自動(dòng)化技術(shù)在塑料加工中的應(yīng)用

張慰峰，周 平

（廣東聯(lián)塑科技實(shí)業(yè)有限公司，廣東 佛山 528000）

我國(guó)塑料產(chǎn)品年產(chǎn)量占世界塑料產(chǎn)品總年產(chǎn)量的20%，是全球最大塑料產(chǎn)品生產(chǎn)國(guó)家。而且作為輕工業(yè)產(chǎn)業(yè)，塑料加工產(chǎn)業(yè)在2020年貢獻(xiàn)了1.7%的工業(yè)產(chǎn)值。但是我國(guó)在塑料加工工藝方面卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家，每年需要進(jìn)口十幾億元的塑料加工設(shè)備，用于維持塑料產(chǎn)品生產(chǎn)。所以，開(kāi)發(fā)屬于我國(guó)的自動(dòng)化技術(shù)，提升自主研發(fā)能力與塑料產(chǎn)品附加利潤(rùn)，對(duì)于我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要意義。

1 自動(dòng)化技術(shù)概述

自動(dòng)化即沒(méi)有外界干擾，不需要人工操控、機(jī)器或設(shè)備就可以按照預(yù)設(shè)程序進(jìn)行自動(dòng)操作的一種技術(shù)。自動(dòng)化技術(shù)在機(jī)械制造中的設(shè)計(jì)程序下，可以大幅度降低生產(chǎn)時(shí)間，提高單位時(shí)間生產(chǎn)效率，減少人工成本支出，提高經(jīng)濟(jì)效益[1]。而且自動(dòng)化可以使自動(dòng)設(shè)備取代傳統(tǒng)人工行為，例如取熱鑄件，可以降低工人操作失誤帶來(lái)的嚴(yán)重危險(xiǎn)。自動(dòng)化利用設(shè)計(jì)內(nèi)容，對(duì)生產(chǎn)作業(yè)施行標(biāo)準(zhǔn)化流程，對(duì)于重復(fù)勞動(dòng)生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)無(wú)差別作業(yè)，提高產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)件制作。而且，自動(dòng)化技術(shù)還提供模板化產(chǎn)品生產(chǎn)，預(yù)先將各種生產(chǎn)模塊調(diào)整、加載，有效降低研發(fā)成本，縮短技術(shù)更新時(shí)間，從而全面提升產(chǎn)品生產(chǎn)速率。

2 我國(guó)塑料加工水平現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

2.1 我國(guó)塑料加工水平現(xiàn)狀

我國(guó)塑料加工產(chǎn)業(yè)在上世紀(jì)30年代就已經(jīng)有了雛形，以簡(jiǎn)單的酚醛纖維塑料制品生產(chǎn)產(chǎn)品，因?yàn)槭艿疆a(chǎn)品與生產(chǎn)設(shè)備限制，所以只能實(shí)現(xiàn)小批量生產(chǎn)，無(wú)法做到大規(guī)模生產(chǎn)。經(jīng)過(guò)近百年的發(fā)展，我國(guó)石油化工取得優(yōu)異進(jìn)步，為塑料工業(yè)生產(chǎn)提供大量原料，而且供給成本低，推動(dòng)塑料加工產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展?，F(xiàn)階段，我國(guó)塑料加工產(chǎn)業(yè)利用復(fù)合、發(fā)泡等方式對(duì)塑料產(chǎn)品進(jìn)行性能改進(jìn)，提高了質(zhì)量。而且我國(guó)對(duì)于塑料加工行業(yè)有政策傾斜與經(jīng)濟(jì)支持，未來(lái)具有較大發(fā)展前景。塑料加工產(chǎn)業(yè)也朝自動(dòng)化、連續(xù)化發(fā)展，功能性塑料成為我國(guó)塑料產(chǎn)品重要發(fā)展方向[2]。僅2020年，我國(guó)塑料制品出口量已突破1 500萬(wàn)t大關(guān)，成為世界最大塑料生產(chǎn)國(guó)家，例如改性塑料等塑料產(chǎn)品已經(jīng)成為世界先進(jìn)技術(shù)產(chǎn)品。目前我國(guó)塑料產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略以高附加值的高新技術(shù)為主，例如高分子發(fā)泡技術(shù)、平擠出成型工藝等。塑料加工產(chǎn)品也從原有農(nóng)業(yè)、土工等方向轉(zhuǎn)向高精尖產(chǎn)品領(lǐng)域。

2.2 塑料加工產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢(shì)

我國(guó)的塑料加工產(chǎn)業(yè)在非洲、歐洲等具有廣闊市場(chǎng)，未來(lái)發(fā)展?jié)摿薮螅A(yù)計(jì)未來(lái)每年會(huì)保持6%穩(wěn)定增速。同時(shí)，塑料產(chǎn)品的性能與種類(lèi)也會(huì)不斷增加，具有特殊性能的工程用塑料將會(huì)在國(guó)家政策與資金傾斜下，得到快速發(fā)展[3]。例如在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，未來(lái)塑料加工產(chǎn)業(yè)仍會(huì)以地膜的生產(chǎn)與消費(fèi)為主要發(fā)展方向，以提高地膜功能及生產(chǎn)與節(jié)水型灌溉配套的塑料管道及其零部件為主，預(yù)估未來(lái)有年產(chǎn)量150萬(wàn)t以上的市場(chǎng)；而土工領(lǐng)域主要以聚乙烯膜與無(wú)紡布復(fù)合制成的土工布，以及其他材料復(fù)合的土工布與土工網(wǎng)為主；塑料包裝年產(chǎn)量將會(huì)突破350萬(wàn)t大關(guān)，還會(huì)在保險(xiǎn)、無(wú)菌等方面加大研究力度。在維持現(xiàn)有包裝效果的同時(shí)，降低包裝成本；在建筑領(lǐng)域則以保溫節(jié)能裝修材料為主；日用品年產(chǎn)量將保持320萬(wàn)t，為生產(chǎn)生活提供更加豐富的塑料產(chǎn)品[4]。我國(guó)塑料加工行業(yè)也逐漸以企業(yè)規(guī)模大、產(chǎn)品生產(chǎn)種類(lèi)齊全、可以提供多種生產(chǎn)產(chǎn)品的綜合性企作為行業(yè)主導(dǎo)。而一些專精于某一領(lǐng)域的塑料加工企業(yè)，則成為綜合性企業(yè)的長(zhǎng)期合作對(duì)象。部分生產(chǎn)產(chǎn)品質(zhì)量低下，適應(yīng)范圍較窄的企業(yè)，正在被市場(chǎng)逐漸淘汰。

2.3 塑料加工產(chǎn)業(yè)發(fā)展特點(diǎn)與加工特點(diǎn)

未來(lái)塑料加工產(chǎn)業(yè)將會(huì)以減少原材料使用的輕量化生產(chǎn)為主，例如降低薄膜厚度和容器壁厚等，在降低產(chǎn)品生產(chǎn)成本時(shí)，提高產(chǎn)品經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)資源起到有效保護(hù)。并且進(jìn)一步增強(qiáng)塑料制品性能，拓展塑料制品的應(yīng)用領(lǐng)域[5]。也會(huì)在抗磁、阻燃等功能領(lǐng)域得到優(yōu)化與細(xì)化，提高塑料制品技術(shù)含量。我國(guó)目前塑料加工方法主要有以下幾種：（1）可以用作熱塑性與彈性產(chǎn)品加工的注塑加工，在外形復(fù)雜尺寸、精度要求較高的塑料產(chǎn)品制作中實(shí)現(xiàn)一次成型，而且成型周期滿足流水線生產(chǎn)。（2）適用于熱固性與熱塑性的擠出加工，生產(chǎn)成本較低，且生產(chǎn)效率高。可以使用不同直徑口模，對(duì)薄膜、管材等產(chǎn)品進(jìn)行批量化生產(chǎn)。（3）制品具有較高強(qiáng)度與硬度的吹塑加工，利用凹模即可生產(chǎn)。在一些外形獨(dú)特，復(fù)雜性較高的塑料制品生產(chǎn)中也有良好表現(xiàn)。

3 塑料加工中自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用

3.1 基于PC技術(shù)自動(dòng)化系統(tǒng)

作為自動(dòng)化技術(shù)成熟應(yīng)用于生產(chǎn)的PC技術(shù)，在另一個(gè)方面也是技術(shù)開(kāi)發(fā)的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)。目前自動(dòng)化系統(tǒng)的各種供應(yīng)廠商，都在PC技術(shù)開(kāi)發(fā)與推廣領(lǐng)域展開(kāi)技術(shù)探索，旨在推動(dòng)PC技術(shù)呈現(xiàn)開(kāi)放與模塊特性。一方面，控制系統(tǒng)具備開(kāi)放性，可以降低控制軟件開(kāi)發(fā)制作成本，也可以大幅度降低軟件開(kāi)發(fā)周期。而模塊化系統(tǒng)則為機(jī)器應(yīng)用提供全新方向與渠道，推動(dòng)技術(shù)在不同領(lǐng)域獲得高效益。所以，基于PC技術(shù)自動(dòng)化系統(tǒng)的塑料加工是未來(lái)塑料加工行業(yè)重點(diǎn)研究方向。在提高現(xiàn)有塑料制品生產(chǎn)水平的同時(shí)，降低機(jī)械使用成本，簡(jiǎn)化原有機(jī)器操作復(fù)雜程序，提高機(jī)器操作工人數(shù)量。PC技術(shù)在融合其他應(yīng)用技術(shù)方面具有較強(qiáng)表現(xiàn)，例如將數(shù)值化控制與PC技術(shù)相融合，提高對(duì)塑料加工產(chǎn)品的質(zhì)量控制。減少因操作人員疏忽或流水線生產(chǎn)而存在的潛在隱患和給塑料加工產(chǎn)品帶來(lái)質(zhì)量下降等問(wèn)題。并且，PC技術(shù)還提供聯(lián)網(wǎng)功能，可以實(shí)現(xiàn)在設(shè)備運(yùn)作時(shí)，采集產(chǎn)品實(shí)時(shí)生產(chǎn)數(shù)據(jù)，通過(guò)無(wú)線網(wǎng)傳輸?shù)街醒肟刂葡到y(tǒng)，操作人員通過(guò)監(jiān)控屏幕即可掌握當(dāng)前產(chǎn)品生產(chǎn)狀態(tài)，并對(duì)生產(chǎn)環(huán)節(jié)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)節(jié)，提高塑料產(chǎn)品的生產(chǎn)質(zhì)量[6]。如果在生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)異常現(xiàn)象，PC技術(shù)會(huì)立即報(bào)警，提醒操作人員解除安全風(fēng)險(xiǎn)，在操作風(fēng)險(xiǎn)解除后恢復(fù)正常作業(yè)，通過(guò)這種方法來(lái)穩(wěn)定產(chǎn)品的生產(chǎn)質(zhì)量。

3.2 電氣傳動(dòng)技術(shù)

傳統(tǒng)的塑料產(chǎn)品生產(chǎn)使用液壓傳統(tǒng)技術(shù)，不僅生產(chǎn)效率低下，還極容易對(duì)生產(chǎn)工人造成嚴(yán)重傷害。在電氣傳動(dòng)技術(shù)加入塑料產(chǎn)品生產(chǎn)后，能有效提高塑料生產(chǎn)全流程的自動(dòng)化程度。電氣傳動(dòng)技術(shù)在運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生噪聲較低，生產(chǎn)耗能較少，在塑料產(chǎn)品生產(chǎn)中也具有高精度、高效率等特點(diǎn)，在未來(lái)塑料生產(chǎn)領(lǐng)域具有較好生產(chǎn)前景。目前，電氣傳動(dòng)技術(shù)在塑料生產(chǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用集中在以下幾點(diǎn)：（1）對(duì)于生產(chǎn)全流程的高水平控制，減少過(guò)去生產(chǎn)效率低下，生產(chǎn)質(zhì)量一般的問(wèn)題；（2）借助電氣傳動(dòng)技術(shù)對(duì)清潔電能變流器進(jìn)行開(kāi)發(fā)，拓展塑料產(chǎn)品生產(chǎn)領(lǐng)域；（3）在大數(shù)據(jù)時(shí)代背景下，電氣傳動(dòng)技術(shù)也朝系統(tǒng)化、集中化方向快速發(fā)展，而CAD技術(shù)與電氣傳動(dòng)技術(shù)相融合是未來(lái)塑料產(chǎn)品技術(shù)革新的大趨勢(shì)，許多例如中國(guó)聯(lián)塑集團(tuán)控股有限公司的塑料產(chǎn)品生產(chǎn)企業(yè)，正在投入大量成本探索技術(shù)革新；（4）塑料產(chǎn)品生產(chǎn)裝置尺寸大小也在電氣傳動(dòng)技術(shù)影響下，縮小部分零部件尺寸，提高塑料產(chǎn)品生產(chǎn)裝置便攜性[7]。電氣傳動(dòng)技術(shù)也在塑料加工自動(dòng)化技術(shù)背景下，增加監(jiān)控裝置，對(duì)生產(chǎn)全流程進(jìn)行完整監(jiān)控，從源頭上減少塑料加工產(chǎn)品質(zhì)量低下的問(wèn)題。

3.3 機(jī)械手臂設(shè)計(jì)應(yīng)用

在機(jī)械手臂應(yīng)用逐漸常規(guī)化的當(dāng)下，塑料加工自動(dòng)化程度被大大提高，也推動(dòng)了生產(chǎn)流程自動(dòng)化的快速發(fā)展。在塑料加工領(lǐng)域，例如注塑機(jī)設(shè)備中，機(jī)械手臂逐漸成為重要生產(chǎn)工具，對(duì)生產(chǎn)全流程起到有效簡(jiǎn)化工作的作用。而且，機(jī)械手臂應(yīng)用在塑料加工領(lǐng)域逐漸拓寬影響幅度，對(duì)解放生產(chǎn)力、簡(jiǎn)化生產(chǎn)流程和降低人力成本支出等方面具有重要意義，是真正推動(dòng)塑料加工產(chǎn)業(yè)自動(dòng)化的重要工具。世界各國(guó)都在塑料加工領(lǐng)域的機(jī)械手臂設(shè)計(jì)中獲得較高技術(shù)突破，例如由Fanue公司研發(fā)的塑料加工自動(dòng)化方案，依舊是優(yōu)秀的參考案例。除單一機(jī)械手臂參與塑料加工生產(chǎn)全流程，Engel公司的ERC-E系列機(jī)器人，不僅擁有較強(qiáng)性能的機(jī)械手臂，也對(duì)數(shù)據(jù)輸入、產(chǎn)品輸出效率有重大突破，對(duì)于控制生產(chǎn)線自動(dòng)化也有極大提升?？梢詫?duì)各種塑料產(chǎn)品加工做到高效生產(chǎn)，維修也相對(duì)簡(jiǎn)單，對(duì)于推動(dòng)塑料加工自動(dòng)化具有重要意義。

3.4 物料氣動(dòng)傳送系統(tǒng)

作為目前塑料加工物料傳送的主要方式，物料氣動(dòng)傳送系統(tǒng)在封閉的管道中，利用負(fù)壓來(lái)推動(dòng)顆粒物料的高速運(yùn)動(dòng)。其原理為利用電動(dòng)機(jī)與鼓風(fēng)機(jī)聯(lián)合運(yùn)作，帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)葉輪保持超高速轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而在密閉管道空間中形成足以推動(dòng)顆粒物料高速運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)大氣流。將氣流進(jìn)行過(guò)濾與干燥等簡(jiǎn)單處理后，使之從單向閥流入固體氣體混合器中，并在混合器中形成帶動(dòng)物料運(yùn)動(dòng)的空氣螺旋。在空氣螺旋產(chǎn)生的負(fù)壓壓差作用下，物料在混合器中呈現(xiàn)懸浮狀態(tài)，并跟隨氣流繼續(xù)運(yùn)送至料倉(cāng)，繼續(xù)塑料加工的下一個(gè)環(huán)節(jié)[8]。物料氣動(dòng)傳送系統(tǒng)可以對(duì)塑料粉末進(jìn)行高效輸送，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位輸送位置。物料氣動(dòng)傳送系統(tǒng)具有設(shè)備體積小、采購(gòu)成低等特點(diǎn)，對(duì)于運(yùn)輸物料具有較高效率，節(jié)約大量人力成本的支出。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)并不會(huì)產(chǎn)生額外噪音，可以有效地保護(hù)環(huán)境，降低能源消耗。

4 塑料加工產(chǎn)業(yè)相關(guān)建議

我國(guó)在高精尖塑料加工領(lǐng)域雖然經(jīng)歷了20余年的發(fā)展，但是整體自主創(chuàng)新技術(shù)不足，新產(chǎn)品研發(fā)力度無(wú)法滿足實(shí)際作業(yè)需求，導(dǎo)致我國(guó)與歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家的塑料產(chǎn)品生產(chǎn)仍然存在巨大差距。所以，要針對(duì)塑料加工設(shè)備進(jìn)行專項(xiàng)改進(jìn)，提高我國(guó)塑料加工綜合實(shí)力。爭(zhēng)取短時(shí)間、集中化地對(duì)塑料加工中一些樹(shù)脂、吸附劑等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行突破。對(duì)于一些關(guān)鍵技術(shù)，也需要盡快進(jìn)行技術(shù)升級(jí)與產(chǎn)業(yè)改進(jìn)，例如高分子材料復(fù)合發(fā)泡技術(shù)。我國(guó)在發(fā)泡管材、薄膜等生產(chǎn)領(lǐng)域已經(jīng)有了優(yōu)異成績(jī)，即使在塑料加工難點(diǎn)，多層共擠出技術(shù)也有重大突破。目前塑料加工一些技術(shù)仍處于基礎(chǔ)階段，仍然無(wú)法實(shí)現(xiàn)自主研發(fā)；對(duì)于平擠出成型技術(shù)，例如T型機(jī)頭生產(chǎn)技術(shù)，歐美等國(guó)家相對(duì)成熟，在實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域中復(fù)合發(fā)泡技術(shù)、擠出復(fù)合板技術(shù)都有較為廣泛的應(yīng)用。但是我國(guó)高精尖塑料加工生產(chǎn)起步較晚，所以這種技術(shù)在我國(guó)仍處于理論研究階段，到具體應(yīng)用仍需要較長(zhǎng)時(shí)間。而作為大幅度降低塑料加工生產(chǎn)成本的電磁擠出技術(shù)，可以對(duì)塑料加工產(chǎn)品進(jìn)行有效的經(jīng)濟(jì)效益提高。我國(guó)也在電磁擠出技術(shù)開(kāi)發(fā)上投入大量金錢(qián)，但是一些熱平衡、塑料熱塑化能力等技術(shù)型問(wèn)題，仍然無(wú)法得到有效解決。對(duì)于數(shù)字化技術(shù)在塑料加工方面的應(yīng)用和實(shí)現(xiàn)薄膜厚度的全程監(jiān)控方面，我國(guó)可以實(shí)現(xiàn)擠出管材直線精準(zhǔn)控制，但是也局限于部分塑料產(chǎn)品加工，要全面推廣數(shù)字化技術(shù)監(jiān)控仍需要較長(zhǎng)時(shí)間的努力。

5 結(jié)束語(yǔ)

作為塑料加工的重要技術(shù)，自動(dòng)化技術(shù)可以提高我國(guó)塑料加工水平，提升塑料制品質(zhì)量，對(duì)于提高經(jīng)濟(jì)附加價(jià)值，創(chuàng)造更多市場(chǎng)份額等具有重要意義。而且，我國(guó)塑料產(chǎn)品普遍以農(nóng)業(yè)、土工等低附加值產(chǎn)品為主，在高分子材料方面仍存在發(fā)展不足等問(wèn)題。所以，應(yīng)該注重塑料生產(chǎn)行業(yè)的技術(shù)革新，采用更加先進(jìn)的數(shù)字化技術(shù)，進(jìn)行技術(shù)與產(chǎn)品的更新?lián)Q代工作。