中空吹塑成型型坯壁厚控制的研究

位移传感器 1 与位移传感器 2 选用意大利 GEF RAN 公司 LT 系列, 型号 : LTH 300P, 有效行程 300 mm, 对应输出 0~ 10 V。 P ID 选用专用硬件模块 G4F P I DA, 可同时实现 8 路 P ID 自动控制。 触摸屏选用台湾罗升 PW S3260 FSTN, 0 26 m 单 色 , 带打印口及配方功能。
第 38 卷第 9 期 2010 年 9 月
塑料工业 CH I NA PLA ST ICS I NDU STRY
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中空吹塑成型型坯壁厚控制的研究
曾劲松 , 曾先锋
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( 1. 安徽机电职业技术学院 , 安徽 芜湖 241000 ; 2. 武汉大学电气工程学院 , 湖北 武汉 430074) 摘要 : 简要阐述了中空吹塑 成型型坯壁厚控制的原理及其技术与现状 ; 并对型坯壁厚控制系统的总 体结构、系统 各部分之间的通信关系以及控制 方案进行了研究 ; 阐述了该系统的特点和优势。最后总结说明了该壁厚控制 系统具有 良好工程应用和市场推 广价值。 关键词 : 中空吹塑成型 ; 壁厚控制 ; 控制系统 ; 可编程 逻辑控制器 中图分类号 : TQ 320 66+ 4 文献标识码 : B 文章编号 : 1005- 5770 ( 2010) 09- 0049- 04
作者简介 : 曾劲松 , 男 , 1970 年生 , 硕士研究生 , 讲师 , 工程师 , 主要从事自动控制 与机电一体 化系统方 向的教学与 研究。 ahjdzjs@ 126 co m
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料
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小得出相应的电信号反馈给壁厚控制器, 控制器则通 过比较给定信号与反馈信号的大小来确定调节方式和 调节量的大小, 以确保系统按要求工作, 这就构成了 闭环壁厚控制系统。大型塑料中空成型机液压控制系 统的核心是壁厚控制。 1 2 型坯壁厚控制技术现状 型坯壁厚控制技术是中空吹塑成型的关键技术之 一 , 其作用在大型工业件和精密吹塑件的成型方面尤 其 显 著。 型 坯 壁 厚 控 制 分 为 轴 向 壁 厚 控 制 技 术 ( AW DS) 和径向壁厚控制技术 ( PWDS) 两种形式, 本文研究的重点是轴向壁厚控制技术。 作为中空成型机的核心技术之一的型坯壁厚自动 闭环控制技术一 直被美 国的穆 格 ( MOOG ) 和 Bar ber Co l m an 、奥地利的贝加 莱 ( B&R ) 、德国的 西门 子等少数几家公司垄断, 其核心技术都被层层加密, 国内厂商只能被动使用, 而且进口该系统价格昂贵。 国产机型绝大多数不具有型坯自动闭环控制功能, 少 数机型虽配有简单型坯壁厚控制器, 但使用效果不是 很理想。因此 , 国内研发新型 壁厚控制器是 十分必 要的。
( 1) PLC 资源分配。分 析系统的 工艺过程 , 确 定该系统的 PLC 输入、输出 口分配; 在 PLC 的 I/O 定义完成后, 将 PLC 内部资源 (中间继电器、时间 继电器、计数器、数据存取器等 ) 根据各功 能模块 程序分配定义。 ( 2) 模块化程 序。根据系统 的工艺过程、控制 要求分析, 按照 PLC 模块化程序设计 思想设计梯形 图程序的模块图。系统分为 6种程序模块 : 手动操作 程序模块、半自动全自动程序模块、 D /A、 A /D 数据 转换程序模块、报警程序模块、人机信息交流程序模 块、伺服系统程序模块等。 3 2 触摸屏设计 触摸屏因其图形直观清晰 , 动画效果逼真 , 操作
Abstract : The princ ip le , techno lo gy and statu s o f wa ll th ickness control o f parison by ho llow blow m o ld ing w as introduced , the overa ll structure , comm un ication relation betw een each com ponent and contro l strate gy o f the system w as discussed . The character is tics and advan tages of the system w ere represented . In the end , th e good eng in eerin g app lication and m arket value of the w all th ickness contro l system w ere summ arized . K eyw ord s : H o llow P la st ic B low ing M o ld in g ; W all Th ickness Contro ; l Contro l Syste m; P rogramm able L og ic Contro ller 塑料容器的成型方法很多 , 通常有中空 吹塑成 型、注射成型、滚塑成型、压缩成型、热挤冷压成型 等。由于中空吹塑成型制品具有整体性强、综合性能 好、附加值高、成本低、适应性广、成型周期短等优 点 , 而且可以代替注射成型制品、热成型制品及金属 制品, 使中空吹 塑成型成为目前 发展最快、使用最 广、产量最大的塑料成型方法之一。 中空成型制品因其强度要求规定了最小壁厚, 型 坯壁厚太薄可能造成在吹胀过程中型坯被吹破或者造 成制品强度不足 ; 型坯过厚会则使制品过重并造成不 必要的原料浪费 , 增加了生产成本。因此 , 型坯壁厚 控制成为提高中空成型产品质量的一个重要手段, 也 成为关系产品质量的关键技术之一。 在中空吹塑成型过程中, 导致型坯壁厚变化、厚 薄不均的因素很多。比如 , 原材料特性、挤出温度和 挤出流量随时间呈非线性变化 ; 型坯本身自重的影响 将变得上薄下厚 , 出 现 下坠 现象; 塑料 型胚中 空流率与控制点的时间一起影响控制点的位置 ; 壁厚 曲线的设置 ; 与壁厚控制配套的传感器和油阀等等。 可见, 中空吹塑成型型坯壁厚不容易控制。因此, 研 究高效、实用、性价比高的壁 厚控制系统是 十分必 要的。
2 系统总体结构及配置
2 1 壁厚控制系统的总体结构 本壁厚控制系统的总体结构如图 1 。
3 系统软件控制方案
软件部分是整个中空吹塑成型型胚壁厚控制系统 的重要组成部 分, 它主要包括 PLC 程序设计、触摸 屏设计、壁厚控制图形软件设计和电液伺服软件设计 等几个部分。 3 1 PLC 程序设计 首先全面分析系统的工艺 过程及其具体 控制要 求 , 设计控制系统的程序流程图。由于系统要求有手 动操作和自动控制的选择 , 故系统开始运行时 , 首先 判断是自动还是手动操作 , 并进行相应的处理 , 写出 整个控制系统的程序流程图。
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曾劲松 : 中空吹塑成型型坯壁厚控制的研究
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简单、灵活 , 当前应用十分广泛。利用触摸屏组态可 以实现对系统运行状态的监控操 作、参数设 定等功 能。触摸屏的设计必须依据系统的工艺过程及控制要 求 , 其设计过程简述如下 : 首先设计主监控画面。利用工控软件内部提供的 图形库来模拟系统中各个动作部件的图形 , 在所建项 目中新建一画面 , 在画面上建立各个运动部件的动态 图形, 通过 PLC 内部软元件触发相应动态图 形, 以 实现机器模拟仿真。通过添加指示灯及相应切换控件 等的图形对象, 使其图形、颜色、显示数据组合在一 起 , 形成直观且符合视觉习惯的图形。然后定义工控 软件内部的 I /O 变量 , 给每个变量定义属性, 通过变 量地址与 PLC 的过程变量建立连接 , 并将变量关联 到相应图形对象 , 建立动画连接, 使中空吹塑成型型 胚壁厚控制的工作过程及实时状况以动画的形式反映 在屏幕上, 方便操作员进行监控和操作。 接着, 按同样的方法完成其他画面的设计 , 包括 时间参数设置画面、登录画面、主菜单画面等。每个 画面有数个自定义软键, 运行时只要按下相应的功能 键便可显示对应画面。此外, 还对系统设置了访问权 限及管理员登录密码 , 只有系统管理员及授权的高级 工程技术人员才能登录系统进行监控与参数 设定等 操作。 3 3 壁厚控制图形软件设计 壁厚曲线图形软件设计的主要算法是插值法, 常 用的插值方法有线性插值和拉格朗日一元三点插值及 样条插值法。壁厚控制要求壁厚图形各设定点间连续 可导, 否则在轴向壁厚分布上型坯将出现环纹 , 在径 向壁厚分布上将出现轴向条纹。由于线性插值算法简 单明确 , 整体计 算量少, 对于 两端点的过渡 没有考 虑 , 因此端点间没有圆滑过渡。而样条插值法能保证 所有设定点之间的连续可导, 所有设定的点都能圆滑 过渡。因此 , 本设计采用样条插值算法。 3 4 电液伺服软件设计 电液伺服系统的典型特征是低阻尼和时变性、非 线性, 有较大惯性和滞后性, 很难得到一个理想的数 学模型 , 用常规的 P ID 算法不能 进行精确控制。因 此 , 在壁厚控制系统进行调 试时对 PLC 引入了变速 积分 P I D 控制方法。 该算法的思想是 : 当偏差较大时 P ID 的积分作用 自动减弱, 以防止积分饱合, 减小超调; 而在偏差较 小时 P I D 的积分作用又自动增强 , 以尽快消除静差。 该算法与普通 P ID 相比的优点是: 完全消除了大干扰 情况下的积分饱和现象; 减小了系统的超调量 , 容易
6- 位移传感器变送器 ; 7- PLC 数模转换器 ; 9- 储料机头 ;
2 2 型坯壁厚控制系统的主要配置 考虑到系统设计的可靠性、实用性及高性能价格 比 , 型 坯 壁 厚 控制 系 统 选 用 LG 公 司 的 MASTER K300S 系列 PLC 作为控制核心 , 由上位机进 行型坯 壁厚曲线设计与处理 , 并下传给触摸屏。通过触摸屏 配方控制功能, 用户选择产品型号后 , 调出相应控制
参数控制 PLC 的 D /A 控制输出, 驱动高性能电液比 例阀。 PLC 根据位移传感器进行 A /D 处理并经变速 积分 P ID 运算控制, 从而达到实现型坯壁厚控制, 如 图 2。
图 2 型坯 壁厚控器的硬件组成 F ig 2 T he constitution o f par ison w all thickness control system s ha rdw are
1 型坯壁厚控制的原理及技术现状
1 1 型坯壁厚控制的原理 型坯壁厚控制系统是一个位置控制系统, 主要由 液压伺服系统、塑料机头的伺服液压缸、电控装置, 电液伺服阀 , 料位传感器 ( 电子尺 ) 以及联接的管 道等组成, 通过对机头芯模或口模开口量的控制来控 制塑料型坯的厚薄变化, 使吹塑制品达到一个较为理 想的壁厚控制水平。其中芯棒位置控制精度是决定型 坯壁厚控制效果的关键。该系统要求运动平稳 , 位置 精度高、响应快 , 具有良好的重复精度。 壁厚控制系统采用闭环反馈设计 , 作为信号反馈 装置的是料位传感器 ( 电子尺 ) 。用户在壁厚控制器 的面板上设定型坯壁厚轴向变化曲线 , 控制器根据曲 线输出大小变化把相应的电压或者电流信号传至电液 伺服阀 , 由电液伺服驱动执行机构控制模芯的上下移 动 , 从而改变模 型坯轴向壁厚控制系统的总体结构示意图 F ig 1 W ho le structure o f par ison ax ia l wa ll th ickness contro l system 1- 伺服液压系统 ; 2- 电液伺服阀 ; 4- 储料缸料位传感器 ; 8- 触摸屏显示器 ; 3- 芯模开口位移传感器 ; 5- 伺服 阀放大器 ; 10- 模具
R esearch on W all Th ickn ess Con trol of Parison by H ollow Blow M old ing
ZENG Jing song , ZENG X ian feng
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School o f E lectron ica l Eng ineer ing , A nhui T echnical Co llege o fM echan ica l and E lec trical Eng ineering , W uhu 241000, Ch ina ; School o f E lectron ica l Eng ineer ing , W uhan U n iversity , W uhan 430074, Ch ina)