塑料外部成型加工機構(gòu)控制系統(tǒng)設(shè)計

聶 鵬

(華東交通大學(xué)交通運輸與物流學(xué)院，江西 南昌 330013)

機械與模具

塑料外部成型加工機構(gòu)控制系統(tǒng)設(shè)計

聶 鵬

(華東交通大學(xué)交通運輸與物流學(xué)院，江西 南昌 330013)

基于塑料外部成型加工工藝流程圖和三菱FX3U系列可編程邏輯控制器(PLC)設(shè)計了塑料外部成型加工機構(gòu)的控制系統(tǒng)，其分為自動模式和手動模式；采用組態(tài)王軟件建立了與PLC控制系統(tǒng)的連接、定義變量以及動畫連接，實現(xiàn)了塑料外部成型加工的自動控制，并且可精確控制電機轉(zhuǎn)速和電液比例閥的流量。

塑料外部成型加工；工藝流程；控制系統(tǒng)；動畫連接；電液比例閥

0 前言

模內(nèi)裝飾成型技術(shù)是指通過模內(nèi)工程的方法，在模具內(nèi)置入裝飾性材料(塑料、布料或皮革等)，達到一次射出完成裝飾塑件的目的，取代了傳統(tǒng)射出塑件的后工程[1-3]。塑料外部成型加工技術(shù)則是根據(jù)不同的熱壓成型工藝方法，通過增加氣壓、液壓等各種方式來實現(xiàn)外包覆裝飾成型。它對加工條件和環(huán)境的要求大大降低，使得貼膜后的產(chǎn)品更具有真實的觸感，從而達到更好的裝飾效果。塑料外部成型加工技術(shù)屬于外包覆，在高壓真空環(huán)境中利用熱塑性材料，將規(guī)定尺寸的材料加熱到軟化，并借用材料兩面的壓力差使得其緊密地貼覆在模具的輪廓表面上[4]。塑料外部成型加工機構(gòu)主要分為機架、模腔機構(gòu)、換膜機構(gòu)和加熱機構(gòu)，采用三菱FX3U系列設(shè)計了塑料外部成型加工機構(gòu)控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)實現(xiàn)了塑料外部成型加工全過程的自動控制。操作簡單，易于維護。

1 塑料外部成型加工機構(gòu)及其工藝流程

圖1 塑料外部成型加工機構(gòu)Fig.1 Film outside decoration mechanism

由圖1可知，塑料外部成型加工機構(gòu)主要由整體機架、模腔機構(gòu)、換膜機構(gòu)和加熱機構(gòu)組成。塑料外部成型加工工藝流程主要分為：(1)自動換膜：換模機構(gòu)先移入模腔到預(yù)定位置，滾筒下壓將塑料貼緊壓邊框，到位后往外移動鋪膜，然后切刀移動裁膜，最后自動換膜機構(gòu)回到原位。(2)上壓邊框下壓：上壓邊框通過氣壓系統(tǒng)下壓，將塑料固定在下模腔邊框上。(3)合模：上模腔通過液壓系統(tǒng)下降與下模腔合攏，壓邊框壓緊塑料后，液壓系統(tǒng)得到信號啟動，液壓缸開始工作，上模腔下移與下模腔合攏，經(jīng)過保壓系統(tǒng)，保持在一定壓力下維持到開模。(4)抽真空：真空泵得到系統(tǒng)信號，開始抽取上下模腔內(nèi)的空氣，使上下模腔的壓力達到規(guī)定要求值。(5)加熱：加熱板通過氣壓系統(tǒng)移動至指定位置，對塑料進行加熱使其軟化，而后加熱板回到原位。(6) 下模臺上移：下模臺通過液壓系統(tǒng)上移，對塑料進行預(yù)拉伸處理，使塑料初步貼合在裝飾物件表面。(7)加壓：高壓泵得到系統(tǒng)信號，開始工作往上模腔壓入空氣，到達到規(guī)定壓強。(8)開模：上模腔回到原位，氣壓系統(tǒng)換向閥換向使壓邊框回到原位，下模臺換向回到原位。

2 程序設(shè)計

2.1 PLC選型

由于需要控制3臺步進電機的運行， 因此PLC選用具有3個脈沖輸出的三菱FX3U系列以及FX3U-485-BD通信擴展板，如圖2所示。FX3U系列[5-7]增加了新的定位指令，新增加了高速輸入輸出適配器，并且增強了通信的功能。

(a)三菱FX3U系列PLC (b)FX3U-485-BD通信擴展板圖2 三菱FX3U系列PLC及FX3U-485-BD通信擴展板Fig.2 Mitsubishi FX3U series PLC and FX3U-485-BD communication extension board

2.2 步進電機的控制

選用的3個步進電機均采用三相六拍的工作方式，正向轉(zhuǎn)動的通電順序為A-AB-B-BC-C-CA-A，如果通電順序反向為A-CA-C-BC-B-AB-A，則電機反轉(zhuǎn)?？筛鶕?jù)步進電機的工作方式及所要求的頻率，設(shè)計出步進電機的A、B、C各相時序圖，其各相三相六拍的時序圖如圖3所示。

各相時序圖：(a)A相 (b)B相 (c)C相圖3 三相六拍時序圖Fig.3 Three phase six sequence chart

2.3 程序流程圖

(a)自動換膜流程圖 (b)抽真空與加壓流程圖圖4 程序流程圖Fig.4 Program flow chart

塑料外部成型加工設(shè)備控制系統(tǒng)是一個開關(guān)量的順序控制系統(tǒng)，由PLC啟動，然后自動換膜，壓邊框下降，加熱器加熱和回位，上下模腔合膜，下模臺上升，真空機抽真空，加壓，上下模腔分離開模，壓邊框回位，下模臺回位，最后機器停止，其程序流程圖如圖4所示。該控制系統(tǒng)程序分為自動模式和手動模式。自動模式：PLC控制系統(tǒng)運行設(shè)置好的程序與參數(shù)。手動模式：機構(gòu)運行過程中部分程序需要手動來操作，比如單周連續(xù)開關(guān)等。

2.4 程序設(shè)計

(1)公共程序設(shè)計

自動模式時，按下停止按鈕，系統(tǒng)將停止運行一切活動。公共程序采用單步控制開關(guān)，單步控制方式是指每按一次啟動按鈕，行程只完成一個規(guī)定動作，單步控制方法主要是通過控制特殊輔助繼電器來實現(xiàn)的，與此同時分別設(shè)置下模臺、壓邊框、上模腔和自動換模機構(gòu)的原位開關(guān)。

(2)自動換膜程序設(shè)計

自動換膜的步驟分別是換模機構(gòu)移入到位、壓膜到位、鋪膜、切膜和換模機構(gòu)回原位。其中帶動換膜機構(gòu)和帶動切刀切膜的電機是三相步進電機，其中切膜時裁刀在左側(cè)則步進電動機正轉(zhuǎn)，裁刀在右側(cè)則步進反轉(zhuǎn)。

(3)壓邊框下降程序設(shè)計

壓邊框的壓力回路接通是指壓邊框到規(guī)定點的位置時壓邊框保壓，程序進入下一步。

(4)加熱程序設(shè)計

自動模式時，加熱板進入系統(tǒng)中碰到行程開關(guān)時準備開始加熱，加熱一定的時間后加熱板回到原位，碰到行程開關(guān)進入下一程序動作中。

加熱后進入下一程序動作中，壓邊框壓力回路工作，壓邊框?qū)⑺芰舷聣壕o貼下模腔，碰到行程開關(guān)進入下一程序動作中，壓邊框下降，使系統(tǒng)封閉合膜，然后進入下一程序活動中。

(5)合膜程序設(shè)計

合膜是指壓邊框回路接通，壓邊框下降壓緊，碰到行程開關(guān)，使程序進入下一步，使上模腔下降，與下模腔合攏。碰到行程開關(guān)時，程序?qū)⑻较乱徊健?/p>

(6)抽真空和加壓程序設(shè)計

下模臺上升到直線光柵設(shè)定好的位移上，系統(tǒng)抽真空，經(jīng)過一定時間后，空氣壓縮機在上模腔加壓，使塑料成型，等到壓力達到0.2 MPa時，壓力開關(guān)停止工作，系統(tǒng)跳入下一程序。

(7)開模程序設(shè)計

塑料成型后，電磁換向閥右端得電上模腔回到原位，碰到限位開關(guān)，壓邊框氣動換向閥得電，回到原位。碰到行程開關(guān)，下模臺回到原位，然后進入下一程序動作中。

(8)結(jié)束程序設(shè)計

此時系統(tǒng)處于原位，控制開關(guān)得電，經(jīng)過一定時間，拿出成型塑料后，如果開關(guān)處于單周位，則進入待機狀態(tài)程序。如果處于連續(xù)位，則進入連續(xù)生成塑料制品程序。

3 控制界面設(shè)計

組態(tài)王軟件[8-10]結(jié)構(gòu)由工程管理器、工程瀏覽器及運行系統(tǒng)3部分構(gòu)成?；诮M態(tài)王軟件建立一個工程項目與PLC連接， 選擇連接的串口為COM1，設(shè)置嘗試恢復(fù)間隔為30 s，最長恢復(fù)時間為24 h，并且設(shè)置動態(tài)優(yōu)化。

在組態(tài)王中通過“數(shù)據(jù)庫”項來定義設(shè)備變量，對于將要建立的工程，需要電機轉(zhuǎn)速、電液比例閥流量、開關(guān)控制輸出量、數(shù)字開關(guān)輸入變量，因此需要在數(shù)據(jù)庫中定義這4個變量。4個變量的變量類型前2個是I/O實型，后2個是I/O整型。在開發(fā)系統(tǒng)界面上繪制“監(jiān)控中心”的畫面，如圖5所示。當畫面設(shè)計完成后，再通過“動畫連接”來建立畫面的圖素與數(shù)據(jù)庫變量的對應(yīng)關(guān)系，可輸入相應(yīng)的速度以控制電機的轉(zhuǎn)速，也可以輸入流量來控制電液比例閥的流量，能夠使其控制精度保持在95 %以上。

圖5 控制中心畫面Fig.5 Control center screen

4 結(jié)論

(1)根據(jù)塑料外部成型加工工藝流程及其程序流程圖，采用三菱FX3U系列設(shè)計了塑料外部成型加工機構(gòu)的控制系統(tǒng)，分為自動模式和手動模式，該控制系統(tǒng)實現(xiàn)了塑料外部成型加工全過程的自動控制，操作簡單，易于維護；

(2)采用組態(tài)王軟件建立了與PLC控制系統(tǒng)的連接、定義變量以及動畫連接，可通過輸入相應(yīng)的速度以控制電機的轉(zhuǎn)速，也可輸入流量來控制電液比例閥的流量，使其控制精度保持在95 %以上。

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Design of Control Systems of Outside Manufacturing Mechanisms for Plastic Parts

NIE Peng

(School of Transportation and Logistics, East China Jiaotong University, Nanchang 330013, China)

Control systems of outside processing mechanism for plastic parts was designed by use of Mitsubishi FX3U type PLC on the basis of process principle of outside processing for plastic parts. This control system included an automatic mode and a manual mode. The connection with the PLC control system was established. The variables were defined, and the animation was connected through the supervisory control and data acquisition. Moreover, the automatic control of plastic outside molding and processing was achieved, and the motor speed and flow rate of electro-hydraulic proportional valve were also accurately controlled.

plastic outside processing; process principle; control system; animation connection; electro-hydraulic proportional

2016-10-05

TQ320.5+2

B

1001-9278(2017)08-0117-05

10.19491/j.issn.1001-9278.2017.08.021

華東交通大學(xué)校立課題(15GD01)；華東交通大學(xué)教務(wù)處課題(JYZY1508)

聯(lián)系人，niepeng1966@163.com