（机械制造及其自动化专业论文）基于制品质量的注塑成型过程控制研究.pdf

摘要 注塑成型加工是塑料制品制造的重要方法，本文采用控制注塑机机器参数和注塑工艺 参数的方法，开展注塑成型过程控制的研究工作，从而实现显著提高塑料制品质量的研究 目标。论文的主要内容包括： 1 ) 首先介绍了注塑成型过程，综述了塑料制品质量控制、注塑机机器参数控制、工 艺分析与优化以及注塑成型过程检测的方法和研究现状，提出了采用机器参数控制和注塑 工艺参数控制提高塑料制品质量的研究方案。 2 ) 针对注塑机伺服驱动液压控制系统的大时滞、非线性和时变等特性，在传统p i d 控制的基础上引入小脑模型神经网络算法；开发了基于a d u c 高精度单片机数字控制器的 控制程序；最后在m a 9 0 0 型注塑机上进行了程序调试、信号处理和算法改进。实验结果 显示，与传统p i d 控制器的控制效果相比，保压压力的超调、静差和时延等性能得到了极 大的改善，制品质量明显地得到提高。 3 ) 采用m o l d n o w 软件进行了模流分析，确定了温度、压力、速度等注塑工艺参数对 制品质量的影响，并对上述注塑工艺参数进行了优化分析，得出模腔压力状态参数是保压 控制的最重要参数、充填阶段熔体前沿流动速率极大地影响制品质量等重要结论。 4 ) 为了控制模腔压力和熔体流动速率，设计了注塑成型过程的超声检测和可视化检 测方案，自主研制了一套注塑模具并设计了检测平台，进行了在线超声检测和可视化检测 实验，对注塑成型过程中模腔内熔体的流动变化和状态进行了在线观测和记录，分别对实 验数据进行神经网络拟合，验证了超声检测方法可以检测模腔压力和控制螺杆速度可以有 效地控制模腔内熔体前沿流动速率，为注塑工艺参数控制提供了实验依据，从而实现显著 提高制品质量的研究目标。 关键词：注塑成型过程，制品质量，机器参数控制，工艺优化，超声检测，可视化检测 a b s t r a c t i 巧e c t i o nm o l d i i 培p r o c e s si so 鹏i m p o 心m tm e m o do fp l a s t i cp r o d u c t sp r o d u c t i o 玛t l l i s p a p e ru s en l em e t l l o d so fc o n 仃o l l i n gm a c l l i l l ep a r a m e t e r 觚dp r o c e s sp a r a m e 衙so fi 坷e c t i o n m o l d i i l g ，r e s e a r c hn l ei 巧e c t i o nm o l d i n gp r o c e s sc 0 n t r o l ，t l l e na t t a i nm er e a r c ho 场e c t i v e so f 芦o d u c tq u a l i 够h p r o w 滋l e n to u t s t a l l d i n g l y t h em a i l lc o n t e n to f 廿l i sp a p e r i n c l u i e ： 1 ) t i l i sp a p i e t 野随i 1 1 协d d l l c e st l l ei i 巧e c t i o nm o l d i i 培p r o c e s s ，圮m e n l o d s 锄dr e s e a r c h d e v e l o p m e n to fq 谳i 够c o n t r o l 、缸l ei 巧e c t i o nm o l d i n gp r o c e s sc o m r o l 、p r o c e s sa n a l y s i sa n d o p t i l l ：l i 盟t i o n 锄dt l l e 蝎e c t i o nn l o l d i n gp r o c e s st e s t i l l ga r ed i s c l l s s e d ，t 1 1 er e s e a r c hp r o g r a i 】【l so f p r o d u c tq u a l i 够o p t i m i z a t i o nu s i i l gm a c l l i n ep a r a i l t e rc o n t r o la n dc o m r o lo fi i l j e c t i o nm o l d i i 玛 p r o c e s s 磷哦m l e t e r sa r ep r o p o s e d 2 ) c o n s i d e 血gm ec h 祗l c t 耐s t i c so fs 甜。璐血l ed e l a y 、n o l l l i i l e a r 距dd i n e - v a 巧i i l go f r 、，ob y d r a u l i cc o m r o ls y s t e mo fi 坷e c t i o ni n o l d i i 玛m a c h i i l e ，c l 讧a cn e m ln 咖r kc o n t l a l g o r i t l 皿i si n 臼o d u c e dt 0t 1 1 e 仃a d i t i o n a lp i dc o n n d l ；1 kp r o g r a mo fad i g i t a lc o 触0 1 1 e rb a s e d o na d u c p r e c i s ei n i c r o c o n t r o l l e ri sd e v e l o p e d ；f i i l a l l y ，d e b u gt h ep r o g 舢、p r o c e s st l l es i 罂1 a l s a n di i n p r 0 v et l l e a l g o r i 也m s0 nt l l em a 9 0 0 蜘e c t i o nm o l d i n gm a c h i n e e x p e r i l n e n t a lr e s l j l t s s h o wn l a t ，c 0 m p a r e dt 0t t l e 也越i t i o i l a lp i dc o m r o l l e r ，p a c k i i l gp r e s s u r eo v e r s h o o t 、s t a t i ce r r o r a n d 劬ed e l a ya r eg r e a n yi m p r o v e d ，t h ep r o d u c tq d i 锣i sa l s 0i i l l p r 0 v e de ) 【t r e m e l y 3 ) n em o l df l o wa i l a l y s i si sc a 币e do nu s 吨m o l d n o ws o 觚御e ，m ee 虢c t so fp a r a m e t e r s s u c h 嬲t e m p e 船：t u r c 、p r e s s u r e 趾ds p e e d 、析廿lp r o d u c tq u a l i 够a r ef i g u r e do u t ，m l d 也e d b o v e m e m i o n e di 巧e c t i o nm o l d i i 冯p m c e s sp 龇砸n e t e 璐a r e0 1 ) t i i n i z e d ，o b 毓t l l ei n l p o r t a n t c o n c l u s i o 嬲m 瓯c a v 时p r e s s u r es t a _ t ep a 删呲屯e ri sa l em o s ti n 】卵哟呲p a r 卸【n e t c ro fp a c h n g p 1 e s s u r ec o m r o l ，锄dn l em e l tf l o wf r o ms p e e do f 廿l ef i l l i n gp h a s ep l a y sas i g l l i 五c 觚tr o l e 彻n l e p r o d 似q u a l i 够 4 ) i no r d e rt oc 0 m r o lt h en l o l dp r e s 蚰r ea n dm o l dc a v i 够m e l tf l o w 缸) n ts p e e d ，u l 廿砸o i l i c t e s t i n ga 1 1 dv i s u a jd e t e c t i o ne x p e r i i l l e n t so ft 1 1 e 坷e c t i o nm o l d i n gp r o c e s sa r ed e s i g i l e d t 1 1 e p l a s t i ci 玛e c t i o nm o l di si n d e p e n d e n t l yd e v e l o p e d 锄d l et e s tp l a 怕咖i s 也l eo i l l i n e u l 仃船o i l i ct e s t i r 培强d 、r i 跚a ld 就e c t i o ne x p e r i n 艳m sa r ec o m p l e t e 也m en o wc l l a ：t 坞ea n ds t a ：t eo f i n e l ti 1 1m o l dc a v 毋i i lt l l e 蝎e c t i o nm o l d i n gp r o c e s sa r eo b s e n ，e d 觚dr e c o r d e do n 1 i n e ， h e x p e r i l i l e n t md a t aa r ef i t t e d p a r a t e l yl l s i n gn e u i 吼n 脚旧r i 【，1 em e t l l o d so fu l 仃a s o i l i cd e t e c t i o n d e t e c t i i 培t t l ec a v i 够p r e s s u r e 锄dc o n n o lt l l em o l dc a v 时m e nn o w 丘0 ms p e e dt h r o u g ht l l e s c r e ws p e e df i l l i n gc o n t r o la r ev e r i f i e d ，e 砰晡m e n t a lb 弱i sa r ep r o v i d e df 0 rc o n n o lo fi 坷e c t i o n m o l d i r 培p r o c e s sp a r a m e t e r s ，t 1 1 e na ：t t 咖t l l e 陀s e a r c ho b j e c t i v e so fp r o d u c tq l l a d i 锣i m p r o v e m e n t 0 u t s t 诬d i i l g l y l ( 呵w o r d s ：i n j e c t i o nm o l d i 唱p m c 鹪s ，p m d u c tq u a u 锄m a c h i n ep a n m e t e rc o n t m i ， p r o c e s so p t i m i z a t i o n ，u l t r a s o n i ct e s t i n g ，v i s u a li n s p e c t i o n i i i 浙江大学硕士学位论文绪论 l 绪论 1 1 研究背景 随着科技技术的不断发展和生活水平的不断提高，高分子材料由于具有密度小、重量 轻、比强度高、绝缘性能好、介电损耗低、化学稳定性好、耐磨、隔音减震等优点，在国 防、航空航天、建材、家电、医疗、自动化设备、汽车等诸多领域得到了越来越广泛的应 用，与混凝土、钢铁、木材并称为四大工业材料i l 】。据统计，二十世纪九十年代初，塑料 的年产量按体积计算就已经超过钢铁和有色金属年产量的总和，出现了“以塑代钢”、“以 塑代木”的发展趋势f 2 1 。随着塑料产品产量的迅猛增长，塑料机械已成为建材、包装、电 子电气、汽车、石化、机械等行业的重要技术装备，需求量激增，近几年来我国塑料机械 工业的年增长率都在3 0 左右，利润增长率也远高于工业总体水平，是我国机械行业中增 长最快的产业之一【3 1 。注塑成型可以生产形状复杂、尺寸精确、带嵌件的制品，成型温度 较传统金属材料低，易于成型加工，易于与计算机技术结合，易于实现自动化生产等，在 高分子材料成型加工领域中占有极其重要的地位【4 】。绝大多数的热塑性塑料、部分热固性 塑料、注射用橡胶、热塑性弹性体以及一些复合材料都可以通过注塑方法成型，据统计， 目前有三分之一的塑料制品是通过注塑方法生产的，注塑机产量约占塑料机械总量的6 0 以上【5 1 。因此，开展注塑成型的研究，对国民经济的发展有着极其重要的意义 我国已成为全球最大的注塑机生产国，根据c m i c ( 中国市场情报中心) 报道，2 0 1 0 年中国注塑机行业实现了快速增长，其中销售额超过2 0 0 亿元，继续稳居世界第一。然而， 我国注塑机制造企业生产的大多都是低档产品，相比之下，德国、日本、意大利等工业发 达国家生产的注塑机多为中高档产品，单价为国内的8 1 0 倍。面对日益激烈的全球化市 场竞争，自主研发高端注塑机，提高产品附加值，已成为我国注塑机行业的当务之急。 注塑成型的目标是获得高质量的塑料制品。在注塑成型生产中，塑料原料、注塑机和 模具等硬件确定之后，决定塑料制品质量的最主要因素是注塑机机器参数的控制精度和注 塑成型工艺。为获得高质量的注塑制品，根据注塑机控制系统特点研制高效、高精度的数 字控制器，并采用先进的c a e 技术和检测技术研究新型高效的注塑工艺参数控制方法， 从而提高产品质量并降低生产成本，具有非常重要的工程意义和广阔的应用前景。 浙江大学硕士学位论文绪论 1 2 注塑成型介绍 1 2 1 注塑机介绍 实现注塑成型的注射成型机简称注塑机，是机电液一体化高度集成的自动化设备6 1 。 以典型的往复式单螺杆注塑机为例，其结构主要包括开合模系统、加热及注射系统、电气 控制系统、液压系统和其他辅助系统，如图1 1 所示。 图1 1 注塑机结构 注塑机加热及注射系统主要包括加热装置、螺杆驱动装置、注射动作装置、测量装置、 注射座、机架和料筒加料装置其工作原理即加热装置对料筒里的塑料原料进行加热塑化， 加上螺杆旋转剪切作用，使物料熔化成熔融状态；再由螺杆驱动装置驱动熔体沿螺杆槽向 料简前端运动；注射和保压时，油缸产生压力推动螺杆向料筒前端熔体施压，挤压熔体通 过喷嘴进入模腔成型。 开合模系统主要包括合模装置、调模装置和制品顶出装置。通过动模板的开合模运动 开启或闭合模具 液压系统包括泵、马达、阀、管路和压力表等元件，是注塑机的油路供应和循环系统， 为注塑机的各执行机构提供压力和速度回路。 电气控制系统包括动作程序控制、料筒温度控制、泵电机控制、安全保护、故障诊断、 报警和显示系统等组成。其作用是负责控制注塑机的各种程序及动作，以及对各种过程变 量的控制和调节，包括时间、位置、压力、速度和转速等 1 2 2 注塑成型过程介绍 注塑成型过程是一个循环的周期过程，包括预塑计量、注射充模、保压补缩和冷却定 型过程，如图1 2 所示。注塑成型的原理即利用塑料的热物理性质，通过一系列的物料熔 化、注射，保压、冷却、固化定型等过程形成塑料制品。 2 浙江大学硕士学位论文 绪论 图l - 2 注望成型过程 ( 1 ) 预塑计量过程 预塑过程是塑料原料在料筒中进行塑化的过程：固体粒料或粉料经过加热、输送、压 实、剪切、混合、均化从玻璃态经过粘弹态转变为粘流态。在塑化过程中要完成注射前的 计量程序。在预塑阶段，塑化质量取决于预塑过程的工艺参数以及塑料原料的热物理性能 和流变性能。制品质量与料筒的熔体质量有着极其重要的关系，在预塑过程中需要控制的 工艺参数有料筒及喷嘴温度、螺杆行程、螺杆转速和预塑背压。 ( 2 ) 注射充模过程 注射充模过程即螺杆在注射油缸推力作用下，螺杆头部产生注射压力，将料筒中的熔 体经过喷嘴、模具流道、浇口注入型腔、最后充满型腔的过程。熔体在模腔中的流动状态 一般为稳态层流( 印熔体流动时受到的惯性力与粘滞剪应力相比很小) ，从浇口向模腔终 端逐渐扩展。注射阶段熔体的充模速率非常重要，对分子排列和剪切应力有直接的影响， 同时必须保证在浇口被冷封前，熔体充满全部型腔，否则得不到完整、高质量的制品。 ( 3 ) 保压补缩过程 当高温熔体充满模腔以后，就进入保压补缩阶段，一直持续到浇口冷封为止。在保压 阶段，熔体在高压下慢速流动，螺杆有微小的补缩位移，模腔内熔体被压缩和增密，制品 逐渐成型。保压阶段的保压压力和保压时间是主要的工艺参数。 3 慕五焉忑王至一 浙江大学硕士学位论文绪论 ( 4 ) 冷却定型阶段 冷却定型过程从保压阶段结束开始至制品脱模为止，是制品持续冷却的阶段。冷却成 型使模内制品具有一定的刚性和强度，防止脱模时顶出变形，损伤制品；但过长的冷却成 型时间对制品质量作用很小，同时会增加成型周期。 1 3 研究现状 1 3 1 注塑成型质量控制的研究 提高塑料制品的质量，传统方法主要是改进模具或采用性能更好的塑料原料，其效果 有限而且成本很高。注塑成型过程直接决定了熔体在模腔中的流动变化和状态，对制品质 量有着最直接最深刻的影响，因此注塑成型过程的控制是提高塑料制品质量的最有效方法。 注塑机机器参数的控制是注塑成型过程控制的基础，例如，采用控制加热装置来控制 料筒温度，通过控制液压元件来控制充填和保压过程的螺杆速度和压力等。c 砌m a 首先 提出采用计算机控制的注塑成型机，为各个成型阶段确定出关键的工艺参数并设计出相应 的控制系统，这项工作成为现代注塑机控制系统的基础，使得螺杆速度和注射压力的闭环 控制得以实现【7 1 。虽然螺杆速度和注射压力的闭环控制很大程度上改进了注塑成型的工艺 性能，但对制品质量有直接决定作用的模腔状态变量仍然没有得到有效的控制。 之后，注塑成型控制的重点转向状态参数( 压力、温度和形态) 和机器参数之间的闭环 控制【羽。初期的控制针对单个变量，选用对整个成型周期或对某个阶段影响最大的工艺参 数，例如熔体温度或型腔压力，或者针对某个特定目标选择单个工艺参数作为控制变量， 而不考虑工艺参数之间的相互影响。研究表明充填和保压过程中压力的波动是引起制品质 量问题的主要因素，于是峰值压力成了制品质量的量度，研究工作集中在压力参数的监控 和控制【9 。1 1 1 。除型腔压力外，许多研究工作集中在注射速度【1 2 1 和熔体温度【1 3 1 的控制上。 注塑成型过程中各个工艺参数之间相互影响深刻，控制单一变量容易降低其他参数的 品质，使得某一因素控制品质很高而其他的很低，导致控制失去平衡。研究重点逐渐转移 到多变量的控制方法上，即同时控制对某个阶段或整个成型周期影响较大的几个参数，并 充分考虑所选控制变量之间的相互影响。a g r 列嘲e t a l 首先提出多变量控制方法，建议把 研究焦点集中在高聚物参数上，还提出了一种注塑成型过程控制变量的分类方法【1 4 ，1 5 】。由 于制品质量影响因素较多，涌现出许多建立经验公式预测制品质量的文章。o l i v e rs c l l i l e r r 和w 甜t e r m i c l 珊l i 【1 6 l 采用人工神经网络方法实现了熔体温度的辩识和制品重量的预测，并 4 浙江大学硕士学位论文绪论 且提出了在线闭环质量控制。同样采用人工神经网络技术，j 锄e s c m o l i e r 和j o i l j i b w e 【1 7 】 以机器参数中的料简温度和液压压力作为神经网络输入来预测制品重量。p r a s a d k d v l a g a d d a ，c o b b y a 唱t e c k l o n g 【1 3 】采用数值模拟技术，实现了神经网络模型的离 线控制。通过将人工神经网络技术与数值模拟相结合对注射成型制品质量进行优化的方法， 张志莲等【1 9 l 对注射成型过程进行模型辨识，建立了注塑制品质量与工艺参数之间的量化模 型，对试验方法和神经网络方法所构建的数学模型进行了实验验证。王丽霞【2 0 峙艮据工艺参 数对质量指标的影响度选取控制变量，采用神经网络模型优化注塑成型过程工艺，建立了 注塑制品质量闭环控制的神经网络控制，通过数值仿真对质量控制效果进行评价。 由于难以对制品质量进行在线检测，而且制品千差万别，直接对制品质量进行控制还 不成熟。采用先进的注塑机机器参数控制技术和以及注塑工艺参数控制技术，是目前制品 质量控制的最有效方法。 1 3 2 注塑机机器参数控制的研究 为获得高质量的塑料制品，注塑成型过程控制首先是对注塑机机器参数进行控制，控 制参数包括温度、压力、速度等。注塑机系统不尽相同，其中电液复合式注塑机融合了全 电动和全液压两种驱动模式的优点，既有液压系统功率大的优点，又有电动系统节能、快 速的特点，系统的多个驱动器可以实现部分复合动作，缩短成型周期【2 1 1 。本文研究都采用 主流的电液复合式注塑机。 数字控制器相当于电液复合式注塑机控制系统的大脑，控制驱动系统完成相应的动作， 并达到目标的精度要求数字控制器主要包括控制器硬件和控制策略。早期的控制器采用 继电器回路，由温度、时间继电器和行程开关等组成，电路复杂、控制精度低、调整和维 护不易；随着微控制器的发展，其成本价格越来越低，而性能越来越强大，在注塑机控制 器中得到了广泛的应用。微控制器以单片机、d s p 或工控机为核心，以液晶显示屏或c r t 作为人机对话界面，可以对注塑机的整个过程进行自动控制。徐振贤等【2 2 】提出了以 8 0 c 1 9 6 k c 单片机为核心的主从式微控制器，分析了注塑机控制系统的主从机控制模块硬 件组成，还阐述了注塑机控制系统的具体设计步骤。孙振强【2 3 】设计以a t 8 9 c 5 l 单片机为 核心的模糊控制器，讨论了控制器的实现方法和温度控制系统的软硬件实现方法。 控制策略是控制系统的核心，电液复合系统的控制策略已有大量研究成果，概括如下。 p i d 控制结构简单且易于实现，绝大部分电液控制系统采用的是p i d 控制随着对系统性 浙江大学硕士学位论文绪论 能要求的不断提高，传统p i d 逐渐与模糊理论、自适应理论等相结合，产生了各种复合 p i d 控制策略。l i u 等【2 4 1 将p i d 与最优控制结合形成自整定p i d 控制算法，应用于电液位 置控制系统，优化了控制性能。邱士浩【2 5 1 等比较了p i d 、模糊及模糊p i d 控制在电液控制 系统中的应用效果，得出模糊p i d 控制效果最优。 自适应控制可使系统具有适应能力，分为自校正自适应控制和模型参数自适应控制。 c h e n gg 眦l 等【2 5 1 设计了滑模自适应和非线性参数实时更新规律。m o h a m m a d 等【2 6 】用递归 法设计位置跟踪控制器，通过仿真和实验研究，对比常规控制，其轨迹跟踪误差更小，控 制性能明显更好。此外还有利用极点配置方法设计的双重鲁棒自适应控制器、电液系统固 有频率的在线估计法，控制效果也有较大改善。 智能控制是人工智能和自动控制结合的产物，近年来随着神经网络等智能技术在电液 控制中得到广泛的应用。t 1 沁l l l 等【2 7 】使用人工神经网络技术( 删实现位置自适应控制。 s 觚gy e a ll e e 等【2 8 】在电液伺服系统研究中，提出采用模糊控制策略调节系统的不确定性、 时变性和高度非线性，以提高控制性能。 针对伺服驱动液压控制系统的研究依然不足，无法实现注塑机机器参数的精密控制。 本文在自主研制的数字控制器基础上，开发实时有效的控制程序来提高注塑机机器参数的 控制精度和制品质量。 1 3 3 注塑工艺分析与优化的研究 在一般热塑型产品的生产中，根据制品特性要求确定塑料原料、模具结构( 制品结构、 形状) 和注塑机等硬件后，制品的性能和质量主要取决于注塑工艺过程【2 9 1 。但实际制品质 量与注塑工艺条件之间关系复杂，难以建立确定的模型【3 0 d 2 1 。目前对注塑工艺参数进行控 制的研究，主要采用c a e 技术和实验分析的方法，分析不同工艺参数与制品质量之间的 关系，然后结合检测技术优化注塑工艺参数。其中c a e 技术在注塑工艺分析与优化中的 作用越来越明显 随着计算机技术的发展，注塑工艺的数值分析得到了普遍重视。邱斌【3 3 】乖j 用m o l d n o w 软件，研究了保压冷却阶段主要工艺参数对制品质量的影响，揭示了保压冷却阶段保压压 力和保压时间对制品质量( 重量变化和厚度变化) 的影响，并研究了不同的保压压力曲线 对于制品质量的影响。李聪聪等【3 4 】采用m o l d n o w 模拟制品的喷嘴压力曲线，根据喷嘴压 力曲线的斜率变化率识别注射分级点，结合喷嘴压力曲线的斜率和螺杆注射位置，建立分 6 浙江大学硕士学位论文 绪论 级注射参数优化模型。m a l 母l a m e 均f 3 5 1 考察了熔体温度、模具温度、注射速率、注射压力对 一般商用p s 、耐冲击p s 、p p 等热塑性塑料熔接线拉伸强度的影响，得出对于玻璃化聚合 物和表现出屈服的无定型聚合物，熔体温度和模具温度是影响熔接线拉伸屈服强度的主要 因素，而注射速率和注射压力影响微弱。t j 锄e s w 抽g 【3 6 】应用c a e 软件和蛳l l id o e 技术，研究了工艺参数对制品收缩的影响，优化了工艺参数。针对一个带筋板的制品， s 1 1 i h - j u i l gl i u 等刚研究了筋板尺寸、方向、浇口尺寸、保压压力、时间及熔体和模具温度 等参数对制品沉降斑深度的影响，并研究了沉降斑的最小化问题。 采用c a e 技术分析和优化注塑工艺参数的研究仍然不够细致和全面，本文通过数值 计算分析注塑工艺参数与塑料制品质量之间的关系，优化注塑工艺参数，同时为注塑成型 过程检测提供实验依据。 1 3 4 注塑成型过程检测的研究 注塑成型过程中，模腔内熔体的流动变化和状态直接决定了塑料的结晶、取向等，同 时决定了注塑制品的内应力、强度、收缩和表面缺陷等质量指标，因此对注塑成型过程模 腔内熔体信息进行在线检测，是注塑工艺参数控制和制品质量提高的基础，是近年的研究 热点和前沿课题【3 蚋。 模腔内熔体信息主要有流动状况、压力和温度。国内外对模腔压力进行检测的研究较 为充分。飚s t l e r 公司一直致力于模腔压力测量解决方案，采用现代化的自动监测并采用最 优化的注塑成型工艺控制方案以提高生产力和降低费用，高精度的模腔温度、压力传感器 保证真实可靠的测量，简便的传感器、电缆和电子设备( 测量链) 为模腔压力、温度检测提 供良好的数据采集系统【3 纠。郁滨等m 】采用压力传感器测量了注射过程中喷嘴处的压力响应， 并利用喷嘴压力曲线实现了分级注射参数的优化。还有采用传统手段如热电偶等对注塑成 形过程进行在线检测，通过在螺杆头部安装热电偶，k i i i l a l 等【4 1 4 2 1 观测了熔体和料筒温度 的动态变化，并对几种熔体温度控制策略进行了分析 一些新型的传感技术如红外技术、荧光技术、介电技术和超声技术等也被用于注塑成 形过程的在线检测。d o i 砌a 等1 4 3 】使用红外线温度传感器测量位于喷嘴处的熔体温度，发 现螺杆转速和背压对熔体温度有很大的影响。w 缸g 瞰荆用荧光技术在线检测了熔体的粘 度变化。g 等【4 孓4 7 】利用高分子材料的介电特性，提出了将电容传感器用于注射过程的在 线检测，可以直接测量流动前沿位置、保压切换点和冷却时间等重要参数，并可实现制品 7 浙江大学硕士学位论文绪论 重量的在线预测。超声波检测是无损检测的一个重要分支，在注射成形过程检测中也有广 泛的研究h 8 5 2 】。w 肌g 等5 3 1 通过在盒状模具的外壁上安装三个超声波传感器，测量了模腔 充填过程中熔体流动前沿的位置。利用超声横波，e d w 盯d s 等5 4 1 首次对聚合物l d p e 在注 射过程中的链取向程度进行了在线检测。 检测充填过程中熔体的流动状态需采用可视化方法，早期主要通过短射( 或称欠注) 、 双色注射等静态可视化实验手段来探究注塑成型规律和研究制品质量缺陷的原因，并积累 了一定的实际经验。静态可视化实验所能提供的信息非常有限，而利用透明视窗和摄像机 的动态可视化实验可以直接观察注塑成型过程，能够更深入地研究注塑成型机理、制品质 量缺陷等，因此越来越多的研究者关注注塑成型动态可视化实验【5 5 1 。日本东京大学横井秀 俊教授等人【5 8 】在动态可视化模具制造方面成果丰硕，研制成功了二向可视化模具、基于 热电偶传感器的脱模过程可视化模具、大型三维可视化模具、直流道可视化模具等。d 撕e l z t l l 孟e r ，k e i t l l d h i e h l l s t a d 等人【”】做了玻璃纤维增强塑料的三维流动可视化实验，通 过实验揭示了玻璃纤维增强塑料的注塑填充过程。a o z d e n 此o u l u e r 等人唧l 设计制造了 一套可视化实验模具，研究了热塑性材料h d p e 和p p 填充模腔过程中的熔体前沿流体情 况，同时用m o l d n o w 软件完成了注塑模拟分析，并对模拟分析和实验结果作了比较。国 内的林德宽和马天宝等【6 1 ，6 2 】采用屏幕投影和高速摄影法，观察了塑料在玻璃透明模具中的 注射行为。杨卫民等【6 3 1 建立了国内首个注塑成形可视化研究室，采用可视化实验装置，记 录并分析了注塑成形过程中缩痕、喷射、银丝纹等几种典型缺陷的产生机理。 现有的注塑成型过程检测方法单一，没有很好的结合c a e 技术来优化工艺参数。本 文在理论分析和m o l d n o w 仿真分析的基础上，采用超声检测和可视化检测方法，对注塑 成型过程中模腔内熔体的流动变化和状态进行在线观测和记录，从而实现对注塑工艺参数 的控制，达到提高制品质量的目标。 1 4 本论文的研究概述 1 4 1 本论文的来源和研究意义 本论文基于国家科技支撑计划项目“精密塑料注射成型装备电伺服液压传动及控制技 术的研究”( 项目编号：n o 2 0 0 7 b a f l 3 8 0 4 ) 和国家自然科学基金项目“注射成型过程中 聚合物分层结晶行为的超声在线测量”( 项目编号：n o 5 1 1 0 5 3 3 4 ) ，项目要求研制高速高 精度注射成型装备中适合于注塑工艺的数字控制器，以及设计超声检测系统和实验平台， r 浙江大学硕士学位论文绪论 并实现注塑成型过程的超声在线检测，分别在论文中展开研究。 首先基于伺服驱动液压控制系统和以a d u c 高精度单片机为核心的数字控制器，开发 高效高精度的控制程序，提高注塑机机器参数控制的精度，并改善塑料制品的质量。然后 采用先进的c a e 技术进行模拟仿真，分析和优化注塑工艺参数，在此基础上设计注望成 型过程检测实验，采用超声检测和可视化检测方法对注塑成型过程中模腔内熔体的流动变 化和状态进行在线观测和记录，实现对注塑工艺参数的控制。通过注塑机机器参数控制和 注塑工艺参数控制的研究，实现注塑成型过程的控制，为塑料制品质量提高提供良好的实 验基础和技术方法。 1 4 2 本论文的主要研究内容 各章节的主要内容： 第一章绪论。首先介绍了注塑机和注塑成型过程，然后分别介绍了注塑成型过程质 量控制、注望机机器参数控制、工艺分析与优化以及注塑成型过程检测的方法和研究现状， 最后给出了本文的研究背景、意义及主要研究内容。 第二章注塑成型过程控制理论研究。阐述了质量控制的原理，建立了注塑成型过程 的数学模型，介绍了注塑工艺参数对制品质量的作用机理和c a e 技术原理，并分析了注 塑成型过程检测的原理。 第三章注塑机机器参数控制实验。基于伺服驱动液压控制系统和a d u c 高精度单片 机为核心的数字控制器，在常规p i d 控制的基础上，引入小脑模型神经网络控制算法实现 了复合控制策略，开发了控制程序，最后通过实验，分析了控制效果和制品质量。 第四章注塑工艺分析与优化。采用m o l d n o w 软件进行了模流分析，结合一般充填+ 保压+ 翘曲分析和工艺优化、d o e 实验分析等，分组讨论了温度、压力和速度对制品质量 的影响，并优化了工艺参数，同时为检测方案提供了实验基础。 第五张注塑成型过程检测实验。为实现对注塑工艺参数的控制，设计了超声检测和 可视化检测实验方案，研制了一套注塑模具，搭建了实验平台，采用超声检测方法对注塑 成型过程的模腔压力进行了在线测量，同时采用可视化模具和高速摄像平台对注塑成型过 程的熔体流动变化与状态进行了在线观测和记录，最后采用神经网络拟合工具对实验结果 进行了分析，论证了注塑成型过程控制的实现方法。 第六章总结与展望。总结了本论文的研究工作和创新成果，同时分析了论文需要进 9 浙江大学硕士学位论文 绪论 一步改进和研究的地方 本论文的框架如图1 3 所示： 提出问题第一章绪论 ，7、 二章注絮成型质量控制理论研夥 机器 质量控制 蛤涮 麓 r 、玉款、 聂采 ，第二鬻、 爹裂，7 第四彰1 分析 ，第n 章、 ；结果 注塑机注塑工 -注塑成 机器参艺分析型过程 掇彬 优矧检溅 j - ( 第六章总维与展望 图1 3 论文框架结构 1 0 浙江大学硕士学位论文 注塑成型过程理论研究 2 注塑成型过程控制理论研究 2 1 质量控制 注塑成型过程控制的研究目标是提高塑料制品的质量，与一般的过程变量不同，制品 质量包含的因素繁多，无法用单一指标来表征，并随着用户的要求而千差万别。概括而言， 塑料制品的质量包括内部质量( 性能质量) 和外部质量( 表观质量) ，又可以细分为结晶、 取向、力学性能、尺寸精度和各种缺陷。内部质量是指与制品内部结构、力学性质、形状、 重量等相关的各种质量指标【6 4 1 ，如表2 1 所示。 表2 1 质量指标 质量指标具体参数 内部结构取向，内应力，结晶性能，密度 力学性能抗拉强度，抗弯强度，抗弯强度，冲击强度 形状 尺寸精度，变形，收缩，翘曲 重量 重量精度，重复精度 制品的外部质量是用户可直接观测的制品质量特征，包括各种表面缺陷。塑料制品的 表观质量与内部质量有着十分密切的内在联系，是内部质量的必然反映。生产实践中总结 出了各种表面缺陷及其产生原因和工艺措施，如表2 2 所列。 表2 2 表面缺陷、原因和改进措施 缺陷原因 改进的工艺措施 溅射塑料过冷降低注射速度 气泡模温不均匀，原料有水分，欠注调整模温控制，预先烘干，增大注射量 裂纹和模温过低，顶出装置不当，保压时多余 提高模温，减少注射量，降低保压压力 龟裂熔体进入模腔 银丝 塑料过热，注射压力过高降低机筒和喷嘴温度，减小注射速度 收缩导致模内熔体不足，塑料过热，顶增加注射量，增加注射时间，增加保压时间，提 凹痕 出件过热，注射螺杆无缓冲高注射速度，调整模温，延长冷却时间 塑料过热，注射过量，锁模力不够，压降低机筒、喷嘴和模具温度，降低注射速度，降 飞边 力过高低注射量，及时开启速度压力切换，增大锁模力 降低机筒和喷嘴的温度，降低螺杆转速，减小注 变色塑料过热，塑料降解，塑料被污染 射速度和时间 为了提高塑料制品的质量，注塑成型过程中需进行质量控制。在实际生产和研究应用 中，直接控制制品质量十分复杂，首先是制品质量难以表征，而且无法建立制品质量的控 浙江大学硕士学位论文注塑成型过程理论研究 制系统：一是产品质量包含重量、表面光洁度、变形量等指标难以在线测量；另外产品质 量与工艺参数等被控变量之间的关系不确定。因此，根据控制对象的不同层次将质量控制 划分为底层控制、中层控制和顶层控制5 1 ，如图2 1 所示。 图2 一l 质量控制结构 底层控制即对注塑机机器参数进行直接控制，包括温度、压力、速度、位移等参数。 底层控制是质量控制的基础，保证了生产过程的稳定性；对于循环重复的注塑过程，底层 控制还可以确保制品质量的可重复性但是，单纯的底层控制无法保证生产出最高质量的 制品，制品质量的高低更依赖于注塑工艺参数。随着各种先进传感器和先进控制技术的应 用，底层控制逐渐成熟。 中层控制即对注塑工艺参数进行控制，主要研究如何设定温度、压力、速度等工艺参 数使得注塑制品具有较高的质量。传统的中层控制主要依据工艺人员的经验，反复试验最 后得出较高质量的方案，这种方法效率低、成本高而且效果差。采用先进的c a e 技术和 检测技术分析注塑成型过程，为工艺参数设置提供充分有效的实验依据，并根据制品质量 效果优化工艺参数，可以更有效地对制品质量进行控制。中层控制方法是目前注塑成型过 程控制的主要研究内容。 顶层控制即对质量控制模型进行控制，被控对象直接是制品质量指标，如重量、飞边、 短射、烧焦和翘曲等。顶层控制可以理解为闭环的中层控制。顶层质量控制主要难点在于 质量模型、模型的在线修正和质量控制器三部分。质量难以在线测量，质量模型是必须首 先解决的问题，也是目前研究者正予以关注的问题之一顶层控制是所有注塑机控制系统 研究者的理想目标，目前处在研究的初级阶段，离真正实现还有很长的距离。 1 2 浙江大学硕士学位论文注塑成型过程理论研究 2 2 注塑成型过程数学模型 注塑成型过程数学模型是注塑成型过程控制和工艺优化的理论基础。注塑成型过程中 注射过程和保压过程对制品质量的影响最为直接和深刻，因此对注射过程、保压过程进行 理论分析，揭示注塑成型过程塑料熔体的流变规律，并建立注塑机控制系统的数学模型。 2 2 1 注射过程和保压过程数学模型 ( 1 ) 注射阶段 为描述注射阶段熔体的流体力学和热传递现象，熔体充模模型由守恒方程、本构方程 和边界条件构成。守恒方程包括质量守恒、动量守恒和能量守恒方程，分别如下式所示【6 6 】。 害+ v ( ) ：o ( 2 - 1 ) 优 式中p 熔体密度； 1 ，熔体的流动速度； v 哈密顿算子，与p v ) 的“点积”为流体的质量散度。 厦罢+ ，v v ) = 却+ v f + 昭 ( 2 - 2 ) 讲 式中p 同性压力； r 应力张量。 以( 詈+ v v 乃= 乳9 一h 骞“矶力+ f ：w ( 2 - 3 ) 式中c v 热容； 丁温度； 坷口单位体积流体所吸收的热量； f ：v v 流体的黏性在单位时间内所耗散的能量。 边界条件包括：浇口处，速度、温度已知；固体边界层，满足无滑移条件和温度、热 通量已知；流体前沿，无穿越自由表面的流动、应力为零和热通量为零。 由于求解的困难，熔体充模模型又可简化为一维模型、二维模型和三维模型。其中， h e l e s l l a _ w 流动近似理论得到最普遍应用，本文所使用的m o l d n o w 软件就是采用这种模型。 下面对h e l e s h a w 模型予以说明。 假设制品对称并且厚度均一，且厚度远小于长度和宽度，流体符合非等温、非弹性、 1 3 浙江大学硕士学位论文 注塑成型过程理论研究 广义牛顿流体方程。依据h e l e - s l 姗近似方法，简化后的质量和动量守恒方程表述为m 1 ： 昙( s 罢) + 吴( s 票) = o ( 2 4 ) 优劣 卯卯 。 其中 。 s = r 坨等出 ( 2 5 ) 由 、7 式中日模腔厚度； 粘度。 简化后的能量方程表述为： 魍( 筹也罢+ b 琴) = 丢( 七琴) + ；2 ( 2 - 6 ) 式中七系数； ；剪切速率。 式( 2 - 4 ) 、( 2 6 ) 加上边界条件便构成了h e l e s h a w 流动近似模型。 ( 2 ) 保压阶段 对于具有定常厚度的薄制品，h e l e s h a w 流动近似理论在保压阶段也得到了最广泛的 应用。类似于注射阶段，可压缩的h e l e s h a w 模型表述为【删： 鲁n 出一卜鲁出一丢( s 塞) 一专( s 豺。 p 7 ， 式中，z 为压缩系数，a 为线性膨胀系数，定义如下： z = 吉( 警) ， p 8 ， 口：一去f 等 ( 2 9 ) p l 刀厶 。 能量方程可根据热力学第一定律获得，表述为： 暇鲁瑚害+ 砌+ 州脚脚多2 ( 2 - 1 0 ) 根据t 方程可计算熔体的p v t 关系，表述为： l p = 厂( 丁) 1 一a i o g ( 1 + p g ( n ) ( 2 1 1 ) 式中彳、工g 由材料特性决定。方程加上边界条件和初始条件构成了保压阶段的数学模型。 通过数值方法，可以计算出保压过程中任意位置、任意时间点的压力值。 浙江大学硕士学位论文注塑成型过程理论研究 2 2 2 注塑机机器参数控制数学模型 典型的伺服驱动液压控制系统可分为三个部分：动力控制部分( 上位机、控制器和伺 服电机) ，液压传动部分( 定量泵、溢流阀、开关阀和油缸) ，以及执行机构( 料筒、螺杆和 模具) ，具体原理如图2 2 所示： 图2 - 2 控制系统原理图 控制器处理指令压力p z 和油缸反馈压力n ，发出压力信号p c 以控制伺服电机转速r ， 伺服电机驱动定量泵输出液压油以控制油缸压力，油缸活塞推动螺杆，螺杆挤压料简内的 熔体进入模腔，从而控制注塑成型过程。 ( 1 ) 动力部分建模 根据伺服电机输出转速与输入电压的动态特性，忽略油液压缩性和泄露的影响，伺服 电机一定量泵数学模型为： q 2 熹只 ( 2 - 1 2 ) 式中q 泵的出口体积流量，踟切； y 泵的排量，聊f 厂， k 伺服电机的时间常数； 拖伺服电机增益系数，伊删仉 鄢泵的机械效率 ( 2 ) 注射油缸建模 注射油缸的活塞与