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注塑機上的閉環控制

浏览次数: 日期:2011年12月23日 10:00

注塑機上的閉環控制

達明科技有限公司 19985

1. 簡介

  為了保證成品的一致性 (精確性),一台注塑機上的多個過程變量都要受到控制。諸如料筒溫度、注射速度、保壓壓力、背壓及鎖模力便是。包括光學鏡片在內的精密注塑是需要一致性的。準確性表示與真實值有多接近,祇是當設定參數轉移到另一台注塑機時才重要。控制機件的反應速度有時也很重要。

  研究指出,成品重量是單一個最重要量度一致性的指標。

1.1 閉環控制

  閉環控制的起點是測量目標變量。一個安裝在合適位置的傳感器產生一個與目標變量成正比的輸出;此輸出通常是類比及電器的訊號。閉環控制監察此變量並在其偏離設定值時採取控制動作更正之。干擾會影響目標變量。關鍵性的目標變量,如注射速度及壓力,通常也顯示出來給操作員監察。
  1的方塊圖給出閉環控制之所以如此命名的原因。

  閉環控制可以用硬件或軟件實現。在硬件閉環控制中,一塊電子板不斷地測量目標變量並與注塑機控制器送過來的設定值比較,計算出控制動作,之後送往執行器,如油閥。控制算法所需的參數由電位器或撥碼輸入。達明機器廠的閉環ME55 III注塑機採用硬件閉環制。

  在軟件閉環控制中,注塑機上的控制器或一專用的控制器以軟件實現同樣的動作,而軟件是由控制器裏的中央處理器執行的。由於採樣的間隔並非無限小,控制的反應時間比硬件的稍遜,但設定控制算法參數較方便是其優點。若採用注塑機上的控制器執行軟件,則更有價格上的優點。

1.2 開環控制
  開環控制發出命令給執行器來調整目標變量,但達到設定值與否則不清楚因並沒有測量目標變量。干擾會影響目標變量偏離設定值,而干擾是沒有控制的。例子有室溫及塑料的含水量。當精確性要求不高時可採用開環控制。

 

1.3 半閉環控制

  半閉環控制測量一個與目標變量有關的中間變量,並控制之。如此做法是因為中間變量較方便或較便宜便可測出。在注塑機上,兩個例子是控制閥芯位置代替控制唧筒速度及測量螺桿位置來代表測量模腔填滿點。在半閉環以外的干擾還能使目標變量偏離設定值。

 

1.4 閉環注塑機

  現今的開環注塑機的料筒溫控制也是閉環的。所謂閉環注塑機是指最低限度注射速度及保壓壓力是閉環控制的。較先進的注塑機更有背壓、切換、鎖模力及模具位置的閉環控制,雖然有些祇是可選功能。

2. 溫度控制

  溫度控制可算是注塑機上最重要的單一要控制的變量。

  電熱偶是種常用的溫度傳感器。他細小的體積有很快的反應,並方便安裝,價錢也不算高。但它的毫伏輸出需要擴大後才可使用。

2.1 料筒及噴咀溫度

  雖然我們要測量的是熔融溫度,但實際上祇能測量料筒溫度。在料筒中鑽孔而電熱偶插在其中。此孔越深,測出的溫度越接近熔融溫度。請留意加料時螺桿的旋轉剪切熔融,產生熱量。ME55 III注塑機採用深孔方案。但是深孔因離加熱器較遠,設定溫度改變後的控制較困難,尤其是開機時的初始加溫會有較大的超溫。

層疊控制採用一深孔及一淺孔的雙電熱偶測量。相對於深孔,淺孔的電熱偶較快感應出電熱器的變化,因而可以減少超溫。它構成內環;深孔的電熱偶則構成外環。

 

  為了準確地測出熔融溫度,孔壁與電熱偶的良好接觸尤為重要。

2.2 模具溫度

  模具的表面溫度嚴重影響成品的質量,尤其是表面質量。這包含表面光澤及內應力。在閉環控制的模溫測量,實際上祇用一個模具溫度來代表三維的表面溫度分佈。

2.3 壓力油溫度

  壓力油溫度應保持在攝氏50度之下以防止壓油降解,並保持油封的完整性。油溫還需控制在攝氏2度的波動內使黏度較恆定。冷卻水的開關控制是足夠精確的(7.1)。壓力油黏度影響流量,也影響壓力。在ME55 III上,油溫控制是個可選裝備。

3. 速度控制

3.1 注射速度控制

  僅次於料筒溫度控制,充填時的注射速度控制也是十分重要。恆定前緣定理指出:最佳的充填是由維持熔融前緣在模腔內前進速度恆定而達到的。這是在遇到不同模腔橫切面產生的不同流動阻力下還是保維恆定。一台現代的注塑機可設定510段的注射速度以達到前緣的恒速。

3.2 比例閥

  雖然供油是由個恆速馬達來驅動定量油泵﹐比例流量閥使注射行程中有五段或更多的流速。參考圖5

 

    比例閥有個閥芯。它的左右移動控制流過油閥由P A及由BT的流量。油泵的出口接連閥的P端﹔油箱則接連T端。

    注塑機的控制器按當時注射速度的所需﹐送一個正比於注射速度的電壓到放大器。放大器驅動電流通過電磁鐵﹐而電磁鐵移動閥芯。因流過閥的流量是幾乎正比於閥芯行程﹐比例閥因而得名。結果是注射唧筒的前進速度差不多正比於控制器送出的電壓。
  有三個因素影響閥芯位置不正比於施加電壓﹕磁滯﹑摩擦力及流動力。

    磁滯是電磁鐵的特性。看電流正是上升或下降﹐相同的電流不等於相同的閥芯位置。不管是由那方向驅動﹐靜態摩擦力阻止閥芯移動﹐直到推力超過靜態摩擦力。一旦閥芯移動﹐動態摩擦力便阻礙它的移動。
  壓力油流過閥芯的開口時是有方向改變的。這就產生力量使閥開得更大。

  若閥芯位置能夠控制到與施加電壓成正比﹐便能獲得更佳的流速重複性。
  比例壓力閥是用油芯控制下游壓力。這三個因素同樣影響閥芯及壓力的重複性。
  標準ME55 III是採用比例閥的。

3.3半閉環比例閥
  半閉環比例閥將閥芯位置放在閉環裏。所有使閥芯達不到設定位置的干擾都不構成影響。不但磁滯﹑摩擦力及流動力的影響被除去﹐閥芯更因閉環而更快到位。以簡單的語言表示﹐閉環使控制更剛硬。像跑車愛好者喜歡其座駕高的加速率﹐高的加速及減速率﹐尤其是模板的移動﹐可大大降低週期時間。

    博世公司的PQ閥是ME55 III的替代裝置。它是內含兩個半閉環比例閥的一個油掣。一個閥控制送出油泵的壓力(P) ﹐另一個則控制流量(Q)。因為油掣位於油泵出口﹐它不僅控制注射壓力及速度﹐但還控制其它壓力及速度﹐如開模及閉模的壓力及速度。PQ閥是個增加重複性的具經濟效益的方法。它使你的房車變成跑車。我們極之推薦客戶採用 (但奉勸你小心駕駛)

尤其在薄壁注塑,模具冷卻使流道內的熔融固化,因而增加了熔融的流動阻力。熔融溫度的下降嚴重增加熔融黏度。開環及半閉環控制沒有因應這些流動阻力的更改(干擾)作出補償。增加了的流動阻力會降低流速。有必要採用閉環控制。

3.4伺服閥

  位於注射唧筒上的伺服閥可以控制注射速度、保壓壓力及背壓。伺服閥是個很精確(重複性高)及反應快的「水龍頭」,用以控制通過它的油流。當注射速度下降時,由外環測出後便稍開伺服閥來回復速度。

伺服閥有內置的閥芯位置控制。它構成圖8的內環。閥芯的位置控制消除磁滯、摩擦力及流動力對閥芯的影響。它還增加閥的反應速度。

                                  

壓力控制方面,伺服閥稍開及稍關以分別今減少及增加閥的壓力降來控制下游的壓力。

    注射唧筒的油壓 = 油泵壓力 - 伺服閥的壓力降閉環ME55 III採用穆格公司的伺服閥。

4. 壓力控制

4.1 保壓控制

  一旦模腔填滿,注射速度控制便改為保壓壓力控制。請參考圖9。保壓壓力是用作補償模腔內因冷卻而收縮的熔融量。保壓壓力應該因應成品收縮做成的模腔壓力下降而降低。這相當於圖114-5段。在充填時控制注射速度的伺服閥在保壓時控制保壓壓力。請參考圖10。保壓壓力的精確性應控制在1巴內;保壓時間則應控制在0.05秒內。

 

4.2 背壓控制

  在加料時背壓控制熔融的緊密度。同一個四路伺服閥在充填時控制注射速度,在保壓時控制保壓壓力,而在加料時則控制背壓。請參考圖9。四通閥有四條油路引出/引入伺服閥。請參考圖10。閉環ME55 III採用四通伺服閥。

背壓的精確性應該控制在1巴內。

 

4.3 油壓切換

  一旦模腔填滿,螺桿的繼續前進會擠壓熔融,使其壓力驟升。擠壓是用來控制成品的密度的。為了避免過擠,要盡快切換到保壓壓力。在圖11中,1-2-3段構成充填段。在點3上,模腔填滿。3-4是擠壓段,4-5是保壓段。在點5上,主繞道固化,因此模具可以開啟。5-6段代表模腔內過長的冷卻。

  注射唧筒的油壓壓力驟升是測出擠壓段的近似方法。可測量油壓達到某個程度後便切換到保壓。跟據前面的定義,這祇是半閉環控制。油封的摩擦力及熔融的黏度使模腔壓力並不正比於油壓。熔融的壓縮量也產生時間上的延遲。但油壓傳感器的工作環境比模腔傳感器的友善得多。它的價錢便宜,安裝也較方便,與下節闡述的最準確的切換方法相比是個好的權衡。ME55 III的油壓切換功能是個可選件。

4.4 模腔壓力切換

  處於最適當的位置,模腔壓力測量提供切換到保壓的最準確訊息。在理想模腔壓力曲線上,點3是填滿點。切換應在此時執行。可在測量模腔壓力達到某個程度後切換。或者用智能晶片測出點3上的坡度改變後通知注塑機上的控制器。奇石樂公司的智能放大器採用後者。

  此法限於傳感器留下的痕跡是可以接受的。在一模多腔的應用,更需要每腔有一個傳感器。ME55 III的模腔壓力切換功能是個可選件,可支持模腔壓力高低及智能放大器的測量方法。

 

4.5 模腔壓力控制

  精確性的一把尺度是模腔壓力的重現性。先將產生理想成品的模腔壓力曲線取下,在後繼的注塑以控制注射速度及保壓壓力來重現之。換句話說,以理想曲線作注射速度及保壓壓力的設定值。注塑機的電腦要能夠記錄理想曲線。因擠壓段的模腔壓力上升很快,需要一個反應很快的四通伺服閥。四通伺服閥有別於三通,因前者除可以加速外亦可以煞車。三通伺服閥是靠熔融的阻力來煞車。

5. 力的控制

5.1 拉桿拉力控制

  在一台機鉸鎖模的注塑機上,祇用機上的油壓錶並不容易測出鎖模力。因鎖模力是全部由拉桿承擔,可測量它們的拉伸來測出鎖模力。將一個或多個應變儀附在拉桿上便可達到。假設拉桿的拉力均勻,鎖模力便是一條拉桿拉力的四倍。鎖模力是調模厚時調整的。若模溫升高,鎖模力也升高。下次注塑前作個模厚調整便回復原來的鎖模力。模腔變型會影響成品的尺寸。恆定的鎖模力使變型恆定。

  多條拉桿都附上應變儀時更可測出不均勻的拉力。這是導致拉桿斷裂的主因。將應變儀附在模板上測量在負載下模板的彎曲度是另一個量鎖模力的方法。

5.2 鎖模力控制

  鎖模力控制在油壓直接鎖模注塑機上較易實現。測量鎖模油缸的油壓便可,因它是正比於鎖模力。在ME55 III上,鎖模力的閉環控制是個標準設備,精確性在400公斤力之內。

在注射壓縮技術中,注射時模具微開,然後模具鎖上,壓縮熔融。有時這是用多段鎖模力達成的。在ME55 III上,注射壓縮是個可選功能。

 

  光盤的複製是注射壓縮技術的重要應用。注射時模具微開可減少薄壁注塑的注射壓力。減少了的內應力可以降低成品的翹曲變型。

 

6. 位置控制

6.1 螺桿位置測量

  在充填、加料、倒索及以位置切換保壓時都需要測量螺桿位置。螺桿位置是由注塑機的控制器測量的。

  螺桿的兩個位置決定了注射量:加料盡頭的位置p及切換保壓的位置s。注射量是正比於它們的相差p - s。此相差的精確控制對成品重量的一致性尤為重要。接近注射及加料盡頭的減速有助於增加ps的精確性。

 

6.2 模具位置控制
  在注射壓縮中,注射時模具微開。微開量約1毫米。注射完畢後,模具完全鎖上。有時這是由多級模具位置達成的。

ME55 III上,注射壓縮是個可選功能。微開量可達25毫米,精確性在0.1毫米之內。

 

 

7. 並非萬應靈丹

  閉環控制增加注塑的精確性,但並不能解決所有的注塑問題。

  一個設置不對的切換點會導致以低的保壓壓力來充填模腔的剩餘空間。注射的閉環控制並不能更正錯誤的速度設定值。但監察關鍵的變量如注射速度,注射壓力及模腔壓力可提供線索如何調整注塑參數。

  壓油的外或內洩漏、止回閥及螺桿的磨損、拉桿斷裂等都使注塑過程不穩定。它們屬於故障,可借助監察而測出。但故障先要收復才可以繼續注塑優質成品。

8. 其它控制方法

8.1 前饋控制

  閉環控制亦稱回饋控制,因測量了目標變量後便回饋來與設定值比較。但回饋控制是事後更正:衹當存在偏差時才採取控制動作。有時,事後更正是來不及的。

  前饋控制測量干擾及預測其對目標變量的影響而採取控制動作。前饋控制是與反饋控制同時使用的。

8.2 適應控制

  適應控制較易以螺桿位置控制來說明。注射重量w是正比於加料盡頭的位置p及切換保壓的位置s的相差。請參考圖15。注意ps是注射電子尺測出的絕對位置。

  w = k (p - s)

  若ps對各自的設定值都有偏差,它們是合起來影響w的。它的不一致性尤其是在w衹是注 塑機的注塑重量的一個小比率 (30%) 時嚴重。這亦即是p - s是注塑機的注射行程的一個小比率。

  在適應性注射重量控制中,從p減去一恆定的量d作為切換點 (螺桿位置的設定值)p對其設定值的偏差便不會影響注射重量。

w = k (d)

 

 

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