全電動注射機位置系統(tǒng)的回零算法設計與實現(xiàn)

于盛睿，凌妍，鄒佳勇，王云明，徐磊，劉廣，周華民

(1.景德鎮(zhèn)陶瓷大學機電工程學院，江西景德鎮(zhèn) 333403； 2.華中科技大學材料成形與模具技術國家重點實驗室，武漢 430074)

塑料注射成型工藝具有復雜結(jié)構成型能力強、尺寸精度高、質(zhì)優(yōu)高效等優(yōu)點，是當今熱塑性塑料產(chǎn)品最主要的制造方法，全電動注射成型機是繼液壓機之后出現(xiàn)的該工藝最主要的成型裝備[1–2]。該裝備采用伺服控制技術和滾珠絲杠副作為機械傳動裝置，與傳統(tǒng)肘桿式注射機相比較，肘桿式注射機的全部液壓裝置由全電動注射機的機械傳動裝置所取代[3–4]，使得注射機呈現(xiàn)出更加精密、節(jié)能、高效的特點，在表觀質(zhì)量和尺寸精度要求高的精密注塑領域得到了極大的推廣應用。目前，研發(fā)制造及應用全電動注射機的水平處于國際領先地位的國家還是日本[5–7]，有代表性的生產(chǎn)廠家有住友、東芝、三菱、日精樹脂、法那克、東洋、川口、沙迪克、日本制鋼所、銘機等[3]，國內(nèi)有代表性的主要有海天長飛亞、廣州數(shù)控等[8–9]。

眾所周知，注射機在出廠交付使用之前有一個安裝、調(diào)試的過程。在此過程中需對具有相對運動的部件進行物理零點定義，并完成物理零點與控制系統(tǒng)設置的“軟”零點一一對應，即實施回零操作。回零過程是注射機正式生產(chǎn)之前確立各運動部件坐標原點、并建立各運動部件坐標系的過程。只有完成回零操作，機器的后續(xù)工藝內(nèi)容才可被執(zhí)行。全電動注射機由于采用絕對式編碼器記憶位置，在有后備存儲器電源支持下，即使在掉電下次重啟，所記憶的位置信息也不會丟失，只需完成回零操作，此后每次開機初始化，系統(tǒng)均會根據(jù)定義的坐標系，經(jīng)過計算將編碼器記憶的當前位置信息反饋至系統(tǒng)，從而保證各運動部件的位置準確度和重復精度。

然而，注射機在安裝、調(diào)試、使用的過程中，存在兩種工況：(1)由于某種原因產(chǎn)生故障，需要更換伺服電機或伺服放大器，但此時反饋線與電機插頭或與伺服放大器脫開，導致編碼器電路與電源切斷，儲存在靜態(tài)隨機存貯器中的位置信息即刻丟失。再次開機后機器記憶的位置數(shù)據(jù)丟失，需要重新建立零點。(2)由于某種原因產(chǎn)生故障，將伺服電機與執(zhí)行部分脫開，在編碼器不脫離電源供給的條件下，對伺服電機及執(zhí)行部件的相對位置關系進行調(diào)整，使得執(zhí)行部件相對于機器絕對坐標系的實際位置與編碼器記憶位置不對應，此時，也需要進行回零操作。

當前，一些學者針對回零操作的理論與方法研究主要集中在傳統(tǒng)的數(shù)控機床及機器人領域[10–16]。廉良沖[10]對數(shù)控機床回零故障發(fā)生的主要形式和原因進行分析，用于對數(shù)控機床進行回零故障的診斷與修復。陳偉海等[11]采用增量式編碼器與限位開關作為回零檢測裝置，提出機器人動平臺的原點定位與自動回零方法。陳福明等[12]針對數(shù)控機床回零發(fā)生的典型故障，分析了回零故障產(chǎn)生的原因，并給出了具體的故障排除方法。高建設等[13]基于柵格法提出了一種適合新型五自由度并聯(lián)機床的兩步回零法，開發(fā)了相應的回零軟件模塊，從而實現(xiàn)機床刀具的回零操作。鄒金橋等[14]以實際數(shù)控機床控制系統(tǒng)為例，對增量柵格法的回零機制進行分析與比較，并結(jié)合實例對數(shù)控機床回零時出現(xiàn)的故障進行了分析。黃登紅等[15]分析了數(shù)控機床擋塊式回零的控制原理、過程及其相關參數(shù)的影響，并對機床回零過程中的故障進行分析、診斷。任曉紅等[16]介紹了用于車銑加工中心各個軸的回零方式，把回零應用到了重新定位上，在數(shù)控機床加工過程中，實現(xiàn)數(shù)控機床的準確、有效的自動定位。然而，對于以注射機為典型代表的塑料成型設備的回零方法的研究還未見報道，筆者根據(jù)實際工藝內(nèi)容的需要，考慮注射機需要回零的兩種情況，對注射機進行機械零點的定義，設計回零算法，提出基于回零技術的全電動注射機系統(tǒng)位置的回零方法，滿足精密注塑成型對位置準確度以及重復精度的需要。

1 機器物理零點及各運動坐標系的定義

注射機在使用過程中需要涉及到對位置的調(diào)整與控制，因此必須給出各運動部分的參考點，即零點定義，進而建立各運動部件坐標系，使得機械定義的物理零點與控制系統(tǒng)定義的零點產(chǎn)生對應關系。首先進行各運動部件物理零點的定義。所謂物理零點的定義，是指在注射機機械本體上根據(jù)需要設置參考點，此回零參考點一旦設置完畢即不允許變動，作為后續(xù)位置控制的絕對參考點。根據(jù)工藝內(nèi)容的不同，可以分為合模座、模具、頂針、注射螺桿零點。根據(jù)注塑成型的操作習慣及行業(yè)標準，對各零點位置作如下定義：

(1)機器的絕對零點。定義注射機的前固定模板的模具定位孔中心位置為系統(tǒng)的絕對零點，由此可建立機器的絕對坐標系和坐標原點。對于合模座、當前模具、當前注射螺桿的位置坐標，規(guī)定以向機器絕對零點方向運動為位置坐標減小的方向；對于頂針的位置坐標，規(guī)定以向機器絕對零點方向運動為位置增加的方向。

(2)調(diào)模機構零點及運動坐標系。調(diào)模機構零點共兩個，包括合模座前、后限位零點。定義在合模座滑軌處設置的兩個前、后限位開關所在位置分別為合模座的前、后限位零點。由此，規(guī)定在進行回零操作時，出于安全的考慮，優(yōu)先選擇后限位開關，前限位開關備選。由前述正向規(guī)定，合模座遠離前固定模板方向為合模座運動坐標軸的正向。前限位開關位置與機器的絕對零點的距離為L1，后限位開關位置與機器的絕對零點的距離為L2。由工藝性可知，兩個限位開關的相互位置關系決定了機器允許安裝的最小與最大模具厚度，L1，L2由機器的機械本體結(jié)構決定。

(3)合模機構零點及運動坐標系。在合模機構的前進限位開關處設置模具位置零點。定義曲肘在完全伸直狀態(tài)到達前進限位光電開關處為模具位置的零點。按前述正向規(guī)定，模具遠離前固定模板方向為模具運動坐標軸的正向。合模機構的前限位開關位置與機器的絕對零點的距離為L3。

(4)頂出機構零點及運動坐標系。在頂出機構的后限位開關處設置頂針位置零點。定義頂針在后退到達后限位光電開關處為頂針位置的零點。按前述正向規(guī)定，頂針靠近前固定模板的運動方向為頂針運動坐標軸的正向。頂針前限位開關位置與機器的絕對零點的距離為L4。

(5)注射螺桿零點及運動坐標系。在螺桿的后退限位開關處設置注射螺桿的位置零點。定義螺桿在料筒中到達料筒的最后端位置為注射螺桿的位置零點，即注射螺桿的后退限位光電開關處為螺桿位置的零點。按前述正向規(guī)定，螺桿遠離前固定模板方向為螺桿運動坐標軸的正向。注射機構的后退限位開關位置與機器的絕對零點的距離為L5。

2 回零算法設計

在機器的物理零點及運動坐標系定義完成后，對各運動部件的回零算法進行設計，包括4 個運動部件的回零算法設計。同時，為了適應回零操作的實際需求，根據(jù)操作方式的不同，對每種回零操作進一步分為手動回零及自動回零兩種方式，分別對手動回零及自動回零的過程、步驟進行方案設計，回零系統(tǒng)的構成如圖1 所示。手動和自動的回零過程基本一樣，只是手動回零由人工作業(yè)完成，而自動回零則是由程序自動控制完成。

圖1 注射機回零系統(tǒng)構成

2.1 調(diào)模機構回零

對調(diào)模機構回零進行設計，如圖2 所示。需要說明的是對調(diào)模機構進行回零后，還需進行自動調(diào)模操作，方可進行生產(chǎn)。

圖2 調(diào)模機構回零過程

(1)手動回零。當選擇以調(diào)模機構后限位零點(或前限位零點)進行手動回零時，需要在點動機器操作模式下，人工操作機器的調(diào)模機構在慢速、低壓的狀態(tài)向遠離(或靠近)前固定模板方向運動，直到到達合模座后限位零點(或合模座前限位零點)，使得此處的后限行程開關(或前限行程開關)常開觸點由閉合回復到常開狀態(tài)，此時，調(diào)模電機停止運轉(zhuǎn)。接著，在操作界面里，選擇調(diào)模機構后限位置歸零(或前限位置歸零)指令按鈕，系統(tǒng)此時對調(diào)模機構置以(L2–L1)(或L1)的數(shù)值，并在數(shù)據(jù)末位加上標識碼A1，方便系統(tǒng)對當前數(shù)據(jù)狀態(tài)的識別。

(2)自動回零。當選擇以調(diào)模機構后限位零點(或前限位零點)進行自動回零時，需要在點動機器操作模式下，在用戶界面里選擇后限自動歸零(或前限自動歸零)指令按鈕，模座可自動后退至調(diào)模機構后限位(或調(diào)模機構前限)位置，使得此處的后限行程開關(或前限行程開關)常開觸點由閉合回復到常開狀態(tài)，此時，調(diào)模電機停止運轉(zhuǎn)。系統(tǒng)同時對合模座位置置以(L2–L1)(或L1)的數(shù)值，并在數(shù)據(jù)末位加上標識碼A1，方便系統(tǒng)對當前數(shù)據(jù)狀態(tài)的識別。

2.2 合模機構回零

對合模機構進行回零前，出于對機器與模具的保護，以頂出系統(tǒng)回位為前提條件，其頂出系統(tǒng)必須先回退到位?；亓愫螅€需進行自動調(diào)模操作，方可進行生產(chǎn)。為安全起見，在對合模機構回零時模具必須從機器上卸下。對合模機構回零進行設計，如圖3 所示。

圖3 合模機構回零過程

(1)手動回零。當選擇合模機構前限位進行回零時，需要在點動機器操作模式下，操作機器使得合模機構至合模前限位置，使得此處的前限接近開關常開觸點閉合，此時，開合模電機停止運轉(zhuǎn)。然后在操作界面里，選擇合模機構前限行程回零指令按鈕，系統(tǒng)此時對模具位置置以(L3)的數(shù)值，并在數(shù)據(jù)末位加上標識碼A1，方便系統(tǒng)對當前數(shù)據(jù)狀態(tài)的識別。

(2)自動回零。當選擇合模機構前限位自動回零時，需要在在點動機器操作模式下，選擇執(zhí)行合模機構前限位自動回零命令后，機器自動將曲肘機構驅(qū)動至合模前限位置，使得此處的合模前限行程開關常開觸點閉合，此時，開合模電機停止運轉(zhuǎn)。系統(tǒng)此時對模具位置置以(L3)的數(shù)值，并在數(shù)據(jù)末位加上標識碼A1，方便系統(tǒng)對當前數(shù)據(jù)狀態(tài)的識別。

2.3 頂出機構回零

頂出位置進行回零前，模具必須到達開模完成位置后方可進行。頂出機構回零設計如圖4 所示。

圖4 頂出機構回零過程

(1)手動回零。當選擇頂針后限位進行回零時，需要在點動機器操作模式下，操作機器使得頂出機構回退至后限位置，使得此處的后限位置接近開關常開觸點閉合，此時，頂出電機停止運轉(zhuǎn)。然后在操作界面里，選擇頂出機構后限行程回零指令按鈕，系統(tǒng)此時對頂出位置置以(L4)的數(shù)值。

(2)自動回零。當選擇頂出后限位自動回零進行回零時，需要在點動機器操作模式下，在用戶界面選擇頂出后限位自動回零命令按鈕，機器將使得頂針自動回退至后限位置，頂出電機停止運轉(zhuǎn)。系統(tǒng)此時對頂出位置置以(L4)的數(shù)值。

2.4 注射位置回零

對注射位置進行回零前，射座必須移動至射座后限位置以及螺桿冷啟動開關解除后方可進行。對注射位置回零進行設計，如圖5 所示。

(1)手動回零。當選擇注射后限位手動回零時，需要在點動機器操作模式下，操作機器使得螺桿回退至后限位置，注射電機停止運轉(zhuǎn)。在用戶界面里選擇執(zhí)行注射位置手動回零指令按鈕，系統(tǒng)此時對注射位置置以(L5)的數(shù)值。

(2)自動回零。當選擇注射后限位自動回零進行回零時，需要在點動機器操作模式下，在用戶界面選擇注射后限位自動回零指令按鈕，機器將自動使得螺桿回退至后限位置，注射電機停止運轉(zhuǎn)。系統(tǒng)此時對注射位置置以(L5)的數(shù)值。

2.5 回零算法實現(xiàn)

根據(jù)上述回零算法設計方案，基于華中數(shù)控HNC-8 開放式數(shù)控平臺及Linux 操作系統(tǒng)，應用C++面向?qū)ο蟪绦蛟O計語言按照各功能工藝模塊對回零控制程序完成了開發(fā)，主要包括調(diào)模機構、合模機構、頂出機構、螺桿注射位置回零等工藝模塊。在此基礎上，通過聯(lián)合可編程控制器PLC、伺服控制器等硬件系統(tǒng)，將手動單個回零過程的各動作進行集成，開發(fā)對應的自動回零控制程序。其中工藝過程的邏輯判斷、輸入／輸出模塊的邏輯開關量的接收在PLC 中完成；PLC 的邏輯開關量在采樣周期內(nèi)被主控軟件檢測后，工藝過程的時序切換控制和參數(shù)傳遞則在主控軟件中進行。用戶界面是使用跨系統(tǒng)平臺的Qt4.0 用戶界面程序開發(fā)包完成的相關功能模塊開發(fā)。

圖5 注射位置回零過程

3 試驗驗證

開發(fā)的試驗樣機如圖6 所示，以開發(fā)的注射樣機為試驗對象，樣機的位置控制精度設計要求為0.01 mm，用千分尺分別測試樣機的各運動部件的回零控制精度，檢驗回零控制精度是否滿足該位置控制精度設計要求。

圖6 全電動注射機樣機

試驗過程如下：在各運動機構的回零條件滿足后，操作機器分別完成各運動機構的回零過程，記錄機械回零誤差，每個運動部分的回零過程各進行3次，見表1。

表1 回零精度測量

由表1 可知，調(diào)模機構、合模機構、頂出機構及螺桿位置的回零平均誤差分別為0.003 0，0.004 3，0.003 3，0.004 3 mm，達到樣機的控制精度設計要求，從回零的整個過程來看，機器運行平穩(wěn)，機器位置參數(shù)監(jiān)控及時有效，動作準確，從而驗證了方法的有效性。其中，樣機機械本體為震雄注射機股份有限公司制造，機器參數(shù)包括：鎖模力為55 t，螺桿直徑22 mm，射出行程92 mm，上述的調(diào)模機構前限位開關位置、調(diào)模機構后限位開關位置、合模機構的前限位開關位置、頂針前限位開關位置、注射機構的后退限位開關位置與機器的絕對零點的長度L1，L2，L3，L4，L5分 別 為980，1 210，480，730，1 220 mm。千分表為桂林量具刃具有限責任公司制造，測量范圍0～1 mm，分度值0.001 mm，測量精度5 μm。

4 結(jié)論

為了達到全電動注射機對位置控制的需要，提出了基于回零技術的全電動注射機系統(tǒng)零點位置的回零方法，主要包括調(diào)模機構、開合模機構、頂出機構及螺桿位置的四個運動部件的回零過程與步驟，基于Linux 操作系統(tǒng)環(huán)境，開發(fā)了控制程序，并對其回零誤差進行了試驗驗證，結(jié)果表明，提出的回零方法具有精度高、動作過程準確，能夠滿足全電動注射機對位置精度的控制要求，證明了提出方法的有效性。同時，對塑料成型類機械的回零過程與技術提供了有益的思路和方法支持。