注塑智能过程控制的推广

陶永亮

(重庆川仪工程塑料有限公司，重庆 400712)

注塑机作为注塑产品的生产母机已被广泛使用。随着 “工业4.0”概念席卷全球，我国重视工业自动化跟智能化，并全力推进“我国制造2025”，以完成产业升级，可以推动中国注塑机的变革与发展。国内注塑机行业在技术上已取得了长足的进步，正在逐步缩小与国外先进制造技术之间的差距。但在高端产品方面，国产注塑机差距仍较大，中要提供能要具备根据客户要求设置技术参数生产注塑机，同时也要具备整体方案解决能力，为客户设计和提供以注塑机为核心的自动化和信息化整体生产方案[1]。根据这一需要，注塑智能化过程控制孕育而生，它对缩短加工周期，提高产品合格率，降低能源消耗，减少管理成本有着重要推动作用。

1 注塑智能过程控制的介绍

1.1 目前存在的问题

数据统计显示，我国塑料制品产量在世界排名中始终位于前列，其中多种的塑料制品已经位于全球首位，我国已经成为世界塑料制品生产大国[2]。其中注塑产品占有60%以上。从事注塑产品中最大的困惑操作工不能将不合格的产品100%剔除出来，这种靠人为进行产品控制，不可能不出问题的。产品上的主要缺陷注塑不全，收缩，断裂等，仅靠操作工在很短时间内做出全面判定，难免有失手的时候，将含缺陷的产品放入到正品，这缺陷产品在用户处装成成品，甚至会导致整个产品的报废，后果难以设想。这种靠人为控制产品质量已经不适应生产发展的需要了。目前注塑管理属于人工管理居多。

1.2 传感器的引入使用

传感器的定义：国家标准GB7665—87对传感器下的定义是：“能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”[3]。传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息。即利用一定的物质（物理、化学、生物）法测、定理、定律、效应等进行能量转换与信息转换，并输出与输入严格一一对应的器件和装置均可称为传感器[4]。

注塑上使用温度、压力传感器较多，特别压力传感器可被安装在注塑机的喷嘴、热流道系统、冷流道系统和模具的模腔内，它能够测量出塑料在注模、充模、保压和冷却过程中从注塑机的喷嘴到模腔之间某处的塑料压力。一般安装在注塑机上可以处，如图1所示。数据可被记录在监测系统中，以用于实时调节模塑压力，并在模塑后进行检查或者排除生产过程中出现的故障。值得一提的是，经采集的压力数据可以成为针对此模具和此材料的通用工艺参数，换句话说，数据可以在不同的注塑机上（使用相同的模具）指导生产[5]。压力传感器安装在模腔内可以提供熔体在注射阶段、压缩阶段和保压阶段的精确信息。图2所示模腔压力曲线。在充模开始时刻(1)，塑料熔体进入模腔， 当熔体前沿接触传感器时(2)， 传感器开始测量压力。然后，模腔压力随时间几乎成线性上升，当模腔被充满时，充模阶段结束(3)，开始进入保压阶段，此时压力开始迅速上升(4)。在保压阶段，熔体被进一步压实，同时进行补料， 以填充因熔体冷却收缩形成的空间，在此阶段，大约有10%的制品体积的熔体被注射到模腔。 事实上, 靠近模腔壁的熔体首先开始冷却固化， 从而会阻碍压力的传递。 熔体从螺杆前端向模腔流动的过程中， 由于熔体黏度增加， 造成流速不断下降， 流道也变得越来越窄。 随着浇口区域熔体的固化(5) 以及熔体迅速冷却定型, 模腔压力回落至大气压(6)。只要结晶和非结晶塑料熔体的粘度相同， 它们在充模阶段的特征是相似的，但在压实阶段会体现出不同的特征。在保压阶段初期。结晶塑料比非结晶塑料需要射入更多的熔体， 以实现压力积累。而在冷却阶段，非结晶性塑料比结晶塑料需要射入更多的熔体，以弥补熔体体积收缩， 防止制品中出现缩孔。

图1 传感器控制面板

图2 模腔压力曲线

利用压力曲线来判定工艺，检查产品的缺陷。如图3所示。图3(a)中，压力出现顶峰现象，出现这样的情况，说明保压切换太迟了，如果浇口凝固了，对产品影响较小；如浇口没凝固，注塑压力继续向模腔注塑，容易产生涨模的可能；图3(b)中，保压前压力下落，导致产品容易变形，说明设备上不稳定，比例阀出问题。图3(c)中，保压曲线急速下降，说明保压压力不足，浇口过于太小，产品有注塑不满足的情况；图3(d)中，保压时间太长，模腔里的残余应力增大，模具刚性差会变形，产品会严重超重，或是保压已满，剩余的保压时间成了冷却时间。图3中四种曲线与图2模腔压力曲线相差大了，都是有缺陷的产品，能通过一定的手段进行识别出来的。还有其他的图形不这里介绍。

图3 产品缺陷压力曲线示意图

1.3 注塑智能化控制

将安装在模具内部的传感器和专用放大器连接到电脑及测量系统，将模具内部树脂的动态状况进行实时波形显示并进行数据输出的注塑成型用测量系统。实现模具内部监测系统，是利用数字化数据，不仅可以最佳成型条件的设定，还能应用于不合格品自动筛选、产品质量管理、模具评估等各种用途。通过这样的系统为注塑智能化控制奠定了较好地基础。目前，随着计算机和视觉系统等技术的发展和运用，较好地促进注塑智能化现场控制系统的发展。其他功能为自动保存模腔压力数据、自动保存模腔压力曲线、自动保存所有测量数据、自动保存监测值、便于工艺参数保存和查阅；自动统计好、坏制品数量，便于产品数量统计；还有一些其他为降低次品率、降低质检成本、节省材料费用、优化成型周期、节省试模、调机时间、预防模具损坏、验证CAE软件预测模腔压力值的准确性等优点。也可以其他注塑参数测量、锁模力测量、拉杆拉力测量、喷嘴压力测量、模腔温度测量等。现能基本上形成下列优势：

（1）满足产品质量基本要求：视觉系统可先采集标准产品，而后针对需检测的产品进行对比分析，确定是否合格，检测过程既可在产品注塑刚完成后进行，也可以单独检测。能在设备上检查出注塑产品不满足，产品收缩等缺陷能及时报警剔除。

（2）工艺数据化管理：注塑工艺能把整个班次能全部的存入PC机中，并能从PC机链接到电脑上，实行数据化管理，同时便于查询，优化工艺参数；烘料工艺数据，模温机工艺数据，设备、模具数据都能进行记录和保存。

（3）设备的集成： 将相关周边设备烘料机，模温机，机械手，输送带等周边设备的数据集成到操作面板上，便于控制和了解。工艺、设备参数集成后控制面板如图4所示。

图4 工艺、设备参数集成控制面板

1.4 注塑智能化控制实例

注塑智能化控制无需对原机机械油路系统做改动，提高原机的注塑稳定性，产品重量，尺寸波动幅度降低，实现废品率降低，节约生产成本。实例一，做同样的产品试验情况图5所示国产60T通过伺服电机和伺服泵等改进，图5(a)为老系统，产品的重量波动在0.12 g，图5(b)为通过改进后，产品重量波动在0.04 g，其设备稳定性提升了300%。

实例二，北京一单位的国产1 000T设备上生产一产品。工作情况是：设备每天工作22 h，1年工作300天；产品使用材料为PP+TD20，单价为14元/kg；产品生产周期为70 s/件，每件用料700 g（含浇口）。设备改进前的单件重量在694～706 g，波动重量值有12 g，设备改进后的单件重量在694～698 g，波动重量值有4 g，稳定性提高很多。其价值计算如下：一年的全年原 料 总 量 =60×60×22×300/70×700=237 600 kg ；全年可节省的原料按每件4 g来计算=4/700×237 600=1 357.714 kg；全年可以节省的原料费用=1 357.714-14=19 008元。通过计算节约增值部分显现出来了，产品质量比改进前较稳定了。

图5 国产60T通过改进前后对比图

2 结束语

传统的注塑机主要以液压泵、液压阀、油质板，油路管、机械传动等机械参数为控制手段，现在的注塑智能控制系统将产品工艺，原有注塑机的机械参数，加上整个过程参数（注塑速度、保压压力、溶胶转速、背压、位置等）组成注塑过程的全闭环机进行控制，从根本上确保产品质量（重量、尺寸、外观表面），提升整个产品质量，节约生产成本，以增加经济效益。注塑智能控制系统是“中国制造2025” 智能制造的一部分，智能制造是新一轮工业革命的关键。以后还有机器视觉、模具保护器等引入，建立了具有开放的、人机友好的生产效益优化和监测平台，推进注塑智能制造发展[6]，注塑智能控制系统是注塑发展的趋势。

参考文献：

[1]中国注塑机行业技术水平现状及未来发展趋[EB/OL].[2016-01-28].http://free.chinabaogao.com/jixie/2016 01/012R3391H016.html.

[2]2016年我国塑料制品行业现状和趋势分析[EB/OL].2016-10-17]. http://www.chinabgao.com/freereport/74062.html.

[3]徐清发，王欣.谈传感器的命名、分类及图形符号[J].传感器技术，1996,(6):12～15.

[4]孙宝元.杨宝清.传感器及其应用手册[M]. 北京：机械工业出版社，2004.1, 1～2.

[5]陶永亮.压力传感器在注塑模具中的应用[J].上海塑料，2011,(3):22～26.

[6]高性能注塑机控制系统科技成果鉴定会[EB/OL]. [2016-09-03].https://mp.duan8.com/a/pekgroo.html.