我国注塑机控制技术及进展趋势

  塑料注射成型机，简称注塑机，是我国产量和应用量最大的塑料机品种。我国自行生产的第一台注塑机诞生于20世纪50年代后期，经过50多年的发展，目前已能生产大部分机种。尽管如此，我们的技术水平与世界先进国家相比还是有着不小的差距。正如我国著名的塑机专家王兴天（北京化工大学教授）所说，塑机是整个塑料产业中最能体现核心技术价值的领域，但在这个领域，我们几乎不拥有重要的核心技术。

        注塑机的控制技术是提升注塑机整体技术水平的关键技术之一。注塑机的控制技术历经了继电器、接触器控制及可编程序控制器控制和计算机控制的发展过程。注塑机由于使用了计算机控制技术，使智能控制注塑工艺过程各参数达到最佳成为可能，同时控制方式也发生了从开环到闭环的转变。

        一、注塑过程的控制变量

       从目前的技术发展水平来看，注塑机的过程控制主要是通过对注塑过程的可控工艺参数进行控制。

        注塑机的可控变量有两种，一类是基本以模拟量形式的输入变量，如料筒各段温度、聚合物熔体温度、螺杆温度、模具温度、注射系统压力、螺杆转速等；另一类是数字量形式的输入变量，如螺杆后退停止位置、注射座前后位置、模板向前和向后运动以及超行程等。根据这些输入变量，我们可以进行对注塑参数和温度的控制。

         1、注塑参数的控制

        注塑参数的控制主要有对注射速度与注射压力的控制、PVT保压过程控制、缓冲量控制、背压控制等。注射速度是指螺杆向前推进的速度，其速度快慢会影响到注射压力、熔体流率等参数，并直接影响到制品质量。对注射速度的控制包含两种含义：一个是对螺杆（或柱塞）推进物料的速度进行开环或闭环控制。另一个是对螺杆推进速度同时进行位置和速度值的多级切换，称为多级注射速度切换或控制。

        对于注射压力的控制，传统注塑机一般基于行程和时间来进行压力切换，其控制也包含两层含义：一个是对螺杆推进物料的压力进行开环或闭环控制。另一个是对螺杆推进压力同时进行位置和压力值的多级切换，称为多级注射压力切换或控制。传统注塑机的这种从注射压力到保压压力采用位置切换，而到保压阶段就从位置切换转入用时间切换多级保压压力的控制方法，其精度和稳定性都较差。先进注塑机的注射压力控制是依靠检测模腔压力来实现压力切换的，即通过一个预先设定的程序来控制。也就是切换点的压力值先存储在控制系统中，其后转换成逻辑控制信号，如果模腔中的压力与设定值相同，则立即切换到保压控制。

        现代注塑机的保压控制采用精度和稳定性较高的PVT保压控制，即先用压力和温度传感器对模腔压力和模腔温度及喷嘴处的物料温度进行检测，并作为反馈信号输入给控制装置进行“PVT”（T—模腔中物料的温度，V—比容，P—模腔压力）逻辑运算，再发出指令对比例压力电磁阀进行比例调节，从而使注射与保压时的系统油压能按PVT特性曲线的指令变化。模内熔体的温度是时间的函数，该温度是通过传感器进行连续地检测来获得的。

        缓冲量控制是对螺杆头部余料的控制，它起着缓冲与控制注塑量精度的作用。它是通过位移传感器对螺杆位置的检测，并根据前次螺杆位置检测的记忆信号进行运算后而获得下次螺杆位置的设定值来实现控制的。

        螺杆在预塑时，计量室中熔体的压强称为背压。背压控制是为了减少轴向温差，有利于熔体压实。它是通过预选油压的多级控制来实现的。当螺杆预塑时，其在物料的作用下要后退，这就会使注射油缸腔的回油经过背压阀流回油箱，因此通过调整背压阀在螺杆不同位置时的泄油压力可调节螺杆头部熔体的压力（剪切热），从而使其轴向温差得到调节。

         2、温度控制

        温度控制主要包括对料筒温度、料口处温度、喷嘴温度、模具温度、油温进行控制。

        料筒温度就是料筒表面的加热温度。料筒的温度控制是注塑工艺的重要参数，温度控制不好将直接影响到制品的质量。注射料筒的加热段一般分3~4段，通过一次仪表（热电偶）和二次仪表对加热电阻圈的控制与调节而形成闭环控制回路。

        料口处的温度控制直接影响到固体料的摩擦系数和输送效率，良好的温控能使料筒其他部分物料的温度得到更加稳定地控制。此温度是用热电偶检测并通过PDPI控制循环冷却水流实现控制的。

        喷嘴温度控制的好坏不仅会影响到注塑过程能否稳定工作，而且直接影响着高温熔体通过喷嘴时的剪切热和剪切流动。喷嘴温度的控制是通过热电偶来完成的。

        模具温度是指与制品相接触的模腔表面温度，它会影响充模、冷却和保压过程。模具温度的控制也是通过热电偶来完成的。

        注塑机的油温是指液压系统工作油的温度，它对液压系统的稳定性及注塑制品质量有着重要的影响，因而在注塑机系统中必须配有油温控制装置，通过温度传感器的检测来实现系统对油温的加热和冷却控制。

        二、我国注塑机控制技术的进展

         1、传统控制方式

        传统的注塑机一般采用简单的继电器、接触器控制，控制方式多为开环控制，即按照预先的设定值进行控制（预先设定好各参数值，由机器在生产过程中加以保持）。这种控制方法结构简单，但抗干扰能力差，控制精度低。

        2、可编程序控制器控制方式

        20世纪60年代末发展起来的可编程序控制器(PLC)是一种较好的控制装置，它由中央处理单元(CPU)、输入输出(I/O)、存贮器、编程器等组成。控制程序由用户输入到存贮器中，CPU以扫描工作方式按照程序判断输出状态，来实施对现场设备的控制。

       我国对PLC控制装置来实施在注塑机中的应用大多是从对传统控制系统的改造开始，目前国内的注塑机大部分采用PLC控制系统。采用PLC控制可以实现注塑机的自动化控制与调节，注射成型过程的工艺参数控制也能够得到基本保证。PLC控制主要是利用位移传感器等进行动作程序和过程程序的切换，并能够实现比例压力和比例流量控制。同时可以进行开关量逻辑控制，也可以兼有模拟量(如温度、压力、流量、转速等)的闭环控制。借助键盘和液晶或数码显示，可设定或修改工艺过程参数，并设有预警系统和故障显示指示灯以监测生产过程，从而大大提高了整机性能。

        由于PLC控制方式可使注塑机实现闭环控制，即按照在线测量值与设定值的偏差通过负反馈回路进行控制，因此当注射速度、注射压力、模腔温度、模腔压力、熔体温度和油压等参数在生产过程中因干扰出现偏差时，机器可通过自适应控制系统针对干扰自动进行修正。从而使PLC控制方式较传统方式的抗干扰能力及控制精度有了很大程度的提高。

        然而PLC控制方式也有其不足的地方，如它的抗干扰性、可靠性和温度控制精度在有些时候还显得不够理想。对此，华南理工大学聚合物新型成型装备国家工程研究中心瞿金平教授等人采用了新型的PLC装置，即贝加莱可编程计算机控制器(PCC)，使液压机械式大型注塑机得到成功的升级。这是我国注塑机控制系统开发的一种新思路。

         3、计算机控制方式

        采用计算机进行控制是更为高级的控制方法，这是注塑机控制系统的发展趋势。

        目前微机控制系统主要有单机系统和多机系统两大类型。单机系统采用单板结构可将信息的采集、转换和处理融为一体，其结构由A/D、D/A、数字1/0以及比例放大器或外加比例放大器构成。北京科技大学潘诚等人开发的一款结合了实现注塑机油压系统的闭环控制卡和与之配套的上位机监控软件的系统就属于这种单机系统，该系统在震雄集团(深圳)有限公司已投入试用，效果良好；多机系统则采用多处理机结构和大板式设计，可将功能进行分配，由若干CPU独立完成相应的工作，如其中的一个CPU专门用于协调和传输有关指令，并经过并行口和串行口传输数据。这两类控制器的结构各有特点，基本能够满足不同层次的需求。

        值得一提的是，陕西科技大学徐元昌等人开发出了一个用于多台注塑机控制的群控系统方案，用PC机作为上位机并用其串行通讯口与下位机8098通讯控制注塑机，从而实现了主机指挥监督从属机的功能。为便于操作，该系统还使用了PC机操作界面作为人机接口，从而实现了注塑机的顺序动作和温度、速度、压力等工艺参数的自动化控制。

       三、注塑机控制技术发展趋势

        目前世界发达国家的注塑机控制技术比较先进、成熟，其特点是普遍采用实时闭环控制和CRT或LCD显示屏的过程监控，并通过多重处理将尽可能多的处理工作分配给外围装置完成，以提高注塑机内的通讯能力，减轻主控部分负荷。这在一定程度上代表了注塑机控制技术的未来走向。

        展望未来，相信随着控制技术的不断发展与完善，将使注塑机朝着自动化、节能化、智能化、无人化等方向发展。如采用计算机数字化控制和程序化控制，使注塑机具有自动控制、自动诊断、自动调节、自动补偿功能；控制系统实行模块化、集成化；采用成组技术，实施多台注塑机的群控。