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全电动注塑机的可持续发展理念及科技创新的研究(五)

[ 宁波市塑料机械行业协会 ] 发表于 2014-07-09 13:35:34 浏览量:0
 4 全电动注塑机控制技术的科技创新进展及研发要点

控制技术创新是全电动注塑机科技创新的主要内容。

脑(控制技术)体(执行机构)分家是国内全电动注塑机制造的普遍现象,智力(控制技术水平)低下是全电动注塑机总体技术水平低下的主要因素。

控制技术是全电动注塑机的核心技术。日本厂商都化大量的精力、财力不断开发提高动态响应的控制系统,使全电动的注塑机技术水平不断提高,控制技术是他们的核心技术,占领了中国市场。国内设备研发者注重于机械部件的开发,忽视控制技术的研发,高水平的控制系统又配套不上,所以整体技术水平总是落后于日本,成不了气候。

全电动注塑机的控制技术的发展方向:自动化走向智能化;单机化走向网络化;制造化走向制造服务化;粗犷化走向精细化;设备控制化走向成型工艺化;集成化走向集成模块化;通用化走向专用化功能化;能耗化走向能量综合利用绿色化;设备化走向人机和谐化。

4.1 全电动注塑机智能化的科技创新进展及研发要点

全电动注塑机智能化服务于高端塑料工程解决三方面的加工问题:无人化加工,高效节能清洁加工,智适应工艺整合加工。

全电动注塑机智能化是先进制造技术、信息技术、微电子技术、电子技术、网络技术、检测技术的集成和深度融合,具有感知、分析、推理、决策、控制功能的“人脑”智能,实现以注塑制品质量为目标的智适应成型加工。

智能化控制系统包括控制器、传感器变送器、执行机构、输入输出接口。控制器的输出经过输出接口、执行机构,加到被控系统上;控制系统的被控量,经过传感器,变送器,通过输入接口送到控制器。

全电动注塑智能化系统包括了很多的子系统,各个子系统集成起来成为一个全方位的智能化整体。实现分支的智能化,才能实现全方位的智能化。全电动塑设备智能化成型加工链中包括智能模具、智能周边设备、智能辅佐设备等与成型加工有关的装备。根据注塑成型加工对象其内涵不同,根据“现实需求”和“潜在需求”开发及应用。注塑设备成型加工对象不同,智能化的型式及科技含量也不同,我们切不可一讲智能化,注塑设备为同一模式的智能化。功能化、专用化的注射设备,个性化的智能化技术更显得重要。

本节主要介绍和研究了以下智能化技术:能耗管理技术;背压控制技术;锁模力监测技术;锁模力自动补正技术;成型制品视觉检测技术;预测控制智能技术;回流监视技术和精确计量控制技术。

4.1.1 智能化能耗管理技术

能源成本占据生产设备整个使用成本的90%以上。最理想的能耗就是注塑的设备能耗匹配于塑料由原料熔融成为制品所吸收的热能。菲尼克斯公司的能量管理模块(EMM)具备获取能量数据和监视能量数据的作用,通过现场总线或以太网提供数据采集和传输,Inline I/O模块之间的连接实现了一种从能量消耗点到控制层系统的无缝信息流,实现能效智能化管理,降低电能消耗。

智能化全电动注塑机制动能回收应用技术。这项技术在全电动注塑机上得到开发和应用。NetstalELION系列全电动注塑机,把伺服电机制动过程产生的能量直接进入过渡电路,储存在电容电路中,这意味着产生的制动能量不必转化成热量,尤其是在注射循环期间,可以成为总能耗的一个重要部分,例如,当塑化过程发生在模具打开时,产生的制动能量可从过渡电路中汲取旋转螺杆所需的能量。因此,该能量并不是取自电源供应网路,并且产生的能耗相应减少。在成型塑料花瓶生产表明,从伺服电机制动过程直接进入过渡电路的能量占所需循环能量15%,成型总能耗为0.25kWh/kg。对熔化塑料所需能量的计算表明:这仅比每个循环所需的总能量略少一点。同样,驱动机器所需的能量几乎全部来自各轴的制动过程,并未通过制动电阻转化为热量。与液压注塑机相比,ELION系列注塑机能耗减少了70%,比常规的全电动注塑机能耗低10%以上。

4.1.2 智能化塑化背压控制技术

现行塑化背压都是人为设定的开环系统。智能化背压技术的塑化背压根据压力传感器检测机头储料腔的熔融料压力信息作为控制背压的指令,直接反馈与设定的压力进行比较,自动跟踪变化,利用储存注塑合格品的压力波形,并在射出保压过程中按合格品压力波形进行追踪控制的功能,提高塑化质量精度。日本东洋的背压自动跟踪技术,在si-100C75)应用表明,塑化计量精度提高50%以上。

绿色化压力传感器。含汞压力传感器会污染环境以及对健康常识危害。德国Gneuss Kunststofftechnik Gmbh公司使用NTX技术开发了新一代无汞压力传感器,精确度达到0.1%,零点偏移低于含汞压力传感器。

4.1.3 智能注射压力追踪控制

再生料的使用,使塑化后机筒内材料的密度不均匀,通常的位置和速度控制的注射,即使能精确控制螺杆的注射位置精度,但也无法实现稳定成型。根据压力与密度之间的关系,智能压力波形追踪控制是射出压力变化实时追踪设定的压力曲线,从而实现制品重量精度的稳定成型。

AI压力波形追随控制。通过注塑分析软件及实际成型得到的良品的压力波形作为目标,把机械、外部干扰等因数转为信号放入控制系统环节中,通过压力波形编辑和自适应来追随设定的压力波形,达到稳定成型。

4.1.4 智能化锁模力控制技术

    肘杆合模机构的成型锁模力,由于受到机构的零件及装配精度、运行产生的热能等干扰因数,成型锁模力与设定的锁模力的两者之间产生较大的偏差,影响制品的质量,同时降低能效。智能化锁模力控制就是消除干扰因数实现成型锁模力波形曲线追随设定锁模力波形曲线。

4.1.4.1智能化锁模力监测技术

Demag公司的“activeQ”智能化锁模力监测系统,采用一个电子式传感器监测锁模力,在每个循环周期内,控制器将合模过程中力参数的变化与存储在控制器内里曲线进行比较,如果发现当前的力参数的实际数据超出设定的变化范围,实时将信息反映给中央NC5控制器,合模运行停止。

成型加工锁模力的智能化监测,不但有利于保护模具的精度,而且能提高制品成型加工精度的稳定性及降低能耗。

4.1.4.2 智能化锁模力自动补正技术

日精树脂工业株式会“NEX系列全电动注塑机,配置了自主开发的可自动校正的锁模力自动补正功能,还配备了在自动运转中,可变更锁模力的直接锁模力设定功能。

4.1.5 智能化成型制品视觉检测技术

精密制品的检测是精密注塑工程全套方案的组成部分,为注塑工艺调整提供信息。智能化视觉技术检测成型制品在成型加工链环节中处于越来越重要的地位。

视觉系统可先采集标准产品,而后针对需检测的产品进行对比分析,确定是否合格,检测过程既可在产品注塑刚完成时进行,也可以单独检测,做出分析,为成型工艺调整提供准确、可靠的数据支持。德国ISRA表面视觉公司Smash模块化检测系统,智能探测能有效低扫描塑料薄片产品表面缺陷,并进行自动分析,以确定缺陷产生的原因,从而有助于生产者防止缺陷的产生,提供产品质量和生产。Smart Scope Flash 500自动尺寸测量系统,具有多个带有可触发探头的传感器,配备了自动校正的Accu Centric 12倍电动变焦距头,用于影像测量,可对较难成像的部件特征进行触觉测量,还有用于测量非接触式表面轮廓的TTLDRS激光以及彩虹探头扫描白光传感器,还提供可以获取几毫克探测压力数据点的独一无二的羽毛探针微探针传感器。Navigator XT系列无接触质量测定仪,具有两个无接触式红外传感器,不要触摸按键,36种功能组合,适应于计数、百分比称量,重量复核、显示保留和累积/求和的应用。威猛SCZRA W8VS2机械手将产品从模具中取出,并将其送到集成在设备控制系统中的摄像头前进行质量检测,分离出合格品和产品并分别存放。瑞士Kistler仪器股份有限公司模腔压力测量系统实时监测并分析注塑过程中模腔压力,由Kistler CoMo Injection系统基于成型产品的实际模腔压力曲线是否满足设定的监测标准压力曲线来判定成型产品为合格或次品,并发信号给机械手进行合格品和次品的分离。

4.1.6 预测控制智能技术[9]

预测控制(Model Algorithm Control-MAC)是近年来发展起来的一类新型的计算机控制算法。由于它采用多步测试、滚动优化和反馈校正等控制策略,具有很强的抗干扰能力和鲁棒性,是对传统PID控制的革命,也是实现工程塑料制品高精度化的革命,达到充分挖掘和发挥全电动注塑机动力控制系统、温度控制系统、运动学和动力学的功能和性能。预测控制根据设定的成型加工的工艺曲线(速度、压力、温度、位移等成型工艺参数),预测环境的变化规律并自我调整,实现智能控制,其稳态精度和动态品质明显优于传统PID控制;可以有效地消除和减小由于机械的因素和外部扰动对于运动控制的不利影响,大幅度提高成型加工的重复精度;成型曲线的重现性,基本处于无能量损耗的成型加工,提高了伺服动力驱动系统能量利用率,提高制品成品率及质量一致性。

预测控制理论与方法主要研究内容包括:基于状态空间模型的模型预测控制算法;模型预测控制算法动态部分常值反馈改进方法;模型预测控制稳态优化部分的改进方法;模型预测控制鲁棒参数整定方法;

模型预测控制大规模系统的改进算法及离线算法;模型预测控制嵌入式DCS)方法;模型预测控制系统性能监视与评价方法;分布式模型预测控制算法与并行算法。

4.1.7 回流监视技术和精确计量控制技术

FANUC公司先进的Backflow Monitor回流监视技术和Precise Metering Control精确计量控制系统(PMC2PMC3),不仅可实现节能和提高产品质量的目的,还可改善对模具的保护。发那科公司推出的Backflow Monitor逆流监视技术被开发用于监视注射过程中可能出现的材料逆流问题,是世界上最先开发用于机器操作显示屏上,以显示注射时材料的逆流情况的。更有助于提高生产效率,以及通过严格控制产品的重量偏差来确保获得更多高质量的产品,从而将废品率控制在最低水平。注塑机工作很重要的是在射座单元,即塑料树脂变成液体,再把它注射到模具型腔里面。这个过程需要精密掌控,注射座里面螺杆和料筒相配合,这个过程中,螺杆前端会产生磨损,而塑料树脂材料在射出时则会倒流,即逆流,螺杆前端磨损量越大,液体往后流的量越大,这样稳定性就会减少,精度就会减弱,注塑产品成型就会受影响。而我们的技术能在屏幕上监测到逆流状况和螺杆磨损状况。这就增强了产品成型品质控制,同时提醒使用者适时要更换螺杆前端,等于从另一种角度上提高了产品的可控精度。这样就尽可能地避免了在计量给料后进行减压操作,由此也避免了空气的吸入。另外,在注射前借助于PMC 3来确保逆流环的密封性,防止材料出现逆流,从而获得稳定的注射量。PMC系统的使用有助于减小部件与部件之间重量上的偏差。精密计量技术,这是和逆流监视系统相配合的技术。精密计量就是对每一次射出的量,我们都可以控制,减少偏差,对应PP材料:通常设备射出的偏差如是100% ,那使用精密计量技术就可降低到32% ,偏差降低幅度达50% 以上,使成品成型更加稳定,精益求精。试验研究表明,使用PMC 2时,带有重量偏差的未充满部件被降低到了原来的52%,使用PMC 3后,这样的部件被进一步降低到了只有19%。与PBT相比,使用PP材料带来的效果更加令人兴奋:使用PMC 2时,由原先的52%降为32%,使用PMC 3后,这样的部件被进一步降低到了只有13%

4.2 全电动注塑机的网络化(NCS)技术的科技创新进展及研发要点

网络化是数字控制系统的发展方向。网络化控制是控制技术、计算机技术和通信技术相结合的产物。随着计算机技术和网络通信技术的不断发展,工业控制系统也发生了巨大的技术变革,网络化控制是在控制系统中引入了计算机网络,从而使得众多的传感器、执行器、控制器等主要功能部件能够通过网络相连接,相关的信号和数据通过通信网络进行传输和交换,避免了点对点专线的铺设,而且可以实现资源共享、远程操作和控制,增加了系统的灵活性和可靠性。

注塑设备智能化高速数据交换特点是:

1 数据量更大,对于数据的负载能力提出了更高的要求;

2 传输速度的要求,由于运动控制、多CPU数据交换需要更快的传输数据;

3 复合同步运动中,为能够实现高精度的位置与速度、压力等关系的绑定,必须有高速的总线为其提供实时的数据通讯;

4 由于与管理层的数据交换的需要,必须有能够支撑更为开放的通讯系统。

本节主要介绍和研究了以下网络化技术:现场总线控制系统;网络能耗控制系统;网络服务管理系统;设备联网群控智能化管理系统。

4.2.1 现场总线控制系统

数控技术的发展及在注塑机中应用领域的扩大,大量模拟量交换,常规的分散控制系统中,往往出现相互干扰,运行不稳定,需要在现场采取大量的屏蔽手段,以实现运行的稳定性,但由于使用环境的变化,屏蔽措施达不到十分可靠。现场总线控制系统将工业现场具有通信特点的智能化仪器仪表、PLC控制器、执行机构等现场设备和通信设备连接成网络系统,通过网络实现现场设备之间由模拟量交换变为可靠的数据交换。整个过程都由一台计算机完成,控制器与控制器、控制器与上位机(操作员站或工程师站)之间建立了计算机控制网络,使得操作员在上位机中能够对被控系统的实时运行状态进行监控,某个控制回路的控制策略的设计也可以在上位机中组态完成,通过控制网络下载到对应的控制器中实时运行,大大提高了控制系统的可靠性,并实现了集中管理和分散控制。

4.2.2网络能耗控制系统

注塑能效硬件设计是基础,能效软件进一步发挥能效硬件的节能性能,网络化是能耗控制向更高能效的智能化控制发展。

德国倍福自动化有限公司的EtherCAT实时工业以太网技术,通过非常经济有效的标准以太网卡(NIC)进行管理;EL3403测量模块具备完整的电网分析和能源管理功能,通过测量电网中所有相关的电气数据及计算每相的有功功率和能量消耗、视在功率S、无功功率Q、频率F等数据,对生产过程能耗进行优化,降低能耗,从而降低了生产成本,也使得整个生产过程更为环保。

菲尼克斯公司的能量管理模块(EMM)具备获取能量数据和监视能量数据的作用,通过现场总线或以太网提供数据采集和传输,Inline I/O模块之间的连接实现了一种从能量消耗点到控制层系统的无缝信息流,实现能效智能化管理,降低电能消耗。

4.2.3 网络服务管理系统

网络服务管理系统为用户提供快速全方位的网络服务,是提高设备利用率的重要组成部分。

海天塑机集团联合宁波联通公司共同建设的国内注塑机行业第一个智慧制造项目—注塑机3G定位及远程服务系统。该系统基于3G通讯技术,集数据收发、海量存储、智能传感、智能分析、智能控制、多媒体通讯等功能于一体,实现注塑机运行生产全过程的智能化监管,为注塑机终端用户与机械制造商之间提供方便、快捷、直接的沟通桥梁,以及信息化、智能化、网络化。促进了企业由传统的经营模式到信息化、网络化的转变,优化了企业管理,降低了运作成本,并为社会节省资源,节能减排,为国家发展高精尖工业设备打下坚实的实践基础。

4.2.4 设备联网群控智能化管理系统

通过对设备联网组成局域网,可在任何一台设备上对其它设备实现编程、设定、监控、诊断、修改等操作,并且不同设备的画面可以同时显示在每一台设备的屏幕上,及时解决故障,不但缩短了停机时间,还节约了大量时间,同时节约了设备的经营成本。日精树脂工业公司电动注塑机锁模力涵盖了从30吨到500吨,控制系统可通过无线局域网(LAN)与中央控制系统相连。

KePlast.easyNet监控系统,计算机操作台和注塑机的连接通过以太网接口,采用TCP/IP进行沟通,将一个车间或多个车间的所有设备展现在一个屏幕页面上,显示每台设备的所有参数、生产状态、质量数据和成型数据,根据需要自动进行设备画面的更改和更新