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基于生态环境保护原则的“十三五” 注塑机的“新常态”创新驱动(七)

[ ju111net九州手机版 ] 发表于 2016-08-18 13:07:01 浏览量:0
10.3 模具智能化装备技术的研究
模具是智能化注射成型全套解决方案中重要环节。
10.3.1 模具智能化与注塑智能化
智能化注塑成型加工技术参数来源于注塑模具的设计参数。智能化注塑成型加工不但要求模具制造者提供成型加工的技术参数:锁模力、注射压力、注射速度、注射质量、熔融料温度等等,而且要提供模具上智能化测量技术反映出这些技术参数,技术参数的信息如何提供给中央控制系统。注射设备中央控制系统以这些参数作为成型加工技术参数范本,再在实际成型加工过程中根据成型制品的质量进行分析、推理、决策,直至达到最佳的制品质量。
注塑模具制造采用CAE技术才能得到仿真的注射成型加工技术参数。
10.3.2 模具智能化与视觉技术
视觉系统以其独特的非接触式检测方式,确保模具的正常使用,达到设备的正常运行。在一个完整的成型周期内对所关心的模具型腔面进行两次拍照,即一检和二检:指的是在模具开模限的时候瞬间拍照检测,确认有无毛边、缺陷,同时根据产品的缺陷与否可同时检测模腔有无粘模,如果任何一种情况出现,便禁止顶针顶出。开模二次检:指的是顶针顶完归位,如果有使用机械手的话,同时机械手也已脱离监控区域,这时瞬间拍照进行二次检,确认模具区域有无粘模或异物残留,还能帮助判断镶件、顶杆和滑块的位置或状态是否正常,如果任何一种情况出现,禁止合模。以上检测中,如检测到异常情况,视觉系统发信息给中央控制系统,中央控制系统接到信息后发出故障信息和停止注射运行的指令。
国内视觉技术在模具智能化上得到了应用。厦门博视源科技有限公司自主研发的双镜头模具监视器具有8个功能:成型品粘定模检测;用于插件放置检测;用于顶针断掉检测;用于添充不足的检测;用于毛边的检测;用于落下不良检测;用于减少不要的顶出次数;用于生产线或组装线。可根据生产的需要进行监测区域设定,对多型腔及特殊镶件位置进行监测。通过触摸屏控制设定参数画面,自动监视模具开关模状况。高速高清晰度数字相机,检测精密,位置检测可精确到0.05毫米,判定处理时间0.02秒。可针对不同模具存储相应文件,同时NG画面可自动存储,有利于品质追踪。
Hekuma公司的医学工程部门打造出一款医疗用吸头生产设备,从模具高速移除注塑件、将成品件堆放到循环工件输送系统中、使用一个摄像系统来完成质量控制、分拣出检测不合格的工件、从缓冲区填补空白、用检查的合格品填补组合架、在架子上打印日期和批号以及堆垛并用可撕的保护膜给填满的架子打包。
10.3.3 模具智能化清洁技术
智能化模具是智能化注塑成型加工的重要组成部分。智能化模具对模温、熔融料模内流动性能等具有感知、分析、决策和控制功能,提高制品质量和生产效率,更加节材节能的绿色化成型加工。模具清洁目的是彻底清除灰尘、气蚀残渣和模具涂层、磨蚀以及腐蚀的表面、残留德矿物质和润滑剂等,直至对气孔周边的清洁处理。高效、安全、快速的环保清洁技术是精密模具清洁的发展方向,超声波、干冰、等离子等清洁技术都是环保清洁技术。智能化模具清洁技术就是运用视觉技术,一经发现模具异常,立即发信息给中央控制系统,中央控制系统接到模具信息后,立即指令设备停止运行,并实现自动清洁模具或发出人工清洁模具的信息。
10.3.4 动态感应模具加热平衡技术
RocTool的动态感应模具加热平衡技术,使得采用激光技术在模具表面实现的微细结构能够得到高精度的复制,而所有这些都在一次注射加工中完成。这种由激光构造的模具镶件拥有含各种效果及精密结构(高光、全息图)的特殊表面。在Fakuma 2015展会中,克劳斯玛菲以电子箱盖为例,采用DMH(动态模具加热)技术的CX 160-750注塑机上演示了采用其与合作伙伴RocTool共同提供的这种感应DMH工艺是如何在一次注射加工中开发出具有优质表面的部件,同时还省略了额外的模内装饰步骤,如预成型、冲孔和喂送等。
10.3.4 透气钢模具
    注塑模在塑料填充过程中出现的气体一般是通过设置排气系统(主要采用排气槽方式)排除;在脱模时,某些大型模件要设置引气系统才能顺利脱模。如果用透气模具钢则可以将此种多孔金属安装在模腔壁上的适当位置,使气体直接从金属体中穿透,而不需专门设置排气、引气系统,使塑料模具同样具有良好的排气和吸气功能。绿色性能主要表现在: 1)降低注塑压力,减少成型和保压时间; 2.)提高模具分型面的紧合度,提高顶杆和镶件的配合性能,无需利用分型面或其他排气系统,避免废边的产生; 3.)可使由于浇口偏位、壁厚不匀/壁薄产品等难成型问题得到解决和缓解。
10.4 PID智能化控制技术的新常态创新驱动
经典的PID控制都建立在被控对象精确模型(传递函数和状态方程)的基础上,实现智能化控制系统,建立其数学模型比较困难,有时甚至是不可能的,明显呈现出控制性能的不足,也就无法实现期望的自动控制。在计算机技术的充分应用的前提下,在经典PID控制的基础上,把自矫正技术、模糊控制、专家控制、智能控制等用于PID,微分信号产生的质量更高,打破了经典PID控制系统的局限性,实现PID智能化控制的科学发展。
实时性是PID智能化控制的主要技术性能指标,包括两个内容:稳态精度,即稳态值与期望值之差。
快速、精确的运动控制和高效的“实时”质量检验需要使用庞大且功能强大的控制系统和高速数据通信系统。设备的复杂程度高,意味着它们会有很多的系统接口。PLC技术很难满足此类要求,若要在一个传统的PLC架构中实现这一点,不仅需要花费巨额成本,而且还会对系统运行的性能产生不利影响。Hekuma公司开发的Beckhoff开放的自动化技术,在和超高速EtherCAT通信系统配套使用,实现了最大偏差仅为0.005mm的轴向控制。 
10.4.1  实时性温度控制的模糊变系数PID互联算法
模糊控制运用模糊集合论模拟操作人员的操作和决策,从而实现自动控制,相对于传统的PID控制具有更好的动态和静态性能,控制精度也大为提高。。传统的PID控制器依赖被控对象精确的数学模型,当应用于复杂的、非线性、大迟滞的塑化挤出加热系统时难以达到良好的动态响应。
将模糊控制和PID控制相结合为互联算法,采用以模糊控制方式在线调整PID参数的控制算法,能使模糊控制器根据工艺生产实际情况实时自动调整比例系数、积分系数和微分系数,以达到调节和控制作用的实时性最优。PID参数调节则由模糊控制器根据偏差和偏差变化率进行自动调整,同时把模糊自整定控制器的模糊部分按比例系数、积分系数、微分系数,分成 3部分,分别由相应的子推理器来实现。模糊变系数PID的过渡过程时间、最大偏差,余差等调节等动态和静态特性指标均明显优于PID控制,具有较好的自适应能力和鲁棒性,其超调量精度为0.30C,稳态精度≤ 10C,过渡过程的动、静态性能优良。
10.4.2提高温度动态波动精度的统计过程控制系统(Statistician Process Control)
这是一种基于预先预测过程发展趋势的先进控制方法,可比常规的逻辑程序控制方法的控制精度提高80%以上。采用SPC控制系统,可以将挤出温度的波动控制在± 1℃以内。
10.4.3 多回路PID温度控制智能系统
多个独立的闭环反馈控制系统,在一个采样周期内, 温度传感器(热电偶)将检测到的料筒与机头温度信号PV,与设定值SV 进行比较,得到偏差e = SV—PV。结合所给的P、I、D 参数和温度控制策略进行PID运算得出控制输出值,经过脉宽调制,最后得到继电器在一个采样周期中的导通时间。通过控制继电器在一个采样周期中的导通时间即可控制加热器的加热时间,从而达到精确控制温度的目的。各个回路独立工作,互不干扰,具有极高的稳定性和可靠性。
佛山市皓科控制技术有限公司研发生产的具有自主知识产权的四回路PID温度控制智能模块,针对纯滞后、大惯性对象而开发的模糊自适应PID控制算法,各回路均带有独立的加热、冷却开关量输出,只需配置4个模块。各模块可独立的控制对应回路的温度值,CPU只需通过现场总线就可以轻松的控制各回路的启闭及获取各回路的当前温度、设定温度值。四回路PID温度控制智能模块具有1500V电气隔离的24VDC输入接口、四路独立隔离的热电偶输入、四组独立隔离的晶体管或继电器开关量输出、支持MODBUS/RTU协议的RS485隔离通讯口等优秀的电气性能。通过与支持MODBUS现场总线协议的上位机连接最大可扩展从机128个,即实现512个温区的控制,温度超调量小于3℃,静态误差小于±1℃。
10.4.4 伺服控制的非线性PID算法
电液伺服系统在高端注塑机中得到广泛应用,如何提高其控制性能,一直是长期研究的课题。常规都采用经典的PID控制,往往达不到理想的控制性能要求。
经典的PID控制采用“线性组合”形式产生的控制量,常引起快速性和超调量及准确性之间的矛盾,比如可能会引起控制回路自激震荡,也会引起瞬态互调的失真,使被控对象出现损害的几率更高,达不到制品壁厚的设定技术要求。
非线性PID的设计是在经典PID基础之上,使用一种新的非线性机构—非线性跟踪/微分器来产生控制新的基本要素,并利用这些新的要素的“非线性组合”方式来改进经典PID调节器,在经典PID控制器的线性区间使用非线性组合,使其适应性和鲁棒性得以大幅度提高,有效地克服了电液伺服系统存在的大惯性、滞后性的缺陷,提高系统鲁棒性能及自适应性能,对传统PID控制器的比例、积分、微分系数进行实时调整,保证在误差较大时能够快速收敛,提高了跟踪能力,精确地实时达到型坯壁厚的控制要求。控制系统定义每个任务的优先级和循环时间,实时多任务操作系统,循环时间最短可达1ms,使整个系统的实时性得到了优化;实现多通道的串口通讯功能;实时地显示设备状态、操作指示、参数设定、动作流程、统计资料、警报信息及简易报表等内容;配以触摸屏,各种参数的设定、按钮开关的运用、控制曲线的显示以及报警信息等都可由该触摸屏来完成,触摸屏上设定各种函数曲线,为壁厚图形的编辑提供了十分有利的工作平台;PLC控制器在接收到人机界面设定的曲线数据和参数信息后,控制伺服阀,实时调节并达到预设的口模间隙。
非线性PID控制系统存在着快速性与稳定性之间的矛盾,在未来的发展道路上,设计一些基于偏差的比例、积分和微分的非线性控制模块,并由这些模块以合适的方式组合出控制律是一个需要解决的课题。
10.4.5 伺服交流电机的回推非线性PID复合控制[17]
伺服交流电机(PMSM)控制结构一般由电流环、速度环和位置环共同组成的三环串级结构。其控制策略一般电流环采用滞环控制方式,速度环采用PI控制规律,以保证进行稳定的速度控制。位置环通常采用比例控制规律来保证位置控制的高精度和良好的跟踪性能。但是由于其速度环和电流环的非线性耦合等因素的影响,系统的快速性和抗干扰能力及对系统参数摄动的鲁棒性都不够理想。回推算法采用反向递推的设计原则,把状态坐标的变化、不确定参数的自适应调节函数和已知Lyapunov函数的虚拟控制系统的镇定函数等联系起来,实现系统的全局调节或跟踪。在大误差下利用回推控制进行调节,使系统全局渐近稳定,同时防止出现溢出现象;误差较小时则利用非线性PID的自调整能力;误差设定值以外的情况,通过回推算法使得系统误差快速收敛到设定值以内,提高了跟踪能力,保证了非线性PID的调节作用。通过非线性PID的自调整能力,调节控制参数,以适应系统响应时间中系统位置的变化,减少了控制效果对人为因素的依赖,使电机达到比较理想的位置响应实时性能。
10.4.6 专业化伺服驱动器
贝加莱第二代伺服驱动器ACOPOS multi有超强过载能力,能达到极高的锁模力和注塑压力:内嵌高性能DSP处理器,可实现复杂运动控制:可驱动扭矩电机,简化了注塑机的机械结构,同时提高重复性和耐用性:具有能量再生功能,可降低能量消耗;符合IEC61 508安全标准的SIL3,整个系统是Safty PLC、Safty I/O、Safty Drive及Safty Bus安全自动化技术方案。 
日精公司NEX系列全电动注塑机采用自行开发的Tact控制系统,系统中包含保压压力、合模压力以及模内工艺控制等标准控制程序,系统扫描时间为0.1ms,可使注射压力波动降低50%,空运转周期比以前减幅35%。,注射速度提升40%,从而实现了高精度、稳定成形,提高了工艺控制、V-P切换控制的应答性能、再现性能, 发挥高速成形的威力。
B&R 的ENDURA Ⅱ伺服控制器,通讯总线响应速度达到1000Mbps,是其他品牌伺服控制器(50 Mbps)的20 倍,极大提高了运行的重复性精度和定位精度。FANUC公司安装有最新高速微处理器的CNC 310is-MODEL A系列,采样周期高达1/16000s的高速控制和最新的伺服技术,实现精密注塑中要求的高精度位置、速度、压力控制,加速度恒定控制,在中低速的射出速度下,以与最高速度相同的斜度启动射出速度,可有效地预防树脂的烧焦和空气卷入,在难以进行高速射出设定的精密和微距连接器之类的注塑件的稳定注塑方面发挥威力。日精公司的tact的全新控制系统,与Elject ES系列相比,具有更优的动态反映特性和可重复性,注塑速度提高40%。成型的精度高出50%,从锁模到顶出制品的时间可缩短35%。
10.4.7 专业化控制软件
专用控制软件是know-how的封装容器,它使得那些制造商对于工艺的深度封装起来,不易被复制,而这些构成了机器的竞争力的核心。
东芝机械制造有限公司EC—SX智能化全电动注塑机,采用了东芝机械最新型的处理控制器,能够更精确地控制注塑机,而运算速度提高 了40%。自行研发的智能化DST控制软件用于控制注射 和合模过程,可保持加工稳定性,保证每个部件的重量偏 差维持在非常低的水平,在使用再生料进行加工的情况 下其优势特别明显。东芝机械制造有限公司为防止智能化DST控制软件外泄,DST控制软件仅限在日本国内使用。
控制软件自主化,不但有利于保护知识产权,更有利于适应市场多变的特点。宁波伟立机器人科技有限公司机械手的智能化软件实现自主化,不但实现了我国注塑机机械手达到国际水平,而且处于国际同行的有力竞争地位。