基于PLC控制的塑料注射成型機(jī)液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

葉金玲，葉峰

(1.廣東水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程系，廣東廣州 510925;2.華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣東廣州 510641)

塑料注射成型機(jī)是一種專用的塑料成型機(jī)械，主要利用塑料的熱塑性，經(jīng)過(guò)加熱融化后，再加以高的壓力使其快速流入模腔，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的保壓和冷卻，成為各種形狀的塑料制品。注塑機(jī)通常由注射系統(tǒng)、合模系統(tǒng)、液壓傳動(dòng)系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)、加熱及冷卻系統(tǒng)、安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等組成。文中主要研究其液壓傳動(dòng)系統(tǒng)及電氣控制系統(tǒng)。

液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的作用是實(shí)現(xiàn)注塑機(jī)按照工藝過(guò)程的要求提供動(dòng)力，并滿足注塑機(jī)各部分所需壓力、速度、溫度等要求。它主要由各種液壓元件所組成，其中液壓泵和電機(jī)是注塑機(jī)的動(dòng)力來(lái)源，液壓閥控制油液的壓力和流量，從而滿足注射成型工藝各項(xiàng)要求。電氣控制系統(tǒng)與液壓系統(tǒng)合理配合，可實(shí)現(xiàn)注射機(jī)的工藝過(guò)程要求 (速度、溫度、壓力、時(shí)間)和各種程序動(dòng)作，主要由電子元件、電器、儀表、傳感器、加熱器等組成。

1 注塑機(jī)液壓系統(tǒng)

注塑機(jī)液壓系統(tǒng)工作原理如圖1所示。由于該系統(tǒng)在整個(gè)工作循環(huán)中，合模缸和注射缸等液壓缸的流量變化較大，鎖模和注射后系統(tǒng)又有較長(zhǎng)時(shí)間的保壓，為合理利用能量，系統(tǒng)采用雙泵供油方式，液壓缸快速動(dòng)作 (低壓大流量)時(shí)，采用雙液壓泵聯(lián)合供油方式;液壓缸慢速動(dòng)作或保壓時(shí)，采用高壓小流量泵2供油、低壓大流量泵1卸荷供油方式。執(zhí)行元件除螺桿是單向旋轉(zhuǎn)外，其他機(jī)構(gòu)均為直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)。各直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)均采用單活塞桿雙作用液壓缸直接驅(qū)動(dòng)，螺桿則用液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)。鎖模時(shí)所需的力最大，為保證足夠的合模力，防止高壓注射時(shí)模具開(kāi)縫產(chǎn)生塑料溢邊，該注塑機(jī)采用了液壓－機(jī)械增力合模機(jī)構(gòu)，還可采用增壓缸合模裝置。系統(tǒng)完成的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)是:合?！⑸洹骸A(yù)塑→開(kāi)模→頂出制品→頂出缸后退→合?！鋮s定型［1］，以上動(dòng)作分別由合模缸、預(yù)塑液壓馬達(dá)、注射缸和頂出缸完成，另外注射座通過(guò)液壓缸可前后移動(dòng)。

圖1 注塑機(jī)液壓系統(tǒng)圖

工作原理分析如下:

1.1 關(guān)安全門(mén)

為保證操作安全，注塑機(jī)都裝有安全門(mén)。關(guān)安全門(mén)，行程閥6恢復(fù)常位，合模缸才能動(dòng)作，系統(tǒng)開(kāi)始整個(gè)動(dòng)作循環(huán)［2］。

1.2 合模

動(dòng)模板慢速啟動(dòng)、快速前移，當(dāng)接近定模板時(shí)，液壓系統(tǒng)轉(zhuǎn)為低壓、慢速控制。在確認(rèn)模具內(nèi)沒(méi)有異物存在，系統(tǒng)轉(zhuǎn)為高壓，使模具閉合。這里采用了液壓機(jī)械式合模機(jī)構(gòu)，合模缸通過(guò)對(duì)稱五連桿結(jié)構(gòu)推動(dòng)模板進(jìn)行開(kāi)模和合模，連桿機(jī)構(gòu)具有增力和自鎖作用。

(1)慢速合模 (2Y、3Y1通電)。大流量泵1通過(guò)電磁溢流閥3卸載，小流量泵2的壓力由電磁溢流閥4調(diào)定，泵2的壓力油經(jīng)電液換向閥5右位進(jìn)入合模缸的左腔，推動(dòng)活塞帶動(dòng)連桿慢速合模，合模缸右腔油液經(jīng)閥5和冷卻器回油箱。

(2)快速合模 (1Y、2Y、3Y1通電)。慢速合模轉(zhuǎn)為快速合模時(shí)，由行程開(kāi)關(guān)發(fā)指令使1Y得電，泵1不再卸載，其壓力油經(jīng)單向閥22與泵2的供油匯合，同時(shí)向合模缸供油，實(shí)現(xiàn)快速合模，最高壓力由溢流閥3限定。

(3)低壓合模 (2Y、3Y1、9Y1通電)。泵1卸載，泵2的壓力由遠(yuǎn)程調(diào)壓閥18控制，因調(diào)壓閥18所調(diào)壓力較低，合模缸推力較小，故即使兩個(gè)模板間有硬質(zhì)異物，也不致?lián)p壞模具表面。

(4)高壓合模 (2Y、3Y1通電)。泵1卸載，泵2供油，系統(tǒng)壓力由高壓溢流閥4控制，高壓合模，并使連桿產(chǎn)生彈性變形，牢固地鎖緊模具。

1.3 注射座前移 (2Y、5Y1通電)

在注塑機(jī)上安裝、調(diào)試好模具后，注塑噴槍要頂住模具注塑口，故注射座要前移。泵2的壓力油經(jīng)電磁換向閥9右位進(jìn)入注射座移動(dòng)缸右腔，注射座前移使噴嘴與模具接觸，注射座移動(dòng)缸左腔油液經(jīng)換向閥9回油箱。

1.4 注射

注射是指注射螺桿以一定的壓力和速度將料筒前端的熔料經(jīng)噴嘴注入模腔，分慢速注射和快速注射兩種。

(1)慢速注射 (2Y、5Y1、7Y1、8Y通電)。泵2的壓力油經(jīng)電液換向閥15左位和單向節(jié)流閥14進(jìn)入注射缸右腔，左腔油液經(jīng)電液換向閥11中位回油箱，注射缸活塞帶動(dòng)注射螺桿慢速注射，注射速度由單向節(jié)流閥14調(diào)節(jié)，遠(yuǎn)程調(diào)壓閥20起定壓作用。

(2)快速注射 (1Y、2Y、5Y1、6Y0、7Y1、8Y通電)。泵1和泵2的壓力油經(jīng)電液換向閥11右位進(jìn)入注射缸右腔，左腔油液經(jīng)換向閥11回油箱。由于兩個(gè)泵同時(shí)供油，且不經(jīng)過(guò)單向節(jié)流閥14，因此注射速度加快了。此時(shí)，遠(yuǎn)程調(diào)壓閥20起安全作用。

1.5 保壓 (2Y、5Y1、7Y1、9Y0通電)

由于注射缸對(duì)模腔內(nèi)的熔料實(shí)行保壓并補(bǔ)塑，因此只需少量油液，所以泵1卸載，泵2單獨(dú)供油，多余的油液經(jīng)溢流閥4回油箱，保壓壓力由遠(yuǎn)程調(diào)壓閥19調(diào)節(jié)。

1.6 預(yù)塑 (1Y、2Y、5Y1、7Y0通電)

保壓完畢 (時(shí)間控制)，從料斗加入的熔料隨著螺桿的轉(zhuǎn)動(dòng)被帶至料筒前端，進(jìn)行加熱塑化，并建立一定壓力。當(dāng)螺桿頭部熔料壓力到達(dá)能克服注射缸活塞退回的阻力時(shí)，螺桿開(kāi)始后退。后退到預(yù)定位置，即螺桿頭部熔料達(dá)到所需注射量時(shí)，螺桿停止轉(zhuǎn)動(dòng)和后退，準(zhǔn)備下一次注射。與此同時(shí)，在模腔內(nèi)的制品冷卻成形。

螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)由預(yù)塑液壓馬達(dá)通過(guò)齒輪機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)。泵1和泵2的壓力油經(jīng)電液換向閥15右位、旁通型調(diào)速閥13和單向閥12進(jìn)入馬達(dá)，馬達(dá)的轉(zhuǎn)速由旁通型調(diào)速閥13控制，溢流閥4為安全閥。當(dāng)螺桿頭部熔料壓力迫使注射缸后退時(shí)，注射缸右腔油液經(jīng)單向節(jié)流閥14、電液換向閥15右位和背壓閥16回油箱，其背壓壓力由閥16控制。同時(shí)，注射缸左腔產(chǎn)生局部真空，油箱中的油液在大氣壓作用下經(jīng)閥11中位進(jìn)入其內(nèi)。

1.7 防流涎 (2Y、5Y1、6Y1通電)

當(dāng)采用直通開(kāi)敞式噴嘴時(shí)，預(yù)塑加料結(jié)束，要使螺桿后退一小段距離以減小料筒前端壓力，防止噴嘴端部熔料流出。泵1卸載，泵2壓力油一方面經(jīng)換向閥9右位進(jìn)入注射座移動(dòng)缸右腔，使噴嘴與模具保持接觸，另一方面經(jīng)換向閥11左位進(jìn)入注射缸左腔，使螺桿強(qiáng)制后退。注射座移動(dòng)缸左腔和注射缸右腔，油液分別經(jīng)換向閥9和換向閥11回油箱。

1.8 注射座后退 (2Y、5Y0通電，5Y1斷電)

在安裝調(diào)試模具或模具注塑口堵塞需清理時(shí)，注射座要離開(kāi)注塑機(jī)的定模座后退。泵1卸載，泵2壓力油經(jīng)換向閥9左位使注射座后退。

1.9 開(kāi)模

開(kāi)模速度一般為慢→快→慢，由行程控制。

(1)慢速開(kāi)模 (2Y、3Y0通電)。泵1(或泵2)卸載，泵2(或泵1)壓力油經(jīng)電液換向閥5左位進(jìn)入合模缸右腔，左腔油液經(jīng)換向閥5回油箱。

(2)快速開(kāi)模 (1Y、2Y、3Y0通電)。泵1和泵2合流向合模缸右腔供油，開(kāi)模速度加快。

(3)慢速開(kāi)模 (2Y、3Y0通電)。泵1(或泵2)卸載，泵2(或泵1)壓力油經(jīng)電液換向閥5左位進(jìn)入合模缸右腔，左腔油液經(jīng)換向閥5回油箱。

1.10 頂出

(1)頂出缸前進(jìn) (2Y、4Y通電)。泵1卸載，泵2壓力油經(jīng)電磁換向閥8左位、單向節(jié)流閥7進(jìn)入頂出缸左腔，推動(dòng)頂出桿頂出制品，其運(yùn)動(dòng)速度由單向節(jié)流閥7調(diào)節(jié)，溢流閥4為定壓閥。

(2)頂出缸后退 (2Y通電)。泵2的壓力油經(jīng)換向閥8常位使頂出缸后退。

2 注塑機(jī)PLC系統(tǒng)

各執(zhí)行元件的動(dòng)作循環(huán)主要依靠行程開(kāi)關(guān)切換電磁換向閥來(lái)實(shí)現(xiàn)，各液壓缸及電磁鐵通、斷電動(dòng)作順序如圖2所示。

圖2中，a0、a1、a2、a3為合模缸的行程開(kāi)關(guān);b0、b1為注射座的行程開(kāi)關(guān);c0、c1、c2為注射缸的行程開(kāi)關(guān);d0、d1為頂出缸的行程開(kāi)關(guān);t1為控制慢速注射的時(shí)間;t2為控制合模保壓的時(shí)間;p為壓力開(kāi)關(guān)，合模缸到達(dá)高壓值時(shí)該壓力開(kāi)關(guān)動(dòng)作。

注塑機(jī)在工作時(shí)動(dòng)作比較多，且各個(gè)動(dòng)作之間有嚴(yán)格的邏輯關(guān)系，每一工步的控制均可采用自動(dòng)和手動(dòng)兩種模式。液壓和PLC共同構(gòu)成了控制系統(tǒng)，由PLC接受現(xiàn)場(chǎng)行程開(kāi)關(guān)、保護(hù)開(kāi)關(guān)和按鈕發(fā)出的信號(hào)，通過(guò)向電磁閥發(fā)出電信號(hào)來(lái)控制整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行［3］。

圖2 注塑機(jī)液壓系統(tǒng)電氣控制分析圖

2.1 PLC控制系統(tǒng)硬件組成

PLC控制系統(tǒng)硬件由輸入電路、輸出電路、PLC基本單元3部分組成。輸入電路由行程開(kāi)關(guān)、啟動(dòng)按鈕、保護(hù)開(kāi)關(guān)組成。為實(shí)現(xiàn)成形沖壓機(jī)的上述控制要求，選擇三菱FX2N-48MR-001(24輸入/24點(diǎn)繼電器輸出)型PLC。

圖3 注塑機(jī)液壓系統(tǒng)PLC接線圖

2.2 自動(dòng)工作狀態(tài)PLC控制程序

若采用PLC控制，則應(yīng)當(dāng)先規(guī)劃PLC的輸入、輸出口，PLC的硬件接線圖如圖3所示。

根據(jù)上述I/O口，設(shè)計(jì)PLC梯形圖，如圖4所 示。

圖4 注塑機(jī)液壓系統(tǒng)PLC梯形圖

3 結(jié)論

塑料注塑成型機(jī)通過(guò)液壓系統(tǒng)與電氣系統(tǒng)的良好配合，性能穩(wěn)定，運(yùn)行良好［4］，說(shuō)明控制系統(tǒng)安全可靠，系統(tǒng)配置合理，并降低了設(shè)備的成本，提高了運(yùn)行的自動(dòng)化程度，達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)目的。

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【2】吳紅，周驥平.小型注塑機(jī)液壓驅(qū)動(dòng)方式探討［J］.機(jī)床與液壓，2009，37(12):11 －12.

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