注塑智能過程控制的推廣

陶永亮

(重慶川儀工程塑料有限公司，重慶 400712)

注塑機(jī)作為注塑產(chǎn)品的生產(chǎn)母機(jī)已被廣泛使用。隨著 “工業(yè)4.0”概念席卷全球，我國(guó)重視工業(yè)自動(dòng)化跟智能化，并全力推進(jìn)“我國(guó)制造2025”，以完成產(chǎn)業(yè)升級(jí)，可以推動(dòng)中國(guó)注塑機(jī)的變革與發(fā)展。國(guó)內(nèi)注塑機(jī)行業(yè)在技術(shù)上已取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，正在逐步縮小與國(guó)外先進(jìn)制造技術(shù)之間的差距。但在高端產(chǎn)品方面，國(guó)產(chǎn)注塑機(jī)差距仍較大，中要提供能要具備根據(jù)客戶要求設(shè)置技術(shù)參數(shù)生產(chǎn)注塑機(jī)，同時(shí)也要具備整體方案解決能力，為客戶設(shè)計(jì)和提供以注塑機(jī)為核心的自動(dòng)化和信息化整體生產(chǎn)方案[1]。根據(jù)這一需要，注塑智能化過程控制孕育而生，它對(duì)縮短加工周期，提高產(chǎn)品合格率，降低能源消耗，減少管理成本有著重要推動(dòng)作用。

1 注塑智能過程控制的介紹

1.1 目前存在的問題

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示，我國(guó)塑料制品產(chǎn)量在世界排名中始終位于前列，其中多種的塑料制品已經(jīng)位于全球首位，我國(guó)已經(jīng)成為世界塑料制品生產(chǎn)大國(guó)[2]。其中注塑產(chǎn)品占有60%以上。從事注塑產(chǎn)品中最大的困惑操作工不能將不合格的產(chǎn)品100%剔除出來，這種靠人為進(jìn)行產(chǎn)品控制，不可能不出問題的。產(chǎn)品上的主要缺陷注塑不全，收縮，斷裂等，僅靠操作工在很短時(shí)間內(nèi)做出全面判定，難免有失手的時(shí)候，將含缺陷的產(chǎn)品放入到正品，這缺陷產(chǎn)品在用戶處裝成成品，甚至?xí)?dǎo)致整個(gè)產(chǎn)品的報(bào)廢，后果難以設(shè)想。這種靠人為控制產(chǎn)品質(zhì)量已經(jīng)不適應(yīng)生產(chǎn)發(fā)展的需要了。目前注塑管理屬于人工管理居多。

1.2 傳感器的引入使用

傳感器的定義：國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB7665—87對(duì)傳感器下的定義是：“能感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號(hào)的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成”[3]。傳感器是一種檢測(cè)裝置，能感受到被測(cè)量的信息，并能將檢測(cè)感受到的信息。即利用一定的物質(zhì)（物理、化學(xué)、生物）法測(cè)、定理、定律、效應(yīng)等進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換與信息轉(zhuǎn)換，并輸出與輸入嚴(yán)格一一對(duì)應(yīng)的器件和裝置均可稱為傳感器[4]。

注塑上使用溫度、壓力傳感器較多，特別壓力傳感器可被安裝在注塑機(jī)的噴嘴、熱流道系統(tǒng)、冷流道系統(tǒng)和模具的模腔內(nèi)，它能夠測(cè)量出塑料在注模、充模、保壓和冷卻過程中從注塑機(jī)的噴嘴到模腔之間某處的塑料壓力。一般安裝在注塑機(jī)上可以處，如圖1所示。數(shù)據(jù)可被記錄在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，以用于實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)模塑壓力，并在模塑后進(jìn)行檢查或者排除生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的故障。值得一提的是，經(jīng)采集的壓力數(shù)據(jù)可以成為針對(duì)此模具和此材料的通用工藝參數(shù)，換句話說，數(shù)據(jù)可以在不同的注塑機(jī)上（使用相同的模具）指導(dǎo)生產(chǎn)[5]。壓力傳感器安裝在模腔內(nèi)可以提供熔體在注射階段、壓縮階段和保壓階段的精確信息。圖2所示模腔壓力曲線。在充模開始時(shí)刻(1)，塑料熔體進(jìn)入模腔， 當(dāng)熔體前沿接觸傳感器時(shí)(2)， 傳感器開始測(cè)量壓力。然后，模腔壓力隨時(shí)間幾乎成線性上升，當(dāng)模腔被充滿時(shí)，充模階段結(jié)束(3)，開始進(jìn)入保壓階段，此時(shí)壓力開始迅速上升(4)。在保壓階段，熔體被進(jìn)一步壓實(shí)，同時(shí)進(jìn)行補(bǔ)料， 以填充因熔體冷卻收縮形成的空間，在此階段，大約有10%的制品體積的熔體被注射到模腔。 事實(shí)上, 靠近模腔壁的熔體首先開始冷卻固化， 從而會(huì)阻礙壓力的傳遞。 熔體從螺桿前端向模腔流動(dòng)的過程中， 由于熔體黏度增加， 造成流速不斷下降， 流道也變得越來越窄。 隨著澆口區(qū)域熔體的固化(5) 以及熔體迅速冷卻定型, 模腔壓力回落至大氣壓(6)。只要結(jié)晶和非結(jié)晶塑料熔體的粘度相同， 它們?cè)诔淠ｋA段的特征是相似的，但在壓實(shí)階段會(huì)體現(xiàn)出不同的特征。在保壓階段初期。結(jié)晶塑料比非結(jié)晶塑料需要射入更多的熔體， 以實(shí)現(xiàn)壓力積累。而在冷卻階段，非結(jié)晶性塑料比結(jié)晶塑料需要射入更多的熔體，以彌補(bǔ)熔體體積收縮， 防止制品中出現(xiàn)縮孔。

圖1 傳感器控制面板

圖2 模腔壓力曲線

利用壓力曲線來判定工藝，檢查產(chǎn)品的缺陷。如圖3所示。圖3(a)中，壓力出現(xiàn)頂峰現(xiàn)象，出現(xiàn)這樣的情況，說明保壓切換太遲了，如果澆口凝固了，對(duì)產(chǎn)品影響較小；如澆口沒凝固，注塑壓力繼續(xù)向模腔注塑，容易產(chǎn)生漲模的可能；圖3(b)中，保壓前壓力下落，導(dǎo)致產(chǎn)品容易變形，說明設(shè)備上不穩(wěn)定，比例閥出問題。圖3(c)中，保壓曲線急速下降，說明保壓壓力不足，澆口過于太小，產(chǎn)品有注塑不滿足的情況；圖3(d)中，保壓時(shí)間太長(zhǎng)，模腔里的殘余應(yīng)力增大，模具剛性差會(huì)變形，產(chǎn)品會(huì)嚴(yán)重超重，或是保壓已滿，剩余的保壓時(shí)間成了冷卻時(shí)間。圖3中四種曲線與圖2模腔壓力曲線相差大了，都是有缺陷的產(chǎn)品，能通過一定的手段進(jìn)行識(shí)別出來的。還有其他的圖形不這里介紹。

圖3 產(chǎn)品缺陷壓力曲線示意圖

1.3 注塑智能化控制

將安裝在模具內(nèi)部的傳感器和專用放大器連接到電腦及測(cè)量系統(tǒng)，將模具內(nèi)部樹脂的動(dòng)態(tài)狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)波形顯示并進(jìn)行數(shù)據(jù)輸出的注塑成型用測(cè)量系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)模具內(nèi)部監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，是利用數(shù)字化數(shù)據(jù)，不僅可以最佳成型條件的設(shè)定，還能應(yīng)用于不合格品自動(dòng)篩選、產(chǎn)品質(zhì)量管理、模具評(píng)估等各種用途。通過這樣的系統(tǒng)為注塑智能化控制奠定了較好地基礎(chǔ)。目前，隨著計(jì)算機(jī)和視覺系統(tǒng)等技術(shù)的發(fā)展和運(yùn)用，較好地促進(jìn)注塑智能化現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)的發(fā)展。其他功能為自動(dòng)保存模腔壓力數(shù)據(jù)、自動(dòng)保存模腔壓力曲線、自動(dòng)保存所有測(cè)量數(shù)據(jù)、自動(dòng)保存監(jiān)測(cè)值、便于工藝參數(shù)保存和查閱；自動(dòng)統(tǒng)計(jì)好、壞制品數(shù)量，便于產(chǎn)品數(shù)量統(tǒng)計(jì)；還有一些其他為降低次品率、降低質(zhì)檢成本、節(jié)省材料費(fèi)用、優(yōu)化成型周期、節(jié)省試模、調(diào)機(jī)時(shí)間、預(yù)防模具損壞、驗(yàn)證CAE軟件預(yù)測(cè)模腔壓力值的準(zhǔn)確性等優(yōu)點(diǎn)。也可以其他注塑參數(shù)測(cè)量、鎖模力測(cè)量、拉桿拉力測(cè)量、噴嘴壓力測(cè)量、模腔溫度測(cè)量等。現(xiàn)能基本上形成下列優(yōu)勢(shì)：

（1）滿足產(chǎn)品質(zhì)量基本要求：視覺系統(tǒng)可先采集標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，而后針對(duì)需檢測(cè)的產(chǎn)品進(jìn)行對(duì)比分析，確定是否合格，檢測(cè)過程既可在產(chǎn)品注塑剛完成后進(jìn)行，也可以單獨(dú)檢測(cè)。能在設(shè)備上檢查出注塑產(chǎn)品不滿足，產(chǎn)品收縮等缺陷能及時(shí)報(bào)警剔除。

（2）工藝數(shù)據(jù)化管理：注塑工藝能把整個(gè)班次能全部的存入PC機(jī)中，并能從PC機(jī)鏈接到電腦上，實(shí)行數(shù)據(jù)化管理，同時(shí)便于查詢，優(yōu)化工藝參數(shù)；烘料工藝數(shù)據(jù)，模溫機(jī)工藝數(shù)據(jù)，設(shè)備、模具數(shù)據(jù)都能進(jìn)行記錄和保存。

（3）設(shè)備的集成： 將相關(guān)周邊設(shè)備烘料機(jī)，模溫機(jī)，機(jī)械手，輸送帶等周邊設(shè)備的數(shù)據(jù)集成到操作面板上，便于控制和了解。工藝、設(shè)備參數(shù)集成后控制面板如圖4所示。

圖4 工藝、設(shè)備參數(shù)集成控制面板

1.4 注塑智能化控制實(shí)例

注塑智能化控制無需對(duì)原機(jī)機(jī)械油路系統(tǒng)做改動(dòng)，提高原機(jī)的注塑穩(wěn)定性，產(chǎn)品重量，尺寸波動(dòng)幅度降低，實(shí)現(xiàn)廢品率降低，節(jié)約生產(chǎn)成本。實(shí)例一，做同樣的產(chǎn)品試驗(yàn)情況圖5所示國(guó)產(chǎn)60T通過伺服電機(jī)和伺服泵等改進(jìn)，圖5(a)為老系統(tǒng)，產(chǎn)品的重量波動(dòng)在0.12 g，圖5(b)為通過改進(jìn)后，產(chǎn)品重量波動(dòng)在0.04 g，其設(shè)備穩(wěn)定性提升了300%。

實(shí)例二，北京一單位的國(guó)產(chǎn)1 000T設(shè)備上生產(chǎn)一產(chǎn)品。工作情況是：設(shè)備每天工作22 h，1年工作300天；產(chǎn)品使用材料為PP+TD20，單價(jià)為14元/kg；產(chǎn)品生產(chǎn)周期為70 s/件，每件用料700 g（含澆口）。設(shè)備改進(jìn)前的單件重量在694～706 g，波動(dòng)重量值有12 g，設(shè)備改進(jìn)后的單件重量在694～698 g，波動(dòng)重量值有4 g，穩(wěn)定性提高很多。其價(jià)值計(jì)算如下：一年的全年原 料 總 量 =60×60×22×300/70×700=237 600 kg ；全年可節(jié)省的原料按每件4 g來計(jì)算=4/700×237 600=1 357.714 kg；全年可以節(jié)省的原料費(fèi)用=1 357.714-14=19 008元。通過計(jì)算節(jié)約增值部分顯現(xiàn)出來了，產(chǎn)品質(zhì)量比改進(jìn)前較穩(wěn)定了。

圖5 國(guó)產(chǎn)60T通過改進(jìn)前后對(duì)比圖

2 結(jié)束語(yǔ)

傳統(tǒng)的注塑機(jī)主要以液壓泵、液壓閥、油質(zhì)板，油路管、機(jī)械傳動(dòng)等機(jī)械參數(shù)為控制手段，現(xiàn)在的注塑智能控制系統(tǒng)將產(chǎn)品工藝，原有注塑機(jī)的機(jī)械參數(shù)，加上整個(gè)過程參數(shù)（注塑速度、保壓壓力、溶膠轉(zhuǎn)速、背壓、位置等）組成注塑過程的全閉環(huán)機(jī)進(jìn)行控制，從根本上確保產(chǎn)品質(zhì)量（重量、尺寸、外觀表面），提升整個(gè)產(chǎn)品質(zhì)量，節(jié)約生產(chǎn)成本，以增加經(jīng)濟(jì)效益。注塑智能控制系統(tǒng)是“中國(guó)制造2025” 智能制造的一部分，智能制造是新一輪工業(yè)革命的關(guān)鍵。以后還有機(jī)器視覺、模具保護(hù)器等引入，建立了具有開放的、人機(jī)友好的生產(chǎn)效益優(yōu)化和監(jiān)測(cè)平臺(tái)，推進(jìn)注塑智能制造發(fā)展[6]，注塑智能控制系統(tǒng)是注塑發(fā)展的趨勢(shì)。

參考文獻(xiàn)：

[1]中國(guó)注塑機(jī)行業(yè)技術(shù)水平現(xiàn)狀及未來發(fā)展趨[EB/OL].[2016-01-28].http://free.chinabaogao.com/jixie/2016 01/012R3391H016.html.

[2]2016年我國(guó)塑料制品行業(yè)現(xiàn)狀和趨勢(shì)分析[EB/OL].2016-10-17]. http://www.chinabgao.com/freereport/74062.html.

[3]徐清發(fā)，王欣.談傳感器的命名、分類及圖形符號(hào)[J].傳感器技術(shù)，1996,(6):12～15.

[4]孫寶元.楊寶清.傳感器及其應(yīng)用手冊(cè)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.1, 1～2.

[5]陶永亮.壓力傳感器在注塑模具中的應(yīng)用[J].上海塑料，2011,(3):22～26.

[6]高性能注塑機(jī)控制系統(tǒng)科技成果鑒定會(huì)[EB/OL]. [2016-09-03].https://mp.duan8.com/a/pekgroo.html.