帶溫度補(bǔ)償?shù)母倪M(jìn)型注塑機(jī)鎖模力傳感器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

鄧俊文，顏幸堯*，胡美君，陳潘布衣，聶德明

(1.中國計(jì)量大學(xué)計(jì)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)

影響注塑制品質(zhì)量的常見因素主要有注射速度、v/p 切換點(diǎn)、保壓壓力和時(shí)間、模具溫度、鎖模力設(shè)定值等[1-3]。其中鎖模力對注塑制品質(zhì)量具有較為明顯的影響，合理設(shè)置鎖模力對注塑制品質(zhì)量和機(jī)器合模單元以及模具的壽命具有重要的影響[4]。若鎖模力偏差過大，不僅會損害模具，影響產(chǎn)品質(zhì)量，甚至還會出現(xiàn)傷人等安全事故；若能精準(zhǔn)實(shí)時(shí)監(jiān)控鎖模力，不僅能有效控制制品質(zhì)量，還對于更換生產(chǎn)模具后進(jìn)行試模調(diào)模起一定指導(dǎo)作用[5]，且能夠?qū)Ρ葰v史鎖模力數(shù)據(jù)分析拉桿是否存在疲勞斷裂[6]。臺灣Huang 教授團(tuán)隊(duì)[7]通過分析模具在注射成型時(shí)鎖模力變化情況，判斷生產(chǎn)制品的質(zhì)量，并提出獲取合適鎖模力搜索方法；日本長沼恒雄與橋本浩一學(xué)者[8]對注塑機(jī)鎖模力歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，判斷注塑機(jī)是否出現(xiàn)異常。

目前注塑機(jī)鎖模力的感知方法主要有以下幾種:

①粘貼式，將應(yīng)變片通過粘貼方式直接安裝在拉桿上[9]；②形變片式傳感器，傳感器用螺絲壓裝在尾板上(需要銑配合平面)；③壓力變送裝置，通過檢測液壓缸的推力來推算鎖模力值[5]；④柱塞式傳感器，傳感器安裝至拉桿(哥林柱)內(nèi)部[10]；⑤拉桿式傳感器，在拉桿靠近頭板安裝檢測桿，通過檢測桿內(nèi)部彈簧伸長的距離進(jìn)行鎖模力檢測[11]；⑥磁附式傳感器，磁附式傳感器是通過磁力吸附在拉桿上，其應(yīng)變片安裝在兩個(gè)磁鐵之間的不銹鋼箔下[12-14]；⑦螺紋固定式傳感器，原理與磁附式相類似，只是以螺紋緊固的預(yù)緊力替代了磁力[15]；⑧箍型傳感器，通過抱箍或鋼帶將傳感器固定在拉桿上；⑨超聲直探頭，利用聲彈性效應(yīng)，通過超聲波傳播時(shí)間測量拉桿的受力值[16-17]。

以上傳感器，除了磁附式傳感器、箍型傳感器方式外，其余方式均由于自身的一些限制而沒有被廣泛用于實(shí)際生產(chǎn)的實(shí)時(shí)檢測中。

我國在注塑機(jī)行業(yè)已經(jīng)擁有很大的設(shè)備規(guī)模，但與國外相比，在技術(shù)上和精度上還存在著不足，一些高端設(shè)備，比如注塑機(jī)鎖模力傳感器，依然需要進(jìn)口[12]。本文在參考國外同類產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，對其進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計(jì)了一款雙側(cè)全橋，帶溫度補(bǔ)償?shù)逆i模力傳感器，并對其進(jìn)行實(shí)際上機(jī)測試。

1 鎖模力傳感器檢測原理

1.1 注塑機(jī)鎖模力的來源

鎖模力是為了防止模具不被型腔內(nèi)熔體壓力頂開所能施加的夾緊力，又稱為合模力[18]；注塑機(jī)鎖模力是衡量機(jī)器加工塑件能力的指標(biāo)[4]；鎖模力的產(chǎn)生取決于兩個(gè)條件:一是通過合模機(jī)構(gòu)傳遞產(chǎn)生推力；二是合模系統(tǒng)產(chǎn)生彈性變形力[19]。

拉桿(哥林柱)是注塑機(jī)合模力的承載零件，作用是連接定、動(dòng)模板和機(jī)架，也是較容易發(fā)生斷裂失效的零件[20]。當(dāng)鎖模油缸的左腔接壓力油路、右腔接回油路時(shí)，就使拉桿產(chǎn)生一定的預(yù)拉力，所有拉桿所受拉力的合力與鎖模力大小相等，方向相反[21]，因此只需要測定所有拉桿的拉力值即可計(jì)算出鎖模力值。

1.2 注塑機(jī)拉桿受力仿真分析

通過分析鎖模力的來源可知，測定四根注塑機(jī)拉桿(哥林柱)的應(yīng)力值，即可獲知鎖模力值；由于四根拉桿在注塑生產(chǎn)前需要進(jìn)行調(diào)模過程，使得四根拉桿受力值盡可能相同，偏心模具需小于8%，因此，只需對其中一根拉桿進(jìn)行受力分析即可。使用Soildworks 軟件進(jìn)行靜應(yīng)力仿真，仿真設(shè)置拉桿長度為1 500 mm，拉桿直徑為110 mm，材質(zhì)為GCr15 合金鋼，設(shè)置拉應(yīng)力值為1 050 kN，對其應(yīng)力與合位移進(jìn)行仿真分析，仿真結(jié)果見圖1。

圖1 應(yīng)力分布圖和合位移分布圖

從圖1(a)應(yīng)力分布圖可以得出，注塑機(jī)拉桿除了固定的定模板的一小部分區(qū)域外，整體受力分布很均勻，在距定模板121 mm 與1 500 mm 時(shí)其應(yīng)力值都為1.105×108N/m2，因此鎖模力傳感器安裝至距離定模板1.5 倍拉桿直徑的距離之外，即可保證傳感器感知正確的鎖模力信號。從圖1(b)中得知，注塑機(jī)拉桿在1 050 kN 的拉力下，合位移為0.787 9 mm，合位移量是設(shè)計(jì)信號調(diào)理電路的重要參數(shù)。

2 改進(jìn)型鎖模力傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 改進(jìn)型傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1.1 溫度變化對傳感器的影響

注塑機(jī)在注塑生產(chǎn)過程中，螺桿會將熔融態(tài)的聚合物注射至生產(chǎn)模具中，導(dǎo)致合模腔室內(nèi)溫度上升，待聚合物填滿模具后，螺桿會停止注射，等待聚合物冷卻成型。模具安裝在模板上，模板與拉桿直接連接，因此模具的溫度不可避免地傳遞到拉桿上，固定在拉桿上的傳感器的溫度也隨著變化。應(yīng)變片的電阻阻值受溫度的影響較大，一般應(yīng)變片溫度系數(shù)Tc＝20×10-6/℃，標(biāo)稱電阻取R＝350 Ω，取應(yīng)變片標(biāo)定時(shí)的溫度與工作時(shí)的溫度差ΔT＝20 ℃，根據(jù)公式:

得出單個(gè)應(yīng)變片阻值在溫差20 ℃時(shí)電阻變化量ΔRT＝0.14 Ω，在單橋電路下其電阻變化量ΔRT＝0.42 Ω，半橋電路下電阻變化量ΔRT＝0.28 Ω，該溫漂值已經(jīng)影響了拉桿應(yīng)力的檢測精度。

2.1.2 應(yīng)變片檢測電路

測量應(yīng)變片的形變量通常使用電橋電路，電橋電路分為單臂電橋、雙臂(對臂)電橋以及全橋電橋；單臂電橋使用一個(gè)受力敏感應(yīng)變片，雙臂電橋使用兩片受力敏感應(yīng)變片，全橋電橋使用四片受力敏感應(yīng)變片。

本文設(shè)計(jì)的鎖模力傳感器具有溫度補(bǔ)償功能，并且在電路結(jié)構(gòu)上使用了類全橋電路，而且可消除彎矩的影響，全橋電路輸出電壓量比半橋電路提高一倍[21]。

2.1.3 改進(jìn)型傳感器結(jié)構(gòu)

鎖模力傳感器由鋁合金底座、彈性橡膠、溫度補(bǔ)償應(yīng)變片、受力敏感應(yīng)變片以及PCB 電路轉(zhuǎn)接板組成。鋁合金底座為注塑機(jī)拉桿的安裝扣具；彈性橡膠將敏感應(yīng)變片緊緊依附在哥林柱的表面，從而能夠正確感知哥林柱的形變值；PCB 電路板為連接應(yīng)變片電路以及傳感器信號線焊接口；受力敏感應(yīng)變片安裝方向與拉桿在受力時(shí)產(chǎn)生變形的方向一致，使得敏感應(yīng)變片能充分感知拉桿在受力時(shí)的應(yīng)變值，若安裝方向錯(cuò)誤，傳感器將無法正確地檢測出拉桿的應(yīng)變值；溫度補(bǔ)償應(yīng)變片安裝至底座頂層兩側(cè)處，如圖2(a)所示。

圖2 改進(jìn)型鎖模力傳感器爆炸圖和不同視角圖

傳感器頂層的中間部分為U 型圓弧結(jié)構(gòu)，嵌有硅膠彈性體，突出于表面，敏感應(yīng)變片安裝于彈性體的表面之上，因此將鎖模力傳感器安裝至拉桿上時(shí)，底座的U 型兩側(cè)邊線緊壓在拉桿之上，此時(shí)，敏感應(yīng)變片緊貼在拉桿之上，隨著拉桿的變形而變形，而兩側(cè)的溫度補(bǔ)償片由于沒有跟拉桿直接接觸，因此不會感知拉桿應(yīng)力值，只起到溫度補(bǔ)償作用。圖2(b)為傳感器不同視角圖。

2.2 信號調(diào)理電路設(shè)計(jì)

信號調(diào)理電路將鎖模力傳感器檢測到的注塑機(jī)拉桿應(yīng)力值轉(zhuǎn)化為微控制器能分辨的模擬量，鎖模力處于空載與滿載時(shí)(對應(yīng)最小鎖模力與最大鎖模力)經(jīng)微處理器采集轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字量差值越大，AD 有效碼數(shù)就越多，分辨率就越高。

本文設(shè)計(jì)的信號調(diào)理電路由電橋電路，放大電路和濾波電路組成，設(shè)計(jì)的信號調(diào)理電路如圖3(a)所示，圖3(a)只展示了一路注塑機(jī)拉桿檢測調(diào)理電路，另外三路檢測電路使用同樣結(jié)構(gòu)電路。

圖3 類全橋信號調(diào)理電路和鎖模力檢測控制板

電橋電路使用本文設(shè)計(jì)的鎖模力傳感器，分為上全橋與下全橋；上全橋中左上元件(S1)與右下元件(S2)為受力敏感片，右上(S3)與左下(S4)元件為溫度補(bǔ)償片，在受力敏感片受力時(shí)，其輸出電壓值Vs1＋＞Vs1-；下全橋中右上元件(S5)與左下元件(S6)為受力敏感片，左上(S7)與右下(S8)元件為溫度補(bǔ)償片，敏感片受力時(shí)，其輸出電壓值Vs2-＜Vs2＋；上全橋與下全橋的差分電路組成一個(gè)類全橋電路，其輸出分別為:

A1、A2為各自全橋差分電路的放大倍數(shù)，類全橋電路通過一個(gè)同相比例放大電路進(jìn)行上全橋與下全橋信號量疊加，其輸出為:

式中:A3為同相比例放大器的放大倍數(shù)。電路上使用的運(yùn)算放大器器件必須有較高的CMRR(共模抑制比)以及PSRR(電源抑制比)，以此減小共模信號干擾和因電源不穩(wěn)定導(dǎo)致運(yùn)放輸出不穩(wěn)定情況，提高信號采集的穩(wěn)定度；雙電源運(yùn)放器件可以采用OP07 系列，單電源器件可以采用TP1271 系列。圖3(b)為配套本文傳感器設(shè)計(jì)的鎖模力檢測控制板。

3 實(shí)驗(yàn)測試與數(shù)據(jù)分析

3.1 設(shè)備介紹

本文實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集于溫州市至上重工有限公司生產(chǎn)的KS286 注塑機(jī)，KS286 有多種拉桿長度和拉桿直徑的型號，本文使用的注塑機(jī)的拉桿(哥林柱)直徑為110 mm、長度為1 500 mm，設(shè)計(jì)最大鎖模力為4 200 kN，分解到四根拉桿上為1 050 kN。圖4為本文設(shè)計(jì)的鎖模力傳感器安裝至拉桿上。

圖4 本文設(shè)計(jì)的鎖模力傳感器安裝至拉桿上(另外三路未展示)

3.2 全橋與半橋?qū)嶒?yàn)數(shù)據(jù)分析比較

使用KS286 注塑機(jī)進(jìn)行全橋和半橋電路測試，不斷調(diào)整壓力值(鎖模力)，記錄當(dāng)前鎖模力檢測電路的測試結(jié)果；使用一元線性回歸方程對全橋抱箍、半橋抱箍和半橋扎帶方式進(jìn)行數(shù)據(jù)點(diǎn)擬合，擬合結(jié)果見圖5，回歸方程效果與精度對比見表1。

從圖5 四個(gè)傳感器通道的數(shù)據(jù)可以得出，使用全橋抱箍與半橋抱箍固定方式測得數(shù)據(jù)的線性度好，而半橋扎帶的固定方式線性度很差；由于使用了類全橋放大電路，因此全橋抱箍方式測得的ADC 有效碼數(shù)比半橋電路的要高一倍，全橋抱箍的有效碼數(shù)至少有2 100 個(gè)碼，半橋抱箍的有效碼數(shù)為700～950之間，半橋扎帶的有效碼數(shù)為400～700 之間；這表明本文設(shè)計(jì)的傳感器有效分辨率高。

從表1 可以看出，使用一元線性回歸方程擬合數(shù)據(jù)時(shí)，四個(gè)通道的全橋抱箍方式SSE 誤差平方和、R2決定系數(shù)和RMSE 均方根誤差最大值為分別為SSE＝350.039、R2＝0.999 7 和RMSE＝4.409 8；半橋抱箍的最小值分別為SSE＝1741、R2＝0.998 9 和RMSE＝8.115 2；半橋扎帶最小值分別為SSE＝3.034×105、R2＝0.855 9 和RMSE＝94.468 8；這表明全橋抱箍的固定方式其回歸擬合的效果最好。

對全橋抱箍、半橋抱箍和半橋扎帶方式采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，將圖5 的ADC 值轉(zhuǎn)化為(0～10)V 電壓量輸出，繪制的壓力值(鎖模力)與DAC電壓曲線見圖6。

圖6 全橋抱箍、半橋抱箍與半橋扎帶固定方式DAC 歸一化與壓力值對比散點(diǎn)圖

對圖6 四個(gè)通道的曲線進(jìn)行觀察可以得到，采用全橋抱箍方式和半橋抱箍方式的線性度要好，半橋扎帶的線性度最差，因此在對注塑機(jī)拉桿進(jìn)行鎖模力傳感器安裝時(shí)，應(yīng)選用抱箍的方式進(jìn)行安裝；對比全橋和半橋抱箍方式的數(shù)據(jù)曲線，進(jìn)一步得出，采用全橋電路作為應(yīng)力檢測，其檢測的精度與線性度是優(yōu)于半橋電路的，因此在對精度要求高的場合下，應(yīng)采用全橋電路作為前端檢測電路。

4 鎖模力傳感器性能評估

4.1 相對誤差與絕對誤差

某量值的測得值與真值之差為絕對誤差，絕對誤差可以評定其測量精度的高低，但量值的真值是一個(gè)理想的概念，一般是不知道的，因此在實(shí)際測量中，常用被測量的實(shí)際值來代替真值[22]，即:

絕對誤差與被測量的真值之比值稱為相對誤差，在實(shí)際測量中，常用被測量的實(shí)際值來代替真值[22]；相對誤差同樣可以評定其測量精度的高低，并且適用于不同的被測量以及不同的物理量，相對誤差公式為:

表2 展示了四個(gè)通道下鎖模力的計(jì)算值、絕對誤差和相對誤差對比。

表2 分段折線擬合得到的鎖模力測量結(jié)果 單位:kN

從表2 得出，設(shè)定的鎖模力與計(jì)算的鎖模力擬合度很高，四個(gè)通道在1 059 kN、768 kN、848 kN 和742 kN 時(shí)絕對誤差分別為-15 kN，23 kN，25 kN 和-15 kN，最大絕對誤差為25 kN；四個(gè)通道在329 kN、453 kN、768 kN 和535 kN 時(shí)相對誤差分別為-3.343%，3.753%，3.255%和-2.430%，最大相對誤差為3.753%。

4.2 鎖模力重復(fù)性精度

重復(fù)性精度是衡量精密注塑成型加工過程最為重要的一個(gè)技術(shù)指標(biāo)，指的是在相同條件下對同一被測量物進(jìn)行多次重復(fù)性測量，通過分析處理重復(fù)性數(shù)據(jù)得知一致性的過程，是表示測量結(jié)果中重復(fù)誤差的程度，是一個(gè)基于統(tǒng)計(jì)過程的概念[2，23-24]。鎖模力重復(fù)性精度公式為[25]:

式中:δFk為設(shè)定壓力值Fk時(shí)對應(yīng)的鎖模力重復(fù)精度，無量綱；n為測試次數(shù)，F(xiàn)i為在Fk下進(jìn)行i次測試得到的壓力值樣本，單位為kN；為在設(shè)定值Fk時(shí)多次測量的算術(shù)平均值，單位為kN。測得的壓力值與真實(shí)值相比，波動(dòng)越大，表示鎖模力的重復(fù)精度就越差。通過調(diào)整注塑機(jī)處于不同的鎖模力，記錄四個(gè)通道當(dāng)前鎖模力電路測量結(jié)果，重復(fù)測試9 次，計(jì)算所得鎖模力重復(fù)性精度見表3。

表3 鎖模力重復(fù)性精度

從表3 可以得到，四個(gè)通道在329 kN、489 kN、535 kN 和593 kN 時(shí)重復(fù)性精度分別為1.702%、1.962%、2.430%和1.572%；重復(fù)性精度最大值δFk＝2.430%，優(yōu)于鎖模力傳感器重復(fù)性設(shè)計(jì)要求的δ＜5%，這表明本文設(shè)計(jì)的鎖模力傳感器在不同壓力載荷下，鎖模力重復(fù)性精度好。

5 結(jié)論

本文對傳統(tǒng)鎖模力傳感器進(jìn)行結(jié)構(gòu)性改進(jìn)并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，在單個(gè)傳感器探頭上集成兩片受力敏感應(yīng)變片組成單側(cè)半橋，由兩個(gè)傳感器組成雙側(cè)全橋，從而提高了信號的信噪比以及信號強(qiáng)度，每個(gè)傳感器都使用兩片不受力的溫度補(bǔ)償應(yīng)變片用于消除注塑機(jī)于注塑生產(chǎn)過程中因溫度變化引起的溫度漂移。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:本文設(shè)計(jì)的改進(jìn)型鎖模力傳感器線性度好，使用一元線性回歸方程擬合得出的R2決定系數(shù)均大于等于0.999 7；在對比鎖模力設(shè)定值與測量值的實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)得出四個(gè)通道絕對誤差的最大值為25 kN、相對誤差的最大值為3.753%，鎖模力重復(fù)性精度最大值為2.430%，這說明本文設(shè)計(jì)的傳感器可以相對準(zhǔn)確地反映當(dāng)前注塑機(jī)拉桿的鎖模力，在注塑機(jī)鎖模力檢測領(lǐng)域內(nèi)具有重要的應(yīng)用價(jià)值。