直線位移傳感器在注塑機(jī)上的應(yīng)用

陶永亮

(重慶川儀工程塑料有限公司技術(shù)質(zhì)量部，重慶 400712)

注塑成型作為一種重要的成型加工方法，在機(jī)械、化工、汽車、儀器儀表、軍事國(guó)防、家用電器以及兒童玩具等都具有廣泛應(yīng)用，并且生產(chǎn)的制件具有精度高、復(fù)雜度高、一致性高、生產(chǎn)效率高和消耗低的特點(diǎn)，有著良好的市場(chǎng)需求和廣闊的發(fā)展前景。塑件的加工精度一直是業(yè)界關(guān)心的話題，塑件的加工精度除了模具和工藝等因素外，與注塑機(jī)的控制精度有關(guān)，其中直線位移傳感器對(duì)注塑機(jī)的控制精度有較好的提高，直線位移傳感器在注塑機(jī)上控制和應(yīng)用，易優(yōu)化注塑生產(chǎn)流程，保證生產(chǎn)質(zhì)量，并且降低了生產(chǎn)成本。

1 位移傳感器用于注塑機(jī)部位

注塑機(jī)的工作原理是利用塑料的熱塑性，將物料經(jīng)料筒加熱圈加熱，使物料熔融，再以高速、高壓使其快速流入模具的型腔中，經(jīng)一段時(shí)間的保壓、冷卻、固化定型后，模具在合模系統(tǒng)的作用下開啟模具，通過頂出裝置把定型好的制品從模具頂出。注射成型是一個(gè)循環(huán)的過程，每一周期主要包括:定量加料－熔融塑化－鎖合模－注射臺(tái)前移－施壓注塑－充模冷卻－注射臺(tái)后退－開模－頂出制品，取出塑件后又再閉模，進(jìn)行下一個(gè)循環(huán)。在整個(gè)循環(huán)工程中，鎖合模和開模、注塑量控制和頂出制品距離等這幾個(gè)工位是需要精確控制的。而傳統(tǒng)的塑料注塑機(jī)中采用行程開關(guān)或拔動(dòng)位置、或時(shí)間掣等控制單元來進(jìn)行上述控制，如圖1所示。注塑機(jī)采用行程開關(guān)等控制，適應(yīng)一些要求較低的制品，位置控制靠手工撥動(dòng)。對(duì)于復(fù)雜的塑料制品，要求在注射行程中提高注射量的精確度，進(jìn)行精確多級(jí)注射，才能獲得較好的塑件質(zhì)量。對(duì)于厚薄不一、流程長(zhǎng)、表面要求高、多彎道塑件，成型工藝比較復(fù)雜，若使用行程開關(guān)，時(shí)間掣等做粗略調(diào)整，容易產(chǎn)生塑件局部殘缺或嚴(yán)重溢料等，特別是透明件注塑，表面要求較高，難以保證塑件的質(zhì)量。因此，提高注塑、預(yù)塑計(jì)量等精確度，既能保證塑件加工質(zhì)量，又能降低機(jī)器的能耗［1］。

圖1 原來注塑機(jī)控制方式

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，從20世紀(jì)80年代起，開始研究直線位移傳感器替代行程開關(guān)，時(shí)間掣等控制單元等。注射機(jī)的注塑量與鎖合模行程等控制對(duì)注塑機(jī)表現(xiàn)在塑件精度發(fā)揮著決定性的作用。近年來，隨著對(duì)生產(chǎn)過程中精度控制要求的不斷增高，更多的客戶選擇使用模擬量位置控制產(chǎn)品，更多的廠家和用戶關(guān)注到精度控制的重要性。2000年以后，舊機(jī)械手動(dòng)系統(tǒng)已被數(shù)字自動(dòng)系統(tǒng)取代。數(shù)字測(cè)量不但提高了精度，而且用戶能夠優(yōu)化生產(chǎn)流程，保證生產(chǎn)質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本。這就是直線位移傳感器在注塑機(jī)應(yīng)用得到很快發(fā)展的原因。

2 直線位移傳感器概況

2.1 直線位移傳感器組成及原理

直線位移傳感器，是傳感器里的一種。一般由拉桿、鋁管、線路板、電刷、電刷支架、高頻吸收電路、端蓋以及裝配部件等組成。其實(shí)際是一個(gè)滑動(dòng)變阻器，是作為分壓器使用，以相對(duì)電壓來顯示所測(cè)量位置的實(shí)際位置。拉桿連接著電刷相當(dāng)于電阻元件的運(yùn)動(dòng)作直線往返運(yùn)動(dòng)，當(dāng)被測(cè)量發(fā)生變化時(shí)，通過電刷觸點(diǎn)在電阻之間的線性轉(zhuǎn)化。直線位移傳感器的功能在于把直線機(jī)械位移量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，并且該信號(hào)能夠與機(jī)械運(yùn)動(dòng)成正比。為達(dá)到這一效果，通常將可變電阻滑軌定置在傳感器的固定部位，通過拉桿在滑軌上的位移來測(cè)量不同的阻值。傳感器滑軌連接穩(wěn)態(tài)直流電壓，允許流過微安培的小電流，滑片和始端之間的電壓，與滑片移動(dòng)的長(zhǎng)度成正比。將傳感器用作分壓器可最大限度降低對(duì)滑軌總阻值精確性的要求，因?yàn)橛蓽囟茸兓鸬淖柚底兓粫?huì)影響到測(cè)量結(jié)果。電阻式位移傳感器主要應(yīng)用在自動(dòng)化裝備生產(chǎn)線對(duì)模擬量的智能控制。適用于注塑機(jī)等需要精確測(cè)量位移的場(chǎng)合，如圖2所示。

圖2 注塑機(jī)主要用電阻式位移傳感器原理和外觀示意圖

2.2 直線位移傳感器運(yùn)用與益處

注塑機(jī)中大多數(shù)使用的直線位移傳感器是以電阻尺為主，成本低，使用廣泛。主要用在控制注塑料量位置，開合模位置和頂桿頂出位置，其安裝方式很簡(jiǎn)單，如圖3所示。只需將傳感器主體部分安裝在機(jī)床固定在的被測(cè)部分的不移動(dòng)端，拉桿端固定在被測(cè)部分的移動(dòng)端，在移動(dòng)端拉伸和壓縮拉桿距離轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，對(duì)被測(cè)部分進(jìn)行控制，精確控制上述位置。

圖3 電阻尺在頂出結(jié)構(gòu)上安裝

在注塑循環(huán)各工序中，注射機(jī)的注塑與鎖合模行程控制對(duì)注塑機(jī)精度發(fā)揮了決定性的作用。位移傳感器具有精度高、線性范圍寬、對(duì)使用環(huán)境要求不高等一系列特點(diǎn)，在測(cè)量精密位移和檢測(cè)精密尺寸得到了廣泛應(yīng)用。目前，一般液壓注塑機(jī)的鎖合模、注射臺(tái)移動(dòng)、注塑和頂出制品位置控制精度在±0.1 mm，注塑時(shí)通過螺桿將熔融塑料注入模具型腔中，依靠螺桿驅(qū)動(dòng)控制注塑和溶膠位置。鎖合模、注射臺(tái)移動(dòng)、頂出制品以油壓控制，由壓力和速度控制其大小和快慢，位置由電子尺設(shè)定距離控制。合模裝置也有液壓式、機(jī)械式和液壓/機(jī)械混合式。在選用電子尺時(shí)，就一般的位移傳感器線性精度誤差＜0.05%F.S，重復(fù)性誤差＜0.05 mm，耐磨壽命 ＞100×106次［2］。重復(fù)性誤差是在全測(cè)量范圍內(nèi)和同一工作條件下，從同方向?qū)ν惠斎胫颠M(jìn)行多次連續(xù)測(cè)量所獲得的隨機(jī)誤差。這兩項(xiàng)誤差是衡量傳感器的特性好壞指標(biāo)。通過比較后這樣的位移傳感器完全能勝任注塑機(jī)各工序位置控制精度。

塑化位移重復(fù)精度在一定程度上反映了注塑量重復(fù)精度。注塑機(jī)的注射位移采用電子尺比傳統(tǒng)的限位開關(guān)提高了位移精度，在其他因素達(dá)到理想條件下，電子尺重復(fù)性誤差＜0.05 mm時(shí)，能提高注射量重復(fù)精度。同時(shí)，對(duì)注射壓力和速度的調(diào)節(jié)，提供了更方便的手段［3］。

塑件形狀結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成型要求高，應(yīng)選擇多級(jí)注塑。多級(jí)注塑是在注射過程中，螺桿向模具推進(jìn)熔體時(shí)，要求實(shí)現(xiàn)在不同位置上的有不同注射速度和不同注射壓力等工藝參數(shù)的控制［4］。多級(jí)注塑通過設(shè)置不同位置注射速度，壓力來充分改善熔體溫度的均勻性，進(jìn)而改善充模過程，以獲得良好外觀，尺寸穩(wěn)定，內(nèi)應(yīng)力小的注塑件。

一般的塑件注塑時(shí)至少要設(shè)定3段。水口流道為第1段、進(jìn)澆口處為第2段、產(chǎn)品進(jìn)膠到95%左右時(shí)為第3段、剩余的部分為第4段。對(duì)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜、外觀缺陷多、質(zhì)量要求高的膠件注塑時(shí)，需采用4段以上的射膠控制程序［5］。注射速度、保壓壓力、溶膠背壓是注射部分首先要控制的3個(gè)變量，其控制精度直接影響制品的質(zhì)量?，F(xiàn)先進(jìn)的注塑機(jī)具備了5～10級(jí)的注射速度和多段保壓以及溶膠背壓控制。一般通過位移傳感器和其他傳感器配合使用，實(shí)現(xiàn)注射成型過程中溶膠背壓、注射速度和保壓工況的位置精確控制。多級(jí)注塑的應(yīng)用實(shí)踐表明，連續(xù)批量注塑的制品的重復(fù)性和重復(fù)精度大幅度提高，目前常見的是同一種缺陷在同一部位重復(fù)出現(xiàn)。在射膠時(shí)，用于控制射膠螺桿的位移來控制熔融物料的用量，以保證精密注塑計(jì)量準(zhǔn)確;準(zhǔn)確控制開鎖模是精密注塑的必要條件，若位置不夠準(zhǔn)確，則可能產(chǎn)生不完全合模，不能完成注塑。為得到密度均勻，應(yīng)力小的塑料制品，必須嚴(yán)格控制速度來滿足注塑工藝要求。必須在熔融狀態(tài)將物料快速充滿整個(gè)模腔，如果此時(shí)射膠速度變慢，充模時(shí)間長(zhǎng)，制品容易產(chǎn)生冷接縫、密度不均、應(yīng)力大等缺陷。但是，若是射膠速度過快，熔融物料容易在澆注口處形成不規(guī)則的流動(dòng)，并造成空氣吸入和排氣不良等現(xiàn)象而直接影響制品的表面質(zhì)量。因此，有效控制注射位置及其表征的速度對(duì)于精密注塑來說非常重要［6］，更說明了位移傳感器在注塑機(jī)中應(yīng)用的重要性。當(dāng)然，影響注射量重復(fù)精度還包括背壓、轉(zhuǎn)速、溫度等各種因素有關(guān)。

2.3 直線位移傳感器發(fā)展趨勢(shì)

注塑機(jī)應(yīng)用直線位移傳感器已有一段時(shí)間，從最初的電阻尺，發(fā)展到電位計(jì)式傳感器、磁致伸縮式傳感器，再到如今的新型電感式檢測(cè)原理，直線位移傳感器得到了不斷的發(fā)展。電位計(jì)式位移傳感器原理，將機(jī)械位移或其他能轉(zhuǎn)換為位移的非電量轉(zhuǎn)換為其有一定函數(shù)關(guān)系的電阻值的變化，從而引起輸出電壓的變化，即它通過電位器元件將機(jī)械位移轉(zhuǎn)換成與之成線性或任意函數(shù)關(guān)系的電阻或電壓輸出。受環(huán)境因素影響小、使用方便。但存在滑動(dòng)觸頭與線圈等之間的摩擦，輸出能量要求較大，且磨損降低壽命和可靠性，也會(huì)降低測(cè)量精度。

原先的電阻尺被用于注塑機(jī)上，但這種產(chǎn)品無論是在精度、可靠性、行程和壽命都遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及磁致伸縮位移傳感器，因?yàn)槭墙佑|式的，碳刷經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間重復(fù)使用難免磨損，最終導(dǎo)致失效。在注塑現(xiàn)場(chǎng)，會(huì)有復(fù)雜的電磁和電壓波動(dòng)干擾，對(duì)測(cè)量精度影響較大;對(duì)于精密注塑機(jī)來說，位移控制精度要達(dá)到0.01 mm，這里以1000 mm的尺子為例，對(duì)應(yīng)電壓值為0.5 mV，這樣就提高了A/D采樣分辨率的要求，增加了PCB布線的難度，同時(shí)對(duì)電源也提出了更高的要求。將非接觸式的磁致伸縮式位移傳感器應(yīng)用于注塑機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)大尺度范圍內(nèi)的精密測(cè)量，同時(shí)該傳感器還配備有CAN，SSI等數(shù)字接口，采用數(shù)字傳輸，最大程度上減少了精度在傳輸過程中的損失。

磁致伸縮位移傳感器，是利用磁致伸縮原理、通過兩個(gè)不同磁場(chǎng)相交產(chǎn)生一個(gè)應(yīng)變脈沖信號(hào)來準(zhǔn)確地測(cè)量位置的。測(cè)量過程是由傳感器的電子室內(nèi)產(chǎn)生電流脈沖，該電流脈沖在波導(dǎo)管內(nèi)傳輸，從而在波導(dǎo)管外產(chǎn)生一個(gè)圓周磁場(chǎng)，當(dāng)該磁場(chǎng)和套在波導(dǎo)管上作為位置變化的活動(dòng)磁環(huán)產(chǎn)生的磁場(chǎng)相交時(shí)，由于磁致伸縮的作用，波導(dǎo)管內(nèi)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)應(yīng)變機(jī)械波脈沖信號(hào)，這個(gè)應(yīng)變機(jī)械波脈沖信號(hào)以固定的聲音速度傳輸，并很快被電子室檢測(cè)到。由于輸出信號(hào)是一個(gè)真正的絕對(duì)值，而不是比例的或放大處理的信號(hào)，所以不存在信號(hào)漂移或變值的情況，更無需定期重標(biāo)。目前，磁致伸縮位移傳感器已經(jīng)在精密注塑機(jī)控制系統(tǒng)上的應(yīng)用。與傳統(tǒng)傳感器相比，新型傳感器具有高精度、高穩(wěn)定性等特點(diǎn)，為精密注塑提供了足夠的測(cè)量精度［7］。

電感式直線位移傳感器采用新的檢測(cè)原理，繼承了磁致伸縮直線位移傳感器優(yōu)勢(shì)，在抗磁場(chǎng)干擾、抗振動(dòng)性、外型緊湊程度有更好表現(xiàn)。采用信號(hào)采集和處理分兩個(gè)電路板的設(shè)計(jì)，使傳感器輸出類型的靈活性提高，只需更換不同的信號(hào)處理電路板就能改變傳感器輸出類型，這使產(chǎn)品成本降低。新型位移傳感器的測(cè)量原理是基于RLC耦合電路產(chǎn)生的，是電感式原理的革新技術(shù)［8］。傳感器集成了信號(hào)發(fā)射器和接收器線圈系統(tǒng)，發(fā)射信號(hào)線圈由高頻交流磁場(chǎng)激活并與位置塊相互感應(yīng)產(chǎn)生一個(gè)RLC的感應(yīng)電路，諧振器與接收線圈形成電感式耦合。在布有接收信號(hào)線圈的位置，電壓的變化由諧振器與線圈的感應(yīng)而引起。這些電壓即為傳感器的測(cè)量信號(hào)。傳感器包含了一個(gè)粗略的和一個(gè)精確的測(cè)量線圈系統(tǒng)。前者負(fù)責(zé)粗略定位諧振器的位置，而後者負(fù)責(zé)精確定位。雙管齊下保證了它的精確測(cè)量。新型檢測(cè)原理不但保證了傳感器的精度，而且能夠使傳感器在非接觸的方式下工作，在允許范圍內(nèi)，通過諧振電路改變傳感器輸出信號(hào)，從信號(hào)源頭增大了傳感器靈敏度［9］，如圖4所示。

圖4 Soway電感式直線位移傳感器

3 結(jié)束語(yǔ)

傳感器是儀器儀表的關(guān)鍵基礎(chǔ)元器件，傳感器技術(shù)是涉及到經(jīng)濟(jì)及國(guó)防各領(lǐng)域的重要技術(shù)。其水平直接影響到自動(dòng)化系統(tǒng)和信息系統(tǒng)的水平，自動(dòng)化程度越高，對(duì)傳感器的依賴越大［10－11］。而信息往往是物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的量化表現(xiàn)，這種探測(cè)物質(zhì)手段常稱為傳感器，作為獲取外界信息的傳感器，在決定注塑機(jī)控制精度方面發(fā)揮著核心作用。對(duì)于注塑機(jī)來說，位移控制無疑是重要的一部分，它直接影響塑料制品的質(zhì)量，而由其表現(xiàn)的壓力和速度特性也關(guān)系著制品的內(nèi)在品質(zhì)和生產(chǎn)效率。隨著直線位移傳感器新品不斷涌現(xiàn)或被廣泛用于注塑機(jī)上，如磁阻直線位移傳感器［12］，柱柵數(shù)字式直線位移傳感器［13］等，對(duì)注塑機(jī)控制精度的提升有了很好的空間，將對(duì)提高塑件質(zhì)量，節(jié)約生產(chǎn)成本具有重要的意義。

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［7］王智強(qiáng)，彭勇剛，韋巍.磁致伸縮位移傳感器在精密注塑機(jī)上的應(yīng)用［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2010，29(9):138－144.

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