基于累積特性分析的注塑過程質(zhì)量預(yù)測(cè)

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基于累積特性分析的注塑過程質(zhì)量預(yù)測(cè)

喬勝陽

（國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作河南中心,河南鄭州,450000）

摘要：注塑過程為現(xiàn)代社會(huì)提供了大量、豐富、高品質(zhì)的塑料制品。如何保證我國(guó)注塑成型過程的精確、高效運(yùn)行，生產(chǎn)出高質(zhì)量的產(chǎn)品，及時(shí)可靠的質(zhì)量預(yù)測(cè)已成為亟待解決的問題。本文針對(duì)注塑過程已有方法的不足，提出了基于累積特性分析的質(zhì)量預(yù)測(cè)方法，實(shí)際工業(yè)實(shí)驗(yàn)表明了所提出方法的有效性。

關(guān)鍵詞：注塑過程；累積特性；質(zhì)量預(yù)測(cè)

0　引言

隨著全球化和城市化發(fā)展的深入，具有低成本、種類豐富等特點(diǎn)的塑料制品已廣泛應(yīng)用于交通運(yùn)輸、信息、醫(yī)療等國(guó)民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)。近年來，中國(guó)塑料行業(yè)保持了高速增長(zhǎng)，已成為全球最大的塑料消費(fèi)量國(guó)家。然而，市場(chǎng)需求的多樣化、性能要求的多功能化，及制造工業(yè)的經(jīng)濟(jì)節(jié)能需求等因素，對(duì)塑料制品質(zhì)量要求提出了更高的要求。注塑成型是一個(gè)涉及多方面復(fù)雜因素的加工過程，導(dǎo)致塑料制品易出現(xiàn)質(zhì)量缺陷。因此，及時(shí)在線預(yù)測(cè)產(chǎn)品質(zhì)量成為一個(gè)復(fù)雜而有意義的研究?jī)?nèi)容。

現(xiàn)有的方法只利用當(dāng)前時(shí)刻的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行質(zhì)量預(yù)測(cè)，未能充分考慮之前的數(shù)據(jù)累積影響。而且目前的質(zhì)量控制也沒有考慮過程擾動(dòng)、建模誤差等因素對(duì)質(zhì)量預(yù)測(cè)的不利影響。因此，本文提出了一種基于累積特性的注塑過程質(zhì)量預(yù)測(cè)方法，實(shí)際實(shí)驗(yàn)表明了所提方法的有效性。

1　注塑過程概述與數(shù)據(jù)分析

注塑過程是將塑料熔體注射入模具內(nèi)部得到多種多樣塑料制品的加工過程。一般來說，它包括以下四個(gè)階段：注塑段、保壓段、塑化段和冷卻段。在注塑段，塑料熔體在注射壓力的驅(qū)動(dòng)下以一定的速度注入閉合模腔的內(nèi)部。當(dāng)模具內(nèi)部完全充滿塑料熔體后，過程隨后進(jìn)入保壓段。在保壓段內(nèi)，注塑螺桿進(jìn)一步前移，部分熔體將被繼續(xù)充入模腔內(nèi)部以彌補(bǔ)由于熔體冷卻而引起的收縮。在冷卻階段，模腔內(nèi)熔體溫度不斷降低以使塑料制品足夠堅(jiān)硬而被頂出。與此同時(shí)，在冷卻段的前期，螺桿不停的后退旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生大量的剪切熱，結(jié)合機(jī)筒高溫塑料顆粒迅速呈熔融態(tài)并在螺桿的反向作用下向機(jī)筒的前端移動(dòng)，以產(chǎn)生滿足下一個(gè)批次生產(chǎn)所需要的熔體，稱之為塑化段。假設(shè)其過程變量個(gè)數(shù)為J個(gè)，采樣點(diǎn)數(shù)為K，若有I次正常的間歇操作，則可以得到三維過程矩陣X(I×Jx×K)和質(zhì)量數(shù)據(jù)矩陣Y(I×Jy)。注塑過程中，過程變量與質(zhì)量的相關(guān)關(guān)系并非時(shí)刻變化，而是隨操作階段進(jìn)行呈現(xiàn)分段性。因此，文中使用文[2]提出的步進(jìn)有序時(shí)段劃分方法進(jìn)行時(shí)段劃分。

2　在線質(zhì)量預(yù)測(cè)

將標(biāo)準(zhǔn)化后的矩陣X沿時(shí)間方向進(jìn)行切割，可以得到K個(gè)時(shí)間片矩陣Xk(I×Jx)。根據(jù)文[1]的時(shí)段劃分方法得到C個(gè)時(shí)段，利用R2指標(biāo)可以得到每個(gè)時(shí)刻的預(yù)測(cè)能力，進(jìn)一步得到時(shí)段Rc的指標(biāo)。在關(guān)鍵時(shí)段內(nèi)，由于要考慮之前數(shù)據(jù)的累積影響，需要對(duì)時(shí)段內(nèi)的每個(gè)時(shí)刻建立預(yù)測(cè)模型。這個(gè)模型綜合了該時(shí)段之前的數(shù)據(jù)信息，因此要對(duì)將該時(shí)段內(nèi)已進(jìn)行過的時(shí)間片矩陣橫向按時(shí)間排列，得到建模所需數(shù)據(jù)(I×Jx)。

對(duì)于已經(jīng)完成的時(shí)段，其預(yù)測(cè)質(zhì)量可以用最后一個(gè)時(shí)刻的預(yù)測(cè)質(zhì)量表示，將時(shí)段c的最后一個(gè)時(shí)刻上的模型定義為c，則時(shí)段的質(zhì)量預(yù)測(cè)值c為：

由于之前考慮的是時(shí)段內(nèi)累積分析，利用時(shí)段的Rc2確定不同時(shí)段的貢獻(xiàn)比例，加權(quán)得到最終的質(zhì)量預(yù)測(cè)值為ck，需要注意的是ck需要經(jīng)過反標(biāo)準(zhǔn)化才能得到真正的預(yù)測(cè)質(zhì)量。

3　仿真實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

本文中，所采集得到的過程變量有11個(gè)，采樣點(diǎn)為513個(gè)，質(zhì)量指標(biāo)為塑料制品的最終重量?？偱螢?5個(gè)，其中前30個(gè)批次用于建模。根據(jù)文[2]，注塑過程被劃分為5個(gè)時(shí)段，前兩個(gè)時(shí)段比較短，我們可以將它歸于注射段，后三個(gè)時(shí)段可依次對(duì)應(yīng)于保壓段、塑化段、冷卻段。因?yàn)镽c2服從F分布，查表可得對(duì)應(yīng)于99%置信度的值為0.726，因此大于該值的時(shí)段為關(guān)鍵時(shí)段。時(shí)段3、4對(duì)應(yīng)的Rc2指標(biāo)為0.9564和0.9712，因此是質(zhì)量預(yù)測(cè)的關(guān)鍵時(shí)段。

在非關(guān)鍵時(shí)段-冷卻段引入故障。一般來說，非關(guān)鍵時(shí)段的故障對(duì)最終質(zhì)量影響很小，幾乎可以忽略。所以，我們雖然引入了故障，但還是認(rèn)為真實(shí)質(zhì)量是不變的。圖1給出了本方法與已有兩種預(yù)測(cè)方法的對(duì)比結(jié)果。由于未考慮多時(shí)段特性，基于MPLS方法的質(zhì)量預(yù)測(cè)結(jié)果出現(xiàn)了嚴(yán)重的偏差?？朔硕鄷r(shí)段特性，sub-PLS方法的質(zhì)量預(yù)測(cè)結(jié)果并未受到非關(guān)鍵時(shí)段故障的強(qiáng)烈影響。然而，本文所提出的方法相比，sub-PLS預(yù)測(cè)質(zhì)量的震蕩十分強(qiáng)烈，連續(xù)性偏差，不符合實(shí)際。綜合上述分析，本文所提出的方法具有更好的預(yù)測(cè)能力。

圖1　三種預(yù)測(cè)方法對(duì)比

4　總結(jié)

針對(duì)現(xiàn)有注塑過程質(zhì)量預(yù)測(cè)方法中存在的不足，本文提出了基于累積特性分析的質(zhì)量預(yù)測(cè)方法。該方法既能夠體現(xiàn)注塑這一典型批次過程的多時(shí)段特性，又考慮了時(shí)段內(nèi)和時(shí)段間的質(zhì)量累積效應(yīng)。實(shí)際仿真實(shí)驗(yàn)表明了所提出方法的有效性。

參考文獻(xiàn)

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[3] Lu N Y,Gao F R.Stage-based process analysis and quality prediction for batch processes[J]. Industrial & Engineering Chemistry Research,2005, 44(10).

喬勝陽（1986-），男，碩士，河南南陽市人，國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作河南中心專利審查員，從事于自動(dòng)化領(lǐng)域?qū)＠麑彶楣ぷ鳌?/p>

Quality prediction of injection molding process based on cumulative characteristic analysis

Qiao Shengyang

(the Patent Office of the Patent Office of the Patent Office of the State Intellectual Property Office,Zhengzhou, Henan,Henan 450000,China)

Abstract：The injection molding process for the modern society to provide a lot of, rich,high-quality plastic products. How to guarantee the accurate and efficient operation of injection molding process, produce the high quality products,and the reliable quality forecast has become the problem to be solved urgently..In view of the shortage of existing methods for injection molding,the quality forecasting method based on accumulation characteristic analysis is proposed, and the practical industrial experiment shows the effectiveness of the proposed method.

Keywords：injection molding process cumulative character quality forecast

作者簡(jiǎn)介