0    前  言

        塑料注射成型机作为塑料制品的加工设备已有半个多世纪的历史,随着近年来塑料制品应用领域的不断扩大,世界上对注塑机械的需求呈现了持续、大幅攀升的趋势。在我国,自进入20世纪90年代以来,注塑机的销售额以10%左右的年均增长率快速增长。在出口市场,注塑机约占出口总量的60.4%,是当之无愧的出口主力。但是,产品结构不甚合理,而全电动式注塑机在国内,目前没有一家企业正式批量生产,仅作为样品机进行宣传。

        本研究针对电动注塑机的注塑压力和塑化计量位置的闭环控制策略进行了探讨。

1    注塑机结构

        全电动式注塑机的所有运动机构都使用伺服电机驱动,注射装置及合模装置采用电动机驱动。从料斗落入螺杆筒中的物料,随着螺杆的转动,沿螺杆向前输送。在此输送过程中,物料被逐渐压实,物料中的气体由加料口排出。在螺杆筒外加热和螺杆剪切热的作用下,物料实现其物理状态的变化,最后成为黏流态,并形成一定的压力。当螺杆头部的熔料压力达到能克服注射油缸活塞退回时的阻力(所谓“背压”)时,螺杆便后退,进行所谓“计量”。与此同时,螺杆筒前端和螺杆头部熔料逐渐增多,当达到所需要的远射量时(即螺杆退回到一定位置时),计量装置撞击限位开关,螺杆停止转动并后退。同时,合模电机推动合模机构动作,移动模板使模具闭合。继而注塑座前移,注塑电机带动螺杆按要求的压力和速度将熔料注入到模腔内。当熔料充满模腔后,螺杆仍对熔料保持一定的压力(即所谓“保压”),以防止模腔中熔料的反流,并向模腔内补充因制品冷却收缩所需要的物料。模腔中的熔料经过冷却,由黏流态回复到玻璃态,从而定型,获得具有一定尺寸精度和表面光洁度的制品。当完全冷却定型后,模具打开,在顶出机构的作用下,制件被顶出,从而完成一个注塑成型周期。

2    控制系统的软、硬件结构

        以伺服电机作为驱动装置的全电动注塑机的硬件结构。它由人机界面、逻辑控制器、运动中心、伺服驱动、温度控制和传感器6个部分构成。

        伺服电机注塑机驱动伺服电机进行熔融树脂的流体控制(固态———熔融态),以位置、速度、压力、温度为基础的工艺程序控制是根据传感器的信息来进行的,为实现高精密注塑工艺而建立了闭环环节。把安装在电机后的编码器信号作为输入信号,和控制器内设定的速度指令相比较以实现注塑机的射出螺杆移动速度的半闭环控制。通过光栅尺来实现超低速位置控制的闭环控制。以测定螺杆后的压力传感器信息构成射出压力的全闭环控制。

        控制系统软件的基本构成层次。系统以通讯软件公用模块为中心进行工作。按照一定的通讯协议,在层与层之间建立了良好的数据接口。因此,软件功能模块可以根据各层的分工规定进行独立设计。

        伺服控制软件主要承担伺服系统的位置控制、速度控制和电流控制。伺服控制软件和工艺流程控制软件关系密切,通过它们之间的协调使用,能实现自由度很高的工艺程序控制。

3    电机控制

        电动注塑机的性能在很大程度上依赖于伺服控制系统的精密性和稳定性。电动注塑机所期望获得的高速、高精密的生产对各个伺服单元提出了很高的要求。由于不同伺服单元所完成的任务不同,其要求也不尽相同,但大致可概括为高精度、快响应、宽调速范围和低速大转矩。为了满足上述要求,对伺服电机也提出了相应的要求。高性能交流伺服系统的交流电动机主要采用异步电动机和永磁同步电动机。一般来说,异步电动机多用在功率较大、精度要求较低、投资费用要求低的场合;而永磁同步电动机则在精度要求高、容量较小的场合得到了广泛的应用。因此,在注塑机伺服系统中多用永磁同步电动机。本研究将采用无刷直流电动机(简称BDCM)作为执行位置控制和压力控制的电机,电机系统。Ke—感应电动势系数;Kt—电磁转矩系数;J—等效于电机控制轴上的转动惯量;B—等效于电机控制轴上的阻尼系数;Td(t)—电机空载转矩和负载等效到电机轴上的转矩之和。

        运动控制系统中,需要对电机的转矩、速度和位置等物理量进行控制。因此,直流电机驱动的控制过程有电流反馈、速度反馈和位置反馈等控制形式。

        在注塑精密成型领域中,压力控制是非常重要的环节,压力控制不仅受摩擦等外围因素的影响,而且在保压时,树脂的冷却收缩也会导致压力发生变化。为了在保压时补偿伴随树脂收缩而产生的体积变化,本研究设计了压力闭环结构。切换单元的作用是根据位移传感器的信号来控制从注射阶段转换到保压阶段的切换点;1s—积分环节;B(s)—注塑机射胶机构的传递函数;KPV—注射速度转换到注射压力的放大系数;KP—运动位置反馈的放大系数;压力闭环控制的实现方式是:通过压力传感器测定实际压力发生的变化,把压力指令和用传感器检测的压力信号输入电脑进行比较,进而把两者差值置换成速度控制指令。

4    仿真研究

        本研究采用的仿真结构。运用PID串级控制,得到位置控制的仿真结果。压力控制的仿真结果。

        与简单控制系统相比,串级控制系统(以下指“位置”和“速度”的串级)只是在结构上增加了一个内回路(本研究的内回路也是一个串级控制系统),却能得到明显的控制效果。这是因为串级控制系统具有以下几方面的特点:

        (1)由于回路具有快速作用,因此,串级控制系统对进入副回路的扰动有很强的抑制能力。当干扰经干扰通道进入副回路后,首先影响副参数,于是副调节器立即动作,力图削弱干扰对副参数的影响。

        一般情况下,副调节器的比例增益是大于1的。因此,串级控制系统的结构决定了进入副回路的扰动对主参数这一通道的动态增益明显减小。当干扰出现时,很快就被副调节器所抑制。与单回路控制系统相比,被调量受进入回路的扰动的影响可以减小到原来的1/100～1/10,这要视主回路与副回路中容积分布情况而定。

        (2)由于副回路的存在,改善了对象的动态性能,提高了系统的工作频率。

        本研究发现,串级系统中的内回路似乎代替了单回路中的一部分对象,亦即可以把整个副回路看成是一个等效对象。通常情况下,副对象是单容或双容对象,因此调节器的比例增益可以取得很大。这样,等效时间常数就可以减小到很小的数值,从而加快了副回路的响应速度,提高了系统的工作频率。当扰动在副回路以外时(例如外扰),由于副回路减小了对象的时间常数,提高了整个系统的工作频率,也能改善系统的动态品质。

        (3)由于副回路的存在,串级系统有一定的自适应能力。在一定负荷(确定的工作点)情况下,按一定控制指标整定的调节器参数往往只适应于工作点附近的一定范围以内;如果负荷变化过大而超出这个范围,控制质量就会下降。但在串级系统中,负荷变化引起副回路内各环节参数变化,可以减小影响或不影响系统的控制质量。

        仿真结果,由于采用了串级控制,内扰下的最大动态偏差也由单回路控制时的0.25减小到0.05,大约减小到原来的1/5,而且串级控制系统的过渡过程时间比单回路控制时短得多,可见串级控制明显改善了控制效果。但是在实际应用的控制系统中,由于串级系统的副控制器增益往往很大,串级控制系统的实际效果比仿真结果差一些。

5    结束语

        本研究主要围绕全电动注塑机的控制系统展开研究工作。探讨了全电动注塑机的主要结构和基本控制原理,成功地实现了利用无刷直流电机控制位置和压力。同时,对串级控制系统进行了仿真研究,仿真结果表明,PID串级控制具有很好的控制效果。