传感器如何使用

如何正确使用传感器传感器的使用简要说明零次品生产，提高生产率和降低成本:特别是在电气和电子、医疗技术和汽车工程行业，塑料零件制造商大声呼吁必须满足这些要求。提供过程监测进行质量保证是实现这些目标的唯一途径。实施精益生产要求在尽可能的早期阶段检测出次品。加上其他措施，追求零缺陷生产的目标促进了更高的生产率，也意味着更高的设备利用率和更低的生产成本。模腔压力监测技术已被确立为一种有效连续监测复杂塑料零件质量的方法（1）。模腔压力曲线精确地反映了塑料零件在模腔内的成型条件。不符合质量特征要求的注塑件可被自动分离。除了传统的质量保证手段，模腔压力还为有效地工艺优化提供了可能性，这样即使不能完全消除废品，也能将废品率减至最低。当然，腔压压力的信息也可以用于在闭环控制中保持过程稳定。一种已经长期使用的方法是根据模腔压力进行保压切换，或热流道自动平衡。其他基于模腔压力进行过程控制的策略也存在，但很少使用，因为使用方法相当复杂。模腔监测系统，用于优化工艺、提高效率，缩短注塑周期的同时也可以降低成本。实现这些目标的关键就是零次品生产，通过基于模腔监测进行工艺优化和次品分离来实现，如下所述是在注塑成型中的实际应用。2024/1/27目录1.简介2.过程监测方法3.模腔压力传感器技术4.压力传感器的安装位置5.测量链的组成6.实际注塑成型中基于模腔压力工艺优化7.全自动过程监测8.总结与结论2024/1/271.简介今天的注塑机面临的挑战是几乎无法克服的。质量要求越来越多，零件和工艺变得越来越复杂–但是价格在持续下降。随着产品生命周期的缩短，现在几乎不可能分期偿还对工艺工程和高质量模具技术的投资。经济压力迫使注塑机在一个固定的基础上进行优化工艺，降低费用比如质量成本，这已经成为一个必要的要求。在这种情况下，成功的公司正在投资于贯穿整个生命周期的预防性质量保证能力上。因此，在高度优化的生产设施中，避免质量成本是绝对必要的事情。在这种情况下，工程师的任务是同时优化许多质量特性，如尺寸稳定性、表面质量和功能制品特性，以生产成本效益最优为目标。源于材料、环境、外围设备和（不可忽视的）操作员的干扰变量只能在有限的范围内进行预防，因此必须立即确认并进行补偿。为此目的，最可靠的方法是将质量保证纳入生产过程之中。在注塑成型中实现零缺陷生产的目标，并最大化成本效益。奇石乐等优质传感器公司提供专业的传感器技术测量模腔压力，这是信息量最大的过程变量，因为测量的同步性-与注塑零件在模具内形成过程同步。传感器和系统基于模腔压力在最早的时间检测出注塑零件是否报废。下面将更详细地说明，如何获取有价值的过程信息。在满足监测目的的同时，还可以利用模腔压力测量对工艺进行优化。模具中注塑过程的可视化提供了一系列好处:（1）提高塑料零件的质量，锁定和纠正生产过程中的错误，保护模具，以及监测和记录零件质量。（2）注射速度、保压水平等相关参数直接影响模腔压力，从压力曲线中可以识别出潜在的故障和误差。（3）基于模腔压力的监测和工艺优化为注塑机降低质量成本提供了一个解决方案，并将保护他们避免故障零件到达客户手中的可能性。

系列化生产中实现零缺陷输出的所有努力专注于一个目标:为制造商带来商业成功。2024/1/272.过程检测方法每一套注塑设备的目标是在生产中达到100%的合格率。实现这一目标的有效方法是将质量保证纳入生产过程。批量生产中的质量保证采用了本节介绍的各种方法和措施。2.1注射成型监测的不同方法注射成型监测方法包括从抽样到评估制造零件的程序，以及使用注塑工艺数据进行质量记录的概念。2.1.1统计过程控制统计过程控制（SPC）在工业中得到了广泛的应用。它被用作过程监测和质量控制的主要方法（2）。基于随机抽样的方法可以用来证明生产的稳定性。结果-平均值/范围或平均值/标准差-以控制图的形式呈现。随机抽样是在规定的时间间隔和范围内从生产中抽取的，然后根据规定的控制计划进行测量。由于所需的冷却和经常发生的后收缩，零件的取出和测试之间通常会有相当长的时间间隔。由于这些原因，这种方法在塑料注射成型过程中的适用性存在局限性，因为注塑成型周期短，数量大。为了正确地评估质量，只有在大幅延迟之后才有可能对过程进行控制干预；这可能会危及所制造的注塑件的盈利能力2.1.2关键注塑机参数的过程监测另一种方法是监测关键的注塑机参数（2）（3）。这种方法不测试零件，而是使用机器的过程值。因此，制造质量的评估标准是基于注塑机和外围设备的实际值。记录螺杆位移、液压、温度等过程数据，为获得信息性关键参数奠定了基础。统计评估的关键参数以图形（作为连续控制图）或列表的形式显示在注塑机的中央控制装置上。如果单个或多个关键参数违反了定义的限制值，触发警报和/或生产零件从生产批次中分离出来。注塑机制造商已将这种类型的统计数据集成到他们的控制中。在许多情况下，利用基于实际值的关键注塑机参数进行过程监测，可以检测到破坏性的外部影响。这使得它成为监测过程质量的合适方法。2.1.3在模具中集成传感器技术进行过程监测然而，来自注塑机和外围设备的关键参数往往不足以以足够的精度监测制造零件的过程和质量。要获得模具中的完整图像-包括流道和型腔-必须考虑到许多影响和破坏性影响只在型腔中出现。例如，由于热流道或多型腔模具中出现的流动差异而产生的影响无法从注塑机捕捉。（3）为了确保可靠的过程监控，模具所有模腔中安装传感器是首选解决方案。在零件的形成位置可以准确地捕捉到相关变量。在大多数情况下，使用的变量是模腔中的压力（“模腔压力”）。近年来，模腔压力和接触温度的联合记录也已成为一种行之有效的方法。（4）2024/1/272.1.4质量监控过程模型过程模型质量监控是过程值监控的一种扩展形式，因为关键过程值与指定零件特征的相关性映射在模型中。（5）与基于过程变量的监控相比，基于质量模型的方法具有直接计算零件特性并与规范进行比较的优点。这种方法需要合适的模型，以便精确计算零件特性—主要基于模腔压力和熔体接触温度的值。这些模型是在生产之前定义的，例如在模具试验阶段。为此，工艺知识以及注塑机设置参数对质量特性影响的知识被视为初步试验的基础，借助于统计试验计划（试验设计，DoE）。进行试验时，测量工艺数据并确定生产零件的质量，同时考虑相关的边界条件（如后收缩和结晶）。与连续观察随机样本（6）（5）相比，使用DoE的程序被证明更有效，产出的产品具有更好的性能。工艺模型的生成，即工艺数据和零件特性之间关系的计算，是基于数学分析的。只要它们的精确度足够，这些模型就可以用于在线质量监控（7）。有几个优点成为可能：相关质量特性的计算，100%质量管理文件，废品的分离和近实时质量控制的可能性。同时，该方法保证了过程知识的系统构建，高效地进行质量优化。2.2用于监控塑料注射成型过程的物理变量熔体的内在性能基于熔体的PVT曲线：这描述了熔体的凝固特性，同样地还有收缩特性。在这个模型中，可测量的变量——压力和熔体温度——清楚地描述了这种行为。目前，测量熔体在模腔中的温度是一个复杂而昂贵的过程，而且温度在整个截面上也有很大的变化。因此在实际应用中，模腔压力已经成为描述模腔内过程的一个非常重要的因素。有两种类型的腔内温度测量：使用红外传感器的方法（这里将不再详细讨论）和使用热电偶测量，尽管这只能提供接触温度。2.2.1模腔压力模腔压力提供了零件成型所有阶段的状态描述，它是注塑成型最具价值的工艺参数，并提供了模腔内塑料零件逐渐形成的可观察视角。在注射过程中，主要影响表面特性、外层取向和结晶度。在保压切换之后，进入压缩阶段：形成零件轮廓，这一阶段的进展决定了零件的特点，如飞边，因此可能损坏模具。在保压阶段，主要影响成型件的收缩率和重量，但也影响结晶度和内部大分子的取向。浇口冻结后（即“浇口关闭”），不再将材料填充到零件中模腔压力信息可以作为生产过程监控和优化生产的依据。模腔压力与质量相关的零件特性（如尺寸精度、表面质量、重量或精确填充）相关。对基本物理关系的了解使评估和解释模腔压力曲线变得容易（3）。2024/1/27熔体在注射阶段（1）开始时进入模腔。当流动前端到达传感器（2）时，即可测量压力。随着充填时间的增加，压力几乎呈线性增加。注射阶段（3）的结束对应模腔的体积100%填充满。在压缩阶段，熔体将被压实，以确保零件轮廓成型。在达到最大压力之后，保持压力阶段开始（4）。此阶段通过额外补充材料来补偿塑料材料的高收缩（即由于冷却而减少的体积）。当熔体在浇口中冻结时（5），由于持续的热收缩，模腔中的压力逐渐降至环境压力水平（6）。2.2.2接触温度模腔表面的温度也可以提供过程信息。测量开始时，因为熔体尚未到达传感器，温度曲线显示模腔中的模具温度。当熔体流过传感器时，温度急剧上升约30至40℃。最高温度与熔体温度不一致，因为熔体外层的凝固层使热导率大大降低。因此，该轮廓可用于监控模具温度和检测熔体前沿。从图可知，从温度曲线中获取的过程信息比较有限。2024/1/273.模腔压力传感器技术模具中的过程决定了注塑成型零件的质量。本节主要介绍用于可靠的模腔压力测量的传感器技术和方法。3.1模腔压力传感器如何工作高精度模腔压力传感器的精确压力测量提高了工艺可靠性。注塑成型过程中的压力和温度测量要求可靠、耐用、分辨率高、无需维护的测量技术。满足这些要求的测量系统覆盖高达450℃的熔体温度范围，即使在2000bar的压力条件下，它们也必须捕捉并读取最小的压力波动。只有内置特殊晶体的压电传感器才能满足这些要求，测量原理基于压电效应，适用于测量高动态的压力和力（7）。压电测量元件的定向变形产生电荷。电荷信号与压力成正比，用电荷放大器转换成电压信号。实际上，当流入模具的塑料熔体到达传感器前端时，在传感器上产生机械负载。这导致石英元件变形，进而产生电荷。电荷信号通过连接电缆传送到电荷放大器，该电荷放大器将其转换为0到10伏的电压信号。单个信号彼此成比例，这意味着测量的电压与模腔压力成正比。该电压值可从电荷放大器中提取，并用于测量、监测或闭环控制。3.2直接、间接与非接触测量采用直接测量法，传感器直接接触模腔中的熔体，测量压力无压力损失。在大多数情况下，传感器的前端可以适应模腔的表面，这意味着在零件上留下最小的标记。传感器设备的直接安装位置与模具轴线的方向无关，并且提供真实的测量值（4）。传感器的间接测量提供了另一种选择。在这种情况下，力传感器被放置在镶针或顶针的后面。因此，力从熔体传递到顶针的前表面，将力传递到传感器上。在计算压力值时，必须考虑顶杆与熔体接触的有效前表面积。传感器通常安装在模具轴线上。如果没有足够的空间安装直接测量传感器，建议使用该测量方法。2024/1/27光学元件-例如透镜或者导光条和汽车用A级表面零件-不能留下传感器的任何标记。这些应用的模腔压力也可以用非接触传感器进行测量。该型传感器通过测量模具钢因模腔压力引起的弹性变形来测量模腔压力。测量值可作为该位置（4）的压力值的参考值。2024/1/274.压力传感器的安装位置模具中安装传感器的位置和传感器一样重要。CAD数据简化了如何在模具中确定一个或多个传感器的安装位置。以下各节介绍了如何选择安装位置的基础知识。模腔压力传感器的正确定位非常重要以便获得有意义的测量结果。必须特别注意传感器相对于熔体流动路径的位置以及安装点处零件的壁厚。要理想地放置压力传感器，必须正确估计熔体首先冻结和最后冻结的点。对于具有多个浇口的模腔，应在零件的关键区域进行测量。传感器的用途与模腔压力传感器的安装位置特别相关。根据传感器在熔体流动路径的位置，某些位置尤其适用于信号获取与随后的评估。表（图9）显示了针对不同目的的最佳传感器安装位置的一些示例。经常需要多个区域的组合使用。4.1浇口附近位置测量一旦熔体的流动前沿到达传感器，模具中注塑阶段的压力变化过程将被获取。模腔压力传感器的理想位置靠近浇口，险。这可能导致传感器卡在孔中，导致传感器的测量功能靠近浇口的传感器将相应地提供更多的过程信息。通常在浇口附近和最大壁厚区域获得有意义且更持久的测量结果。这是因为熔体在厚壁位置是最后凝固的。4.2远离浇口位置测量测量距离浇口越远，熔体的流动前沿到达传感器的时间就越晚。压力测量仅在注射后期开始。因此，在到达传感器之前，无法监控注射阶段。在零件边缘进行测量时，即远离浇口或在流道末端-通常测量压力在熔体压缩阶段急剧上升。如果因为特殊质量问题需要在流动路径的末端进行监控，则该测量位置将提供监控特定缺陷的信息。例如，这些缺陷包括零件轮廓未充满、熔接痕或困气烧焦。4.3关键监控位置在特殊情况下，传感器只能放置在浇口上或冷流道上，因为在该区域只能收集有限的信息，特别是在浇口位置的熔体凝固后。微型零件的注射成型是一个例外，因为在实际的模腔中没有足够的空间来安装传感器。传感器端面与分型面平行的安装方式也需要小心。如果传感器安装时未与腔壁齐平，则可能导致零件脱模问题。附加由于模具的压缩（锁模力），安装孔的变形也会带来风险。这可能导致传感器卡在孔中，导致传感器的测量功能中断。如果传感器平行于分型面安装，则必须确保与分型面有足够的距离，并且安装位置模具结构为实心（4）。2024/1/275.测量链的结构用于评估压力信号的测量链基本上包括传感器、连接电缆和测量放大器。放大器将电荷信号转换成比例电压，然后用于评估模腔中的压力分布。电压信号可以由注塑机本身处理，也可以由外部监控设备处理。标准化传感器连接方式适用于以上两种处理方式。（8）5.1连接技术（电缆和接头）越来越多的模腔数和更复杂的冷却方式增加了模具的复杂性。压力和温度传感器的连接技术经历了不断的发展，为所面临的挑战提供了多种技术解决方案。用两种不同类型的电缆可以实现传感器和模具上连接器之间的测量链。必须根据应用和模具结构选择最合适的电缆。在单线技术中，电缆仅由一个截面非常小的导体和一个特殊的高绝缘层组成。在这种情况下，保护敏感电荷信号免受外部影响是由模具本身提供的。单线技术提供了通过切割和夹紧触点进行简单连接的优点，客户可以自行将电缆裁剪至所需长度。任何可能的损坏都很容易修复。但是，重要的是要确保在同一电缆通道中不安装其它带电电缆（例如，用于加热元件的电缆）。另一方面，同轴电缆有自己的绝缘层，即使在安装困难的情况下也能提供可靠的屏蔽。缺点是直径较大，这使得在多模腔的模具中使用困难。此外，用户无法调整预制电缆的长度，所以必须事先指定线缆长度和连接器类型。由于电缆是多层结构，修理通常是不可能的。对于复杂和模块化模具，接触元件连接安装在不同模具模块中的电缆。两个元件的接触面建立了电气连接。2024/1/27另一种选择是使用导电套筒。如果安装没有成角度，可以将套筒拧到传感器上，而不是拧到电缆上；这种替代方法大大简化了安装孔的钻孔和传感器的安装。接触元件将安装在对面模板上，以确保电荷的安全传输。多通道连接器和专用电缆通常用于将模具连接到过程监控系统。在多通道连接器中，包含四个或八个测量通道。作为标准配置，模具上的多通道连接器配备有芯片，允许自动检测模具。测量和分析系统自动检测模具并使用相关传感器和系统设置。这可以防止连接错误，并允许更快地换模。5.2过程监控系统过程监控系统执行的功能远远超过过程监控本身。它们还用于基于模腔压力的注塑分析、优化、文档记录和控制，甚至包括故障零件的自动检测和分离。过程监控系统设计紧凑，适合于工业用途；而且必须能够灵活地将它们集成到不同的生产环境中。它们必须有一个面向过程的操作概念。这种类型的系统有多达32个压电模腔压力传感器的输入，以及多达20个温度和机器信号（螺杆位移、注塑机注射压力等）的模拟电压输入（4）。多个设备的联网将实时订单和已完成订单的过程和质量相关生产数据一起传输到一个数据库中，为所有历史和实际生产运行中的详细分析选项和统计评估提供基础。生产数据的中央存储提供了每个注塑机状态的概览，并使监控生产成为可能。因此，机器可以相互比较，也可以快速检测到过程波动。所有模具设置的存储和管理也集成到中央系统中。这些存储的数据可以通过网络浏览器随时访问，也可以通过移动设备访问。现代过程监控系统独立于注塑机运行，使它们成为灵活使用的可选择和配备多机技术的适用设备。作为外部过程监视器的替代品，大多数注塑机制造商提供通过集成电荷放大器将信号传输到注塑机控制的选项。注塑机还提供基本功能，如可视化、某些监控功能和响应模腔压力的保压切换。2024/1/276.注塑实践中基于模腔压力的工艺优化如前几节所述，模腔压力曲线提供了对整个过程和零件成型时模腔中的过程进行观察的极好的视角。它提供了一种优化工艺的工具，因为影响零件质量的重要因素变得透明和可见（8）（11）。该过程中的各个阶段——注射阶段、压缩和保压阶段——都可以清楚地识别出来，并且可以根据模腔压力曲线应用常识标准对它们进行优化。下面将解释一些相关方面。6.1保压切换点切换点标志着注射阶段的结束，在当今所有常用的注塑机上，注射阶段是根据螺杆位移速度进行控制的（即根据体积流量进行控制）。随着模腔的体积填充，切换点标志着压缩过程从速度控制模式过渡到压力控制模式-对于压缩和保压阶段。无论是在实践中还是在文献中，确定保压切换点的方法有很多种，这里只解释基于模腔压力的保压切换方法。在注射阶段，由于流动阻力，在模腔曲线上可以看到压力的连续性和几乎呈线性增加的特点。一旦模具完全填满，由于熔体的压缩性有限，压力明显增加。这会在压力曲线中产生一个拐点，指示体积填充已经填满（图11）如果选择的切换点太早，模具将无法完全填充，熔体流动将停止；这可以在曲线中标识为压降。连续熔体流动中断会导致熔体前沿冻结，对零件质量产生不利影响。可能的影响包括短射、不良熔接痕、缩痕（特别是远离浇口）、流痕、表面缺陷和重量波动（图12）。设置保压切换点太晚会导致过大的峰值压力，因为尽管模腔已经完全充满，但仍保持设定的螺杆速度，因此注射压力增加到最大值。这将导致压缩阶段出现压力峰值，并伴随飞边产生。如果模具由于高局部压力而被撑开，这会导致敏感分型面上的永久变形（图13）2024/1/27因此，在设置过程中，进行部分填充研究，以确定最佳切换点。由于模腔压力（9）的可视化，此过程大大简化。模腔压力曲线实时显示在屏幕上，因此切换点可视为拐点。利用模腔压力优化切换点的方案，可用于各种切换过程。根据螺杆位置或通过液压压力进行切换已成为最常用的方法。如果使用模腔压力作为切换的测量值，则可以补偿压力曲线中反映的许多与材料或注塑机相关的影响参数。除了定义阈值的经典方法外，还有全自动拐点检测和切换的方法。这种方法已获得Kistler（ComoNeoSWITCH或SLP）的专利，它根据边界条件的变化自动调整进行保压切换，如粘度变化。6.2注射速度注射和熔体前沿速度是显著影响模腔压力的变量。在注射阶段，目标是在整个流动路径中保持熔体前沿速度恒定。注射速度的变化或增加在注射阶段压力上升梯度的变化中，在模腔压力曲线中是明显的。注射时间和（在某些情况下）注射压力在给定的情况下变化，这将导致压力梯度的增加或减少。在生产中，喷嘴流道浇口系统中熔体的注射速度的增加以及熔体流经零件小截面处意味着熔体的剪切力增加，相应的温度升高，粘度降低。在极端情况下，增加注射速度会导致熔体温度上升到对塑料造成热损伤。基于模腔压力曲线可以进行相关优化。如果模腔填充太慢，则可能导致熔体冻结，零件未完全填充。由于模腔压力与熔体前沿速度直接相关，因此可以清楚地识别和定位在模腔中的变化，因此可以通过调整注射工艺来补偿这些变化。6.3保压压力在保压阶段，在压力控制下，将额外的熔体注入模腔补偿材料收缩。如果保压时间足够长，可以适当提高保压压力。这对尺寸稳定性、浇口附近的分子方向、注塑件的重量和熔接线的强度有正面影响。2024/1/27保压压力的增加也会减少缩痕、气孔和收缩。但是，如果选择的保压压力曲线太高，预期结果包括脱模、残余压力和飞边，生产难度增加。在极端情况下，模具甚至可以被稍微涨开。工艺优化的目的是确定最佳的模腔压力分布。实现这一点的常用方法，根据材料规格和零件特性增加压力水平，直到注塑零件没有缺陷为止。借助于可视化的模腔压力测量，目标实现得更快、更容易：该目标是“理想”的模腔压力曲线，无大的压力降和平稳的过渡（图11）。保压压力不足会导致缩痕和尺寸问题。这是由于收缩补偿不足，甚至是材料回流到流道系统（图15中的下部曲线）。如果保持压力太高，则模具过度填充。6.4保压时间在保压时间内，熔体冷却，熔体流动通道空间减少。当浇口在“浇口冻结时间”之后冻结时，熔体停止被继续填充进入模腔。因此，工艺优化的目标是尽可能长时间保持所需的保压压力，并在不必要延长周期时间的情况下将熔体注入零件。如果保压时间太短（即保压压力在浇口冻结前结束），这可以被视为模腔压力曲线中的压降（图16）。从模腔压力曲线无法确定保压时间过长。浇口冻结后，模腔中的材料不再受影响。6.5模具温度模具温度对填充和压缩过程中的流动影响很小。但是，对于保压阶段的熔体冷却过程就不同了：模腔温度在这个过程中起着重要作用，因为温度越高注塑零件的冷却越慢。随着模具温度的升高，模腔再现精度提高。半结晶塑料的结构更加均匀，机械性能也有所改善，而且熔接痕不太明显。缺点是冷却时间更长，因此注塑周期更长。对于有利于注塑件完全填充的工艺优化，模具温度可适当调整；在此应注意，周期时间随冷却时间的延长而变化。在保压阶段，模具温度的升高伴随着冷却时间的延长。2024/1/276.6熔体温度较高的熔体温度对成型精度和熔接痕可见性有积极影响。然而，熔体收缩和热降解的发生率可能会随之增加。对于熔体温度的工艺优化，通常以提供的材料数据表为依据。在这些限制范围内，熔体温度或者降低，目的是缩短周期时间；或者升高，目的是降低粘度。熔体温度的影响如图18和19所示。从模腔压力曲线可以很容易地看出熔体温度的变化，因为熔体温度直接影响材料的粘度：温度越高，粘度越低。这会影响模腔中的流动行为和压力条件：较低的熔体温度（具有较高的粘度）由于在整个流动路径上的流动阻力增加，因此在填充过程中产生更高的压力。然而，最大压力将降低，因为压力经过浇口传递减少。（图18，深蓝色曲线）。较高的熔体温度（低粘度）将导致在填充阶段较低的压力，因为熔体更容易通过模腔。较低的流动阻力将导致压力降低，更容易流动的熔体也允许通过喷嘴和浇口系统进