一種自動化微孔發(fā)泡注塑成型機的優(yōu)化研究

摘要：隨著新型合成材料的涌現(xiàn)和要求使用高精度泡塑產(chǎn)品的范圍不斷擴大，綠色、環(huán)保、節(jié)能的意識日益增強，對生產(chǎn)泡塑產(chǎn)品設(shè)備的要求越來越高。文章通過對一種自動化微孔發(fā)泡注塑成型機在散熱系統(tǒng)模式、油缸結(jié)構(gòu)、壓力監(jiān)控裝置以及以客戶需求驅(qū)動產(chǎn)品設(shè)計共享系統(tǒng)等方面的深入研究和優(yōu)化設(shè)計，從延長高效區(qū)間工作占比、降低非工作能耗和提高產(chǎn)品可靠性等方面入手，以滿足產(chǎn)品在安全性、可靠性、操作舒適性和節(jié)能環(huán)保上的要求。

關(guān)鍵詞：微孔發(fā)泡；注塑成型；優(yōu)化研究

中圖分類號：TQ320 文獻標(biāo)志碼：A

0 引言

近年來，隨著綠色低碳節(jié)能環(huán)保理念的不斷深入，越來越多的塑料制品生產(chǎn)廠家開始使用EPP材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)的EPDM、再生PUR泡沫等非環(huán)保性材料。微孔發(fā)泡塑料作為“21世紀(jì)的新型材料”也應(yīng)運而生，其所具備的低密度、高強度、高韌性、高剛度、長壽命等獨特的優(yōu)勢性能被廣泛應(yīng)用在航天航空、生活日用品和汽車零部件等多個方面。由此可見，泡塑行業(yè)是一個欣欣向榮的行業(yè)，研究如何提高注塑設(shè)備的生產(chǎn)效率，提升設(shè)備的安全性和自動化程度是有現(xiàn)實意義的。

1 微孔發(fā)泡注塑成型機的現(xiàn)狀研究

在我國，泡塑行業(yè)雖然起步較晚，但發(fā)展迅猛，已經(jīng)成為塑料行業(yè)中應(yīng)用量最大、最廣泛的品種。自動化微孔發(fā)泡高分子材料注塑成型機的研發(fā)正是基于成熟的聚苯乙烯類高分子材料的應(yīng)用并立足于現(xiàn)今“智慧化”的風(fēng)潮，著力于解決泡塑生產(chǎn)行業(yè)存在的質(zhì)量低、效率低、能耗高等問題^［1］。

隨著國家對衛(wèi)生、環(huán)保、安全等方面法規(guī)的日益完善，對塑料制造業(yè)配方調(diào)配、生產(chǎn)工藝、質(zhì)量檢測等各環(huán)節(jié)的要求都更為嚴(yán)苛。就目前傳統(tǒng)的塑料機械而言，雖然可以進行泡塑成型，且有著較強的生產(chǎn)能力，但是往往不能滿足節(jié)能、低能耗的需求。在國務(wù)院印發(fā)的《中國制造2025》中就要求“堅持把可持續(xù)發(fā)展作為建設(shè)制造強國的重要著力點，加強節(jié)能環(huán)保技術(shù)、工藝、裝備推廣應(yīng)用，全面推行清潔生產(chǎn)。發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟，提高資源回收利用效率，構(gòu)建綠色制造體系，走生態(tài)文明的發(fā)展道路”。因此，泡塑企業(yè)需要通過自身技術(shù)更新、產(chǎn)品研發(fā)及人性化的操作工藝等措施來降低單位產(chǎn)品的能耗水平，同時積極研發(fā)并推廣先進、成熟、適用的綠色低碳技術(shù)，推動泡塑成型技術(shù)的可持續(xù)化發(fā)展^［2］。

自動化微孔發(fā)泡高分子材料注塑成型機的優(yōu)化研究立足于行業(yè)發(fā)展，著力于解決產(chǎn)業(yè)目前存在的質(zhì)量低、效率低、能耗高的問題，盡力縮小與發(fā)達國家之間的差距，具有較好的發(fā)展前景和市場價值。

2 微孔發(fā)泡注塑成型機的優(yōu)化研究

按照習(xí)近平總書記提出的“兩個百年計劃”，我國已在2020年全面實現(xiàn)小康社會，貧富差距逐漸縮小，依靠低勞動力成本的時代已經(jīng)結(jié)束，由勞動密集型升級到技術(shù)密集型，減少車間工人數(shù)量，節(jié)約企業(yè)生產(chǎn)運行成本，實現(xiàn)泡沫成型的自動化以及低能耗的生產(chǎn)將是泡沫成型未來發(fā)展的趨勢。

從綠色、節(jié)能、低碳及提高產(chǎn)品可靠性等方面入手，對生產(chǎn)泡沫產(chǎn)品的工藝、設(shè)備結(jié)構(gòu)、自動化控制以及工業(yè)機器人的融入來滿足項目產(chǎn)品對高效率、安全性、可靠性和操作舒適性上的需求，對微孔發(fā)泡高分子材料泡塑成型機的散熱模式、油箱結(jié)構(gòu)設(shè)計、壓力控制單元、數(shù)控一代智能技術(shù)和以客戶需求驅(qū)動的產(chǎn)品設(shè)計共享體系等技術(shù)進行深入研究^［3］。

2.1 泡塑機散熱系統(tǒng)模式優(yōu)化

針對泡塑機的實際工作情況是高負(fù)荷的、連續(xù)的、重復(fù)的工作狀態(tài)，根據(jù)熱力學(xué)相關(guān)知識并結(jié)合其在工廠的實際情況，例如機器散熱面積、機器表面粉塵灰塵雜質(zhì)積聚狀態(tài)、熱負(fù)荷作用下的應(yīng)力分布，還有機器本身的制造材料抗高溫變形程度等諸多不利散熱因素，提出建立溫度、應(yīng)變、流體壓力等多方面條件下的系統(tǒng)散熱優(yōu)化算法，幫助操作人員及時發(fā)現(xiàn)機器熱負(fù)荷和強度方面的問題，以滿足像泡塑機這種需要連續(xù)工作且發(fā)熱量大的設(shè)備在長時間工作中的安全運行。該技術(shù)的應(yīng)用是結(jié)合結(jié)構(gòu)力學(xué)散熱模型提出的適合泡塑機的散熱優(yōu)化方案，能夠有效解決長期困擾泡塑機行業(yè)的大負(fù)荷工況下連續(xù)工作的散熱問題^［4］。

2.2 泡塑機結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

小型企業(yè)、工廠往往都追求效益最大化，以往對泡塑機的結(jié)構(gòu)優(yōu)化只是根據(jù)其注塑成型特點進行簡單的形式處理。隨著國內(nèi)生產(chǎn)自動化水平的顯著提高、原材料價格的不斷飆升、國際形勢相對嚴(yán)峻，加之這幾年疫情影響，目前企業(yè)需要解決的是減少單位重量制品的能耗來取代機器生產(chǎn)速度的問題。

從泡塑機的工作特點考慮，在其結(jié)構(gòu)優(yōu)化中考慮復(fù)合油缸結(jié)構(gòu)設(shè)計，并將旋轉(zhuǎn)模的理念融入其中，以達到降低運行成本的目的。該機構(gòu)主要包括固模、移模、油缸座、備用油箱、油缸A、油缸B，固模、移模位于油缸座的左側(cè)，固模、移模與油缸座之間連接有連桿，從降低制造成本且利于檢修方面考慮，可以把該連桿設(shè)計為可拆卸活動式連桿。移模與連桿之間為滑動配合連接，為增強支撐結(jié)構(gòu)剛性，在此處采用滑腳前伸的設(shè)計理念，同時也能保證上模后模板垂直度，從而達到保護模具的效果。油缸座的右側(cè)中間連接油缸A與油缸B，且兩個油缸的頂桿均貫穿油缸座與移模相連接。備用油箱位于油缸座的右側(cè)，且備用油箱與油缸A，B之間通過油路管相連通，在工作中可以進行無障礙切換使用。固模和移模所組成的平面與油缸座所組成的平面均相互平行，以提升開合模定位精準(zhǔn)度。

利用該復(fù)合油缸結(jié)構(gòu)設(shè)計可結(jié)合智能雙面模結(jié)構(gòu)，在固模的前后兩面都能安裝模具，且固模能繞其中心軸旋轉(zhuǎn)。在加工產(chǎn)品過程中，可實現(xiàn)一面生產(chǎn)，另一面取產(chǎn)品和放鑲件，在智能雙面模工作過程中可使兩油缸交替供油。這種設(shè)計具有減少生產(chǎn)成本、提高生產(chǎn)效率、有效降低產(chǎn)品生產(chǎn)所需能源的優(yōu)點。在生產(chǎn)一些需要在產(chǎn)品上放置鑲嵌件的產(chǎn)品時，每一模都需要人工進入模具內(nèi)放鑲件，既沒有效率，也有很大的安全隱患。智能雙面模具座的旋轉(zhuǎn)，可以在放置鑲件的時候，一面正常生產(chǎn)，另一面在生產(chǎn)空間外側(cè)，既可以節(jié)約時間，也可保證生產(chǎn)的安全性。

2.3 泡塑機壓力監(jiān)控裝置的優(yōu)化

在生產(chǎn)塑料產(chǎn)品時，EPS原料的加熱需要較高要求的穩(wěn)定壓力和溫度，這就需要更加準(zhǔn)的管道閥門控制。通過對閥門的開度實現(xiàn)精確控制，來實現(xiàn)模腔內(nèi)的壓力和溫度的控制。

目前，現(xiàn)有的管道壓力控制機構(gòu)是通過平衡閥控制，由壓力調(diào)節(jié)閥設(shè)定壓力通氣進平衡閥設(shè)定端，由管道上的采樣點反饋壓力進平衡閥采集端，通過壓力比較推動平衡閥內(nèi)部的閥芯左右滑動，以控制進入閥門的氣壓，使閥門開度變化，達到控制管道壓力。但是平衡閥的壓力采集和壓力比較的精度比較低，閥芯的滑動有一定的阻力，造成了管道壓力控制的一定誤差，對于需要高精度控制壓力的產(chǎn)品，在產(chǎn)品合格率方面不能很好地控制。

為此，可以通過采用PLC程序控制技術(shù)來優(yōu)化注塑成型機的壓力控制機構(gòu)，如圖1所示?？刂葡到y(tǒng)采用人機界面屏進行監(jiān)控和控制，在角座閥上安裝了限位開關(guān)及壓力傳感器。PLC控制器能夠通過壓力傳感器實時采集角座閥里的蒸汽壓力信號，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后顯示在人機界面上，操作人員可以通過人機界面實時觀測角座閥內(nèi)蒸汽壓力；角座閥內(nèi)蒸汽壓力到達設(shè)定值觸發(fā)限位開關(guān)動作，信號通過PLC控制器處理后精準(zhǔn)控制角座閥閥門開口大小，以此達到提高精密產(chǎn)品合格率的效果。

根據(jù)系統(tǒng)運行狀態(tài)，選用最合適的控制方法，其中PID控制（又被稱為比例、積分、微分控制）因其算法簡單、魯棒性好、可靠性高，是目前工業(yè)過程控制中應(yīng)用最廣泛的技術(shù)之一。在泡塑機的壓力監(jiān)控裝置中，壓力傳感器的作用是獲得當(dāng)前蒸汽壓力值的大小，以計算它與目標(biāo)壓力的差值e（t）。在比例控制環(huán)節(jié)，控制量和誤差成正比，即u（t）=Kpe（t），當(dāng)傳感器檢測到誤差較大時，其控制量也會較大，此時蒸汽量就會增大，當(dāng)快接近目標(biāo)值時，誤差變小，控制量也較小，使得蒸汽量增量變小，并維持在一定增量。比例控制雖然可以快速減小誤差，但最大的問題是當(dāng)控制量小于一定值時，蒸汽的壓力只能把閥門保持在當(dāng)前位置，就造成了所謂的穩(wěn)態(tài)誤差，這一誤差不會隨著時間推移而被比例控制消除。通過不斷累計誤差值并直接加到積分控制量上，即，蒸汽壓力繼續(xù)增大，最終成功消除穩(wěn)態(tài)誤差。而微分控制量是在蒸汽輸入量不穩(wěn)定的狀態(tài)下，計算當(dāng)前誤差的變化率并加至控制量，即，微分控制量將隨著誤差變化率的增大而增大，使得蒸汽量迅速增大而使閥門回到目標(biāo)位置。總之，在PID控制中，積分控制提供了一定的慣性，而微分控制則提供了一定的阻尼，加上微分控制的調(diào)節(jié)，使得泡塑機的壓力控制穩(wěn)定性更好，精確度更高^［5］。

2.4 以客戶需求驅(qū)動產(chǎn)品族譜變型

對泡塑機客戶需求進行參數(shù)化建模，重點以噸位、舉升高度、動力系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、環(huán)境參數(shù)、控制系統(tǒng)等參數(shù)為特征分析對象，結(jié)合各系統(tǒng)的內(nèi)在參數(shù)關(guān)聯(lián)模型，分析系統(tǒng)需求參數(shù)的共性特征及其差異性，建立從客戶需求參數(shù)分析到設(shè)計參數(shù)特征關(guān)聯(lián)的動態(tài)設(shè)計過程。以需求屬性、特征屬性及需求關(guān)聯(lián)屬性對需求進行參數(shù)化定量拓展，包括泡塑機的動力、噸位、傳動到冷卻、效率、振動噪聲水平等為性能提升對象的一系列拓展，建立設(shè)計需求與產(chǎn)品功能的邏輯映射關(guān)系，合理規(guī)劃產(chǎn)品族譜的共性關(guān)鍵技術(shù)和功能多樣性，建立產(chǎn)品按需求分類共享設(shè)計體系，有效縮短產(chǎn)品研發(fā)周期。

通過設(shè)計需求參數(shù)特征關(guān)聯(lián)及部件子系統(tǒng)功能映射分析方法集成，形成以智能化微孔發(fā)泡成型機設(shè)計需求為導(dǎo)向的產(chǎn)品功能設(shè)計知識體系，利用設(shè)計知識庫互聯(lián)共享技術(shù)，建立基于信息技術(shù)的智能化微孔發(fā)泡成型機結(jié)構(gòu)功能創(chuàng)新設(shè)計平臺；以知識推理應(yīng)用拓展為基礎(chǔ)，設(shè)計完成合模裝置、注射裝置、驅(qū)動裝置和控制系統(tǒng)等功能模塊，并進一步根據(jù)功能裝配有向圖中對裝配關(guān)系和裝配向量的描述，建立支持多裝配參數(shù)關(guān)系向量的模塊化裝配體系，提高產(chǎn)品的設(shè)計效率和可靠性。

3 結(jié)語

隨著微電子技術(shù)、傳感技術(shù)及信息處理技術(shù)的不斷發(fā)展，泡塑成型機整體水平顯著提高。本文主要通過研究優(yōu)化泡塑機的散熱系統(tǒng)模式、改變油缸結(jié)構(gòu)、精確壓力監(jiān)控裝置以及針對客戶需求建立產(chǎn)品按需分類共享網(wǎng)絡(luò)體系等，使得泡塑機安全性、可控性和環(huán)境友好性等得到顯著提升。通過與機械設(shè)備、電子元件及液壓傳動的密切結(jié)合，并使之保持最佳工作狀態(tài)，以實現(xiàn)泡塑成型機的智能化作業(yè)，為實現(xiàn)無人車間、無人工廠提供了堅實的技術(shù)基礎(chǔ)。

參考文獻

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（編輯 何 琳編輯）

Optimization research of the automatic microcellular foam injection molding machine

Zhang" Hailing， Liu" Hongjing

（Zhejiang International Maritime College， Zhoushan 316021， China）

Abstract：" With the emergence of new synthetic materials and the continuous expansion of the range of high-precision foam products， as well as the growing awareness of green， environmental protection and energy conservation， the requirements for the production of foam products and equipment are getting higher and higher. Through the in-depth research and optimization design of an automatic microcellular foam injection molding machine in the heat dissipation system mode， oil cylinder structure， pressure monitoring device and customer demand driven product design sharing system， the paper starts with extending the proportion of efficient interval work， reducing non work energy consumption and improving product reliability to meet the requirements of product safety， reliability， operation comfort， energy conservation and environmental protection.

Key words： microcellular foaming; injection modeling; optimization research