中空塑料擠吹機壁厚控制器的研究?

徐曉風，高永祥

（浙江機電職業技術學院，浙江 杭州 310053）

0 引言

目前社會對中空塑料制品的需求增加，而中空塑料制品的制作方法主要靠擠出吹塑。通常塑料中空制品規格可分為超大型、大型、中型和小型。由于用于制造中空制品的設備造價較低，加工成型的周期比較短，特別是規格較大的制品，其壁厚的控制不太容易，存在著表面外觀質量不高和有夾料縫等缺點。因此，中空制品的壁厚控制是塑料擠吹成型過程中比較關鍵的因素，研究開發壁厚控制裝置對提高中空制品的外廓質量有著重要的意義［1］。

1 項目技術方案

本項目研究的壁厚控制裝置包括硬件模塊和軟件模塊，圖1為型坯壁厚控制器總體設計方案。

1.1 硬件控制方案

具有壁厚控制功能的往復式擠吹機是一個多執行機構。該機構由壁厚控制模頭、控制芯棒、高頻響應電液比例閥、伺服油缸和信號反饋裝置等組成。具有工作元件較多、動作較復雜、動作之間的順序要求嚴格等特點，壁厚控制器具有一定的動態響應特性［2］。壁厚控制器的硬件控制主要由液壓控制系統實現，該液壓控制系統采用閉環反饋設計。

系統采用5.5kW 電機和額定流量為23L／min的定量齒輪泵驅動，其中電機直立安裝。系統安全閥壓力設置為18 MPa，高壓濾油器保證系統油液的清潔。發訊器用于在濾油器堵塞的情況下發訊報警，以便及時清洗或更換。壓力截止閥的作用是保證系統的工作壓力和蓄能器的充液壓力在14 MPa～15 MPa，當系統壓力超過15 MPa時該閥直接卸荷，以保證系統安全。二位二通電磁閥處于常通失電位置，使電機啟動時系統處于無負荷狀態，工作時電磁閥得電后油路關閉，蓄能器開始充液，并供油至高頻響應電液比例閥。

圖1 壁厚控制器總體設計方案

系統中擠出螺桿電機的速度通過控制面板上的儀表進行變頻調節，其頻率調節范圍在0 Hz～400 Hz，與擠吹成型的吹氣元件動作相匹配。由于采用變頻調速，使擠出螺桿電機的啟動容量相應地減小，并且可以取消一些諸如主接觸器和熱繼電器等電氣元件，以提高節能降耗效果。

系統中采用電液比例閥作為控制元件。用戶在壁厚控制器的面板上設定型坯壁厚軸向變化曲線，控制器可根據曲線輸出變化的電壓或者電流信號至電液比例閥，驅動執行機構控制芯棒的上下移動，從而造成芯棒縫隙的變化。系統中的電液比例閥具有運動平穩、位置精度高、響應快、重復精度良好等優點。通過采用電液比例閥控制芯棒的位置精度，可以使壁厚控制器具有較高的頻率響應和控制精度，在使用時還可根據中空塑料制品的性能要求及設備的性價比擇優選用。

1.2 軟件控制方案

通常擠吹型坯壁厚控制系統采用直流電動機調速，以手動的方式進行速度控制；采用溫度控制儀表測量和控制溫度；低壓電器采用以接觸器為主的控制元件。擠吹機壁厚器的主要控制對象為制品的壁厚，而PLC在控制領域具有很高的可靠性和廣泛的適用性，因此該壁厚控制器軟件控制采用可編程控制器PLC來實現。

擠吹型坯控制系統的軟件編程工具采用STEP7 V5.3［2］。軟件控制的功能模塊主要有讀模擬輸入量程序、PID 控制程序、PID 參數自整定程序［3］和壁厚 檢測報警程序等4個模塊。

讀模擬輸入量程序功能模塊主要完成讀出輸入模塊輸入量，并轉換成實際的厚度數值存入數據存儲器。數據存儲的起始位置、起始地址、通道數、數據號以及輸入模塊是可以變化的。其中數據存儲中的數字量表示測出的值為0.1mm。

自整定PID 參數控制及PID 控制模塊控制強制冷卻的開槽加料段溫度。原PID 參數是通過人工整定的，需要熟練的技巧，通常比較費時費力，而且PID調節器不能根據被控對象發生的變化而作出相應的調整，需要靠人工重新整定參數。本系統中主要通過對輸入輸出關系在線識別而整定控制參數，PID 控制器是通過PID 控制算法實現的［4］。

厚度檢測報警程序的主要功能是：當測量制品的厚度值超出了規定上限或規定下限的報警標志時，采用發光二極管發光的形式報警。如果壁厚測量值小于規定的上限中扣除死區后的數值時，將進行上限復位報警；如果壁厚測量值大于下限規定值時，將進行下限復位報警。通常，這里的上、下限的規定值以及死區定義均可表示為靜態數值變量，并可以通過修改相應報警程序中相應數據塊的變量值來實現限值壁厚控制器參數的整定。

2 系統安全可靠性設計

擠出機的壁厚控制器中有4個位置安裝了接近開關，其動作過程由時間控制。采用接近開關的目的是保護吹氣機構，即當壁料未流到預定位置或下移信號未給出時，則吹氣動作不能執行。這樣就節省了開模、合模以及上移的自檢時間，而且可以進一步提高壁厚控制器的可靠性。

3 結束語

目前，所開發的50點～100點擠吹機型坯控制器已在華東某知名飲料集團公司中獲得應用。該壁厚控制器的運行情況較好，操作簡單，有效地提高了型坯壁厚精度，大幅提高了中空制品的生產效率和質量，降低了生產中空制品的成本。該壁厚控制器具有一定的市場推廣價值。

［1］ 李建軍.型坯壁厚控制系統在中空吹塑機中的設計與實現［J］.自動化博覽，2006，5（5）：74－76.

［2］ 王志新，張華，黃樹新.吹塑型坯的計算機輔助設計及程序編制［J］.中國塑料，1996，10（1）：67－71.

［3］ 杜巧連，陳旭輝，孫慧平，等.中空吹塑成形系統的設計與研究［J］.機床與液壓，2003，2（2）：160－162.

［4］ Viersma T J.Analysis synthesis and design of hydraulic servo－system and Pipeline［M］.Amsterdam：Elsevier Scientific Publishing Company，1980.