全电动注塑机控制系统解读

全电动注塑机控制系统
1 注塑机结构
全电动式注射机的所有运动都是使用伺服电机驱动，如图1所示为全电式注射机主要部件结构图。

图1 全电注射机主要部件结构
1-模具开合伺服电机；2-塑化伺服电机；3-射胶伺服电机；4-调模变频电机
5-顶出伺服电机；6-螺杆加热器；7-射台移动电机
1.注射装置
注射装置是实现塑料的塑化、注射，包括料斗、料筒、加热器、计量装置、螺杆及其驱动装置、喷嘴等部件。

注射装置的结构和控制方式对制品的质量起着决定性的影响，是注射机中的关键部件。

采用伺服电机驱动注射机注射装置通常有两种形式：皮带驱动方式和直接驱动方式。

皮带传动精度会受影响，直接驱动方式结构简单。

电动注射机注射机构，要求电动机转速较低、转动力矩大，而且超载保护作用较弱。

因此，在成形大制品时，通常使用皮带式驱动，而对于小制品则常常采用直接驱动方式。

如图2所示为伺服电动机直接驱动的注射装置，伺服电机M1轴上装有带轮，通过安装在这个轮子上的齿形带驱动滚珠丝杆回转，从而使螺杆前进（注射）或
者后退（塑化），而螺杆的回转运动可以通过伺服电机M2以同样的方式实现。

注射过程中除了速度的控制之外，还要考虑注射压力的控制，在螺杆末端的止推轴承保持架上安装压力传感器，通过其反馈信号对注射压力进行精确的控制。

用这种方法可以直接检测到注射或塑化时加料筒内塑料压力的反压力，因此可以对注射压力、保压压力进行精确的控制，而塑化压力则采用连续不断的对伺服电机施加一定负载的方式进行控制。

图2 注射压力控制原理
2.合模装置
实现模具的开闭动作，成形时提供足够的夹紧力使模具锁紧，开模时推出模内制品。

电动注射机的合模机构主要采用肘杆式锁模机构，模板开合动作采用伺服电机的优点是：模板开合速度易于控制，动模板的停止位置也可以精确控制等，这就需要价格较贵的大型伺服电机。

全电合模装置包括：模具开闭电机代替了传统的移模油缸，调模电机替代了传统的调模油缸，顶出电机则替代了传统的顶出油缸。

2 注塑机控制系统
2.1 控制系统软件、硬件结构
电动注射机的控制是根据工艺过程设计的，具体内容包括以下两个方面。

1.电动注射机筒温度控制设计
电动注射机机筒温度控制与常规液压注射机螺杆筒温控方式一样，利用微机控制回路，选择合适的控制算法完成对注射机机筒外各加热套的控制。

确保机筒内各段的工作温度能按照工艺上的要求保持在设定的范围内，精确的温度控制在精密注塑上有利于提高产品质量以及原材料的利用率，是一项十分重要的指标。

注塑机的料桶温度控制对象是一个非线性、不确定、强耦合和大滞后的系统，是其中一个控制难点。

对于这类对象，当前还缺乏一个统一有效的控制方法，常规的PID控制方法无法满足高精度注射的要求。

注塑机生产不同的产品，预塑量不同，环境温度不同，生产周期不同时其料桶温度对象模型参数就不一样；料桶各段温度控制之间存在很强的耦合现象，要实现完全的解耦控制非常困难；另外该对象还是一个大滞后系统，常规控制方法难免会出现大超调和震荡现象，因此必须研究自适应的温度控制策略实现高精度的温度控制。

在塑料加工过程中，温度控制主要包括料筒、喷嘴和模具的温度控制。

料筒温度即料筒表面加热温度，由于料筒的壁比较厚，因此，热电偶检测点的选择非常关键，不同的检测点上温度曲线有较大的差异。

因此双点平行检测，即在料筒表面与深处同时设置热电偶，将得到比较稳定的温度曲线，有利于温度控制的精度。

喷嘴温度直接影响着熔体通过时的剪切流动，对制品的质量有大的影响，因此喷嘴温度的控制精度要求更高。

模具温度是指与制品接触的模腔表面温度，它会显著影响充模、冷却和保压过程，可直接购买第三方的模温机来实现模温控制。

2.电动注射机动作控制系统设计
为获得优质的制品，电动注射机在注射过程中，用微机来实现对电动注射机各个运动机构动作的顺序及过程控制的方案。

确保注射机能按照工序的要求，完成对制品的生产流程。

注射装置在注射成形的工作过程中，主要实现塑化计量，注射，保压补缩三项功能。

因此其结构设计中应满足以下基本要求：①在设定的时间内，提供一定数量的，组分和温度均匀的熔料；②根据塑料性能和制品结构情况，产生合适的注射速度和压力，将一定量的熔料注入模腔。

在电动注射机中，以上的功能主要是由6台电动机通过动作配合来完成的。

电动注射机结构示意如图1所示。

与注射螺杆同轴且连接紧密的电动机称为射胶电动机，它的主要作用是通过传功装置来实现注射螺杆的向前注射运动。

与注射螺杆平行的电动机称为熔胶电动机，它的作用是实现在预塑化过程中螺杆的转动，把来自料斗的粒状原料向前输送。

用于使整个射台平移的电动机称为射台移动电动机，射台的往复运动均是由该电动机驱动完成。

以伺服电机作为驱动装置的全电注射机控制系统的硬件结构如图3所示，它由人机界面、逻辑控制器、运动控制器、伺服驱动、温度控制和传感器六个部分组成。

图3 伺服注射机硬件框架
以位置、速度、压力、温度为基础的工艺程序控制是基于传感器的信息来进行的，为实现高精密注塑工艺而建立了诸多闭环环节。

注射机的射出螺杆移动速度的控制是把安装在电动机后的编码器信号作为输入信号，和在控制器内设定的速度指令相比较实现半闭环控制。

射出压力的控制是测定螺杆后的压力传感器信息构成射出压力的全闭环控
制。

超低速位置控制则通过光栅尺来实现闭环控制。

温度和压力等传感器信号的高速处理是控制过程系统设计的关键。

工艺程序控制装置和伺服系统之间采用数字接口，它们之间仅传递数字信号，所以可以实现高精度微小量的控制，抗干扰能力强、无零漂，使稳定控制成为可能。

伺服控制软件主要承担伺服系统的位置控制、速度控制和电流控制。

伺服控制软件和工艺控制软件关系密切，它们之间的协调使用，能达到自由度很高的工艺程序控制。

2.2 伺服控制单元
电动注射机的性能在很大程度上依赖于伺服控制系统的精密性和稳定性，由于不同伺服单元所完成的任务不同，所以其要求也不尽相同，可概括为以下四个方面：
①高精度为了保证注射成形制品能满足精密注射的要求，具有高质量和高稳定性，则必须保证射胶等动作具有很高的精度，因此，在位置控制中要求定位精度高，而在速度控制中，更加要求伺服控制单元能提供高的调速精度。

②快响应在注射成形过程中，为了成形具有复杂结构的制品，常常需要进行多级注射，为了保证执行机构能严格按照设定的要求进行成形参数的切换，要求系统除了有高的定位精度外，还要求具有良好的快速响应特性，要求跟踪指令信号的响应要快，位置跟踪误差要小。

③宽调速范围无论是对于注射单元还是锁模单元，在工作的过程中，执行机构都需要在较大的速度范围内工作。

例如，为了保护模具的安全，锁模机构在驱动动模板进行合模的过程中，需要从移模阶段的高速切换到即将闭紧模具时的低速，因此，驱动锁模机构运行的伺服单元需要能提供一个最高转速与最低转速比较宽的调速范围。

④低速大转矩要求在低速时进给伺服系统有大的转矩输出。

为了满足上述四点要求，对进给伺服系统的执行元件——伺服电机也提出了相应的要求，包括以下几点：①电机在整个转速范围内都能平滑地运转，转矩波动要小，特别是低速时仍有平稳的速度而无爬行现象；②电机应有一定的
过载能力，以满足低速、大转矩的要求；③为了满足快速响应的要求，电机必须具有较小的转动惯量和大的堵转转矩、尽可能小的机电时间常数和启动电压；
④电机应能承受频繁的启动、制动和反转。

高性能的交流伺服系统的交流电机主要采用异步电动机和永磁同步电动机两种。

一般来说，异步电动机多用在功率较大、精度要求较低、投资费用要求低的场合；而永磁同步电动机则在精度要求高，容量要求小的场合得到了广泛的应用。

所以，在注射机伺服系统中，多用永磁同步电动机。

永磁同步电动机又分为两种：矩形波电流驱动的永磁电动机（BDCM）和正弦波电流驱动的永磁电动机（PMSM）。

其中，BDCM的功率密度高，系统成本较低，但低速转矩脉动大，高速时矩形波电流发生畸变，并引起转矩下降，所以一般用于低速、性能要求不高的场合；而PMSM则更多地用于要求较高的速度或者位置伺服的场合。

交流伺服单元又有模拟式和数字式之分，由于模拟式伺服单元难于实现复杂的控制方法，并且器件多，体积大，不易调试，还存在零点漂移等问题。

而数字式伺服单元，其优点是用软件编程，易于实现复杂的算法，而且柔性好，有时几种控制方法之间的改变只需改变软件即可实现，电路一般较简单，结构紧凑。

2.3 全电动注射机开合模控制
全电动注射机共有6个电动机需要控制，其中在合模部分有两个电动机，分别完成开合模和调模功能。

目前在300吨以下的中小型机上，电动注射机的合模部分大多数采用“伺服电动机-同步带-滚珠丝杆-双曲肘合模机构”这样的标准式设计方案，由锁模伺服电机通过同步带减速传动，带动与带轮配合的滚珠丝杆，进而推动十字头。

合模装置是保证成形模具可靠的闭紧和实现模具启闭动作及顶出制品的部件，在注射成形时，必须具有足够的锁模力，另外，电动机驱动系统还应满足模具启闭时的速度要求，既要考虑缩短空载行程的时间，以提高机器的生产率，同时又要考虑到模具启闭过程的缓冲要求，以防止损坏模具和制件，避免机器受到强烈的振动和产生撞击噪声。

此外，为了满足模具安装和制品取出时空间位置的要求，合模装置还必须对动模板的移动位置有精确要求。

综上所述，合模装置主要对合模力、速度、位置三方面的控制提出要求。

除此之外，还需要有完善的模具保护措施。

通常注射用的模具精密且结构复杂，如果模具内留有制品或者残留物，或者在使用嵌件时嵌件的位置没有正确放置，模具按设定合模的话，会使模具受到损伤。

低压试合模是在液压式注射机上普遍应用的模具保护方法，它将动模板靠近定模的最后阶段使用低压，确认动模和定模无障碍物时（以模板达到某个行程位置为判断依据），再增大液压压力达到所需的锁模力。

而在全电动注射机中，模具保护是通过在临近定模的位置设定一个检测区间，电动机以低速低转矩推动动模靠近定模，同时检测电动机负载电流的变化有否超限来确定有无障碍物。

2.4 注射压力与注射速度的控制方法
注射装置在整个工艺过程流程中的工作过程如下：首先，射台移动电动机正转，驱动整个射台向模具的方向运动，至喷嘴与模具的浇口接合，射台移动电动机停止转动，射台静止。

当注射动作开始时，射胶电动机工作，注射螺杆向前移动，将积存在螺杆筒前端的熔料注射进模腔中。

保压过程完成后，开始预塑化，这时熔胶电动机工作，使得注射螺杆边转动边退回，螺杆在转动中的后退量决定了在螺杆头部积存的熔料量，当螺杆退回到计量值时，熔胶结束。

1.注射充模
螺杆迅速向前运动将熔体经过喷嘴注射到成形模具中。

熔体经喷嘴射出的速率对最终制品的分子排列及剩余应力有很大的影响。

由于在充模阶段注射速度影响剪切力和剪切速率进而影响最终的产品质量，故注射速度是充模阶段的一个重要参数，模腔中的压力可由其控制。

注射阶段的控制可通过螺杆注射速度的控制来进行，分级注射可使熔体表面流动速度近似为常数，熔体流动速度决定制品的分子排列取向、内部应力。

注射速率不当会产生蛇形、表面光泽不良、烧焦、龟裂、熔接痕、溢料、飞边和欠注等成形缺陷。

充模阶段是注射成形最重要和最复杂的阶段，其重要性不仅在于在这一阶段得到制品的形状和尺寸，而且还在于制品的外观质量和主要性能也在很大程度上与这一阶段的工艺选择、控制是否得当有关。

由于热塑性塑料熔体在注射成形条
件下的流动多表现出非牛顿弹性体的特点，加之充模流动过程又不可避免地伴随着熔体降温，还有流道几何形状和尺寸的复杂多样，从而给这一成形阶段的分析与控制增加了很多困难。

2.保压阶段
精确地切换时间（充模→保压）是保证制品质量一致的重要参数。

它依赖于时间、位置、压力和速度。

该过程中的主要变量为：保压压力、塑料在模腔中的量、熔体温度。

熔体温度指加热螺杆筒内熔融材料的温度，常以螺杆筒温度代表，但当螺杆转速高时，由于摩擦剪切热的增加，树脂温度会升高，有时甚至会超过螺杆筒温度，因此设定时要考虑这些因素。

保压压力决定了补缩位移的大小，保压压力越大，萎缩越小。

3.塑化计量
成形物料在注射机螺杆筒内的塑料经过加热、压实及混合等作用后，由松散的粉状或粒状固态转变成连续的均化熔体的过程称为塑化。

塑料经过塑化之后，其熔体内必须组分均匀、密度均匀、粘度均匀和温度分布均匀。

只有这样，才能保证塑料熔体在下一阶段的注射充模过程中具有良好的流动性（包括可挤压性和可模塑性）、才能最终获得高质量的塑料制品。

所谓计量是指能够保证注射机通过螺杆或柱塞将塑化好的熔体定温、定压、定量地输出螺杆筒所进行的准备动作。

随着螺杆的旋转，塑料原料被推送到螺杆筒的顶端。

螺杆筒上的加热器和由于摩擦产生的热量对塑料原料进行均匀的加热。

高分子塑料原料逐渐在螺杆筒前端积累而产生压力，该压力足以使螺杆向后移动，或者说螺杆被向后推。

熔胶结束时，熔融的塑料熔体已经在螺杆筒中积累起来。

这个过程又称为预塑过程或计量过程。

螺杆后退的距离称为预塑行程或计量行程，等于注射行程；计量容积等于注射容积。

计量动作的准确性除了与螺杆筒及螺杆的几何尺寸要素有关外，还与注射控制精度有关。

在注射过程中，由于采用先进的控制算法如磁场定向控制（FOC）或直接转矩控制（DTC），使得电动机的输出转矩能保持在稳定的状态，从而能克服因螺杆筒里熔体分布不均等因素而造成螺杆在注射过程中的抖动问题。

由于全数字伺服控制能到达到很高的精密性，因此，不论是注射过程中注射与保压阶段的切换还是塑化过程中对熔料的计量都能实现精确的控制，因而制
品的成形具有很高的稳定性。

在很多文献中表明，在注射阶段采用分级注射的方法能消除溢料、飞边等多种缺陷，在传统的液压型注射机中，虽然也可以设定分级的注射参数，但是由于液压控制过程的响应较慢，控制精度较低，因而很难真正达到分级注射所设定的要求。

在电动注射机中，由于数字伺服控制技术的引入，采用全数字的闭环速度和位置的反馈控制能确保注射过程在每一阶段严格按照所设定的注射参数进行运行，从而进一步使得成形制品具有优异的性能。

4.智能曲线跟踪
由于电动注射机具有控制精度高，稳定性好等特点，在电动注射机注射阶段的控制中出现了一种智能曲线跟踪控制，如图4所示。

这种智能曲线跟踪控制方法是从注射开始到保压完成的全区间内，把优质制品成形时得到的压力波形作为目标，把外部干扰信号放入控制系统环节中，通过压力波形编辑和自控来跟随这个目标压力波形，从而抑制注射压力波形的变动，保持自适应注射成形波形稳定。

(a) 传统控制方式(b) 智能压力曲线跟踪控制
图4 一种注射曲线智能跟踪控制的电动注射机
智能曲线跟踪原理如下：在一般的注射过程控制时采用速度和保压切换方式，在速度切换和射出速度控制的条件下，树脂的压力是对应于注射速度的流动阻力值，不是直接的控制对象。

而且在成形时由于金属模具温度、树脂的粘度、模具内部封闭空间和流道比较复杂等原因，树脂填充的流动阻力变化很大，相应的压力波形变化也很大，把树脂压力变化连续地记录从而得到压力波形的变动，通过视觉来判断实际成形压力波形对成形状态稳定性的影响，实际上压力波形的
变动幅度和成形稳定性之间一般有很强的相关性，人工智能压力曲线跟踪控制就是基于这种事实，直接控制压力波形，尝试获得稳定的成形。

在注射精密成形领域中，压力控制也是非常重要的环节，压力控制不仅受摩擦等外围因素的影响，而且在保压时，树脂的冷却、收缩也会导致压力发生变化。

在注射成形过程中，压力对成形制品有着重要的影响。

因此，位置控制和速度控制都在很完善的伺服控制系统上附加必要的压力控制，才能最大限度地获得优质的制品性能。

采用基于速度环节切换压力闭环控制是目前电动式注射机控制中的一个关键技术。

压力智能追随控制，人工智能（AI）在电动伺服式注射机上应用主要是消除由于机械的因素和外部干扰问题对制品精度的影响。

导入AI控制，调测环境的变化规律并能自控，实现智能控制。

其中比较有效的方法有AI压力波形跟随控制和闭环增益跟踪控制。

如图5所示为法那克公司电动注射机人工智能压力控制曲线，是从注射到保压全过程的压力跟踪控制曲线。

图5 法那克公司电动注射机人工智能压力控制曲线
增益跟踪控制是基于塑料树脂注入模具三个阶段的过程，在注射丝杠安装压力传感器测量注射压力曲线，丝杠的压力实现闭环伺服跟随曲线控制，用伺服跟随闭环增益放大就能实现控制性能稳定。

在注射机射出装置中螺杆移动速度大，对应于如图6所示注入金属模具过程中树脂的流动状态，加在射出用的伺服电动机上的负荷是变动的。

考察熔融树脂注入金属模具三个阶段，根据不同特点，需要对增益进行跟踪控制。

图中A阶段是把熔融树脂快速注入金属模具的过程，比B、C阶段速度快，
并且一边改变速度一边往前运动。

当树脂流动途经路径形状复杂，特别是当穿过狭小的缝隙部分时，负荷的变动会很大。

因此，在A阶段增益较大并且需要动态调整。

B阶段出现在树脂填充接近尾声时，射出丝杆负荷急剧增大，同时射出速度急剧减小，这种减速如果不正常进行，在压力波形上就会发生被称为尖峰压力值的现象，制品就会产生条痕等成形不良现象。

因此，在这个阶段为了抑制射出速度，必须有合适的增益。

图6 树脂流入状态变化
C阶段是树脂填充完毕后的保压过程，注射电动机需要高的负荷。

但是运动速度很低，所以用比较小的增益就能够稳定控制。

由此时见，在控制过程中必须根据注射电动机的状态来分辨A、B、C各个阶段，以实验方法求得C阶段的增益为基础来计算A阶段和B阶段的增益值，通过闭环增益跟踪调整使注射成形全过程的控制更加稳定、精确。

5.注射速度控制响应
小型圆片之类的薄壁制品，其注射速度要求极高，与此相反透镜与棱镜之类的厚壁制品则要求极低的注射速度，而且要能进行微量控制。

因此希望注射机的注射速度的控制范围尽可能宽。

液压式注射机通过采用蓄能器技术可以产生较高的注射速度，而对于低注射速度区域，由于液压阀和蓄能器的动作特性之故，必然受到一定的限制，不可能产生很低的注射速度。

伺服电动机的速度控制特性一般是比较好的。

速度可以从极低到极高范围加以控制。

例如，法那克公司的AUTOSHO50B（500kN）型，速度范围为0.3~285mm/s，高低相差近1000倍。

对于电动式注射机的注射速度问题，日本住友重机械工业的电动式注射机SE150型（1500kN）最大注射速度300mm/s，液压式注射机SG150型（l500kN）带有蓄能器最大注射速度300mm/s。

从上述数据可以看出，伺服电动机驱动的注射机可以获得与装有蓄能器的液压式注射机同样高的注射速度。

然而，可以认为电动式注射机的优点之一，与其说是高速性还不如说是速度范围宽，特别是低速之下易于控制。

如图7所示是液压式注射机液压伺服系统与电动式注射机电气伺服系统的对比。

从图中可以看出电气伺服系统中的伺服电动机，相当于液压传动装置中的动力源油泵，同时又直接起着液压伺服阀和执行元件（油缸）的作用，所以其响应速度快，精度也高。

(a) 液压伺服系统
(b) 电气伺服系统
图7 液压伺服系统与电气伺服系统比较
一般来说，注射机的注射压力和注射速度的上升时间短是十分重要的，特别是在小型制品、短注射行程的场合，若响应特性差，在达到设定速度之前注射动作就已停止，那么速度控制就不能完成本身的功能。

而且，如果加速时和减速时响应特性都差的话，那么注射程序控制指令，与实际值就会不一致。

因此，在高速和低速的整个速度范围，具有高响应特性十分关键。

同时，从高速向低速尽可能的平滑转换，且能在短时间内完成也是十分关键的。

这个问题，为在注射动作结束向保压切换时，完成平稳的V-p切换控制，防止过充填，进行稳定的保压是十分重要的。

在早期的电动式注射机中，上述这一问题难。