注塑機鎖模力感知儀的硬件設(shè)計

鄧俊文,顏幸堯,胡美君,何貴福,聶德明,黃興隆,陳潘布衣

(1.中國計量大學(xué) 計量測試工程學(xué)院,浙江 杭州 310018;2.杭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 友嘉智能制造學(xué)院,浙江 杭州 310018;3.至上重工有限公司,浙江 溫州 325600)

注塑機在注塑時,為減少注塑制品飛邊的產(chǎn)生,提升制品質(zhì)量,需要保持模具間緊密接觸,為保持緊密接觸而對其施加的力,稱為鎖模力。注塑機鎖模力的性能直接影響注塑產(chǎn)品的質(zhì)量[1-2],因此對鎖模力進行精度的測量與監(jiān)控就變得非常有必要[3-4]。鎖模力由鎖模機構(gòu)產(chǎn)生,并在拉桿上產(chǎn)生大小相等,方向相反的反作用力[5-7]。因此,要實時獲取注塑機鎖模力的大小,只需實時測量四根拉桿的受力大小即可。

目前在注塑機行業(yè)內(nèi)有如下的鎖模力檢測方法

1)箍型和鋼帶式鎖模力傳感器。安裝方式為鐵箍或者鋼帶,成本低,安裝方便,不需要對注塑機設(shè)備進行加工或安裝固定機構(gòu),通用性強,幾乎能安裝在所有的圓柱形拉桿上,應(yīng)用范圍最廣[6-8]。

2)桿式和平面式鎖模力傳感器。通過特制的機械結(jié)構(gòu),將其安裝在塑封機尾板、后模板表面,拉桿內(nèi)部或曲肘等;缺點為傳感器安裝工藝要求高,通用性差且對設(shè)備造成損傷,需要定制專用的傳感器,故應(yīng)用的較少[9-10]。

3)磁附式鎖模力傳感器。通過改進傳感器的固定方式,在探頭處加裝磁固定結(jié)構(gòu)和應(yīng)變檢測結(jié)構(gòu),檢測受力物體為拉桿;但傳感器體積較大,價格高,適合移動式檢測,一般只用作實驗檢測階段[11-12]。

4)超聲波傳感器。利用超聲波傳播特性進行測量注塑機的拉桿應(yīng)力,需要安裝超聲直探頭和超聲卡,占用體積大,設(shè)備昂貴,加上生產(chǎn)車間環(huán)境復(fù)雜,干擾多,使得超聲波測量的精度和穩(wěn)定性都不如傳統(tǒng)鎖模力檢測方法,技術(shù)不成熟,目前還停留在實驗室階段,尚無法廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)車間中[13-14]。

上述鎖模力檢測方法,大多是測量注塑機拉桿(哥林柱)的形變量來監(jiān)測鎖模力;目前在注塑機鎖模力檢測領(lǐng)域內(nèi),做得最好的主要是德國Gefran公司、美國IFM公司以及瑞士Sensormate公司這三家公司。目前國內(nèi)未見有產(chǎn)品面世。浙江大學(xué)趙朋教授團隊獨辟蹊徑,使用超聲波方法檢測注塑機鎖模力,但由于生產(chǎn)車間環(huán)境復(fù)雜,其超聲波檢測精度、重復(fù)性以及安裝的便捷性都不如傳統(tǒng)的應(yīng)變片傳感器,因此該團隊的超聲波鎖模力檢測儀,還無法大規(guī)模應(yīng)用于各生產(chǎn)車間中。綜上所述,由于國內(nèi)尚未有商用產(chǎn)品上市,因此國內(nèi)注塑機企業(yè)只能購買國外的鎖模力檢測儀,而注塑機在塑料加工機械領(lǐng)域占領(lǐng)著主導(dǎo)地位,社會保有量和生產(chǎn)量巨大,每年進口鎖模力監(jiān)測儀需要消耗巨大的外匯。

由于應(yīng)變片對應(yīng)力檢測的技術(shù)相當(dāng)成熟可靠,完成設(shè)計后,能以最快的速度投入實際應(yīng)用,因此在參考國外鎖模力檢測儀的基礎(chǔ)上,我們設(shè)計了一款基于應(yīng)變片的用于注塑機鎖模力檢測的感知儀。通過對拉桿應(yīng)力的檢測,實時監(jiān)測注塑機拉桿的拉力大小從而得到鎖模力,并將鎖模力以電壓量的形式輸出給注塑機控制系統(tǒng),同時使用Wi-Fi模塊將鎖模力上傳至本地服務(wù)器。

1 拉桿應(yīng)力檢測原理與電路設(shè)計

1.1 電阻式應(yīng)變片傳感器檢測原理

電阻式應(yīng)變傳感器由殼體、保護橡膠和電阻絲應(yīng)變片組成。其中電阻絲在外力的作用下會發(fā)生機械形變,其電阻阻值會發(fā)生改變,這就是電阻應(yīng)變效應(yīng)。常用的應(yīng)變片有絲式(繞線式)和箔式兩種。在安裝時通過鋼圈或者鐵箍將傳感器緊緊的綁在注塑機拉桿上,當(dāng)注塑機進行合模時,合模單元會建立起鎖模力維持動、定模合攏,拉桿會受動模的壓力發(fā)生機械形變,由于應(yīng)變片緊緊的固定在拉桿上,因此應(yīng)變片會隨著拉桿的形變而發(fā)生形變[6],拉桿形變與電阻變化有如下關(guān)系：

(1)

式(1)中,R為應(yīng)變片變形前的電阻阻值;ΔR為應(yīng)變片變形前后的改變量;K為應(yīng)變片靈敏度系數(shù),與應(yīng)變片材料有關(guān),是衡量應(yīng)變片的應(yīng)變效應(yīng)是否顯著的參數(shù);L為應(yīng)變片標(biāo)定的長度;ΔL為應(yīng)變片隨著被測物體變形前后的改變量;ε為被測物體表面沿著應(yīng)變片軸線的應(yīng)變量[15]。

電阻式應(yīng)變片傳感器隨著拉桿的形變,會導(dǎo)致應(yīng)變片阻值發(fā)生改變,通過測量應(yīng)變片的變化值便可以推算出當(dāng)前拉桿的形變大小[16],圖1為應(yīng)變片構(gòu)成的全橋差分放大電路。

圖1 由應(yīng)變片組成全橋差分放大電路

R1,R2,R3,R4為四個橋臂,VP和VN分別為電橋供電正、負電壓;UBD為電橋輸出電壓,通過電路分析,可以得出B,D端的電壓為

(2)

當(dāng)拉桿發(fā)生形變時,其對應(yīng)拉桿的應(yīng)變片會產(chǎn)生電阻增量,式(2)變?yōu)?/p>

(3)

式(3)中ΔR1,ΔR2,ΔR3,ΔR4,為對應(yīng)電阻應(yīng)變片所產(chǎn)生的變化量,將式(1)代入式(3)中,即可得到由應(yīng)變片構(gòu)成的全橋電路,其輸出為

(4)

式(4)中,ε1,ε2,ε3,ε4分別為電阻R1,R2,R3,R4對應(yīng)應(yīng)變片的應(yīng)變值。若使用全橋電路測量四根拉桿應(yīng)力變化,則需要16個電阻式應(yīng)變片傳感器;為了降低成本,減少安裝與調(diào)試的難度,因此每根拉桿只使用2個傳感器,組成對臂電橋進行拉桿形變量的測量。

對臂電橋,即相對的兩個橋臂都為電阻應(yīng)變片傳感器,即R1和R3為電阻應(yīng)變片,R2和R4為固定電阻;或者R2和R4為電阻應(yīng)變片,R1和R3為固定電阻,輸出分別為

或

(5)

1.2 注塑機鎖模力感知儀硬件設(shè)計框圖

注塑機鎖模力感知儀由電阻式應(yīng)變片傳感器陣列、對臂半橋及運算放大器陣列、鎖模力電壓量輸出陣列、電源模塊和控制單元等組成,圖2展示了注塑機鎖模力感知儀的硬件框圖。

圖2 注塑機鎖模力感知儀的硬件框圖

1.3 對臂電橋運算放大電路設(shè)計

鎖模力感知儀的信號調(diào)理電路使用電阻式應(yīng)變片構(gòu)成的對臂電橋?qū)ψ⑺軝C拉桿進行形變量的監(jiān)測;電橋中R1和R3為電阻應(yīng)變片,標(biāo)稱阻值為350 Ω;R2和R4為固定電阻,標(biāo)稱阻值為350 Ω;電橋使用5 V供電,運算放大器使用OP07系列,并使用正、負12 V電源供電;UBD為對臂電橋輸出電壓,UO為運放輸出電壓,UO經(jīng)一階無源低通濾波器后由ADC(模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換)器件采集電壓。圖3為所設(shè)計的對臂電橋與放大電路。

圖3 對臂電橋與放大電路

(6)

對傳感器進行安裝測試,在設(shè)定鎖模力為2 860 kN時,發(fā)現(xiàn)安裝在拉桿上的應(yīng)變片傳感器阻值增加了約0.21 Ω,使用Multisim軟件對電路進行仿真,圖4為應(yīng)變片電阻變化與ADC采集端的電壓變化關(guān)系圖。

圖4 應(yīng)變片電阻與ADC采集端電壓關(guān)系圖

從圖4分析得出,三條曲線都呈線性關(guān)系,并且放大倍率越大,其曲線變化越明顯;可以確定,設(shè)計運放整體的放大倍數(shù)為2 000倍時為最佳放大倍率,在應(yīng)變片為350.21 Ω時其最大輸出電壓為3.029 V,處于微控制器ADC安全采樣電壓范圍之內(nèi)。

1.4 電源模塊設(shè)計

PLC系統(tǒng)為注塑機鎖模力感知儀提供24 V直流電源,而運算放大器和鎖存器都需要±12 V電源供電;此外由電阻應(yīng)變片傳感器組成的對臂電橋需要5 V電源供電,微控制器主控芯片需要3.3 V電源供電,設(shè)計的電源模塊電路為圖5。

圖5 電源模塊

1.5 鎖模力值輸出電路

1.5.1 鎖模力以電壓量輸出

微控制器采集對臂電橋運算放大器的輸出電壓,經(jīng)過數(shù)字濾波與運算處理,將其轉(zhuǎn)化為(0～10)V電壓量輸出,由于主控芯片STM32F103R系列的DAC引腳數(shù)量不足,因此使用LF398鎖存器作為輸出通道的切換,同時將輸出的DAC電壓值通過同相比例放大器進行放大輸出,設(shè)計的電路圖為圖6。

圖6 單個通道的鎖存器與同相比例放大器電路圖

1.5.2 鎖模力通過Wi-Fi上傳至本地服務(wù)器

此外,微控制器將四組傳感器通道的電壓數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為鎖模力,通過串口發(fā)送AT指令控制ESP8266-12F電路進行數(shù)據(jù)上傳至本地服務(wù)器,圖7為ESP8266-12F電路圖。

圖7 ESP8266-12F電路圖

2 實驗測試與結(jié)果

2.1 實驗使用的注塑機介紹

實驗使用的注塑機為溫州市至上重工有限公司生產(chǎn)的Supreme全自動塑料注射成型機,具體型號為KS286,表1為注塑機鎖模力相關(guān)的參數(shù),圖8(a)為傳感器探頭安裝至哥林柱上,圖8(b)為設(shè)計的注塑機鎖模力感知儀電路板。

表1 KS286注塑機參數(shù)表(節(jié)選)

圖8 鎖模力探頭安裝示意圖與鎖模力感知儀

2.2 鎖模力與ADC采集電壓關(guān)系曲線的獲取

安裝電阻式應(yīng)變片傳感器與測量控制板后,通過注塑機主控系統(tǒng)進行合?？刂?此時拉桿會因合模動作產(chǎn)生拉力,隨后調(diào)節(jié)鎖模力,記錄不同鎖模力下測量控制板所采集到的電橋運放輸出電壓;表2為設(shè)定的鎖模力數(shù)據(jù)與ADC采集電壓數(shù)據(jù);圖9為鎖模力與ADC采樣電壓關(guān)系曲線。

表2 設(shè)定的鎖模力與ADC采集的電壓值

圖9 鎖模力與ADC采集電壓關(guān)系曲線

2.3 真實鎖模力與測量鎖模力驗證結(jié)果

以表2數(shù)據(jù)集作為鎖模力感知儀主控程序的數(shù)據(jù)擬合點,使用折線擬合方法,通過設(shè)定不同的鎖模力,驗證ADC采集電壓及與計算得到的鎖模力與真實鎖模力之間的關(guān)系,驗證結(jié)果詳見表3。

表3 真實鎖模力與計算鎖模力關(guān)系

從表3可以得到,計算的鎖模力與真實鎖模力擬合效果較好,最大絕對誤差出現(xiàn)在設(shè)定鎖模力為2 624 kN時,其絕對誤差為-67.182 kN;最大相對誤差出現(xiàn)在設(shè)定鎖模力162 kN時,其相對誤差為-3.648%,其誤差指標(biāo)滿足注塑生產(chǎn)可接受的誤差范圍。

3 結(jié) 論

1)注塑機鎖模力的大小可通過對注塑機拉桿應(yīng)力檢測來獲得。實驗表明,應(yīng)變片傳感器在2 860 kN鎖模力下電阻增加了約0.21 Ω,因此無滑動依附在拉桿上的應(yīng)變片可以準確的反映拉桿的應(yīng)力變化。

2)根據(jù)應(yīng)變片在最大鎖模力時增加的電阻阻值,設(shè)計了對臂電橋電路和運算放大電路,并對電路進行仿真分析,發(fā)現(xiàn)電路在放大倍數(shù)為2 000倍時其輸出效果最佳;最后,設(shè)定不同的鎖模力驗證了本系統(tǒng)的可行性,結(jié)果顯示計算的鎖模力與真實鎖模力的最大絕對誤差為-67.182 kN,最大相對誤差為-3.648%,其誤差滿足生產(chǎn)的要求,證明了該硬件設(shè)計的可行性。