全電動(dòng)注塑機(jī)控制系統(tǒng)解讀

1、全電動(dòng)注塑機(jī)控制系統(tǒng)1注塑機(jī)結(jié)構(gòu)全電動(dòng)式注射機(jī)的所有運(yùn)動(dòng)都是使用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)， 如圖1所示為全電式注 射機(jī)主要部件結(jié)構(gòu)圖。圖1全電注射機(jī)主要部件結(jié)構(gòu)1-模具開合伺服電機(jī)；2-塑化伺服電機(jī)；3-射膠伺服電機(jī)；4-調(diào)模變頻電機(jī)5-頂出伺服電機(jī)；6-螺桿加熱器；7-射臺(tái)移動(dòng)電機(jī)1.注射裝置注射裝置是實(shí)現(xiàn)塑料的塑化、注射，包括料斗、料筒、加熱器、計(jì)量裝置、 螺桿及其驅(qū)動(dòng)裝置、噴嘴等部件。注射裝置的結(jié)構(gòu)和控制方式對(duì)制品的質(zhì)量起著決定性的影響，是注射機(jī)中的關(guān)鍵部件。采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)注射機(jī)注射裝置通常有兩種形式： 皮帶驅(qū)動(dòng)方式和直接驅(qū) 動(dòng)方式。皮帶傳動(dòng)精度會(huì)受影響，直接驅(qū)動(dòng)方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。電動(dòng)注射機(jī)注射機(jī)構(gòu)，

2、 要求電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速較低、轉(zhuǎn)動(dòng)力矩大，而且超載保護(hù)作用較弱。因此，在成形大制 品時(shí)，通常使用皮帶式驅(qū)動(dòng)，而對(duì)于小制品則常常采用直接驅(qū)動(dòng)方式。如圖2所示為伺服電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的注射裝置，伺服電機(jī)M1軸上裝有帶輪， 通過安裝在這個(gè)輪子上的齒形帶驅(qū)動(dòng)滾珠絲桿回轉(zhuǎn)，從而使螺桿前進(jìn)（注射）或者后退（塑化），而螺桿的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)可以通過伺服電機(jī) M2以同樣的方式實(shí)現(xiàn)。 注射過程中除了速度的控制之外，還要考慮注射壓力的控制，在螺桿末端的 止推軸承保持架上安裝壓力傳感器，通過其反饋信號(hào)對(duì)注射壓力進(jìn)行精確的控 制。用這種方法可以直接檢測(cè)到注射或塑化時(shí)加料筒內(nèi)塑料壓力的反壓力，因此可以對(duì)注射壓力、保壓壓力進(jìn)行精確的控制，而

3、塑化壓力則采用連續(xù)不斷的對(duì)伺 服電機(jī)施加一定負(fù)載的方式進(jìn)行控制。反饋傳感器放大止推軸車帰持架圖2注射壓力控制原理2.合模裝置實(shí)現(xiàn)模具的開閉動(dòng)作，成形時(shí)提供足夠的夾緊力使模具鎖緊， 開模時(shí)推出模 內(nèi)制品。電動(dòng)注射機(jī)的合模機(jī)構(gòu)主要采用肘桿式鎖模機(jī)構(gòu)， 模板開合動(dòng)作采用伺服電 機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是：模板開合速度易于控制，動(dòng)模板的停止位置也可以精確控制等， 這 就需要價(jià)格較貴的大型伺服電機(jī)。全電合模裝置包括：模具開閉電機(jī)代替了傳統(tǒng)的移模油缸，調(diào)模電機(jī)替代了 傳統(tǒng)的調(diào)模油缸，頂出電機(jī)則替代了傳統(tǒng)的頂出油缸。2注塑機(jī)控制系統(tǒng)2.1控制系統(tǒng)軟件、硬件結(jié)構(gòu)電動(dòng)注射機(jī)的控制是根據(jù)工藝過程設(shè)計(jì)的，具體內(nèi)容包括以下兩個(gè)方面。

4、1. 電動(dòng)注射機(jī)筒溫度控制設(shè)計(jì)電動(dòng)注射機(jī)機(jī)筒溫度控制與常規(guī)液壓注射機(jī)螺桿筒溫控方式一樣， 利用微機(jī) 控制回路，選擇合適的控制算法完成對(duì)注射機(jī)機(jī)筒外各加熱套的控制。 確保機(jī)筒 內(nèi)各段的工作溫度能按照工藝上的要求保持在設(shè)定的范圍內(nèi)，精確的溫度控制在 精密注塑上有利于提高產(chǎn)品質(zhì)量以及原材料的利用率，是一項(xiàng)十分重要的指標(biāo)。注塑機(jī)的料桶溫度控制對(duì)象是一個(gè)非線性、不確定、強(qiáng)耦合和大滯后的系 統(tǒng)，是其中一個(gè)控制難點(diǎn)。對(duì)于這類對(duì)象，當(dāng)前還缺乏一個(gè)統(tǒng)一有效的控制方法， 常規(guī)的PID控制方法無法滿足高精度注射的要求。注塑機(jī)生產(chǎn)不同的產(chǎn)品，預(yù) 塑量不同，環(huán)境溫度不同，生產(chǎn)周期不同時(shí)其料桶溫度對(duì)象模型參數(shù)就不一樣；

5、料桶各段溫度控制之間存在很強(qiáng)的耦合現(xiàn)象，要實(shí)現(xiàn)完全的解耦控制非常困難； 另外該對(duì)象還是一個(gè)大滯后系統(tǒng)， 常規(guī)控制方法難免會(huì)出現(xiàn)大超調(diào)和震蕩現(xiàn)象， 因此必須研究自適應(yīng)的溫度控制策略實(shí)現(xiàn)高精度的溫度控制。在塑料加工過程中，溫度控制主要包括料筒、噴嘴和模具的溫度控制。料筒 溫度即料筒表面加熱溫度，由于料筒的壁比較厚，因此，熱電偶檢測(cè)點(diǎn)的選擇非 常關(guān)鍵，不同的檢測(cè)點(diǎn)上溫度曲線有較大的差異。 因此雙點(diǎn)平行檢測(cè)，即在料筒 表面與深處同時(shí)設(shè)置熱電偶，將得到比較穩(wěn)定的溫度曲線，有利于溫度控制的精 度。噴嘴溫度直接影響著熔體通過時(shí)的剪切流動(dòng)，對(duì)制品的質(zhì)量有大的影響， 因此噴嘴溫度的控制精度要求更高。模 具溫度是

6、指與制品接觸的模腔表面溫度， 它會(huì)顯著影響充模、冷卻和保壓過程，可直接購買第三方的模溫機(jī)來實(shí)現(xiàn)模溫控 制。2. 電動(dòng)注射機(jī)動(dòng)作控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)為獲得優(yōu)質(zhì)的制品，電動(dòng)注射機(jī)在注射過程中，用微機(jī)來實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)注射機(jī) 各個(gè)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)作的順序及過程控制的方案。確保注射機(jī)能按照工序的要求，完 成對(duì)制品的生產(chǎn)流程。注射裝置在注射成形的工作過程中， 主要實(shí)現(xiàn)塑化計(jì)量，注射，保壓補(bǔ)縮三 項(xiàng)功能。因此其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)滿足以下基本要求：在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)，提供一定數(shù)量的，組分和溫度均勻的熔料； 根據(jù)塑料性能和制品結(jié)構(gòu)情況，產(chǎn)生合 適的注射速度和壓力，將一定量的熔料注入模腔。在電動(dòng)注射機(jī)中，以上的功能主要是由 6臺(tái)電動(dòng)機(jī)通過動(dòng)

7、作配合來完成的。電動(dòng)注射機(jī)結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。與注射螺桿同軸且連接緊密的電動(dòng)機(jī)稱為射膠 電動(dòng)機(jī)，它的主要作用是通過傳功裝置來實(shí)現(xiàn)注射螺桿的向前注射運(yùn)動(dòng)。與注射螺桿平行的電動(dòng)機(jī)稱為熔膠電動(dòng)機(jī)，它的作用是實(shí)現(xiàn)在預(yù)塑化過程中螺桿的轉(zhuǎn) 動(dòng)，把來自料斗的粒狀原料向前輸送。用于使整個(gè)射臺(tái)平移的電動(dòng)機(jī)稱為射臺(tái)移 動(dòng)電動(dòng)機(jī)，射臺(tái)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)均是由該電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)完成。以伺服電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)裝置的全電注射機(jī)控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示，它由人機(jī)界面、邏輯控制器、運(yùn)動(dòng)控制器、伺服驅(qū)動(dòng)、溫度控制和傳感器六個(gè)部分 組成。-注斛電動(dòng)機(jī)熔膠電動(dòng)機(jī)計(jì)疑伺膽單兀移模伺懸取元脫模飼服單元射臺(tái)電前機(jī)脫模電動(dòng)機(jī)注射伺服單元射臺(tái)變擷控制炷肘機(jī)

8、運(yùn)動(dòng)控制器人機(jī)界面碼盤r碼盤計(jì)幵、合摸電前機(jī)一碼盤圖3伺服注射機(jī)硬件框架傳感聽調(diào)複變頻控制加熱裝置熱電偶還輯控制 注単工藝壓力轉(zhuǎn)換單無調(diào)複電動(dòng)機(jī)（合模，注射脫懼肘臺(tái)務(wù)動(dòng)曲晝電尺w碼盤以位置、速度、壓力、溫度為基礎(chǔ)的工藝程序控制是基于傳感器的信息來進(jìn) 行的，為實(shí)現(xiàn)高精密注塑工藝而建立了諸多閉環(huán)環(huán)節(jié)。注射機(jī)的射出螺桿移動(dòng)速度的控制是把安裝在電動(dòng)機(jī)后的編碼器信號(hào)作為 輸入信號(hào)，和在控制器內(nèi)設(shè)定的速度指令相比較實(shí)現(xiàn)半閉環(huán)控制。射出壓力的控制是測(cè)定螺桿后的壓力傳感器信息構(gòu)成射出壓力的全閉環(huán)控制。超低速位置控制則通過光柵尺來實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。溫度和壓力等傳感器信號(hào)的高速處理是控制過程系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。工藝程序控

9、制裝置和伺服系統(tǒng)之間采用數(shù)字接口，它們之間僅傳遞數(shù)字信 號(hào)，所以可以實(shí)現(xiàn)高精度微小量的控制，抗干擾能力強(qiáng)、無零漂，使穩(wěn)定控制成 為可能。伺服控制軟件主要承擔(dān)伺服系統(tǒng)的位置控制、 速度控制和電流控制。伺服控 制軟件和工藝控制軟件關(guān)系密切，它們之間的協(xié)調(diào)使用，能達(dá)到自由度很高的工 藝程序控制。2.2伺服控制單元電動(dòng)注射機(jī)的性能在很大程度上依賴于伺服控制系統(tǒng)的精密性和穩(wěn)定性， 由 于不同伺服單元所完成的任務(wù)不同， 所以其要求也不盡相同，可概括為以下四個(gè) 方面： 高精度 為了保證注射成形制品能滿足精密注射的要求，具有高質(zhì)量和 高穩(wěn)定性，則必須保證射膠等動(dòng)作具有很高的精度， 因此，在位置控制中要求定 位

10、精度高，而在速度控制中，更加要求伺服控制單元能提供高的調(diào)速精度。 快響應(yīng) 在注射成形過程中，為了成形具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的制品，常常需要 進(jìn)行多級(jí)注射，為了保證執(zhí)行機(jī)構(gòu)能嚴(yán)格按照設(shè)定的要求進(jìn)行成形參數(shù)的切換， 要求系統(tǒng)除了有高的定位精度外，還要求具有良好的快速響應(yīng)特性，要求跟蹤指 令信號(hào)的響應(yīng)要快，位置跟蹤誤差要小。 寬調(diào)速范圍 無論是對(duì)于注射單元還是鎖模單元，在工作的過程中，執(zhí) 行機(jī)構(gòu)都需要在較大的速度范圍內(nèi)工作。 例如，為了保護(hù)模具的安全，鎖模機(jī)構(gòu) 在驅(qū)動(dòng)動(dòng)模板進(jìn)行合模的過程中，需要從移模階段的高速切換到即將閉緊模具時(shí) 的低速，因此，驅(qū)動(dòng)鎖模機(jī)構(gòu)運(yùn)行的伺服單元需要能提供一個(gè)最高轉(zhuǎn)速與最低轉(zhuǎn)速比較寬

11、的調(diào)速范圍。 低速大轉(zhuǎn)矩要求在低速時(shí)進(jìn)給伺服系統(tǒng)有大的轉(zhuǎn)矩輸出。為了滿足上述四點(diǎn)要求，對(duì)進(jìn)給伺服系統(tǒng)的執(zhí)行元件一一伺服電機(jī)也提出 了相應(yīng)的要求，包括以下幾點(diǎn)： 電機(jī)在整個(gè)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)都能平滑地運(yùn)轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn) 矩波動(dòng)要小，特別是低速時(shí)仍有平穩(wěn)的速度而無爬行現(xiàn)象；電機(jī)應(yīng)有一定的 過載能力，以滿足低速、大轉(zhuǎn)矩的要求； 為了滿足快速響應(yīng)的要求，電機(jī)必 須具有較小的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和大的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩、盡可能小的機(jī)電時(shí)間常數(shù)和啟動(dòng)電壓； 電機(jī)應(yīng)能承受頻繁的啟動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)。高性能的交流伺服系統(tǒng)的交流電機(jī)主要采用異步電動(dòng)機(jī)和永磁同步電動(dòng)機(jī) 兩種。一般來說，異步電動(dòng)機(jī)多用在功率較大、精度要求較低、投資費(fèi)用要求低 的場(chǎng)合；而永磁同

12、步電動(dòng)機(jī)則在精度要求高， 容量要求小的場(chǎng)合得到了廣泛的應(yīng) 用。所以，在注射機(jī)伺服系統(tǒng)中，多用永磁同步電動(dòng)機(jī)。永磁同步電動(dòng)機(jī)又分為兩種：矩形波電流驅(qū)動(dòng)的永磁電動(dòng)機(jī)（BDCM ）和正弦波電流驅(qū)動(dòng)的永磁電動(dòng)機(jī)（PMSM ）。其中，BDCM的功率密度高，系統(tǒng)成本 較低，但低速轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大，高速時(shí)矩形波電流發(fā)生畸變，并引起轉(zhuǎn)矩下降，所以 一般用于低速、性能要求不高的場(chǎng)合；而 PMSM則更多地用于要求較高的速度 或者位置伺服的場(chǎng)合。交流伺服單元又有模擬式和數(shù)字式之分，由于模擬式伺服單元難于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜 的控制方法，并且器件多，體積大，不易調(diào)試，還存在零點(diǎn)漂移等問題。而數(shù)字 式伺服單元，其優(yōu)點(diǎn)是用軟件編程，易于實(shí)

13、現(xiàn)復(fù)雜的算法，而且柔性好，有時(shí)幾 種控制方法之間的改變只需改變軟件即可實(shí)現(xiàn)，電路一般較簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)緊湊。2.3全電動(dòng)注射機(jī)開合?？刂迫妱?dòng)注射機(jī)共有6個(gè)電動(dòng)機(jī)需要控制，其中在合模部分有兩個(gè)電動(dòng)機(jī)，分 別完成開合模和調(diào)模功能。目前在300噸以下的中小型機(jī)上，電動(dòng)注射機(jī)的合模部分大多數(shù)采用 “伺服 電動(dòng)機(jī)-同步帶-滾珠絲桿-雙曲肘合模機(jī)構(gòu)”這樣的標(biāo)準(zhǔn)式設(shè)計(jì)方案，由鎖模伺服 電機(jī)通過同步帶減速傳動(dòng)，帶動(dòng)與帶輪配合的滾珠絲桿，進(jìn)而推動(dòng)十字頭。合模裝置是保證成形模具可靠的閉緊和實(shí)現(xiàn)模具啟閉動(dòng)作及頂出制品的部 件，在注射成形時(shí)，必須具有足夠的鎖模力，另外，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)還應(yīng)滿足模 具啟閉時(shí)的速度要求，既要考

14、慮縮短空載行程的時(shí)間，以提高機(jī)器的生產(chǎn)率，同 時(shí)又要考慮到模具啟閉過程的緩沖要求， 以防止損壞模具和制件，避免機(jī)器受到 強(qiáng)烈的振動(dòng)和產(chǎn)生撞擊噪聲。此外，為了滿足模具安裝和制品取出時(shí)空間位置的 要求，合模裝置還必須對(duì)動(dòng)模板的移動(dòng)位置有精確要求。綜上所述，合模裝置主要對(duì)合模力、速度、位置三方面的控制提出要求。 除 此之外，還需要有完善的模具保護(hù)措施。 通常注射用的模具精密且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，如 果模具內(nèi)留有制品或者殘留物，或者在使用嵌件時(shí)嵌件的位置沒有正確放置， 模 具按設(shè)定合模的話，會(huì)使模具受到損傷。低壓試合模是在液壓式注射機(jī)上普遍應(yīng) 用的模具保護(hù)方法，它將動(dòng)模板靠近定模的最后階段使用低壓， 確認(rèn)動(dòng)模和

15、定模 無障礙物時(shí)（以模板達(dá)到某個(gè)行程位置為判斷依據(jù)），再增大液壓壓力達(dá)到所需 的鎖模力。而在全電動(dòng)注射機(jī)中，模具保護(hù)是通過在臨近定模的位置設(shè)定一個(gè)檢 測(cè)區(qū)間，電動(dòng)機(jī)以低速低轉(zhuǎn)矩推動(dòng)動(dòng)?？拷?， 同時(shí)檢測(cè)電動(dòng)機(jī)負(fù)載電流的變 化有否超限來確定有無障礙物。2.4注射壓力與注射速度的控制方法注射裝置在整個(gè)工藝過程流程中的工作過程如下：首先，射臺(tái)移動(dòng)電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)整個(gè)射臺(tái)向模具的方向運(yùn)動(dòng)，至噴嘴與模具的澆口接合，射臺(tái)移動(dòng)電動(dòng) 機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，射臺(tái)靜止。當(dāng)注射動(dòng)作開始時(shí)，射膠電動(dòng)機(jī)工作，注射螺桿向前移 動(dòng)，將積存在螺桿筒前端的熔料注射進(jìn)模腔中。保壓過程完成后，開始預(yù)塑化， 這時(shí)熔膠電動(dòng)機(jī)工作，使得注射螺桿

16、邊轉(zhuǎn)動(dòng)邊退回，螺桿在轉(zhuǎn)動(dòng)中的后退量決定 了在螺桿頭部積存的熔料量，當(dāng)螺桿退回到計(jì)量值時(shí)，熔膠結(jié)束。1.注射充模螺桿迅速向前運(yùn)動(dòng)將熔體經(jīng)過噴嘴注射到成形模具中。 熔體經(jīng)噴嘴射出的速 率對(duì)最終制品的分子排列及剩余應(yīng)力有很大的影響。由于在充模階段注射速度影 響剪切力和剪切速率進(jìn)而影響最終的產(chǎn)品質(zhì)量，故注射速度是充模階段的一個(gè) 重要參數(shù)，模腔中的壓力可由其控制。注射階段的控制可通過螺桿注射速度的控 制來進(jìn)行，分級(jí)注射可使熔體表面流動(dòng)速度近似為常數(shù)， 熔體流動(dòng)速度決定制品 的分子排列取向、內(nèi)部應(yīng)力。注射速率不當(dāng)會(huì)產(chǎn)生蛇形、表面光澤不良、燒焦、龜裂、熔接痕、溢料、飛 邊和欠注等成形缺陷。充模階段是注射成形

17、最重要和最復(fù)雜的階段，其重要性不僅在于在這一階段 得到制品的形狀和尺寸，而且還在于制品的外觀質(zhì)量和主要性能也在很大程度上 與這一階段的工藝選擇、控制是否得當(dāng)有關(guān)。由于熱塑性塑料熔體在注射成形條 件下的流動(dòng)多表現(xiàn)出非牛頓彈性體的特點(diǎn)，加之充模流動(dòng)過程又不可避免地伴隨 著熔體降溫，還有流道幾何形狀和尺寸的復(fù)雜多樣，從而給這一成形階段的分析 與控制增加了很多困難。2. 保壓階段精確地切換時(shí)間（充模-保壓）是保證制品質(zhì)量一致的重要參數(shù)。它依賴于 時(shí)間、位置、壓力和速度。該過程中的主要變量為：保壓壓力、塑料在模腔中 的量、熔體溫度。熔體溫度指加熱螺桿筒內(nèi)熔融材料的溫度，常以螺桿筒溫度代 表，但當(dāng)螺桿轉(zhuǎn)速

18、高時(shí)，由于摩擦剪切熱的增加，樹脂溫度會(huì)升高，有時(shí)甚至?xí)?超過螺桿筒溫度，因此設(shè)定時(shí)要考慮這些因素。保壓壓力決定了補(bǔ)縮位移的大小， 保壓壓力越大，萎縮越小。3. 塑化計(jì)量成形物料在注射機(jī)螺桿筒內(nèi)的塑料經(jīng)過加熱、壓實(shí)及混合等作用后，由松散的粉狀或粒狀固態(tài)轉(zhuǎn)變成連續(xù)的均化熔體的過程稱為塑化。塑料經(jīng)過塑化之后， 其熔體內(nèi)必須組分均勻、密度均勻、粘度均勻和溫度分布均勻。只有這樣，才能 保證塑料熔體在下一階段的注射充模過程中具有良好的流動(dòng)性（包括可擠壓性和可模塑性）、才能最終獲得高質(zhì)量的塑料制品。所謂計(jì)量是指能夠保證注射機(jī)通過螺桿或柱塞將塑化好的熔體定溫、定壓、 定量地輸出螺桿筒所進(jìn)行的準(zhǔn)備動(dòng)作。 隨著螺

19、桿的旋轉(zhuǎn)，塑料原料被推送到螺桿 筒的頂端。螺桿筒上的加熱器和由于摩擦產(chǎn)生的熱量對(duì)塑料原料進(jìn)行均勻的加 熱。高分子塑料原料逐漸在螺桿筒前端積累而產(chǎn)生壓力，該壓力足以使螺桿向 后移動(dòng)，或者說螺桿被向后推。熔膠結(jié)束時(shí)，熔融的塑料熔體已經(jīng)在螺桿筒中積 累起來。這個(gè)過程又稱為預(yù)塑過程或計(jì)量過程。螺桿后退的距離稱為預(yù)塑行程或計(jì)量行程，等于注射行程；計(jì)量容積等于注射容積。計(jì)量動(dòng)作的準(zhǔn)確性除了與螺桿筒及螺桿的幾何尺寸要素有關(guān)外，還與注射控制精度有關(guān)。在注射過程中，由于采用先進(jìn)的控制算法如磁場(chǎng)定向控制（FOC ）或直接轉(zhuǎn) 矩控制（DTC），使得電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩能保持在穩(wěn)定的狀態(tài)，從而能克服因螺 桿筒里熔體分布不

20、均等因素而造成螺桿在注射過程中的抖動(dòng)問題。由于全數(shù)字伺服控制能到達(dá)到很高的精密性，因此，不論是注射過程中注射與保壓階段的切換還是塑化過程中對(duì)熔料的計(jì)量都能實(shí)現(xiàn)精確的控制，因而制品的成形具有很高的穩(wěn)定性。在很多文獻(xiàn)中表明，在注射階段采用分級(jí)注射的方法能消除溢料、 飛邊等多 種缺陷，在傳統(tǒng)的液壓型注射機(jī)中，雖然也可以設(shè)定分級(jí)的注射參數(shù)， 但是由于 液壓控制過程的響應(yīng)較慢，控制精度較低，因而很難真正達(dá)到分級(jí)注射所設(shè)定的 要求。在電動(dòng)注射機(jī)中，由于數(shù)字伺服控制技術(shù)的引入， 采用全數(shù)字的閉環(huán)速度 和位置的反饋控制能確保注射過程在每一階段嚴(yán)格按照所設(shè)定的注射參數(shù)進(jìn)行 運(yùn)行，從而進(jìn)一步使得成形制品具有優(yōu)異的

21、性能。4.智能曲線跟蹤由于電動(dòng)注射機(jī)具有控制精度高，穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，在電動(dòng)注射機(jī)注射階段 的控制中出現(xiàn)了一種智能曲線跟蹤控制， 如圖4所示。這種智能曲線跟蹤控制方 法是從注射開始到保壓完成的全區(qū)間內(nèi)，把優(yōu)質(zhì)制品成形時(shí)得到的壓力波形作為 目標(biāo)，把外部干擾信號(hào)放入控制系統(tǒng)環(huán)節(jié)中， 通過壓力波形編輯和自控來跟隨這 個(gè)目標(biāo)壓力波形，從而抑制注射壓力波形的變動(dòng)，保持自適應(yīng)注射成形波形穩(wěn)定。(a)傳統(tǒng)控制方式(b)智能壓力曲線跟蹤控制圖4一種注射曲線智能跟蹤控制的電動(dòng)注射機(jī)智能曲線跟蹤原理如下：在一般的注射過程控制時(shí)采用速度和保壓切換方 式，在速度切換和射出速度控制的條件下，樹脂的壓力是對(duì)應(yīng)于注射速度的流

22、 動(dòng)阻力值，不是直接的控制對(duì)象。而且在成形時(shí)由于金屬模具溫度、樹脂的粘度、 模具內(nèi)部封閉空間和流道比較復(fù)雜等原因， 樹脂填充的流動(dòng)阻力變化很大，相應(yīng)的壓力波形變化也很大，把樹脂壓力變化連續(xù)地記錄從而得到壓力波形的變動(dòng)， 通過視覺來判斷實(shí)際成形壓力波形對(duì)成形狀態(tài)穩(wěn)定性的影響，實(shí)際上壓力波形的 變動(dòng)幅度和成形穩(wěn)定性之間一般有很強(qiáng)的相關(guān)性， 人工智能壓力曲線跟蹤控制就 是基于這種事實(shí)，直接控制壓力波形，嘗試獲得穩(wěn)定的成形。在注射精密成形領(lǐng)域中，壓力控制也是非常重要的環(huán)節(jié)，壓力控制不僅受摩 擦等外圍因素的影響，而且在保壓時(shí)，樹脂的冷卻、收縮也會(huì)導(dǎo)致壓力發(fā)生變化。在注射成形過程中，壓力對(duì)成形制品有著重要

23、的影響。 因此，位置控制和速 度控制都在很完善的伺服控制系統(tǒng)上附加必要的壓力控制，才能最大限度地獲 得優(yōu)質(zhì)的制品性能。采用基于速度環(huán)節(jié)切換壓力閉環(huán)控制是目前電動(dòng)式注射機(jī) 控制中的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。壓力智能追隨控制，人工智能（AI）在電動(dòng)伺服式注射機(jī)上應(yīng)用主要是消除 由于機(jī)械的因素和外部干擾問題對(duì)制品精度的影響。導(dǎo)入AI控制，調(diào)測(cè)環(huán)境的變化規(guī)律并能自控，實(shí)現(xiàn)智能控制。其中比較有效的方法有AI壓力波形跟隨控制和閉環(huán)增益跟蹤控制。如圖5所示為法那克公司電動(dòng)注射機(jī)人工智能壓力控制 曲線，是從注射到保壓全過程的壓力跟蹤控制曲線。圖5法那克公司電動(dòng)注射機(jī)人工智能壓力控制曲線增益跟蹤控制是基于塑料樹脂注入模具三

24、個(gè)階段的過程，在注射絲杠安裝壓 力傳感器測(cè)量注射壓力曲線，絲杠的壓力實(shí)現(xiàn)閉環(huán)伺服跟隨曲線控制，用伺服 跟隨閉環(huán)增益放大就能實(shí)現(xiàn)控制性能穩(wěn)定。在注射機(jī)射出裝置中螺桿移動(dòng)速度大,對(duì)應(yīng)于如圖6所示注入金屬模具過程中樹脂的流動(dòng)狀態(tài)， 加在射出用的伺服 電動(dòng)機(jī)上的負(fù)荷是變動(dòng)的?？疾烊廴跇渲⑷虢饘倌＞呷齻€(gè)階段，根據(jù)不同特點(diǎn), 需要對(duì)增益進(jìn)行跟蹤控制。圖中A階段是把熔融樹脂快速注入金屬模具的過程，比 B、C階段速度快, 并且一邊改變速度一邊往前運(yùn)動(dòng)。當(dāng)樹脂流動(dòng)途經(jīng)路徑形狀復(fù)雜，特別是當(dāng)穿過 狹小的縫隙部分時(shí)，負(fù)荷的變動(dòng)會(huì)很大。因此，在 A階段增益較大并且需要?jiǎng)?態(tài)調(diào)整。B階段出現(xiàn)在樹脂填充接近尾聲時(shí)，射出

25、絲桿負(fù)荷急劇增大，同時(shí)射出速度 急劇減小，這種減速如果不正常進(jìn)行，在壓力波形上就會(huì)發(fā)生被稱為尖峰壓力值 的現(xiàn)象，制品就會(huì)產(chǎn)生條痕等成形不良現(xiàn)象。 因此，在這個(gè)階段為了抑制射出速 度，必須有合適的增益。圖6樹脂流入狀態(tài)變化C階段是樹脂填充完畢后的保壓過程， 注射電動(dòng)機(jī)需要高的負(fù)荷。但是運(yùn)動(dòng) 速度很低，所以用比較小的增益就能夠穩(wěn)定控制。 由此時(shí)見，在控制過程中必須 根據(jù)注射電動(dòng)機(jī)的狀態(tài)來分辨 A、B、C各個(gè)階段，以實(shí)驗(yàn)方法求得 C階段的增 益為基礎(chǔ)來計(jì)算A階段和B階段的增益值，通過閉環(huán)增益跟蹤調(diào)整使注射成形 全過程的控制更加穩(wěn)定、精確。5.注射速度控制響應(yīng)小型圓片之類的薄壁制品，其注射速度要求極高

26、，與此相反透鏡與棱鏡之類 的厚壁制品則要求極低的注射速度， 而且要能進(jìn)行微量控制。因此希望注射機(jī)的 注射速度的控制范圍盡可能寬。液壓式注射機(jī)通過采用蓄能器技術(shù)可以產(chǎn)生較高的注射速度，而對(duì)于低注射速度區(qū)域，由于液壓閥和蓄能器的動(dòng)作特性之故，必然受到一定的限制，不可能 產(chǎn)生很低的注射速度。伺服電動(dòng)機(jī)的速度控制特性一般是比較好的。速度可以從極低到極高范圍加以控制。例如，法那克公司的AUTOSHO50B（500kN）型，速度 范圍為0.3285mm/s,高低相差近1000倍。對(duì)于電動(dòng)式注射機(jī)的注射速度問題，日本住友重機(jī)械工業(yè)的電動(dòng)式注射機(jī)SE150型（1500kN）最大注射速度300mm/s,液壓式注

27、射機(jī) SG150型（l500kN） 帶有蓄能器最大注射速度300mm/s。從上述數(shù)據(jù)可以看出，伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的注射機(jī)可以獲得與裝有蓄能器的液 壓式注射機(jī)同樣高的注射速度。然而，可以認(rèn)為電動(dòng)式注射機(jī)的優(yōu)點(diǎn)之一，與其說是高速性還不如說是速 度范圍寬，特別是低速之下易于控制。如圖7所示是液壓式注射機(jī)液壓伺服系統(tǒng)與電動(dòng)式注射機(jī)電氣伺服系統(tǒng)的 對(duì)比。從圖中可以看出電氣伺服系統(tǒng)中的伺服電動(dòng)機(jī)，相當(dāng)于液壓傳動(dòng)裝置中的動(dòng)力源油泵，同時(shí)又直接起著液壓伺服閥和執(zhí)行元件（油缸）的作用，所以其響 應(yīng)速度快，精度也高。（a）液壓伺服系統(tǒng)（b）電氣伺服系統(tǒng)圖7液壓伺服系統(tǒng)與電氣伺服系統(tǒng)比較一般來說，注射機(jī)的注射壓力和注射

28、速度的上升時(shí)間短是十分重要的，特別是在小型制品、短注射行程的場(chǎng)合，若響應(yīng)特性差，在達(dá)到設(shè)定速度之前注射動(dòng) 作就已停止，那么速度控制就不能完成本身的功能。而且，如果加速時(shí)和減速時(shí) 響應(yīng)特性都差的話，那么注射程序控制指令，與實(shí)際值就會(huì)不一致。因此，在高速和低速的整個(gè)速度范圍，具有高響應(yīng)特性十分關(guān)鍵。同時(shí)，從高速向低速盡可能的平滑轉(zhuǎn)換，且能在短時(shí)間內(nèi)完成也是十分關(guān)鍵的。這個(gè)問題，為在注射動(dòng)作結(jié)束向保壓切換時(shí)，完成平穩(wěn)的V-p切換控制，防止過充填，進(jìn)行穩(wěn)定的保壓是十分重要的。 在早期的電動(dòng)式注射機(jī)中，上述這一問題難以實(shí)現(xiàn)，最近已得到明顯改善，如圖8所示吋間注時(shí)速哽控制范FH注射-探壓也撫點(diǎn)注肘匚序汁-

29、砌換劇棵壓工序注躬疋力料制趙訊I保壓前壓力圖8即將保壓之前注射速度劇減（V-p切換控制）由于電動(dòng)式注射機(jī)伺服電動(dòng)機(jī)的特性，注射壓力的上升速度比液壓式快數(shù) 倍。但是與液壓式注射機(jī)相比，電動(dòng)式注射機(jī)的注射速度的上升速度要差一些。 要使注射速度的上升速度加快，何服電動(dòng)機(jī)和滾珠絲杠等部件都存在著慣性問 題，所以各個(gè)公司都在進(jìn)行多方面努力， 開發(fā)慣性小的伺服電動(dòng)機(jī)，并采用滾柱 絲桿以減小慣性。如圖9所示為法那克公司提供的資料，在全電動(dòng)式注射機(jī)和液 壓式注射機(jī)上安裝同一套模具，通過壓力傳感器測(cè)定模腔壓力，比較兩種注射機(jī) 注射時(shí)模腔壓力的變化。比較結(jié)果表明，即使全電動(dòng)式注射機(jī)和液壓式注射機(jī)的 設(shè)定值相同，但

30、從模腔壓力的建立來看，全電動(dòng)式注射機(jī)的壓力響應(yīng)要快。時(shí)間圖9電動(dòng)式注射機(jī)與液壓式注射機(jī)壓力傳遞特性的對(duì)比但是響應(yīng)特性高未必能得到好的效果， 因?yàn)轫憫?yīng)特性過于敏感，對(duì)外界阻抗 響應(yīng)過快，會(huì)使模具過早承受高壓而損壞，所以工藝條件設(shè)定時(shí)需要對(duì)此充分注 意、。有關(guān)電動(dòng)式注射機(jī)注射壓力響應(yīng)特性的討論， 一般集中在注射壓力的緩沖效 果方面。用料是典型的粘彈性物質(zhì)，而采用施加注射成形壓力的液壓裝置的傳動(dòng) 中的液壓油也是粘彈性物質(zhì)。因此可以認(rèn)為，在保壓階段即使設(shè)定同樣的保壓條 件（壓力大小和保壓時(shí)間），電動(dòng)式與液壓式兩種注射裝置施加在加熱螺桿簡(jiǎn)內(nèi) 的物料的實(shí)際壓力也是不同的。 亦即，電動(dòng)式的注射壓力迅速增加，

31、可以說是硬 態(tài)加壓。與此不同的是，液壓式注射裝置由于成形物料和液壓油在加壓的同時(shí)都稍有 壓縮，所以成形物料緩慢地受壓成形，與電動(dòng)式相比，其施加的壓力容易均勻一 致。由此可知，液壓式注射裝置所具布的壓力“不清晰現(xiàn)象”對(duì)制品的質(zhì)量會(huì) 帶來良好的影響。2.5鎖模壓力控制方法合模裝置又稱為鎖模裝置。它是保證成形模具可靠的閉合和實(shí)現(xiàn)模具啟閉動(dòng) 作，即成形制件的工作部件。合模裝置的結(jié)構(gòu)一般由以下部分組成：模具、前模板、動(dòng)模板、后模板、拉 桿、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等組成。傳統(tǒng)的合模裝置按工作原理可分為兩類：直壓式和肘桿式。 它們的主要區(qū)別在于移模油缸與動(dòng)模板的連接上，直壓式為油缸與動(dòng)模板直接連 接，肘桿式為油缸經(jīng)過肘桿

32、機(jī)構(gòu)與模板連接。在電動(dòng)注射機(jī)中，因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)取代了原有的液壓油缸， 為了達(dá)到將電動(dòng)機(jī)輸 出的轉(zhuǎn)動(dòng)作用轉(zhuǎn)換為動(dòng)模板的直線運(yùn)動(dòng)，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中用移模絲杠替代了原有的 移模油缸。它是利用螺紋具有行程升角，能將轉(zhuǎn)動(dòng)變換為直線運(yùn)動(dòng)的原理來實(shí)現(xiàn) 運(yùn)動(dòng)形式的轉(zhuǎn)換。由于合模機(jī)構(gòu)在原理上并沒有本質(zhì)的改變，因此，電動(dòng)注射機(jī)也可以類似劃分為直壓式和肘桿式兩大類。 肘桿式具有增力（力矩放大）的作用。 肘桿式合模機(jī)構(gòu)又可以分為單曲肘式和雙曲肘式。前者主要用于合模力在 1000kN以下的小型機(jī)器上，后者則用于較大型的機(jī)器。其工作原理如下：當(dāng)電動(dòng)機(jī)正向轉(zhuǎn)功時(shí)，移模絲杠帶動(dòng)肘桿機(jī)構(gòu)推動(dòng)模板向前運(yùn)動(dòng)。當(dāng)模具的分型面接 觸時(shí)，肘桿機(jī)

33、構(gòu)尚未形成一線排列，動(dòng)模板受到變形阻力的作用。此時(shí)電動(dòng)機(jī)的 轉(zhuǎn)速降低，扭矩增大，使作用在移模絲杠上的作用力不斷增加， 直至足以克服變 形阻力，使肘桿成為一線排列。合模機(jī)構(gòu)發(fā)生的彈性變形對(duì)模具實(shí)現(xiàn)了預(yù)緊， 該 預(yù)緊力即為合模力。在開模時(shí)，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，在移模絲杠力的作用下，肘桿的一 線排列被破壞，動(dòng)模板被迫與定模板分離并退回合模前的初始位置，從而實(shí)現(xiàn)開模。電動(dòng)注射機(jī)對(duì)模具保護(hù)性能的改善， 在注射成形獲得制品的過程中，離不開 模具的使用。通常注射用的模具都比較精密，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，價(jià)格也相當(dāng)高。更主 要的是模具的好壞直接影響到制品的質(zhì)量。因此，在成形過程中對(duì)模具的保護(hù)是 一個(gè)非常重要的問題。通常情況下，

34、當(dāng)模具內(nèi)留有制品或殘余物，或者在使用嵌件時(shí)嵌件的位置未 能正確放置時(shí)，模具按設(shè)定的要求進(jìn)行合模過程， 會(huì)使模具受到損傷。目前應(yīng)用 于模具保護(hù)的主要是采用低壓試合模的方法。低壓試合模是在液壓型注射機(jī)中常用的模具保護(hù)方法。它將合模過程分為三級(jí)：慢（低壓）、快（低壓），在移模將要閉合前確認(rèn)動(dòng)模與定模無障礙物時(shí)， 再增大液壓壓力達(dá)到所需的鎖模力，此時(shí)為第三級(jí)即慢（高壓）。2.6直流電動(dòng)機(jī)中的限流保護(hù)通常電動(dòng)注射機(jī)的鎖模絲杠被頻繁地鎖模和開模， 絲桿在鎖模受力情況下出 現(xiàn)絲桿摩擦燒壞。在電動(dòng)注射機(jī)中，采用一種叫“直流電動(dòng)機(jī)中的限流保護(hù)（電 流截止負(fù)反饋）”控制方法，該方法有效地減輕注射機(jī)絲桿燒壞現(xiàn)象。下

35、面用直流電動(dòng)機(jī)負(fù)載特性曲線，如何根據(jù)上面提到的結(jié)論通過電動(dòng)機(jī)電 流的檢測(cè)控制實(shí)現(xiàn)對(duì)頂出機(jī)構(gòu)的控制進(jìn)行分析。在此之前，需要先了解一下在直流電動(dòng)機(jī)中是如何實(shí)現(xiàn)在運(yùn)行過程中當(dāng)負(fù)載突然發(fā)生過載時(shí)對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行保護(hù) 的。在常見直流調(diào)速系統(tǒng)中，為了解決反饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的啟動(dòng)和堵轉(zhuǎn)時(shí)電流過 大的問題，通常采用限流保護(hù)的方法。根據(jù)反饋原理，要維持哪一個(gè)物理量基本 不變，就應(yīng)該引入該物理量的負(fù)反饋。因此，引人電流負(fù)反饋能夠維持電流基本 不變，使它不超過某一允許的范圍，但是，這一作用只應(yīng)在啟動(dòng)和堵轉(zhuǎn)時(shí)存在， 在正常運(yùn)行時(shí)又得以取消， 使靜特性保持較好的硬度， 這樣，當(dāng)電動(dòng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)， 一旦電流超過某一規(guī)定值時(shí)， 電流負(fù)反饋即投入運(yùn)行， 使靜特性急劇地 “軟化”。 即隨著電流的增加， 電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速不斷下降， 當(dāng)電流增加到某一數(shù)值 （堵轉(zhuǎn)電流） 時(shí)，電動(dòng)機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。 這種當(dāng)電流增加到一定程度時(shí)出現(xiàn)的電流負(fù)反饋稱為電流 截止負(fù)反饋。這種采用電流負(fù)反饋的方法可以在超載的情況下對(duì)電動(dòng)機(jī)起到保護(hù)作用， 同 樣，在電動(dòng)注射機(jī)的新型頂出控制或前面提到的智能模具保護(hù)中也可采用類似的 原理來對(duì)電動(dòng)機(jī)、 執(zhí)行機(jī)構(gòu)和制品起到保護(hù)作用。 當(dāng)頂出過程或合模過程