我國注塑機控制技術及進展趨勢

 塑料注射成型機，簡稱注塑機，是我國產量和應用量zui大的塑料機品種。 我國自行生產的*臺注塑機誕生于20世紀50年代后期，經過50多年的發展，目前已能生產大部分機種。盡管如此，我們的技術水平與*國家相比還是有著不小的差距。正如我國的塑機專家王興天（北京化工大學教授）所說，塑機是整個塑料產業中zui能體現核心技術價值的領域，但在這個領域，我們幾乎不擁有重要的核心技術。

注塑機的控制技術是提升注塑機整體技術水平的關鍵技術之一。注塑機的控制技術歷經了繼電器、接觸器控制及可編程序控制器控制和計算機控制的發展過程。注塑機由于使用了計算機控制技術，使智能控制注塑工藝過程各參數達到*成為可能，同時控制方式也發生了從開環到閉環的轉變。 

一、注塑過程的控制變量 

從目前的技術發展水平來看，注塑機的過程控制主要是通過對注塑過程的可控工藝參數進行控制。 
注塑機的可控變量有兩種，一類是基本以模擬量形式的輸入變量，如料筒各段溫度、聚合物熔體溫度、螺桿溫度、模具溫度、注射系統壓力、螺桿轉速等；另一類是數字量形式的輸入變量，如螺桿后退停止位置、注射座前后位置、模板向前和向后運動以及超行程等。根據這些輸入變量，我們可以進行對注塑參數和溫度的控制。 

1、注塑參數的控制 

注塑參數的控制主要有對注射速度與注射壓力的控制、PVT保壓過程控制、緩沖量控制、背壓控制等。 注射速度是指螺桿向前推進的速度，其速度快慢會影響到注射壓力、熔體流率等參數，并直接影響到制品質量。對注射速度的控制包含兩種含義：一個是對螺桿（或柱塞）推進物料的速度進行開環或閉環控制。另一個是對螺桿推進速度同時進行位置和速度值的多級切換，稱為多級注射速度切換或控制。 

對于注射壓力的控制，傳統注塑機一般基于行程和時間來進行壓力切換，其控制也包含兩層含義：一個是對螺桿推進物料的壓力進行開環或閉環控制。另一個是對螺桿推進壓力同時進行位置和壓力值的多級切換，稱為多級注射壓力切換或控制。傳統注塑機的這種從注射壓力到保壓壓力采用位置切換，而到保壓階段就從位置切換轉入用時間切換多級保壓壓力的控制方法，其精度和穩定性都較差。*注塑機的注射壓力控制是依靠檢測模腔壓力來實現壓力切換的，即通過一個預先設定的程序來控制。也就是切換點的壓力值先存儲在控制系統中，其后轉換成邏輯控制信號，如果模腔中的壓力與設定值相同，則立即切換到保壓控制。 

現代注塑機的保壓控制采用精度和穩定性較高的PVT保壓控制，即先用壓力和溫度傳感器對模腔壓力和模腔溫度及噴嘴處的物料溫度進行檢測，并作為反饋信號輸入給控制裝置進行“PVT”（T—模腔中物料的溫度，V—比容，P—模腔壓力）邏輯運算，再發出指令對比例壓力電磁閥進行比例調節，從而使注射與保壓時的系統油壓能按PVT特性曲線的指令變化。模內熔體的溫度是時間的函數，該溫度是通過傳感器進行連續地檢測來獲得的。 

緩沖量控制是對螺桿頭部余料的控制，它起著緩沖與控制注塑量精度的作用。它是通過位移傳感器對螺桿位置的檢測，并根據前次螺桿位置檢測的記憶信號進行運算后而獲得下次螺桿位置的設定值來實現控制的。

螺桿在預塑時，計量室中熔體的壓強稱為背壓。背壓控制是為了減少軸向溫差，有利于熔體壓實。它是通過預選油壓的多級控制來實現的。當螺桿預塑時，其在物料的作用下要后退，這就會使注射油缸腔的回油經過背壓閥流回油箱，因此通過調整背壓閥在螺桿不同位置時的泄油壓力可調節螺桿頭部熔體的壓力（剪切熱），從而使其軸向溫差得到調節。 

2、溫度控制 

溫度控制主要包括對料筒溫度、料口處溫度、噴嘴溫度、模具溫度、油溫進行控制。

料筒溫度就是料筒表面的加熱溫度。料筒的溫度控制是注塑工藝的重要參數，溫度控制不好將直接影響到制品的質量。注射料筒的加熱段一般分3~4段，通過一次儀表（熱電偶）和二次儀表對加熱電阻圈的控制與調節而形成閉環控制回路。

料口處的溫度控制直接影響到固體料的摩擦系數和輸送效率，良好的溫控能使料筒其他部分物料的溫度得到更加穩定地控制。此溫度是用熱電偶檢測并通過PDPI控制循環冷卻水流實現控制的。 

噴嘴溫度控制的好壞不僅會影響到注塑過程能否穩定工作，而且直接影響著高溫熔體通過噴嘴時的剪切熱和剪切流動。噴嘴溫度的控制是通過熱電偶來完成的。 

模具溫度是指與制品相接觸的模腔表面溫度，它會影響充模、冷卻和保壓過程。模具溫度的控制也是通過熱電偶來完成的。

注塑機的油溫是指液壓系統工作油的溫度，它對液壓系統的穩定性及注塑制品質量有著重要的影響，因而在注塑機系統中必須配有油溫控制裝置，通過溫度傳感器的檢測來實現系統對油溫的加熱和冷卻控制。
二、我國注塑機控制技術的進展 

1、傳統控制方式 

傳統的注塑機一般采用簡單的繼電器、接觸器控制，控制方式多為開環控制，即按照預先的設定值進行控制（預先設定好各參數值，由機器在生產過程中加以保持）。這種控制方法結構簡單，但抗*力差，控制精度低。

2、可編程序控制器控制方式 

20世紀60年代末發展起來的可編程序控制器（PLC）是一種較好的控制裝置，它由*處理單元（CPU）、輸入輸出（I/O）、存貯器、編程器等組成。控制程序由用戶輸入到存貯器中， CPU以掃描工作方式按照程序判斷輸出狀態，來實施對現場設備的控制。

我國對PLC控制裝置來實施在注塑機中的應用大多是從對傳統控制系統的改造開始，目前國內的注塑機大部分采用PLC控制系統。采用PLC控制可以實現注塑機的自動化控制與調節，注射成型過程的工藝參數控制也能夠得到基本保證。PLC控制主要是利用位移傳感器等進行動作程序和過程程序的切換，并能夠實現比例壓力和比例流量控制。同時可以進行開關量邏輯控制，也可以兼有模擬量（如溫度、壓力、流量、轉速等）的閉環控制。借助鍵盤和液晶或數碼顯示，可設定或修改工藝過程參數，并設有預警系統和故障顯示指示燈以監測生產過程，從而大大提高了整機性能。

由于PLC控制方式可使注塑機實現閉環控制，即按照在線測量值與設定值的偏差通過負反饋回路進行控制，因此當注射速度、注射壓力、模腔溫度、模腔壓力、熔體溫度和油壓等參數在生產過程中因干擾出現偏差時，機器可通過自適應控制系統針對干擾自動進行修正。從而使PLC控制方式較傳統方式的抗*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，如它的抗干擾性、可靠性和溫度控制精度在有些時候還顯得不夠理想。對此，華南理工大學聚合物新型成型裝備國家工程研究中心瞿金平教授等人采用了新型的PLC裝置，即貝加萊可編程計算機控制器（PCC），使液壓機械式大型注塑機得到成功的升級。這是我國注塑機控制系統開發的一種新思路。 

3、計算機控制方式 

采用計算機進行控制是更為的控制方法，這是注塑機控制系統的發展趨勢。

目前微機控制系統主要有單機系統和多機系統兩大類型。單機系統采用單板結構可將信息的采集、轉換和處理融為一體，其結構由A/D、D/A、數字1/0以及比例放大器或外加比例放大器構成。北京科技大學潘誠等人開發的一款結合了實現注塑機油壓系統的閉環控制卡和與之配套的上位機監控軟件的系統就屬于這種單機系統，該系統在震雄集團（深圳）有限公司已投入試用，效果良好；多機系統則采用多處理機結構和大板式設計，可將功能進行分配，由若干CPU獨立完成相應的工作，如其中的一個CPU專門用于協調和傳輸有關指令，并經過并行口和串行口傳輸數據。這兩類控制器的結構各有特點，基本能夠滿足不同層次的需求。

值得一提的是，陜西科技大學徐元昌等人開發出了一個用于多臺注塑機控制的群控系統方案，用PC機作為上位機并用其串行通訊口與下位機8098通訊控制注塑機，從而實現了主機指揮監督從屬機的功能。為便于操作，該系統還使用了PC機操作界面作為人機接口，從而實現了注塑機的順序動作和溫度、速度、壓力等工藝參數的自動化控制。

三、注塑機控制技術發展趨勢 

目前世界發達國家的注塑機控制技術比較*、成熟，其特點是普遍采用實時閉環控制和CRT或LCD顯示屏的過程監控，并通過多重處理將盡可能多的處理工作分配給外圍裝置完成，以提高注塑機內的通訊能力，減輕主控部分負荷。這在一定程度上代表了注塑機控制技術的未來走向。 

展望未來，相信隨著控制技術的不斷發展與完善，將使注塑機朝著自動化、節能化、智能化、無人化等方向發展。如采用計算機數字化控制和程序化控制，使注塑機具有自動控制、自動診斷、自動調節、自動補償功能；控制系統實行模塊化、集成化；采用成組技術，實施多臺注塑機的群控。