續(xù)地檢測來獲得的。

    緩沖量控制是對螺桿頭部余料的控制，它起著緩沖與控制注塑量精度的作用。它是通過位移傳感器對螺桿位置的檢測，并根據(jù)前次螺桿位置檢測的記憶信號進(jìn)行運算后而獲得下次螺桿位置的設(shè)定值來實現(xiàn)控制的。

    螺桿在預(yù)塑時，計量室中熔體的壓強稱為背壓。背壓控制是為了減少軸向溫差，有利于熔體壓實。它是通過預(yù)選油壓的多級控制來實現(xiàn)的。當(dāng)螺桿預(yù)塑時，其在物料的作用下要后退，這就會使注射油缸腔的回油經(jīng)過背壓閥流回油箱，因此通過調(diào)整背壓閥在螺桿不同位置時的泄油壓力可調(diào)節(jié)螺桿頭部熔體的壓力（剪切熱），從而使其軸向溫差得到調(diào)節(jié)。

    2、溫度控制

    溫度控制主要包括對料筒溫度、料口處溫度、噴嘴溫度、模具溫度、油溫進(jìn)行控制。

    料筒溫度就是料筒表面的加熱溫度。料筒的溫度控制是注塑工藝的重要參數(shù)，溫度控制不好將直接影響到制品的質(zhì)量。注射料筒的加熱段一般分3~4段，通過一次儀表（熱電偶）和二次儀表對加熱電阻圈的控制與調(diào)節(jié)而形成閉環(huán)控制回路。

    料口處的溫度控制直接影響到固體料的摩擦系數(shù)和輸送效率，良好的溫控能使料筒其他部分物料的溫度得到更加穩(wěn)定地控制。此溫度是用熱電偶檢測并通過PDPI控制循環(huán)冷卻水流實現(xiàn)控制的。

    噴嘴溫度控制的好壞不僅會影響到注塑過程能否穩(wěn)定工作，而且直接影響著高溫熔體通過噴嘴時的剪切熱和剪切流動。噴嘴溫度的控制是通過熱電偶來完成的。

    模具溫度是指與制品相接觸的模腔表面溫度，它會影響充模、冷卻和保壓過程。模具溫度的控制也是通過熱電偶來完成的。

    注塑機的油溫是指液壓系統(tǒng)工作油的溫度，它對液壓系統(tǒng)的穩(wěn)定性及注塑制品質(zhì)量有著重要的影響，因而在注塑機系統(tǒng)中必須配有油溫控制裝置，通過溫度傳感器的檢測來實現(xiàn)系統(tǒng)對油溫的加熱和冷卻控制。高速機械手

     二、我國注塑機控制技術(shù)的進(jìn)展

    1、傳統(tǒng)控制方式

    傳統(tǒng)的注塑機一般采用簡單的繼電器、接觸器控制，控制方式多為開環(huán)控制，即按照預(yù)先的設(shè)定值進(jìn)行控制（預(yù)先設(shè)定好各參數(shù)值，由機器在生產(chǎn)過程中加以保持）。這種控制方法結(jié)構(gòu)簡單，但抗干擾能力差，控制精度低。

    2、可編程序控制器控制方式

    20世紀(jì)60年代末發(fā)展起來的可編程序控制器(PLC)是一種較好的控制裝置，它由中央處理單元(CPU)、輸入輸出(I/O)、存貯器、編程器等組成?？刂瞥绦蛴捎脩糨斎氲酱尜A器中，CPU以掃描工作方式按照程序判斷輸出狀態(tài)，來實施對現(xiàn)場設(shè)備的控制。

    我國對PLC控制裝置來實施在注塑機中的應(yīng)用大多是從對傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的改造開始，目前國內(nèi)的注塑機大部分采用PLC控制系統(tǒng)。采用PLC控制可以實現(xiàn)注塑機的自動化控制與調(diào)節(jié)，注射成型過程的工藝參數(shù)控制也能夠得到基本保證。PLC控制主要是利用位移傳感器等進(jìn)行動作程序和過程程序的切換，并能夠?qū)崿F(xiàn)比例壓力和比例流量控制。同時可以進(jìn)行開關(guān)量邏輯控制，也可以兼有模擬量(如溫度、壓力、流量、轉(zhuǎn)速等)的閉環(huán)控制。借助鍵盤和液晶或數(shù)碼顯示，可設(shè)定或修改工藝過程參數(shù)，并設(shè)有預(yù)警系統(tǒng)和故障顯示指示燈以監(jiān)測生產(chǎn)過程，從而大大提高了整機性能。

    由于PLC控制方式可使注塑機實現(xiàn)閉環(huán)控制，即按照在線測量值與設(shè)定值的偏差通過負(fù)反饋回路進(jìn)行控制，因此當(dāng)注射速度、注射壓力、模腔溫度、模腔壓力、熔體溫度和油壓等參數(shù)在生產(chǎn)過程中因干擾出現(xiàn)偏差時，機器可通過自適應(yīng)控制系統(tǒng)針對干擾自動進(jìn)行修正。從而使PLC控制方式較傳統(tǒng)方式的抗干擾能力及控制精度有了很大程度的提高。

    然而PLC控制方式也有其不足的地方，如它的抗干擾性、可靠性和溫度控制精度在有些時候還顯得不夠理想。對此，華南理工大學(xué)聚合物新型成型裝備國家工程研究中心瞿金平教授等人采用了新型的PLC裝置，即貝加萊可編程計算機控制器(PCC)，使液壓機械式大型注塑機得到成功的升級。這是我國注塑機控制系統(tǒng)開發(fā)的一種新思路。

    3、計算機控制方式

    采用計算機進(jìn)行控制是更為高級的控制方法，這是注塑機控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。

    目前微機控制系統(tǒng)主要有單機系統(tǒng)和多機系統(tǒng)兩大類型。單機系統(tǒng)采用單板結(jié)構(gòu)可將信息的采集、轉(zhuǎn)換和處理融為一體，其結(jié)構(gòu)由A/D、D/A、數(shù)字1/0以及比例放大器或外加比例放大器構(gòu)成。北京科技大學(xué)潘誠等人開發(fā)的一款結(jié)合了實現(xiàn)注塑機油壓系統(tǒng)的閉環(huán)控制卡和與之配套的上位機監(jiān)控軟件的系統(tǒng)就屬于這種單機系統(tǒng)，該系統(tǒng)在震雄集團(tuán)(深圳)有限公司已投入試用，效果良好；多機系統(tǒng)則采用多處理機結(jié)構(gòu)和大板式設(shè)計，可將功能進(jìn)行分配，由若干CPU獨立完成相應(yīng)的工作，如其中的一個CPU專門用于協(xié)調(diào)和傳輸有關(guān)指令，并經(jīng)過并行口和串行口傳輸數(shù)據(jù)。這兩類控制器的結(jié)構(gòu)各有特點，基本能夠滿足不同層次的需求。

    值得一提的是，陜西科技大學(xué)徐元昌等人開發(fā)出了一個用于多臺注塑機控制的群控系統(tǒng)方案，用PC機作為上位機并用其串行通訊口與下位機8098通訊控制注塑機，從而實現(xiàn)了主機指揮監(jiān)督從屬機的功能。為便于操作，該系統(tǒng)還使用了PC機操作界面作為人機接口，從而實現(xiàn)了注塑機的順序動作和溫度、速度、壓力等工藝參數(shù)的自動化控制。

    三、注塑機控制技術(shù)發(fā)展趨勢

    目前世界發(fā)達(dá)國家的注塑機控制技術(shù)比較先進(jìn)、成熟，其特點是普遍采用實時閉環(huán)控制和CRT或LCD顯示屏的過程監(jiān)控，并通過多重處理將盡可能多的處理工作分配給外圍裝置完成，以提高注塑機內(nèi)的通訊能力，減輕主控部分負(fù)荷。這在一定程度上代表了注塑機控制技術(shù)的未來走向。高速機械手

    展望未來，相信隨著控制技術(shù)的不斷發(fā)展與完善，將使注塑機朝著自動化、節(jié)能化、智能化、無人化等方向發(fā)展。如采用計算機數(shù)字化控制和程序化控制，使注塑機具有自動控制、自動診斷、自動調(diào)節(jié)、自動補償功能；控制系統(tǒng)實行模塊化、集成化；采用成組技術(shù)，實施多臺注塑機的群控。