Zigbee監(jiān) 控網(wǎng)絡(luò)下注塑機注塑性能穩(wěn)定性及注塑產(chǎn)品質(zhì)量

黃 鑫，王 秋，李忠武

（1.德宏師范高等?？茖W(xué)校，云南省芒市 678400；2.大連理工大學(xué)化工學(xué)院，遼寧省大連市 116024；3.保山學(xué)院，云南省保山市 678000）

Zigbee監(jiān) 控網(wǎng)絡(luò)下注塑機注塑性能穩(wěn)定性及注塑產(chǎn)品質(zhì)量

黃 鑫1，王 秋2，李忠武3

（1.德宏師范高等專科學(xué)校，云南省芒市 678400；2.大連理工大學(xué)化工學(xué)院，遼寧省大連市 116024；3.保山學(xué)院，云南省保山市 678000）

利用Zigbee無線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)對聚丙烯薄壁制品的加工過程進行遠(yuǎn)程監(jiān)控。研究了監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)反饋信息與真實加工工藝之間的契合度，并且在該監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)下完成了聚丙烯薄壁制品的加工，通過研究制品翹曲變形量來進一步衡量該監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。結(jié)果表明：采用Zigbee無線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)可以實現(xiàn)高精度的工藝調(diào)控，具有較好的穩(wěn)定性，參數(shù)調(diào)控誤差可控制在3%以內(nèi)；同時，利用該監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)對注塑機進行調(diào)控時，可將所制聚丙烯薄壁制品的翹曲變形量降低到1.819 mm。

聚丙烯 薄壁制品 監(jiān)控網(wǎng)絡(luò) 工藝調(diào)試 翹曲變形

在塑料注塑加工過程中，聚合物熔體各部分的冷卻速率不一致以及聚合物分子取向等原因會造成塑料制品發(fā)生翹曲變形，不僅影響制品的美觀，而且會極大降低其使用性能，甚至?xí)斐伤芰现破返膱髲U。結(jié)合材料的流變性能，選用合適的料筒溫度、注射壓力、注射時間、模具溫度、保壓壓力和時間等工藝參數(shù)，可以有效減小制品的翹曲變形量［1-6］。聚丙烯具有良好的耐候性、耐化學(xué)藥品腐蝕性，低毒、高絕緣性等優(yōu)良性能，在食品包裝、醫(yī)用材料、汽車行業(yè)、纖維和日用品加工等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。聚丙烯熔體屬于典型的假塑性流體，在低剪切速率下呈牛頓流體特性，而在高剪切速率下呈現(xiàn)剪切變稀［7-10］。通常，加工過程中選用熔體流動速率為2～10 g/10 min的聚丙烯，成型溫度選定為205～315 ℃，溢出值控制在0.03 mm，注塑機料筒溫度控制在210～280 ℃［6］。

為提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，加工時通常采用多臺機器同時工作，并且利用監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)進行加工過程的監(jiān)控和加工工藝的調(diào)控［11-15］。普通的無線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)只能完成近程的監(jiān)控，而Zigbee無線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)不僅能夠進行近程監(jiān)控，還能夠遠(yuǎn)程監(jiān)控加工過程并調(diào)節(jié)加工工藝［16-17］。本工作采用Zigbee無線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)對聚丙烯薄壁制品（尺寸為230 mm×136 mm×43 mm，壁厚為2 mm）的加工過程進行監(jiān)控，研究了監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)反饋信息與真實加工工藝之間的契合度，并且在該監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)下完成了聚丙烯薄壁制品的加工，最后，通過研究制品翹曲變形量進一步衡量了該監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。

1 實驗部分

1.1主要原料與設(shè)備

聚丙烯，注塑級，中國石油化工股份有限公司北京燕山分公司生產(chǎn)；DQ-100T型臥式注塑機，廣東德群機械有限公司生產(chǎn)。

1.2性能測試

翹曲變形測試采用美國Akrometrix公司生產(chǎn)的Akrometrix型熱變形外貌檢測儀進行檢測。

1.3注塑工藝參數(shù)

預(yù)熱干燥溫度為80 ℃，預(yù)熱干燥時間為5 h，螺桿轉(zhuǎn)速為50 r/min；第一段料筒溫度為200～240℃，第二段料筒溫度為260～300 ℃，第三段料筒溫度為200～240 ℃；噴嘴溫度為175 ℃，模具溫度為50 ℃；注射壓力為80 MPa，保壓壓力為60 MPa；注射時間為4 s，保壓時間為 25 s，冷卻時間為25 s。

2 結(jié)果與討論

2.1 Zigbee無線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性測試

監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)是將注塑機的工藝參數(shù)通過傳感器傳送到檢測器上，然后控制系統(tǒng)再針對所獲得的工藝信息反饋至注塑機，從而實現(xiàn)注塑過程的遠(yuǎn)程監(jiān)控和操控。因此，監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性極大地影響注塑機的加工工藝。對注塑機料筒進行分段式控溫，通過改變料筒的溫度考察監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)所接收到的工藝參數(shù)與實際工藝參數(shù)之間的差別以及監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)對其采取應(yīng)對措施的靈敏度，并通過與普通監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)對比，考察該Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

將料筒溫度控制在100～280 ℃，并分別記錄料筒實際溫度、Zigbee無線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)顯示的溫度以及對照監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)顯示的溫度。對每個溫度進行10組實驗，取其平均值進行對照，并計算了標(biāo)準(zhǔn)偏差。從圖1可以看出：當(dāng)料筒溫度由100 ℃升至280 ℃時，Zigbee無線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的溫度示數(shù)與實際溫度相差不大，均控制在3 ℃以內(nèi)，而且在低溫區(qū)（100～180 ℃）和高溫區(qū)（180～280 ℃），該監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性并無明顯差別；而對照組所采用的無線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)在低溫區(qū)的溫度偏差為3～6 ℃，在高溫區(qū)溫度偏差縮小，為1～3 ℃。這是因為隨著料筒溫度的升高，加熱時間延長，監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的反應(yīng)時間也相應(yīng)延長，所以一般情況下監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)在高溫區(qū)的示數(shù)較為準(zhǔn)確。Zigbee無線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)在低溫區(qū)和高溫區(qū)的示數(shù)均較為準(zhǔn)確，說明該監(jiān)控系統(tǒng)的靈敏性和穩(wěn)定性優(yōu)于一般的監(jiān)控系統(tǒng)。

圖1 不同料筒溫度條件下各監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的顯示溫度Fig.1 Temperature displayed in monitoring network at different barrel temperatures

為進一步研究該監(jiān)控系統(tǒng)的穩(wěn)定性，選定料筒溫度為280 ℃，研究3.0 min內(nèi)無線監(jiān)控系統(tǒng)溫度示數(shù)的準(zhǔn)確度和波動情況。從圖2可以看出：0.1～1.0 min時，料筒處于加熱狀態(tài)，溫度穩(wěn)步升至280 ℃左右，雖然出現(xiàn)了小范圍的過熱現(xiàn)象，但料筒溫度在3.0 min內(nèi)穩(wěn)定到目標(biāo)溫度。Zigbee無線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)示數(shù)在加熱過程中與料筒實際溫度存在著一定的偏差，但在1.0 min時，該監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的示數(shù)僅與料筒實際溫度存在1～2 ℃的偏差，在1.0～3.0 min時，偏差一直穩(wěn)定在1～2 ℃，說明Zigbee無線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)具有較好的穩(wěn)定性；而對照組監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)雖然在1.0 min時，溫度示數(shù)與實際溫度相差也較小，但在1.0～3.0 min時，該監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的示數(shù)存在明顯波動。

注塑過程時，由于加熱速率過快，料筒會產(chǎn)生過熱現(xiàn)象，而監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的反應(yīng)靈敏度和對料筒溫度的反饋調(diào)控作用則可以在一定程度上避免過熱情況的發(fā)生。為檢測Zigbee無線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的靈敏度，首先將料筒溫度穩(wěn)定在280 ℃，然后將溫度升至290 ℃，記錄3 min內(nèi)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)顯示溫度及料筒實際溫度的變化。從圖3可以看出：Zigbee無線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)能快速準(zhǔn)確地對料筒溫度的變化做出響應(yīng)，并且及時對料筒溫度進行調(diào)控，當(dāng)料筒溫度升到290 ℃后，Zigbee無線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的溫度示數(shù)幾乎和料筒溫度沒有差別，并且在該系統(tǒng)的調(diào)控下，注塑機料筒溫度很快降至280 ℃，在1.5 min內(nèi)便穩(wěn)定在了設(shè)定溫度；而對照組無線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的顯示溫度與實際溫度相差較大，且響應(yīng)也具有一定的滯后性，因此，采用該監(jiān)控系統(tǒng)對溫度進行調(diào)控時，料筒溫度下降過程中出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的溫度波動，并且在2.5 min時才實現(xiàn)了溫度的穩(wěn)定。

圖2 料筒實際溫度及監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的顯示溫度與時間的關(guān)系曲線Fig.2 Time as a function of actual barrel temperature and temperature displayed in monitoring network

圖3 監(jiān)控系統(tǒng)對料筒溫度的響應(yīng)及調(diào)控Fig.3 Response and control of monitoring system to barrel temperature

2.2 Zigbee無線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)下聚丙烯薄壁制品的翹曲變形量

在聚丙烯加工過程中，對注塑機料筒進行三段式控溫，第一段和第三段料筒溫度設(shè)定為220℃，第二段料筒溫度設(shè)定為280 ℃。為更清晰地研究Zigbee無線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性，對整個料筒的升溫過程進行了實時監(jiān)控。從圖4可以看出：在Zigbee無線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測和調(diào)控下，三段溫度均在1.0 min內(nèi)達(dá)到目標(biāo)溫度，并且在10.0 min內(nèi)未出現(xiàn)明顯溫度波動，這進一步證明了該監(jiān)控系統(tǒng)的穩(wěn)定性和靈敏性。

采用Zigbee無線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)對聚丙烯注塑工藝進行優(yōu)化，研究不同料筒溫度條件下，聚丙烯薄壁制品的翹曲變形量，并與不采用監(jiān)控系統(tǒng)的注塑機進行了對照。從表1可以看出：當(dāng)前段料筒溫度為220 ℃，中段料筒溫度為280 ℃，后段料筒溫度為220 ℃時，聚丙烯薄壁制品的翹曲變形量最低，為1.819 mm。因此，最佳的參數(shù)為：前段料筒溫度為220 ℃，中段料筒溫度為280 ℃，后段料筒溫度為220 ℃。為了研究該監(jiān)控系統(tǒng)所調(diào)控注塑工藝的精確性，在不使用Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控條件下，將注塑機三段料筒實際溫度設(shè)定為220，280，220℃，對同樣規(guī)格的聚丙烯薄壁制品進行注塑，最終所得制品的翹曲變形量為1.815 mm，二者相差僅為0.004 mm，幾乎為同一水平。這進一步證明了Zigbee無線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)不僅能夠?qū)ψ⑺軝C工藝進行準(zhǔn)確地監(jiān)測，并且還可以對其進行有效地調(diào)控。Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控具有較為優(yōu)異的穩(wěn)定性和靈敏度，可以實現(xiàn)注塑機注塑過程的遠(yuǎn)程操作，無需人工對注塑過程進行監(jiān)控，極大降低了生產(chǎn)成本，提高了生產(chǎn)效率。

圖4 料筒升溫過程中溫度變化Fig.4 Temperature variation during barrel heating

表1 聚丙烯注塑溫度優(yōu)化結(jié)果Tab.1 Optimization results of PP injection molding temperature

3 結(jié)論

a）Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)可以準(zhǔn)確地監(jiān)控注塑機的料筒溫度，監(jiān)測誤差控制在1～3 ℃。

b）Zigbee無線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可以較為靈敏地對料筒溫度的變化作出響應(yīng)，從而實現(xiàn)對料筒溫度的調(diào)控。在實際生產(chǎn)中，該系統(tǒng)對三段式料筒溫度的控制能夠較好地響應(yīng)和調(diào)控。

c）采用Zigbee無線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)對聚丙烯注塑溫度進行優(yōu)化，可以有效地將制品的翹曲變形量降至1.819 mm。

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Reliability of injection molding machine and quality of products monitored by Zigbee wireless network

Huang Xin1， Wang Qiu2， Li Zhongwu3
（1. Dehong Teachers' College， Mangshi 678400， China； 2. School of Chemical Engineering， Dalian University of Technology， Dalian 116024， China； 3. Baoshan University， Baoshan 678000， China）

Zigbee wireless monitoring network is used for remote monitoring of the manufacturing of polypropylene（PP）thin-wall products. The fitness of feedback information from the monitoring system where PP products was produced and actual manufacturing process was observed. The stability of the system was verified by surveying the warping of the products. The results show that Zigbee wireless monitoring network can implement the high precision process control in high reliability，the error of parameters can be controlled within 3%，the warping of the PP products is reduced to 1.819 mm when the injecting molding machine is monitored by the system.

polypropylene； thin-wall product； monitoring network； process adjustment； warping

TQ 325.1+2；TQ 05

B

1002-1396（2017）02-0073-04

2016-10-11；

2017-01-03。

黃鑫，男，1981年生，碩士，講師，2009年畢業(yè)于湖北大學(xué)。聯(lián)系電話：15925438058；E-mail：huangxing_ guei@sina.com。