隨著工業化技術的發展和人民生活水平的改善, 人們對塑料製品種類和質量的要求日益提高. 深入研究塑料成型裝備及其相關控制技術, 從而克服製品中的缺陷, 提高製品質量, 對於塑料成型技術的提高具有重要意義. 在塑料成型裝備中, 擠出與注塑兩種成型設備的使用最為廣泛, 因此本文對這兩種裝備的控制技術進行了較為詳盡的介紹.
擠出成型設備的控制
1, 擠出成型對控制系統的需求
(1)節能. 在擠出成型過程中, 能量的耗費大部分用於熔融樹脂和驅動電動機. 熱能包括螺杆旋轉產生的摩擦熱和機筒加熱器的熱能兩部分. 隨著能源供應的日趨緊張, 研究開發具有高效節能的擠出成型設備顯得十分必要.
(2)穩定性. 擠出成型工藝的穩定性包括製品的質量穩定性和尺寸穩定性. 對於片, 膜及管等形狀簡單製品的尺寸測量, 可通過性能優良的感測器和計算機直接進行測控. 而對於形狀複雜的異型材製品, 由於直接測定尺寸十分困難, 因此必須要求生產過程本身保持穩定. 為此, 研究開發擠出成型設備所用的高精度和高穩定性控制系統十分必要.
2, 精密擠出成型控制系統的設計
擠出控制系統需要對整個擠出過程的工藝參數, 如熔體壓力及溫度, 各段機身溫度, 主螺杆和喂料螺杆轉速, 喂料量, 各種原料的配比以及電機的電流電壓等參數進行線上檢測, 並採用閉環控制技術.
擠出控制系統的設計包括: 主控制器的選型, 介面電路設計, 驅動與放大電路設計, 人機界面設計(HMI)以及控制演算法軟體設計等. 根據精密擠出成型控制要求與特點, 主控制器可選用PCC2003可編程計算機控制系統. 可編程計算機控制器整合了可編程邏輯控制器的標準功能和工業計算機的分時多任務作業系統功能, 能方便地處理開關量﹑類比量及進行迴路調節. 其硬體具有獨特新穎的插拔式結構, 可使系統得到靈活多樣的擴展和組態. 軟體也具備模組結構, 系統擴容只需在原有基礎上疊加應用軟體模組, 同時具有高級語言編程功能, 並可以根據需要採用多種語言混合編程. 精密擠出成型過程式控制制系統框圖如圖1所示.
圖1. 精密擠出成型過程式控制制系統框圖
在圖1中, CPU模組為CP476, 帶有1個RS232介面以及1個CAN(Control Area Net)介面. 其指令周期為0.5us, 內置硬體狗功能. 介面組件包括類比量輸入模組, 類比量輸出模組, 數字輸入輸出混合模組, 溫度模組及通信介面模組等.
注塑機控制
1, 精密注塑機的閉環控制技術
(1)精密注塑控制的特點. 與常規注射成型相比, 精密注塑成型對成型參數的重複精度要求更高. 因此, 精密注塑機宜採用多級反饋控制. 這種多級控制包括: 感應式位移控制或時間控制的10級射膠閉環注射系統, 多級保壓時間, 壓力和速度控制, 以及螺杆溫度智能PID控制等.
另外, 螺杆及噴嘴溫度控制更精確. 即升溫時超調量小, 使得溫度的波動較小. 對於常規控制, 雙位控溫超調量為25~30℃時, 螺杆計量引起的溫度波動為4℃以上, 而同樣條件下精密注塑機的控溫精度在±0.5℃以內.
液壓油溫控制精度更高. 工作油溫的變化會引起粘度的變化, 使進入各執行機構的流量發生波動, 引起啟閉模速度, 注射速度和螺杆轉速不穩定, 同時也會導致壓力波動. 對一般小型注塑機而言, 在沒有油溫調節的情況下連續工作5h, 油溫會升高28℃, 系統壓力會升高0.19MPa, 換算成對流道聚合物熔體的保壓壓力約為1.9~2.9MPa, 從而必將影響到製品的尺寸偏差. 為了防止這種情況的發生, 精密注塑機採用了加熱冷卻的閉環裝置, 以此可將工作油的油溫穩定在50~55℃.
模具溫度控制更嚴, 製品尺寸精度受模具溫度的影響很大. 不同材料製品的厚度不僅受冷卻時間的影響, 而且受模具溫度的影響. 若冷卻時間相同, 模具型腔溫度低, 則製品的厚度相對較大.
基於精密注塑控制的上述特點, 精密注塑機的控制系統要比常規注塑機複雜得多, 它需要實現壓力, 速度等參數的全閉環控制.
(2)閉環控制原理和特點. 閉環控制的原理如圖2所示. 從圖中可以看出, 閉環控制的起點是測量目標變數, 由一個與目標變數相對應的感測器對目標變數進行檢測, 產生一個與目標變數成正比的輸出, 通常為電壓, 電流訊號或類比訊號. 這一訊號反饋給閉環控制器並與設定值進行比較, 當目標變數偏離設定值時, 閉環控制器會產生附加控制訊號, 通過執行機構對控制對象進行調整, 從而使目標變數與設定要求趨於一致. 在上述過程中, 閉環控制還可以消除不同的幹擾量對控制對象的影響, 從而進一步提高了控制精度.
閉環控制系統具有如下特點: 系統輸出訊號對控製作用有直接影響;有反饋環節, 並應用反饋作用來減少系統誤差, 以使系統的輸出量趨於預定值;當出現幹擾時, 包括內擾和外擾, 可以減弱其影響;系統可能出現不穩定, 因此存在溫度性校核問題(穩定判據).
2, 超高射速注塑機的控制技術
超高射速注塑機比傳統的注塑機具有更高的注射速度, 一般可以達到1000mm/s以上. 如此高的注射速度, 可為注塑加工及注塑產品帶來以下好處:
(1)加工中極高的剪切速度, 使得塑料的黏度下降, 以此容易實現超薄成型以及減少製品的扭曲, 翹曲變形.
(2)可減少表面的流紋與熔合線, 從而提高製品表面光澤以及熔接部位強度, 並防止冷卻變形.
(3)縮短注射周期, 提高注射效率和節能效果.
為了實現超高速注射, 需要採用一些特殊的方法. 例如, 將高性能的直線電機用在全電動注塑機中, 可使注射速度達到超高速狀態. 或者, 在液壓注塑機中採用超高速響應和高精確的大容量蓄能器, 以及快速響應的伺服閥或比例閥, 能夠滿足超高注射速度要求.
目前, 後一種方法已經得到了工業應用, 如INEWELL MACH INERY公司的SW2HSB系列, SUMITOMO公司的SE2HY系列以及BMC公司的FT2260BMC型等超高射速注塑機, 都採用了這種方法. 圖2顯示了超高射速注塑機的液壓系統結構.
圖2. 超高射速注塑機的液壓系統結構示意圖
3注塑機節能控制技術
進入21世紀以來, 隨著塑料工業的發展, 注塑加工商對注塑機的節能與環保的要求日趨提高, 使得注塑機節能控制技術受到普遍的重視, 圍繞節能控制技術的研究也因此有了較快的發展. 可以說, 節能化已成為當前注塑機發展的一個重要方向.
(1)比例變數泵系統. 採用閥泵結合的負載敏感控制原理, 儘管可消除應用定量泵與三通壓力流量比例閥造成的所有與流量有關的能量損失, 但因比例節流閥存在固定的工作壓差, 導致仍存在較大的節流損失, 特別是在高速階段, 這一損失更加顯著.
為了解決這一問題, 需要採用壓力, 流量直接閉環控制的高響應變數泵作為動力源, 使常規的節流調速系統轉變為比例變數調速系統, 從而實現注塑機液壓系統由閥控向泵控的轉變.
比例變數泵系統簡化的迴路原理如圖3所示. 這一系統改變了常規的比例控制方法, 由定量泵+PQ 比例閥系統轉變為比例變數泵系統, 其核心的控制元件採用了兼具比例壓力, 比例流量和負載壓力反饋等多種複合控制功能的負載敏感型比例變數柱塞泵.
圖3. 比例變數泵系統原理圖
比例變數泵系統與普通定量泵+PQ比例閥系統相比較, 節能效果明顯, 同時可使相同功率機器的注射速率得到提高, 且系統發熱降低. 但變數泵對油的清潔度要求較高, 工作噪音也較大.
(2)變頻液壓控制系統. 變頻液壓控制技術的節能原理是, 通過變頻器對定量泵電動機進行轉速調節, 實現對於注塑機液壓系統的工作流量的即時控制, 使得定量泵輸出的流量剛好滿足注塑工藝要求的流量, 從而基本達到無溢流損耗的目的.
目前, 變頻液壓注塑機的動力源主要採用兩種變頻驅動方式:一種是, 普通非同步電動機通過變頻調速與定量泵組成動力源;另一種是, 用高響應的交流(AC)伺服電動機驅動定量泵作為動力源.
採用第一種節能控制方案的注塑機控制系統如圖4所示. 在該方案中, 注塑機專用變頻器通過獲取比例流量閥, 比例壓力閥的電流控制訊號及注塑機工藝流程訊號來控制電機的轉速.
圖4. 變頻液壓調速控制系統
結語
我國塑料機械工業經過20多年的發展取得了長足的進步, 大大小小的塑料機械製造企業已達數千家. 一些國內塑料機械企業抓住了近年來的大好時機, 實現了跨越式發展, 不僅佔據了國內的較大市場份額, 而且還有相當數量的產品出口到國外.
然而, 就整體技術水平而言, 我國塑料機械與國外發達國家的差距仍很大. 塑料加工裝備的水平在很大程度上取決於測控水平的高低. 國外先進塑料機械的控制系統普遍採用了以可編程序邏輯控制器(PLC)等為核心的控制系統, 並在一些高精度生產裝備上採用了模糊控制, 統計過程式控制制(SPC), 以及基於網路的遠程監控, 故障診斷等技術, 而我國在這方面還存在較大的差距. 因此, 在我國, 研製開發新一代的基於智能控制技術的塑料成型設備將會帶來很高的經濟效益和社會效益.