机铰式注塑机锁模力的精确检测、自动调整及修正

2021-04-13蔡国强蔡杰锋

中国新技术新产品 2021年2期

蔡国强蔡杰锋

（1．南京工业大学，江苏南京 211816；2．仲恺农业工程学院，广东广州 510225）

0 技术背景

注塑机更换模具后，由于模具厚度的改变，因此，需要对机器进行匹配性调整，从而获得合适的锁模位置及锁模力。目前的注塑机通常标配自动调模功能，用户安装好新模具后，通过简单的参数设置和操作步骤，就可以自动完成对模厚的调整。由于机铰式注塑机受机械结构、制造公差和控制精度等因素的影响，调整后的锁模力的实际值与目标值往往存在一定的偏差，可以通过进行渐近式的多次调整来修正该偏差，但自动调模时间就会比较长，有时甚至超过3 min，且它的成功率也偏低。

随着塑料加工行业的不断发展，它对锁模力的控制要求也越来越高，知道实际锁模力才能根据制品的需要对控制参数进行优化；锁模力快速精准地自动调整有助于成型工艺的连贯，保证制品质量的稳定；利于对模具（尤其是贵重模具、特种模具）的保护，例如加强了对铝材模具的保护并延长它们的使用寿命[1]。

目前在行业应用上，普遍通过检测机械变形量来计算锁模力，有以下3种检测方法：1）图1是磁附式锁模力检测仪，通过检测4条拉杆的变形量，将其换算成锁模力。优点是可以同时检测4根拉杆的受力，功能强大；缺点是体积大、价格高，适用于移动式检测。2）图2是箍型锁模力传感器，形变片通过不锈钢圈上下正对箍紧在2条拉杆上，变形量通过电压模拟量信号反馈给控制系统，AD运算后获得实际锁模力。该方案安装维护简单、成本低，使用范围较广，其缺点是检测精度相对较低，适用于检测要求不高的场合。3）图3是形变片式锁模力传感器，传感器用螺丝压装在尾板上（需要铣配合平面），当锁模力建立时，尾板的变形传导到传感器，变形量通过电压模拟量信号反馈到控制系统，AD运算后获得实际锁模力。该方案检测结果会受铸件组织、形态结构等因素的影响，目前较少使用。

图1 磁附式锁模力检测仪

图2 箍型锁模力传感器

图3 形变片式锁模力传感器

1 技术方案

该方案采用拉杆变形位置检测传感器，对锁模力进行精确地检测，并通过对软件程序的控制实现锁模力快速自动调整和修正的功能。精确检测是基础，软件控制是保障，2者相辅相成。

1.1 机械结构原理

拉杆式锁模力检测装置示意图如图4所示。在拉杆靠近头板侧沿中心线加工长孔，检测杆通过压紧盖与安装支架同心固定，除接头与拉杆内孔底部充分接触外，检测杆与长孔壁并无接触；安装固定时，弹簧预设一定的压缩行程（需要大于最大锁模力下的拉杆拉伸变形量）。当机器合模并且建立锁模力时，拉杆受力拉伸，检测杆由于受压缩弹簧的推力，接头端左移，保持与内孔底部充分接触，即检测杆会向左伸长，而伸长的距离会通过右侧的位置（压力）传感器以电压模拟量信号的方式反馈到控制系统，再经AD转换并根据相关公式计算出对应的锁模力。

1.2 电气检测及控制原理

电气检测及控制原理图如图5所示。对注塑机整机的控制，硬件采用奥地利B&R控制系统（面板PP250+PLC X20），软件自行开发。该方案只着重介绍锁模力的检测及控制，对注塑机的通用及延展功能不做赘述。

图5中检测杆承受合模力后的拉伸量，通过锁模力检测（位置）传感器，信号接入“编码器放大板”（注：输出Gray Code的无源触点信号），再经“电平转换板”转为24 V正信号，接入PLC输入模块，由控制系统通过相关公式转换，计算实际锁模力。由于Gray Code信号稳定，并且锁模力的调整具有可计算的理论根据，因此检测稳定精确。

图4 拉杆式锁模力检测装置

1.3 调模计算根据

调模进给量是基于上一次的锁模力偏差值，通过公式计算出下一次调模的目标位置。为了保证数据的准确性，该方案采用编码器检测调模位置，精度可达0.01 mm。

δ为调模进给量，其计算方程如公式（1）所示。

式中：δ1为拉杆承受合模力后的拉伸值；δ2为机械（包括模板、机铰、间隙和模具等）的压缩量。

δ1的计算方程如公式（2）所示。

式中：L为拉杆有效拉伸长度，L= 拉杆最大拉伸长度-最大模厚+当前模厚。

δ2的计算方程如公式（3）所示。

式中：△P为锁模力设定值-锁模力实侧值。

注意，由于对同一套模具，承受锁模力100 t与400 t的模厚是不同的，会有几毫米的偏差，因此参数L也是个变值。

K4是受机器材质影响的参数，即使2台同型号机器的K4也可能不同，但对单机来说其数值是固定的。

K5是受机器安装和材质影响的参数，即使2台同型号机器的K5也有可能不同，但对任意1台机器来说，K5是固定的。

实验证明，δ2是影响锁模力自动调整和修正效果的主要因素，如果设置不当，自动修正程序会反复且次数较多，尤其在设定锁模力接近标称最大锁模力区间段的时候。

综上所述，自动调模进给量δ=δ1+δ2，其中δ2为主导因素，δ1为微调因素。

2 方案实施

2.1 锁模力自动调整过程

公式中的K4、K5可以通过锁模力校准值和软件程序进行计算。在更换新模具后，根据不同的情况，计算并控制注塑机精确运行到调模进给量的目标值位置，软件使用C语言编程，流程简介见表1。

表1 锁模力自动调整流程

图5 电气检测及控制原理

2.2 锁模力自动调整/修正操作

根据自动调模原理，该方案采用B&R控制系统，设计了操作页面，如图6所示，对页面的简要说明如下。

画面中右侧标注☆为输出值，显示当前机器的变量值或状态值，不可修改；其他右侧无标注☆为输入值，只有具备相关密码权限的人员，才可以修改对应数据。

2.2.1 拉杆检测校正

对检测传感器的零位和最大值进行调校，如果调校错误，实际检测回来的锁模力就计算不准，后续的自动调整也就失去意义。调校过程为以下2条：1）开模到位，由于模具没有接触，因此锁模力为零。将“锁模力Gray Code”的读数输入到“最小值调校”栏，最小值调校完毕，这时“当前锁模力kn”显示零。2）调整模厚到机器标称最大锁模力（需要用磁附式锁模力检测仪实际检测），将“锁模力GREYCODE”的读数输入到“最大值调校”栏，最大值调校完毕，这时“当前锁模力kn”显示机器的标称锁模力。

2.2.2 出厂参数调试

该部分参数非常重要，原则上不允许客户自行更改，因此设置了操作允许条件，如果条件不符则功能选择自动关闭，后面的数据栏变暗，不允许更改。调试过程为以下3条：1）调试模式+允许调模+安全门关闭+电机启动+非自动调模+功能选择。2）调模到大于当前模厚→合模将机铰完全伸直→调模前直到不能再动，将“当前模厚：Puls”数值输入到“接触模厚：Puls”栏，将“当前锁模力：kn”数值输入到“接触压力：kn”栏。3）反复手动开模→调模前→合模，直到达到最大锁模力并保持锁模状态→在调试模式+允许调模+安全门关闭+电机启动+非自动调模+功能选择条件下，将“当前模厚：Puls”数值输入到“全压模厚”栏，将“拉杆拉伸：Puls”数值输入到“全压拉伸量：Puls”栏→开模→关闭功能选择，以防误操作。注意，调试的过程，尤其是找最大锁模力的过程相对较长，需要工厂调试人员有足够的责任心、细心和耐心。

2.2.3 自动调模操作

经过上述调整后，自动调模可以通过以下3个步骤实现：1）安装固定好新模具，用圈尺量出模具厚度。2）进入“调模”页面，在“设定模厚：mm”栏输入新模具的模厚，在“允许偏差：%”栏输入要达到的精度，例如3%。3）按“调试”键进入调试模式→按“允许调模”键→再按“自动模厚调整”键，机器就按控制流程自动进行锁模力调整，直到到达偏差范围。如果调整完成，系统会报警并显示“自动调模已完成”，如果调整过程出错，机器会有相应警报提示信息，操作者可以据此排查故障。

2.2.4 锁模力自动修正

在半/全自动过程中，模具受热膨胀，模厚增大，实际锁模力也变大。如果选择该功能，则当出现实际锁模力不在偏差范围内时，机器自动将模厚调整到设定的锁模力，调整完毕后继续原来的自动流程；如果不选该功能，则机器将忽略实际锁模力，继续原来的自动流程。