塑料外部成型加工机构控制系统设计

聂 鹏

(华东交通大学交通运输与物流学院，江西 南昌 330013)

机械与模具

塑料外部成型加工机构控制系统设计

聂 鹏

(华东交通大学交通运输与物流学院，江西 南昌 330013)

基于塑料外部成型加工工艺流程图和三菱FX3U系列可编程逻辑控制器(PLC)设计了塑料外部成型加工机构的控制系统，其分为自动模式和手动模式；采用组态王软件建立了与PLC控制系统的连接、定义变量以及动画连接，实现了塑料外部成型加工的自动控制，并且可精确控制电机转速和电液比例阀的流量。

塑料外部成型加工；工艺流程；控制系统；动画连接；电液比例阀

0 前言

模内装饰成型技术是指通过模内工程的方法，在模具内置入装饰性材料(塑料、布料或皮革等)，达到一次射出完成装饰塑件的目的，取代了传统射出塑件的后工程[1-3]。塑料外部成型加工技术则是根据不同的热压成型工艺方法，通过增加气压、液压等各种方式来实现外包覆装饰成型。它对加工条件和环境的要求大大降低，使得贴膜后的产品更具有真实的触感，从而达到更好的装饰效果。塑料外部成型加工技术属于外包覆，在高压真空环境中利用热塑性材料，将规定尺寸的材料加热到软化，并借用材料两面的压力差使得其紧密地贴覆在模具的轮廓表面上[4]。塑料外部成型加工机构主要分为机架、模腔机构、换膜机构和加热机构，采用三菱FX3U系列设计了塑料外部成型加工机构控制系统，该控制系统实现了塑料外部成型加工全过程的自动控制。操作简单，易于维护。

1 塑料外部成型加工机构及其工艺流程

图1 塑料外部成型加工机构Fig.1 Film outside decoration mechanism

由图1可知，塑料外部成型加工机构主要由整体机架、模腔机构、换膜机构和加热机构组成。塑料外部成型加工工艺流程主要分为：(1)自动换膜：换模机构先移入模腔到预定位置，滚筒下压将塑料贴紧压边框，到位后往外移动铺膜，然后切刀移动裁膜，最后自动换膜机构回到原位。(2)上压边框下压：上压边框通过气压系统下压，将塑料固定在下模腔边框上。(3)合模：上模腔通过液压系统下降与下模腔合拢，压边框压紧塑料后，液压系统得到信号启动，液压缸开始工作，上模腔下移与下模腔合拢，经过保压系统，保持在一定压力下维持到开模。(4)抽真空：真空泵得到系统信号，开始抽取上下模腔内的空气，使上下模腔的压力达到规定要求值。(5)加热：加热板通过气压系统移动至指定位置，对塑料进行加热使其软化，而后加热板回到原位。(6) 下模台上移：下模台通过液压系统上移，对塑料进行预拉伸处理，使塑料初步贴合在装饰物件表面。(7)加压：高压泵得到系统信号，开始工作往上模腔压入空气，到达到规定压强。(8)开模：上模腔回到原位，气压系统换向阀换向使压边框回到原位，下模台换向回到原位。

2 程序设计

2.1 PLC选型

由于需要控制3台步进电机的运行， 因此PLC选用具有3个脉冲输出的三菱FX3U系列以及FX3U-485-BD通信扩展板，如图2所示。FX3U系列[5-7]增加了新的定位指令，新增加了高速输入输出适配器，并且增强了通信的功能。

(a)三菱FX3U系列PLC (b)FX3U-485-BD通信扩展板图2 三菱FX3U系列PLC及FX3U-485-BD通信扩展板Fig.2 Mitsubishi FX3U series PLC and FX3U-485-BD communication extension board

2.2 步进电机的控制

选用的3个步进电机均采用三相六拍的工作方式，正向转动的通电顺序为A-AB-B-BC-C-CA-A，如果通电顺序反向为A-CA-C-BC-B-AB-A，则电机反转。可根据步进电机的工作方式及所要求的频率，设计出步进电机的A、B、C各相时序图，其各相三相六拍的时序图如图3所示。

各相时序图：(a)A相 (b)B相 (c)C相图3 三相六拍时序图Fig.3 Three phase six sequence chart

2.3 程序流程图

(a)自动换膜流程图 (b)抽真空与加压流程图图4 程序流程图Fig.4 Program flow chart

塑料外部成型加工设备控制系统是一个开关量的顺序控制系统，由PLC启动，然后自动换膜，压边框下降，加热器加热和回位，上下模腔合膜，下模台上升，真空机抽真空，加压，上下模腔分离开模，压边框回位，下模台回位，最后机器停止，其程序流程图如图4所示。该控制系统程序分为自动模式和手动模式。自动模式：PLC控制系统运行设置好的程序与参数。手动模式：机构运行过程中部分程序需要手动来操作，比如单周连续开关等。

2.4 程序设计

(1)公共程序设计

自动模式时，按下停止按钮，系统将停止运行一切活动。公共程序采用单步控制开关，单步控制方式是指每按一次启动按钮，行程只完成一个规定动作，单步控制方法主要是通过控制特殊辅助继电器来实现的，与此同时分别设置下模台、压边框、上模腔和自动换模机构的原位开关。

(2)自动换膜程序设计

自动换膜的步骤分别是换模机构移入到位、压膜到位、铺膜、切膜和换模机构回原位。其中带动换膜机构和带动切刀切膜的电机是三相步进电机，其中切膜时裁刀在左侧则步进电动机正转，裁刀在右侧则步进反转。

(3)压边框下降程序设计

压边框的压力回路接通是指压边框到规定点的位置时压边框保压，程序进入下一步。

(4)加热程序设计

自动模式时，加热板进入系统中碰到行程开关时准备开始加热，加热一定的时间后加热板回到原位，碰到行程开关进入下一程序动作中。

加热后进入下一程序动作中，压边框压力回路工作，压边框将塑料下压紧贴下模腔，碰到行程开关进入下一程序动作中，压边框下降，使系统封闭合膜，然后进入下一程序活动中。

(5)合膜程序设计

合膜是指压边框回路接通，压边框下降压紧，碰到行程开关，使程序进入下一步，使上模腔下降，与下模腔合拢。碰到行程开关时，程序将跳到下一步。

(6)抽真空和加压程序设计

下模台上升到直线光栅设定好的位移上，系统抽真空，经过一定时间后，空气压缩机在上模腔加压，使塑料成型，等到压力达到0.2 MPa时，压力开关停止工作，系统跳入下一程序。

(7)开模程序设计

塑料成型后，电磁换向阀右端得电上模腔回到原位，碰到限位开关，压边框气动换向阀得电，回到原位。碰到行程开关，下模台回到原位，然后进入下一程序动作中。

(8)结束程序设计

此时系统处于原位，控制开关得电，经过一定时间，拿出成型塑料后，如果开关处于单周位，则进入待机状态程序。如果处于连续位，则进入连续生成塑料制品程序。

3 控制界面设计

组态王软件[8-10]结构由工程管理器、工程浏览器及运行系统3部分构成。基于组态王软件建立一个工程项目与PLC连接， 选择连接的串口为COM1，设置尝试恢复间隔为30 s，最长恢复时间为24 h，并且设置动态优化。

在组态王中通过“数据库”项来定义设备变量，对于将要建立的工程，需要电机转速、电液比例阀流量、开关控制输出量、数字开关输入变量，因此需要在数据库中定义这4个变量。4个变量的变量类型前2个是I/O实型，后2个是I/O整型。在开发系统界面上绘制“监控中心”的画面，如图5所示。当画面设计完成后，再通过“动画连接”来建立画面的图素与数据库变量的对应关系，可输入相应的速度以控制电机的转速，也可以输入流量来控制电液比例阀的流量，能够使其控制精度保持在95 %以上。

图5 控制中心画面Fig.5 Control center screen

4 结论

(1)根据塑料外部成型加工工艺流程及其程序流程图，采用三菱FX3U系列设计了塑料外部成型加工机构的控制系统，分为自动模式和手动模式，该控制系统实现了塑料外部成型加工全过程的自动控制，操作简单，易于维护；

(2)采用组态王软件建立了与PLC控制系统的连接、定义变量以及动画连接，可通过输入相应的速度以控制电机的转速，也可输入流量来控制电液比例阀的流量，使其控制精度保持在95 %以上。

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Design of Control Systems of Outside Manufacturing Mechanisms for Plastic Parts

NIE Peng

(School of Transportation and Logistics, East China Jiaotong University, Nanchang 330013, China)

Control systems of outside processing mechanism for plastic parts was designed by use of Mitsubishi FX3U type PLC on the basis of process principle of outside processing for plastic parts. This control system included an automatic mode and a manual mode. The connection with the PLC control system was established. The variables were defined, and the animation was connected through the supervisory control and data acquisition. Moreover, the automatic control of plastic outside molding and processing was achieved, and the motor speed and flow rate of electro-hydraulic proportional valve were also accurately controlled.

plastic outside processing; process principle; control system; animation connection; electro-hydraulic proportional

2016-10-05

TQ320.5+2

B

1001-9278(2017)08-0117-05

10.19491/j.issn.1001-9278.2017.08.021

华东交通大学校立课题(15GD01)；华东交通大学教务处课题(JYZY1508)

联系人，niepeng1966@163.com