注塑成型过程中模具型腔温度控制

注塑模型腔温度控制摘要：我们开发了一种基于PI控制器和冷却液可调整的注塑蜡模冷却系统，这种方法以模具表面的平均温度作为设定温度点，以一个机电系统作为控制冷却液流速的装置，通过机械模具来对这个控制方法进行模拟，在一个合模力为50t的注塑机上进行试验。关键词：PI控制器型腔温度冷却液流速注塑机1、 介绍随着材料科学的飞速发展，高分子材料已成为工程材料中应用范围增长最广泛的材料之一。高分子材料有很多优点，轻质、低价、而且它还具备优秀的机械性能。因此，注塑过程中的挤塑和注塑作为最重要的工艺技术，它的发展正与其他的相关学科同步进步。这种流行的注塑方式得益于它能够生产十分复杂外形的产品，而且能够保证较好的尺寸精度。最终的产品质量与注塑成型的操作有着密切的联系，已经有很多相关的研究围绕其展开理论和试验的结果均已经证明一些重要的注塑变量，如模具温度、塑料温度、型腔的压力的可重复性是十分重要的。这些参数作为重要的控制变量已经开始被研究。在此过程中，模具最终的属性取决于热工学，与融化的温度、型腔的压力、局部的冷却相关。然而，对于这些参数良好的控制依然是制取高质量塑件的根本。对温度的控制被认为是最重要的因素，比其他的因素如蜡液的流速、型腔和射嘴的压力。用于蜡膏温度控制的方式常常是基于ON/OFF控制和PID控制共同构成。然而因为这些方法其缺乏健壮性和必要的适应性，所以并不适合控制非线性和关联的过程。很多时候，模具对于蜡件质量和产量的热力反应的影响已经被证实。但它的重要性却在通常情况下被低估。模具的热反应是型腔温度和蜡液分布的表现，这将影响蜡件的质量，如尺寸精度，机械性能等，某文献日前提出，模具型腔温度对蜡液流速、注射时间、冷却时间、尺寸的稳定性和机械性能。文献也谈及了可能的控制变量，和测量位置。然而，他的控制器的设计并不是基于动态的模具温度。文献论述了浇注的型腔温度控制应建立在对模具自身测量的基础之上，而非像很多人想象的那样在控制热交换媒介的入口。对循环的平均温度、最高温度、和具备冷却时间能够对控制有较大的帮助。从上面提及的调查研究很明显可以看出一个有效且高效的冷却系统不仅在蜡件成型上扮演重要的角色，而且还关系到注蜡工序的生产效率。所以目前的工作时如何找到一种合适的方法用PID控制器来控制型腔的温度，以便来更高效的完成注蜡过程。2、试验准备这个试验通过一个具备50t合模力，具备往复注蜡能力的射蜡机来完成。这个模具的冷却系统具备测量所需数据的能力，流程图如图1所示。控制装置采用一个带有DAQ数据获取板的工控机来完成，其主要作用是数据获取和控制。两个E型的传感器用作测量到达设定温度的蜡液的温度？？？？，泵的流量需要足够大来保证大流量、保证变化的流量能够被DAQ输出信号控制，一个90v、1HP、最大转速1750的直流电机用作驱动泵的运转。用一个脉冲宽度调制放大器来为直流电机提供可变的直流电源。这个放大器需要一个交流电源和一个1-10v的直流驱动电源输入端，这个放大器能够通过0-10v的电信号来以较高的频率来驱动直流电机。CVI试验窗口采用C语言编写的人机界面来用于人机交流，控制系统的模拟在试验进行前用Matlab完成。3、控制变量（被控量）在这个试验中，在模具中的热交换被认为是个型腔获得必要的温度的热学过程，这个过程最终决定了注蜡过程中蜡液冷却的时间。很多因素影响着型腔和蜡件成型温度，包括冷却

液的的温度和流量，环境温度，背压，注蜡速度蜡膏通过模具的温度等，其他的因素如模具的工装，尺寸，冷却器安装的位置一般认为是不随时间改变的量，因此不会影响到蜡件的温度。a、控制量通过用恒定的冷却液温度和流量的两次注蜡过程的实验来记录蜡件表面（型腔内）的动态的温度响应，图2展示了每个注蜡开始时温度相对恒定，而蜡液开始注射后温度快速上升紧接着被逐渐冷却到较低温度。一个开始的情况将要使被控变量成为蜡件表面的温度超过整个蜡液注射过程。然而从图2中，当蜡液充型的时候，蜡件表面的温度变化过快，这样这个温度采样点不能成为一个蜡件的温度设定点。尤其是当设定的点温度可能被调整，通过重复的曲线的特征，选定一个控制点，要求这个控制点不能像工件表面的温度改变那样迅速。0-405070 800-405070 80Time(sec)goFig.2CtivitytemperLitureresponse在单次的注蜡过程中，定义一个蜡件平均注射过程温度参数Tavg。在每个注蜡过程中或者在收集了一个过程的数据之后，这个参数要能够被评估（做运算）。注蜡过程相对较短，更合适整个过程中的温度均值Tavg。在这个试验中，蜡件注射成型过程持续了27s因此，后面的Tavg评估被使用，Tavg的表达式为end A'IT(f}dt 2T(kT)其中Tcycle为成型时长，是每个采样点的记录下来的采样温度,N为共计的采样次数，T(kT)代表T(t)的离散值，使用平均值的一个优点是能够减低噪声干扰。b、操作变量很多动态的参数影响Tavg,所以，任何一个或者所有的参数能被用来控制Tavg。然而，直接影响Tavg的两个因素是温度和冷却液的流量。已经被证明，冷却液的温度对蜡模表面和蜡膏的温度有很大的影响。然而，动态模型是建立在与时间相关的一种较慢的影响的基础之上。再者，可以通过一个冷却水混合系统来保证制冷、制热、或者混合冷却液的温度，来达到快速的改变冷却液的温度的目的。但是出于成本的考虑，这种办法是不能在工业生产中运用的，因为提供一个冷水混合系统是非常昂贵的。虽然改变冷却液的流速仅仅对于改变型腔和蜡膏的温度作用不算很大。但是依靠一个机电一体化机构能够快速的改变冷却液的流速而且，成本不会很高。因此改变冷却液流速的方法被选定来作为操作变量。4、系统辨识在我们设计一个有效的控制系统之前，了解整个过程的原理是非常重要的。最常用的系统辨识的模型是ARX(外部自动回归)，这个模型能用最少的平方公式来关联系统的输入输出。通用的ARX模型如下形式。人⑷二叭q)“(/-加)十昨) (2)式中A(q)和B(q)是单位延迟算子(delayoperator)qA(-1)的多项式，并且与G(q)和H(q)相关联，y(t)代表输出量Tavg，u(t)代表输入量即用于电机控制的的模拟量，e(t)代表随机的噪声。

A(q)和A(q)和B(q)的标准形式为式中的na和nb为ARX模型和过程延时nk的阶次，在这个试验中，本系统可认定为单输入或被控变量(冷却液的流量)单输出Tavg,即SISO系统。a.系统模型在这个SISO的模型中，被控变量u(t)代表控制电机输出的模拟量，y(t)代表Tavg。电机用来驱动水泵从而控制平均表面温度(Tavg)--y(t)，用于控制水泵转速的模拟量电压输入u(t)能够被几个对模具开环测试来推导出来。对于电机的模拟电压输入量u(t)相当于冷却液的流量，这些测试包括在注蜡的过程中的一段时间内给电机几个不同的u(t)值，直到获得相对稳定的y(t)值。这些开环测试的结果如图3。厂討一二E厂討一二ECJlFig.3Steady averagetnupeTatiirsiTavgfordifferentmotorinputsfig.4说明了一个开环的测试，这个测试展示了冷却液的热量的传递速度的依据。能够从中看出存在一个区域在这之后虽然冷却液的流量增加了，但是冷却液的热传递并不增加。导致这种情况的原因在于，一旦流体成为完全发达湍流(雷诺数=10000)，冷却液流速的增加对于较低的Tavg不起主导作用。通过电机的输入和模具内腔的温度来反映不同的流速，这些不同的流速间的联系能够，通过获得几个开环测试数据和依据系统辨识来获得。通过规范化输出量和控制变量的方法来减少在ARX模型中的缩放的影响。规范花的表达式如下在此公式中yss代表电机输入为0v时模具稳定的温度值。其中①代表周围环境温度值。过滤通过一个移动平均数的方法被用于开环数据处理。系统辨识取值na=2,nb=2，在过滤数据时其中的一个将被延时。ARX模型被表示为A(q)=\-0.8966^_l-O.O()3O3S?"2 ⑺0(@)二(p」十0A\75q~2}f(t)上述公式也可以离散的形式表示5、控制系统的设计a、控制方法众所周知在工业上使用的主要的控制方法还是基于传统的反馈控制理论°PID控制器。PID控制器之所以被广泛使用主要归因于其使用简单，而起PI和PID控制器可在此机械上被选择使用。因为PID控制的微分部分需要计算偏差的变化，因此更容易产生噪声干扰。有介于此，PI的控制器被用于此次试验。b、控制器参数整定一个PI控制器能够被表达为传递函数的形式，如下讥)=^1 ⑼此式中z=1/TiGc⑸是plant的Gp(s)的一部分，这个公式包含了直流电机的所有的影响

和从模具到冷却液的热量传递。显而易见控制器的传递函数的PI控制器的一个零点和一个极点在这个方程的根轨迹。极点的位置是固定的，也就是说在s=0和零点的位置在控制系统设计的时候是非常重要的，设计一个运算法则来引导开环测试和系统辨识，在执行模拟的时候，提供控制参数在IMM［智慧型记忆体管理器(intelligentmemorymanager)］基础上。这个运算法则遵循以下规则：1、 针对特定的模具和IMM来获取像图.3的实验数据--Tavg和驱动泵的电机电压间的关系。2、 用公式3和4来规范步骤1中获取的数据，并获得一个离散的ARX模型。把这个离散的模型转换为连续的模型以便于做更深入的分析。这种情况下，Gp(s)forplant表示为公式10(10)-0.01742l<-0.0034645-十0.0005151(10)J^0.421Ci?十0.05S52.V+0.00022013、 获得plant传递函数的根的轨迹。4、 设定执行参数，包括震荡时间、阻尼比来决定根轨迹上的操作点。5、 操作点确定下来之后，使用角判据来确定控制器零点的配置，使得根轨迹能够通过描述的操作点。6、计算这个点的总增益K,使用方法幅值判据。最后估算调节参数z和kc。结果和讨论a、控制模拟控制器的离散形式被下式给出)£，v-kcEN_v (11)此处M代表N时刻的被控变量，E代表N时刻的偏差，kc和Ti代表N时刻的比例和积分算子。由于在模具中的平均温度为控制量，那么在每个射蜡过程完成成后，被控变量都会被更新。图5展示了在良好的控制作用下的一个多重设定点的品均温度的模拟曲线。温度设定的改变从43度到40度，又到35度。这个控制器的整定参数为kc=0.94,Ti=177.8,此时系统达到稳态时间Ts<400s,超调量B<15%，这些PI的参数在接下来的试验中将会被使用。阴 阴 1 c c [ 1 [ [ 1 10 j.1 0.2 0.3 0.4 u.5 0.6 0.7O.Su.9Tunei町Fig.5MLilti-setpo-intcontrolsimulationoilTavg〔uo)zEwmhudJlb、实时控制下面的运算法则被用于基于IMM的PI控制器1、 运用公式1,在单个个注射过程中选取型腔温度采用点，并计算Tavg。2、 使用公式6转换Tavg的值，并且比较设定点的温度偏差。3、 确定控制器的输出MN。4、 转换控制器的输出使之成为电压信号，并发送脉冲信号给电机驱动器，反复重复以上步骤。图6和图7记录了使用了PI控制器后的型腔温度的控制结果。随着控制点的增加，测试的温度呈减少的趋势。展示了PI控制器提供了一个良好地闭环控制系统，系统的在±1度内做震荡。

50ffD)OJ」nlE」(u50ffD)OJ」nlE」(udluJ(ul454035302520H 1 1 1 10 5 10 15 20Time(min]Fig.6MLilti-setpoliltchangesinTavg图7展示了当Tavg设定点从33度增加到38度时，系统的响应情况。虽然goodcontrol被完成，但是响应要低于在图6中的减少的设定点。实际上，使Tavg增大到更高的设定点的决定性因素是来之被蜡膏带进模具中的热量。而控制器仅仅是通过自动的增量冷却液的流速来保证Tavg不会超过设定点。因此，Tavg动态的响应不能成为一个更快的响应来达到更高的设定点。更高的蜡膏温能够提升Tavg在一个相对较短的时间内，但是这对注蜡操作是不合适的。20 . 1 1 1 1 .0 10 20 30 40 50 60C