Zigbee监 控网络下注塑机注塑性能稳定性及注塑产品质量

黄 鑫，王 秋，李忠武

（1.德宏师范高等专科学校，云南省芒市 678400；2.大连理工大学化工学院，辽宁省大连市 116024；3.保山学院，云南省保山市 678000）

Zigbee监 控网络下注塑机注塑性能稳定性及注塑产品质量

黄 鑫1，王 秋2，李忠武3

（1.德宏师范高等专科学校，云南省芒市 678400；2.大连理工大学化工学院，辽宁省大连市 116024；3.保山学院，云南省保山市 678000）

利用Zigbee无线监控网络对聚丙烯薄壁制品的加工过程进行远程监控。研究了监控网络系统反馈信息与真实加工工艺之间的契合度，并且在该监控网络下完成了聚丙烯薄壁制品的加工，通过研究制品翘曲变形量来进一步衡量该监控网络的稳定性。结果表明：采用Zigbee无线监控网络可以实现高精度的工艺调控，具有较好的稳定性，参数调控误差可控制在3%以内；同时，利用该监控网络对注塑机进行调控时，可将所制聚丙烯薄壁制品的翘曲变形量降低到1.819 mm。

聚丙烯 薄壁制品 监控网络 工艺调试 翘曲变形

在塑料注塑加工过程中，聚合物熔体各部分的冷却速率不一致以及聚合物分子取向等原因会造成塑料制品发生翘曲变形，不仅影响制品的美观，而且会极大降低其使用性能，甚至会造成塑料制品的报废。结合材料的流变性能，选用合适的料筒温度、注射压力、注射时间、模具温度、保压压力和时间等工艺参数，可以有效减小制品的翘曲变形量［1-6］。聚丙烯具有良好的耐候性、耐化学药品腐蚀性，低毒、高绝缘性等优良性能，在食品包装、医用材料、汽车行业、纤维和日用品加工等领域广泛应用。聚丙烯熔体属于典型的假塑性流体，在低剪切速率下呈牛顿流体特性，而在高剪切速率下呈现剪切变稀［7-10］。通常，加工过程中选用熔体流动速率为2～10 g/10 min的聚丙烯，成型温度选定为205～315 ℃，溢出值控制在0.03 mm，注塑机料筒温度控制在210～280 ℃［6］。

为提高生产效率，降低生产成本，加工时通常采用多台机器同时工作，并且利用监控网络进行加工过程的监控和加工工艺的调控［11-15］。普通的无线监控网络系统只能完成近程的监控，而Zigbee无线监控网络不仅能够进行近程监控，还能够远程监控加工过程并调节加工工艺［16-17］。本工作采用Zigbee无线监控网络对聚丙烯薄壁制品（尺寸为230 mm×136 mm×43 mm，壁厚为2 mm）的加工过程进行监控，研究了监控网络系统反馈信息与真实加工工艺之间的契合度，并且在该监控网络下完成了聚丙烯薄壁制品的加工，最后，通过研究制品翘曲变形量进一步衡量了该监控网络的稳定性。

1 实验部分

1.1主要原料与设备

聚丙烯，注塑级，中国石油化工股份有限公司北京燕山分公司生产；DQ-100T型卧式注塑机，广东德群机械有限公司生产。

1.2性能测试

翘曲变形测试采用美国Akrometrix公司生产的Akrometrix型热变形外貌检测仪进行检测。

1.3注塑工艺参数

预热干燥温度为80 ℃，预热干燥时间为5 h，螺杆转速为50 r/min；第一段料筒温度为200～240℃，第二段料筒温度为260～300 ℃，第三段料筒温度为200～240 ℃；喷嘴温度为175 ℃，模具温度为50 ℃；注射压力为80 MPa，保压压力为60 MPa；注射时间为4 s，保压时间为 25 s，冷却时间为25 s。

2 结果与讨论

2.1 Zigbee无线监控网络稳定性测试

监控网络是将注塑机的工艺参数通过传感器传送到检测器上，然后控制系统再针对所获得的工艺信息反馈至注塑机，从而实现注塑过程的远程监控和操控。因此，监控网络的稳定性极大地影响注塑机的加工工艺。对注塑机料筒进行分段式控温，通过改变料筒的温度考察监控网络所接收到的工艺参数与实际工艺参数之间的差别以及监控网络对其采取应对措施的灵敏度，并通过与普通监控网络对比，考察该Zigbee无线网络监控系统的稳定性。

将料筒温度控制在100～280 ℃，并分别记录料筒实际温度、Zigbee无线监控网络显示的温度以及对照监控网络显示的温度。对每个温度进行10组实验，取其平均值进行对照，并计算了标准偏差。从图1可以看出：当料筒温度由100 ℃升至280 ℃时，Zigbee无线监控网络的温度示数与实际温度相差不大，均控制在3 ℃以内，而且在低温区（100～180 ℃）和高温区（180～280 ℃），该监控网络的稳定性并无明显差别；而对照组所采用的无线监控网络在低温区的温度偏差为3～6 ℃，在高温区温度偏差缩小，为1～3 ℃。这是因为随着料筒温度的升高，加热时间延长，监控网络的反应时间也相应延长，所以一般情况下监控网络在高温区的示数较为准确。Zigbee无线监控网络在低温区和高温区的示数均较为准确，说明该监控系统的灵敏性和稳定性优于一般的监控系统。

图1 不同料筒温度条件下各监控网络的显示温度Fig.1 Temperature displayed in monitoring network at different barrel temperatures

为进一步研究该监控系统的稳定性，选定料筒温度为280 ℃，研究3.0 min内无线监控系统温度示数的准确度和波动情况。从图2可以看出：0.1～1.0 min时，料筒处于加热状态，温度稳步升至280 ℃左右，虽然出现了小范围的过热现象，但料筒温度在3.0 min内稳定到目标温度。Zigbee无线监控网络示数在加热过程中与料筒实际温度存在着一定的偏差，但在1.0 min时，该监控网络的示数仅与料筒实际温度存在1～2 ℃的偏差，在1.0～3.0 min时，偏差一直稳定在1～2 ℃，说明Zigbee无线监控网络具有较好的稳定性；而对照组监控网络虽然在1.0 min时，温度示数与实际温度相差也较小，但在1.0～3.0 min时，该监控网络的示数存在明显波动。

注塑过程时，由于加热速率过快，料筒会产生过热现象，而监控网络的反应灵敏度和对料筒温度的反馈调控作用则可以在一定程度上避免过热情况的发生。为检测Zigbee无线监控网络的灵敏度，首先将料筒温度稳定在280 ℃，然后将温度升至290 ℃，记录3 min内监控网络显示温度及料筒实际温度的变化。从图3可以看出：Zigbee无线监控网络能快速准确地对料筒温度的变化做出响应，并且及时对料筒温度进行调控，当料筒温度升到290 ℃后，Zigbee无线监控网络的温度示数几乎和料筒温度没有差别，并且在该系统的调控下，注塑机料筒温度很快降至280 ℃，在1.5 min内便稳定在了设定温度；而对照组无线监控网络的显示温度与实际温度相差较大，且响应也具有一定的滞后性，因此，采用该监控系统对温度进行调控时，料筒温度下降过程中出现了较为严重的温度波动，并且在2.5 min时才实现了温度的稳定。

图2 料筒实际温度及监控网络的显示温度与时间的关系曲线Fig.2 Time as a function of actual barrel temperature and temperature displayed in monitoring network

图3 监控系统对料筒温度的响应及调控Fig.3 Response and control of monitoring system to barrel temperature

2.2 Zigbee无线监控网络下聚丙烯薄壁制品的翘曲变形量

在聚丙烯加工过程中，对注塑机料筒进行三段式控温，第一段和第三段料筒温度设定为220℃，第二段料筒温度设定为280 ℃。为更清晰地研究Zigbee无线监控网络的稳定性，对整个料筒的升温过程进行了实时监控。从图4可以看出：在Zigbee无线监控网络的监测和调控下，三段温度均在1.0 min内达到目标温度，并且在10.0 min内未出现明显温度波动，这进一步证明了该监控系统的稳定性和灵敏性。

采用Zigbee无线监控网络对聚丙烯注塑工艺进行优化，研究不同料筒温度条件下，聚丙烯薄壁制品的翘曲变形量，并与不采用监控系统的注塑机进行了对照。从表1可以看出：当前段料筒温度为220 ℃，中段料筒温度为280 ℃，后段料筒温度为220 ℃时，聚丙烯薄壁制品的翘曲变形量最低，为1.819 mm。因此，最佳的参数为：前段料筒温度为220 ℃，中段料筒温度为280 ℃，后段料筒温度为220 ℃。为了研究该监控系统所调控注塑工艺的精确性，在不使用Zigbee无线网络监控条件下，将注塑机三段料筒实际温度设定为220，280，220℃，对同样规格的聚丙烯薄壁制品进行注塑，最终所得制品的翘曲变形量为1.815 mm，二者相差仅为0.004 mm，几乎为同一水平。这进一步证明了Zigbee无线监控网络系统不仅能够对注塑机工艺进行准确地监测，并且还可以对其进行有效地调控。Zigbee无线网络监控具有较为优异的稳定性和灵敏度，可以实现注塑机注塑过程的远程操作，无需人工对注塑过程进行监控，极大降低了生产成本，提高了生产效率。

图4 料筒升温过程中温度变化Fig.4 Temperature variation during barrel heating

表1 聚丙烯注塑温度优化结果Tab.1 Optimization results of PP injection molding temperature

3 结论

a）Zigbee无线网络监控系统可以准确地监控注塑机的料筒温度，监测误差控制在1～3 ℃。

b）Zigbee无线监控网络系统可以较为灵敏地对料筒温度的变化作出响应，从而实现对料筒温度的调控。在实际生产中，该系统对三段式料筒温度的控制能够较好地响应和调控。

c）采用Zigbee无线监控网络系统对聚丙烯注塑温度进行优化，可以有效地将制品的翘曲变形量降至1.819 mm。

［1］ 王戈. 汽车后视镜注塑成型工艺优化研究［D］.昆明：昆明理工大学，2011.

［2］ 于同敏. 注射制品内应力分析及控制对策［J］. 模具工业，1998（2）：39-44.

［3］ Chang R Y，Tsaur B D. Experimental and theoretieal studied of shrinkage，warp and sink marks of crystalline polymer injection molded parts［J］. Polym Eng Sci，1995，35（15）：1222-1230.

［4］ 吴贵生，于治福. 试验设计与数据处理［M］. 北京：冶金工业出版社，1997：46-75.

［5］ 王利霞，杨杨. 注塑成型工艺对制品体收缩率变化的影响及工艺参数优化［J］. 高分子材料科学与工程，2004，20（2）：173-176.

［6］ Mohan M，Ansari M N M，Shanks R A. Review on the effects of process parameters on strength，shrinkage，and warpage of injection molding plastic component［J］. Polym Plast Technol，2016，56（1）：1-12.

［7］ 尹芬，林月城，段继华，等. 聚丙烯包装材料透明改性的研究［J］. 包装工程，2016，37（11）：27-31.

［8］ 赵玉梅. 汽车轻量化用改性聚丙烯的研究进展［J］. 合成树脂及塑料，2016，33（6）：91-94.

［9］ 江羿锋. 聚丙烯改性研究初探［J］. 化工管理，2016（2）：62.

［10］ 谭捷，田月，李威. 国内聚丙烯生产工艺技术现状及市场分析［J］. 弹性体，2016，26（1）：65-70.

［11］ 符晗，刘电霆，覃嘉恒. 基于CAN总线与以太网的注塑机远程监控系统［J］. 机械制造与自动化，2008，37（1）：86-87.

［12］ 林海杰. 基于NET技术的注塑机群远程监控系统的研究与实现［D］. 广州：华南理工大学，2011.

［13］ 吴建华. 嵌入式网络注塑机人机界面设计［D］. 杭州：浙江大学，2005.

［14］ 彭永杰，蔡启仲. 注塑机监控系统开发平台的构建［J］. 工业控制计算机，2010，23（4）：43-45.

［15］ 刘玉伟. 基于组件技术的注塑机智能监控系统的开发研究［D］. 南宁：广西大学，2007.

［16］ 周文辉，黎萍，何瑞彬. 基于Zigbee无线网络的注塑机控制系统的设计［J］. 自动化与仪表，2015，30（5）：25-28.

［17］ 章锦雷，郑堤，胡利永，等. 注塑机群的远程监控系统［J］.轻工机械，2007，25（6）：61-64.

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。

黄鑫，男，1981年生，硕士，讲师，2009年毕业于湖北大学。联系电话：15925438058；E-mail：huangxing_ guei@sina.com。