機(jī)鉸式注塑機(jī)鎖模力的精確檢測(cè)、自動(dòng)調(diào)整及修正

蔡國(guó)強(qiáng) 蔡杰鋒

（1．南京工業(yè)大學(xué)，江蘇 南京 211816；2．仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，廣東 廣州 510225）

0 技術(shù)背景

注塑機(jī)更換模具后，由于模具厚度的改變，因此，需要對(duì)機(jī)器進(jìn)行匹配性調(diào)整，從而獲得合適的鎖模位置及鎖模力。目前的注塑機(jī)通常標(biāo)配自動(dòng)調(diào)模功能，用戶安裝好新模具后，通過(guò)簡(jiǎn)單的參數(shù)設(shè)置和操作步驟，就可以自動(dòng)完成對(duì)模厚的調(diào)整。由于機(jī)鉸式注塑機(jī)受機(jī)械結(jié)構(gòu)、制造公差和控制精度等因素的影響，調(diào)整后的鎖模力的實(shí)際值與目標(biāo)值往往存在一定的偏差，可以通過(guò)進(jìn)行漸近式的多次調(diào)整來(lái)修正該偏差，但自動(dòng)調(diào)模時(shí)間就會(huì)比較長(zhǎng)，有時(shí)甚至超過(guò)3 min，且它的成功率也偏低。

隨著塑料加工行業(yè)的不斷發(fā)展，它對(duì)鎖模力的控制要求也越來(lái)越高，知道實(shí)際鎖模力才能根據(jù)制品的需要對(duì)控制參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化；鎖模力快速精準(zhǔn)地自動(dòng)調(diào)整有助于成型工藝的連貫，保證制品質(zhì)量的穩(wěn)定；利于對(duì)模具（尤其是貴重模具、特種模具）的保護(hù)，例如加強(qiáng)了對(duì)鋁材模具的保護(hù)并延長(zhǎng)它們的使用壽命[1]。

目前在行業(yè)應(yīng)用上，普遍通過(guò)檢測(cè)機(jī)械變形量來(lái)計(jì)算鎖模力，有以下3種檢測(cè)方法：1） 圖1是磁附式鎖模力檢測(cè)儀，通過(guò)檢測(cè)4條拉桿的變形量，將其換算成鎖模力。優(yōu)點(diǎn)是可以同時(shí)檢測(cè)4根拉桿的受力，功能強(qiáng)大；缺點(diǎn)是體積大、價(jià)格高，適用于移動(dòng)式檢測(cè)。2） 圖2是箍型鎖模力傳感器，形變片通過(guò)不銹鋼圈上下正對(duì)箍緊在2條拉桿上，變形量通過(guò)電壓模擬量信號(hào)反饋給控制系統(tǒng)，AD運(yùn)算后獲得實(shí)際鎖模力。該方案安裝維護(hù)簡(jiǎn)單、成本低，使用范圍較廣，其缺點(diǎn)是檢測(cè)精度相對(duì)較低，適用于檢測(cè)要求不高的場(chǎng)合。3） 圖3是形變片式鎖模力傳感器，傳感器用螺絲壓裝在尾板上（需要銑配合平面），當(dāng)鎖模力建立時(shí)，尾板的變形傳導(dǎo)到傳感器，變形量通過(guò)電壓模擬量信號(hào)反饋到控制系統(tǒng)，AD運(yùn)算后獲得實(shí)際鎖模力。該方案檢測(cè)結(jié)果會(huì)受鑄件組織、形態(tài)結(jié)構(gòu)等因素的影響，目前較少使用。

圖1 磁附式鎖模力檢測(cè)儀

圖2 箍型鎖模力傳感器

圖3 形變片式鎖模力傳感器

1 技術(shù)方案

該方案采用拉桿變形位置檢測(cè)傳感器，對(duì)鎖模力進(jìn)行精確地檢測(cè)，并通過(guò)對(duì)軟件程序的控制實(shí)現(xiàn)鎖模力快速自動(dòng)調(diào)整和修正的功能。精確檢測(cè)是基礎(chǔ)，軟件控制是保障，2者相輔相成。

1.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)原理

拉桿式鎖模力檢測(cè)裝置示意圖如圖4所示。在拉桿靠近頭板側(cè)沿中心線加工長(zhǎng)孔，檢測(cè)桿通過(guò)壓緊蓋與安裝支架同心固定，除接頭與拉桿內(nèi)孔底部充分接觸外，檢測(cè)桿與長(zhǎng)孔壁并無(wú)接觸；安裝固定時(shí)，彈簧預(yù)設(shè)一定的壓縮行程（需要大于最大鎖模力下的拉桿拉伸變形量）。當(dāng)機(jī)器合模并且建立鎖模力時(shí)，拉桿受力拉伸，檢測(cè)桿由于受壓縮彈簧的推力，接頭端左移，保持與內(nèi)孔底部充分接觸，即檢測(cè)桿會(huì)向左伸長(zhǎng)，而伸長(zhǎng)的距離會(huì)通過(guò)右側(cè)的位置（壓力）傳感器以電壓模擬量信號(hào)的方式反饋到控制系統(tǒng)，再經(jīng)AD轉(zhuǎn)換并根據(jù)相關(guān)公式計(jì)算出對(duì)應(yīng)的鎖模力。

1.2 電氣檢測(cè)及控制原理

電氣檢測(cè)及控制原理圖如圖5所示。對(duì)注塑機(jī)整機(jī)的控制，硬件采用奧地利B&R控制系統(tǒng)（面板PP250+PLC X20），軟件自行開發(fā)。該方案只著重介紹鎖模力的檢測(cè)及控制，對(duì)注塑機(jī)的通用及延展功能不做贅述。

圖5中檢測(cè)桿承受合模力后的拉伸量，通過(guò)鎖模力檢測(cè)（位置）傳感器，信號(hào)接入“編碼器放大板”（注：輸出Gray Code的無(wú)源觸點(diǎn)信號(hào)），再經(jīng)“電平轉(zhuǎn)換板”轉(zhuǎn)為24 V正信號(hào)，接入PLC輸入模塊，由控制系統(tǒng)通過(guò)相關(guān)公式轉(zhuǎn)換，計(jì)算實(shí)際鎖模力。由于Gray Code信號(hào)穩(wěn)定，并且鎖模力的調(diào)整具有可計(jì)算的理論根據(jù)，因此檢測(cè)穩(wěn)定精確。

圖4 拉桿式鎖模力檢測(cè)裝置

1.3 調(diào)模計(jì)算根據(jù)

調(diào)模進(jìn)給量是基于上一次的鎖模力偏差值，通過(guò)公式計(jì)算出下一次調(diào)模的目標(biāo)位置。為了保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，該方案采用編碼器檢測(cè)調(diào)模位置，精度可達(dá)0.01 mm。

δ為調(diào)模進(jìn)給量，其計(jì)算方程如公式（1）所示。

式中：δ1為拉桿承受合模力后的拉伸值；δ2為機(jī)械（包括模板、機(jī)鉸、間隙和模具等）的壓縮量。

δ1的計(jì)算方程如公式（2）所示。

式中：L為拉桿有效拉伸長(zhǎng)度，L= 拉桿最大拉伸長(zhǎng)度-最大模厚+當(dāng)前模厚。

δ2的計(jì)算方程如公式（3）所示。

式中：△P為鎖模力設(shè)定值-鎖模力實(shí)側(cè)值。

注意，由于對(duì)同一套模具，承受鎖模力100 t與400 t的模厚是不同的，會(huì)有幾毫米的偏差，因此參數(shù)L也是個(gè)變值。

K4是受機(jī)器材質(zhì)影響的參數(shù)，即使2臺(tái)同型號(hào)機(jī)器的K4也可能不同，但對(duì)單機(jī)來(lái)說(shuō)其數(shù)值是固定的。

K5是受機(jī)器安裝和材質(zhì)影響的參數(shù)，即使2臺(tái)同型號(hào)機(jī)器的K5也有可能不同，但對(duì)任意1臺(tái)機(jī)器來(lái)說(shuō)，K5是固定的。

實(shí)驗(yàn)證明，δ2是影響鎖模力自動(dòng)調(diào)整和修正效果的主要因素，如果設(shè)置不當(dāng)，自動(dòng)修正程序會(huì)反復(fù)且次數(shù)較多，尤其在設(shè)定鎖模力接近標(biāo)稱最大鎖模力區(qū)間段的時(shí)候。

綜上所述，自動(dòng)調(diào)模進(jìn)給量δ=δ1+δ2，其中δ2為主導(dǎo)因素，δ1為微調(diào)因素。

2 方案實(shí)施

2.1 鎖模力自動(dòng)調(diào)整過(guò)程

公式中的K4、K5可以通過(guò)鎖模力校準(zhǔn)值和軟件程序進(jìn)行計(jì)算。在更換新模具后，根據(jù)不同的情況，計(jì)算并控制注塑機(jī)精確運(yùn)行到調(diào)模進(jìn)給量的目標(biāo)值位置，軟件使用C語(yǔ)言編程，流程簡(jiǎn)介見表1。

表1 鎖模力自動(dòng)調(diào)整流程

圖5 電氣檢測(cè)及控制原理

2.2 鎖模力自動(dòng)調(diào)整/修正操作

根據(jù)自動(dòng)調(diào)模原理，該方案采用B&R控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了操作頁(yè)面，如圖6所示，對(duì)頁(yè)面的簡(jiǎn)要說(shuō)明如下。

畫面中右側(cè)標(biāo)注☆為輸出值，顯示當(dāng)前機(jī)器的變量值或狀態(tài)值，不可修改；其他右側(cè)無(wú)標(biāo)注☆為輸入值，只有具備相關(guān)密碼權(quán)限的人員，才可以修改對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)。

2.2.1 拉桿檢測(cè)校正

對(duì)檢測(cè)傳感器的零位和最大值進(jìn)行調(diào)校，如果調(diào)校錯(cuò)誤，實(shí)際檢測(cè)回來(lái)的鎖模力就計(jì)算不準(zhǔn)，后續(xù)的自動(dòng)調(diào)整也就失去意義。調(diào)校過(guò)程為以下2條：1）開模到位，由于模具沒有接觸，因此鎖模力為零。將“鎖模力Gray Code”的讀數(shù)輸入到“最小值調(diào)校”欄，最小值調(diào)校完畢，這時(shí)“當(dāng)前鎖模力kn”顯示零。2） 調(diào)整模厚到機(jī)器標(biāo)稱最大鎖模力（需要用磁附式鎖模力檢測(cè)儀實(shí)際檢測(cè)），將“鎖模力GREYCODE”的讀數(shù)輸入到“最大值調(diào)?！睓?，最大值調(diào)校完畢，這時(shí)“當(dāng)前鎖模力kn”顯示機(jī)器的標(biāo)稱鎖模力。

2.2.2 出廠參數(shù)調(diào)試

該部分參數(shù)非常重要，原則上不允許客戶自行更改，因此設(shè)置了操作允許條件，如果條件不符則功能選擇自動(dòng)關(guān)閉，后面的數(shù)據(jù)欄變暗，不允許更改。調(diào)試過(guò)程為以下3條：1）調(diào)試模式+允許調(diào)模+安全門關(guān)閉+電機(jī)啟動(dòng)+非自動(dòng)調(diào)模+功能選擇。2）調(diào)模到大于當(dāng)前模厚→合模將機(jī)鉸完全伸直→調(diào)模前直到不能再動(dòng)，將“當(dāng)前模厚：Puls”數(shù)值輸入到“接觸模厚：Puls”欄，將“當(dāng)前鎖模力：kn”數(shù)值輸入到“接觸壓力：kn”欄。3）反復(fù)手動(dòng)開?！{(diào)模前→合模，直到達(dá)到最大鎖模力并保持鎖模狀態(tài)→在調(diào)試模式+允許調(diào)模+安全門關(guān)閉+電機(jī)啟動(dòng)+非自動(dòng)調(diào)模+功能選擇條件下，將“當(dāng)前模厚：Puls”數(shù)值輸入到“全壓模厚”欄，將“拉桿拉伸：Puls”數(shù)值輸入到“全壓拉伸量：Puls”欄→開?！P(guān)閉功能選擇，以防誤操作。注意，調(diào)試的過(guò)程，尤其是找最大鎖模力的過(guò)程相對(duì)較長(zhǎng)，需要工廠調(diào)試人員有足夠的責(zé)任心、細(xì)心和耐心。

2.2.3 自動(dòng)調(diào)模操作

經(jīng)過(guò)上述調(diào)整后，自動(dòng)調(diào)?？梢酝ㄟ^(guò)以下3個(gè)步驟實(shí)現(xiàn)：1）安裝固定好新模具，用圈尺量出模具厚度。2）進(jìn)入“調(diào)?！表?yè)面，在“設(shè)定模厚：mm”欄輸入新模具的模厚，在“允許偏差：%”欄輸入要達(dá)到的精度，例如3%。3）按“調(diào)試”鍵進(jìn)入調(diào)試模式→按“允許調(diào)?！辨I→再按“自動(dòng)模厚調(diào)整”鍵，機(jī)器就按控制流程自動(dòng)進(jìn)行鎖模力調(diào)整，直到到達(dá)偏差范圍。如果調(diào)整完成，系統(tǒng)會(huì)報(bào)警并顯示“自動(dòng)調(diào)模已完成”，如果調(diào)整過(guò)程出錯(cuò)，機(jī)器會(huì)有相應(yīng)警報(bào)提示信息，操作者可以據(jù)此排查故障。

2.2.4 鎖模力自動(dòng)修正

在半/全自動(dòng)過(guò)程中，模具受熱膨脹，模厚增大，實(shí)際鎖模力也變大。如果選擇該功能，則當(dāng)出現(xiàn)實(shí)際鎖模力不在偏差范圍內(nèi)時(shí)，機(jī)器自動(dòng)將模厚調(diào)整到設(shè)定的鎖模力，調(diào)整完畢后繼續(xù)原來(lái)的自動(dòng)流程；如果不選該功能，則機(jī)器將忽略實(shí)際鎖模力，繼續(xù)原來(lái)的自動(dòng)流程。

圖6 鎖模力自動(dòng)調(diào)整/修正頁(yè)面

3 方案效果機(jī)器參數(shù)配置

3.1 機(jī)器參數(shù)配置

機(jī)器鎖模力4410 kN，拉桿最大拉伸長(zhǎng)度3460 mm，最大變形量1.39 mm，調(diào)模每毫米對(duì)應(yīng)編碼器脈沖數(shù)1834.86，最小模厚370 mm，最大模厚820 mm。

3.2 拉桿參數(shù)調(diào)校

Gray Code最小值7377，最大值7077（2個(gè)數(shù)據(jù)用于計(jì)算實(shí)際鎖模力）。

3.3 出廠參數(shù)調(diào)試

接觸模厚917429 Plus，接觸壓力27 kN，全壓模厚909844 Plus，全壓拉伸量為2311 Plus。

3.4 調(diào)模設(shè)定數(shù)據(jù)

當(dāng)前模具厚度500 mm，調(diào)模速度10%（每分鐘調(diào)模行程約為214 mm），補(bǔ)償因子100，允許偏差設(shè)置為3%。

鎖模力自動(dòng)調(diào)整測(cè)試數(shù)據(jù)見表2。

表2 鎖模力自動(dòng)調(diào)整測(cè)試數(shù)據(jù)

從上述數(shù)據(jù)可以看出，一次調(diào)模的最大偏差為-2.79%，符合客戶要求（≤3%），二次調(diào)模的最大偏差為-2.47%，三次調(diào)模的最大偏差為-0.73%，調(diào)模次數(shù)越多，精度越高。

換另一套705 mm模厚的模具測(cè)試，出廠參數(shù)不變，重新進(jìn)行自動(dòng)調(diào)模，也是一次調(diào)模即符合≤3%的偏差要求。理論上，只要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)設(shè)定和機(jī)器調(diào)校正確，更換任何一套模具，設(shè)定任何鎖模力，幾乎都可以一次調(diào)模成功。

當(dāng)然，要達(dá)到以上比較好的效果，除了控制和保證電氣和軟件外，還需要對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)、零件加工、安裝公差/調(diào)模馬達(dá)編碼器以及調(diào)模絲母設(shè)計(jì)等進(jìn)行匹配性修改[2]。

4 結(jié)語(yǔ)

以上是機(jī)鉸式注塑機(jī)鎖模力的精確檢測(cè)、自動(dòng)調(diào)整修正方案、控制流程以及典型功能的介紹， 其簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確并且高效。整個(gè)過(guò)程一次性完成，總共用時(shí)不超過(guò)60 s。由于控制定位精準(zhǔn)，鎖模力調(diào)整精確穩(wěn)定，成本也相對(duì)可控，因此具有較好的性價(jià)比優(yōu)勢(shì)，適用于對(duì)鎖模力、模具保護(hù)以及對(duì)產(chǎn)品精度要求比較高的場(chǎng)合。