隨著工業(yè)化技術(shù)的發(fā)展和人民生活水平的改善，人們對塑料制品種類和質(zhì)量的要求日益提高。深入研究塑料成型裝備及其相關(guān)控制技術(shù)，從而克服制品中的缺陷，提高制品質(zhì)量，對于塑料成型技術(shù)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(shè)備的使用最為廣泛，因此本文對這兩種裝備的控制技術(shù)進(jìn)行了較為詳盡的介紹。
擠出成型設(shè)備的控制
1、擠出成型對控制系統(tǒng)的需求
(1)節(jié)能。在擠出成型過程中，能量的耗費(fèi)大部分用于熔融樹脂和驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)。熱能包括螺桿旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的摩擦熱和機(jī)筒加熱器的熱能兩部分。隨著能源供應(yīng)的日趨緊張，研究開發(fā)具有高效節(jié)能的擠出成型設(shè)備顯得十分必要。
(2)穩(wěn)定性。擠出成型工藝的穩(wěn)定性包括制品的質(zhì)量穩(wěn)定性和尺寸穩(wěn)定性。對于片、膜及管等形狀簡單制品的尺寸測量，可通過性能優(yōu)良的傳感器和計(jì)算機(jī)直接進(jìn)行測控。而對于形狀復(fù)雜的異型材制品，由于直接測定尺寸十分困難，因此必須要求生產(chǎn)過程本身保持穩(wěn)定。為此，研究開發(fā)擠出成型設(shè)備所用的高精度和高穩(wěn)定性控制系統(tǒng)十分必要。
2、精密擠出成型控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
擠出控制系統(tǒng)需要對整個(gè)擠出過程的工藝參數(shù)，如熔體壓力及溫度、各段機(jī)身溫度、主螺桿和喂料螺桿轉(zhuǎn)速、喂料量、各種原料的配比以及電機(jī)的電流電壓等參數(shù)進(jìn)行在線檢測，并采用閉環(huán)控制技術(shù)。
擠出控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包括：主控制器的選型、接口電路設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)與放大電路設(shè)計(jì)、人機(jī)界面設(shè)計(jì)(HMI)以及控制算法軟件設(shè)計(jì)等。根據(jù)精密擠出成型控制要求與特點(diǎn)，主控制器可選用PCC2003可編程計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。可編程計(jì)算機(jī)控制器集成了可編程邏輯控制器的標(biāo)準(zhǔn)功能和工業(yè)計(jì)算機(jī)的分時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)功能，能方便地處理開關(guān)量﹑模擬量及進(jìn)行回路調(diào)節(jié)。其硬件具有獨(dú)特新穎的插拔式結(jié)構(gòu)，可使系統(tǒng)得到靈活多樣的擴(kuò)展和組態(tài)。軟件也具備模塊結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)擴(kuò)容只需在原有基礎(chǔ)上疊加應(yīng)用軟件模塊，同時(shí)具有高級語言編程功能，并可以根據(jù)需要采用多種語言混合編程。
在圖1中，CPU模塊為CP476，帶有1個(gè)RS232接口以及1個(gè)CAN(Control Area Net)接口。其指令周期為0.5us，內(nèi)置硬件狗功能。接口組件包括模擬量輸入模塊、模擬量輸出模塊、數(shù)字輸入輸出混合模塊、溫度模塊及通信接口模塊等。
注塑機(jī)控制
1、精密注塑機(jī)的閉環(huán)控制技術(shù)
(1)精密注塑控制的特點(diǎn)。與常規(guī)注射成型相比，精密注塑成型對成型參數(shù)的重復(fù)精度要求更高。因此，精密注塑機(jī)宜采用多級反饋控制。這種多級控制包括：感應(yīng)式位移控制或時(shí)間控制的10級射膠閉環(huán)注射系統(tǒng)，多級保壓時(shí)間、壓力和速度控制，以及螺桿溫度智能PID控制等。
另外，螺桿及噴嘴溫度控制更精確。即升溫時(shí)超調(diào)量小，使得溫度的波動(dòng)較小。對于常規(guī)控制，雙位控溫超調(diào)量為25~30℃時(shí)，螺桿計(jì)量引起的溫度波動(dòng)為4℃以上，而同樣條件下精密注塑機(jī)的控溫精度在±0.5℃以內(nèi)。
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(jìn)入各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的流量發(fā)生波動(dòng)，引起啟閉模速度、注射速度和螺桿轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定，同時(shí)也會導(dǎo)致壓力波動(dòng)。對一般小型注塑機(jī)而言，在沒有油溫調(diào)節(jié)的情況下連續(xù)工作5h，油溫會升高28℃，系統(tǒng)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，從而必將影響到制品的尺寸偏差。為了防止這種情況的發(fā)生，精密注塑機(jī)采用了加熱冷卻的閉環(huán)裝置，以此可將工作油的油溫穩(wěn)定在50~55℃。
模具溫度控制更嚴(yán)，制品尺寸精度受模具溫度的影響很大。不同材料制品的厚度不僅受冷卻時(shí)間的影響， 而且受模具溫度的影響。若冷卻時(shí)間相同，模具型腔溫度低，則制品的厚度相對較大。
基于精密注塑控制的上述特點(diǎn)，精密注塑機(jī)的控制系統(tǒng)要比常規(guī)注塑機(jī)復(fù)雜得多，它需要實(shí)現(xiàn)壓力、速度等參數(shù)的全閉環(huán)控制。
(2)閉環(huán)控制原理和特點(diǎn)。閉環(huán)控制的原理如圖2所示。從圖中可以看出，閉環(huán)控制的起點(diǎn)是測量目標(biāo)變量，由一個(gè)與目標(biāo)變量相對應(yīng)的傳感器對目標(biāo)變量進(jìn)行檢測，產(chǎn)生一個(gè)與目標(biāo)變量成正比的輸出，通常為電壓、電流信號或模擬信號。這一信號反饋給閉環(huán)控制器并與設(shè)定值進(jìn)行比較，當(dāng)目標(biāo)變量偏離設(shè)定值時(shí)，閉環(huán)控制器會產(chǎn)生附加控制信號，通過執(zhí)行機(jī)構(gòu)對控制對象進(jìn)行調(diào)整，從而使目標(biāo)變量與設(shè)定要求趨于一致。在上述過程中，閉環(huán)控制還可以消除不同的干擾量對控制對象的影響，從而進(jìn)一步提高了控制精度。
閉環(huán)控制系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)：系統(tǒng)輸出信號對控制作用有直接影響;有反饋環(huán)節(jié)，并應(yīng)用反饋?zhàn)饔脕頊p少系統(tǒng)誤差，以使系統(tǒng)的輸出量趨于預(yù)定值;當(dāng)出現(xiàn)干擾時(shí)，包括內(nèi)擾和外擾，可以減弱其影響;系統(tǒng)可能出現(xiàn)不穩(wěn)定，因此存在溫度性校核問題(穩(wěn)定判據(jù))。
2、超高射速注塑機(jī)的控制技術(shù)
超高射速注塑機(jī)比傳統(tǒng)的注塑機(jī)具有更高的注射速度，一般可以達(dá)到1000mm/s以上。如此高的注射速度，可為注塑加工及注塑產(chǎn)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(shí)現(xiàn)超薄成型以及減少制品的扭曲、翹曲變形。
(2)可減少表面的流紋與熔合線，從而提高制品表面光澤以及熔接部位強(qiáng)度，并防止冷卻變形。
(3)縮短注射周期，提高注射效率和節(jié)能效果。
為了實(shí)現(xiàn)超高速注射，需要采用一些特殊的方法。例如，將高性能的直線電機(jī)用在全電動(dòng)注塑機(jī)中，可使注射速度達(dá)到超高速狀態(tài)?；蛘撸谝簤鹤⑺軝C(jī)中采用超高速響應(yīng)和高精確的大容量蓄能器，以及快速響應(yīng)的伺服閥或比例閥，能夠滿足超高注射速度要求。
目前，后一種方法已經(jīng)得到了工業(yè)應(yīng)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(jī)，都采用了這種方法。圖2顯示了超高射速注塑機(jī)的液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。
3注塑機(jī)節(jié)能控制技術(shù)
進(jìn)入21世紀(jì)以來，隨著塑料工業(yè)的發(fā)展，注塑加工商對注塑機(jī)的節(jié)能與環(huán)保的要求日趨提高，使得注塑機(jī)節(jié)能控制技術(shù)受到普遍的重視，圍繞節(jié)能控制技術(shù)的研究也因此有了較快的發(fā)展?？梢哉f，節(jié)能化已成為當(dāng)前注塑機(jī)發(fā)展的一個(gè)重要方向。
(1)比例變量泵系統(tǒng)。采用閥泵結(jié)合的負(fù)載敏感控制原理， 盡管可消除應(yīng)用定量泵與三通壓力流量比例閥造成的所有與流量有關(guān)的能量損失，但因比例節(jié)流閥存在固定的工作壓差， 導(dǎo)致仍存在較大的節(jié)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，需要采用壓力、流量直接閉環(huán)控制的高響應(yīng)變量泵作為動(dòng)力源，使常規(guī)的節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)楸壤兞空{(diào)速系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)注塑機(jī)液壓系統(tǒng)由閥控向泵控的轉(zhuǎn)變。
比例變量泵系統(tǒng)簡化的回路原理如圖3所示。這一系統(tǒng)改變了常規(guī)的比例控制方法，由定量泵+PQ 比例閥系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)楸壤兞勘孟到y(tǒng)，其核心的控制元件采用了兼具比例壓力、比例流量和負(fù)載壓力反饋等多種復(fù)合控制功能的負(fù)載敏感型比例變量柱塞泵。
比例變量泵系統(tǒng)與普通定量泵+PQ比例閥系統(tǒng)相比較，節(jié)能效果明顯，同時(shí)可使相同功率機(jī)器的注射速率得到提高，且系統(tǒng)發(fā)熱降低。但變量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(tǒng)。變頻液壓控制技術(shù)的節(jié)能原理是，通過變頻器對定量泵電動(dòng)機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)對于注塑機(jī)液壓系統(tǒng)的工作流量的實(shí)時(shí)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(dá)到無溢流損耗的目的。
目前，變頻液壓注塑機(jī)的動(dòng)力源主要采用兩種變頻驅(qū)動(dòng)方式:一種是，普通異步電動(dòng)機(jī)通過變頻調(diào)速與定量泵組成動(dòng)力源;另一種是，用高響應(yīng)的交流(AC)伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)定量泵作為動(dòng)力源。
采用第一種節(jié)能控制方案的注塑機(jī)控制系統(tǒng)如圖4所示。在該方案中，注塑機(jī)專用變頻器通過獲取比例流量閥、比例壓力閥的電流控制信號及注塑機(jī)工藝流程信號來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。
結(jié)語
我國塑料機(jī)械工業(yè)經(jīng)過20多年的發(fā)展取得了長足的進(jìn)步，大大小小的塑料機(jī)械制造企業(yè)已達(dá)數(shù)千家。一些國內(nèi)塑料機(jī)械企業(yè)抓住了近年來的大好時(shí)機(jī)，實(shí)現(xiàn)了跨越式發(fā)展，不僅占據(jù)了國內(nèi)的較大市場份額，而且還有相當(dāng)數(shù)量的產(chǎn)品出口到國外。
然而，就整體技術(shù)水平而言，我國塑料機(jī)械與國外發(fā)達(dá)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于測控水平的高低。國外先進(jìn)塑料機(jī)械的控制系統(tǒng)普遍采用了以可編程序邏輯控制器(PLC)等為核心的控制系統(tǒng)，并在一些高精度生產(chǎn)裝備上采用了模糊控制、統(tǒng)計(jì)過程控制(SPC)，以及基于網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程監(jiān)控、故障診斷等技術(shù)，而我國在這方面還存在較大的差距。因此，在我國，研制開發(fā)新一代的基于智能控制技術(shù)的塑料成型設(shè)備將會帶來很高的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。
吹瓶機(jī)丨塑料吹瓶機(jī)丨PET吹瓶機(jī)
