快速流量控制技術(shù)在冰箱內(nèi)膽生產(chǎn)中的應(yīng)用

江子杰 陸宏杰 劉水強(qiáng) 熊 偉

（中國(guó)電器科學(xué)研究院股份有限公司 廣州 510300）

引言

冰箱內(nèi)膽在冰箱性能和外觀方面非常重要，它不但直接接觸食物，影響制冷效率，而且影響用戶打開(kāi)冰箱的第一感官。所以，對(duì)于生產(chǎn)冰箱內(nèi)膽的生產(chǎn)設(shè)備，其所生產(chǎn)的冰箱內(nèi)膽大小、厚薄、平整度、形狀外觀及其生產(chǎn)節(jié)拍等參數(shù)都要求越來(lái)越高。

1 熱真空成型的生產(chǎn)工藝

真空成型工藝是指將ABS和HIPS等熱塑性材料板材加熱軟化，將軟化后的板材密封在模具和密封箱之間，抽真空使成板材與模具之間形成負(fù)壓，板材被吸附在模具表面，最終冷卻成型的一種工藝。其工藝流程如圖1。

圖1 熱真空成型生產(chǎn)工藝流程

圖2 真空成型后的冰箱內(nèi)膽與外殼連接

其中內(nèi)膽側(cè)邊成型的要求較高，其尺寸誤差將影響和冰箱羅拉槽的接觸密封性能，進(jìn)而影響了冰箱的密封制冷效果，而內(nèi)部可能因?yàn)槔觳痪鶆虺鼍€開(kāi)裂的現(xiàn)象。圖2是真空成型后的冰箱內(nèi)膽與外殼連接。

為了達(dá)到良好的成型效果，熱吹泡和抽真空的速度和精度要求都很高。如果兩者控制不準(zhǔn)確，反應(yīng)速度不夠快，會(huì)出現(xiàn)吹泡膜高度不夠高、板材拉伸不足、吹泡膜被吹破、板材無(wú)法貼合模具、吸出的產(chǎn)品誤差高等情況。因此，需要控制吹泡和抽真空的速度和精度。熱吹泡又分為快速吹泡和慢速吹泡，抽真空也分為慢速真空和快速抽真空，成型工藝又分為凹模成型和凸模成型。

2 真空成型的現(xiàn)狀

現(xiàn)在的吹泡和抽真空流量控制系統(tǒng)中，技術(shù)手段比較落后，有手閥調(diào)整和電開(kāi)度調(diào)整等技術(shù)手段，不過(guò)控制都不是毫秒級(jí)的，熱吹泡和真空吸塑過(guò)程中調(diào)整流量的快速反應(yīng)性比較差，無(wú)法在控制過(guò)程中達(dá)到快速調(diào)整和快速控制的目的，而且由于氣體的控制不準(zhǔn)確造成大量的能耗浪費(fèi)，不符合綠色環(huán)保的倡議。因此為了提高冰箱內(nèi)膽成型的精度，就要提高熱吹泡和真空吸塑工序，所以在熱吹泡和熱吸塑工序中則需要一種快速流量控制的技術(shù)，在這個(gè)氣體流量控制技術(shù)手段里面，采用一種快速流量控制系統(tǒng)。

通過(guò)此技術(shù)手段的改善，使得熱吹泡和真空吸塑工序具有響應(yīng)速度快、能夠瞬時(shí)控制氣體流量、流量控制的精度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、一次投入成本低、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。從而使得板料成型后的尺寸誤差、外觀質(zhì)量、生產(chǎn)節(jié)拍、能耗等得到提高，也進(jìn)一步為冰箱產(chǎn)品升級(jí)變化打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

3 快速流量控制技術(shù)

快速流量控制系統(tǒng)，是指一種可以快速感應(yīng)氣體流量并做出快速響應(yīng)控制氣體流量的系統(tǒng)，采用該技術(shù)的系統(tǒng)，包括流量檢測(cè)單元、變頻器、流量泵、驅(qū)動(dòng)控制單等執(zhí)行控制單元，其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、流量控制準(zhǔn)確、成本低、其響應(yīng)速度可達(dá)微秒級(jí)等。

其原理描述大概如下，脈沖電壓轉(zhuǎn)換電路用于把流量脈沖信號(hào)變成為流量電壓信號(hào)，信號(hào)放大電路對(duì)流量電壓信號(hào)執(zhí)行信號(hào)處理之后，由電壓比較電路對(duì)目標(biāo)和設(shè)定流量電壓執(zhí)行對(duì)比，電壓比較電路用于對(duì)比分析流量電壓信號(hào)是否大于設(shè)定流量電壓值，并輸出對(duì)應(yīng)于電壓信號(hào)的判斷結(jié)果，再由電壓電流轉(zhuǎn)換電路把判斷結(jié)果電壓信號(hào)變成為判斷結(jié)果電流信號(hào)，該判斷結(jié)果電流信號(hào)直接傳輸給變頻器控制輸出電流頻率，快速調(diào)整流量泵調(diào)整吹氣和抽真空流量。控制系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程的時(shí)間（即快速性）和最大振蕩幅度（即超調(diào)量）一般都有具體要求[1]，采用集成電路等新型手段，通過(guò)新技術(shù)從而快速控制真空成型和熱吹泡的流量和氣量，讓系統(tǒng)做到真正高效可控。

圖3 詳細(xì)結(jié)構(gòu)如示意框架

圖4 驅(qū)動(dòng)控制單元電路圖

系統(tǒng)主要由硬件設(shè)計(jì)（流量檢測(cè)單元、電源模塊、控制系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)控制單元、監(jiān)視系統(tǒng)、變頻器、流量泵）及算法軟件組成。其詳細(xì)結(jié)構(gòu)示意框架如圖3。

3.1 驅(qū)動(dòng)控制單元的設(shè)計(jì)

其中驅(qū)動(dòng)控制單元由脈沖電壓轉(zhuǎn)換電路、信號(hào)放大器電路、電壓轉(zhuǎn)換電路、電壓電流轉(zhuǎn)換電路、驅(qū)動(dòng)電路組成。

其流量的脈沖作為輸入，經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)控制單元的轉(zhuǎn)換，輸出為4～20 mA的電流信號(hào)到達(dá)下一個(gè)控制即其中有電源模塊和控制系統(tǒng)為其供電，為實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能需要設(shè)計(jì)各自的電路模塊，相互配合才能達(dá)到目的，其驅(qū)動(dòng)控制單元電路舉例如圖4。

1）脈沖電壓轉(zhuǎn)換電路是由運(yùn)算放大器U6、算放大器U5、運(yùn)運(yùn)算放大器U4、二極管D1、三極管Q1、電容C3、電容C2、電容C1、電阻R6、電阻R5、電阻R4、電阻R3、電阻R2、電阻R1、基準(zhǔn)電壓電路、RS觸發(fā)器、高精密電流源、三極管Q2、基準(zhǔn)電壓電路、常開(kāi)開(kāi)關(guān)K1等組成。

2）信號(hào)放大電路由運(yùn)算放大器U1、電阻R7和電阻R8組成。

3）電壓比較電路由運(yùn)算放大器U3、電阻R12、電阻R11、電阻R10和電阻R9組成。

4）電壓電流轉(zhuǎn)換電路由運(yùn)算放大器U2、可調(diào)電阻器R16、2.5 V穩(wěn)壓管D3、電阻R15、電阻R13、可調(diào)電阻器R15、電阻R18、電阻R17和電阻Rf組成。

5）驅(qū)動(dòng)電路由VOMS場(chǎng)效應(yīng)管和電容C4組成。

通過(guò)此電路的配合，我們可以將氣體流量的數(shù)字量信號(hào)變成輸出的泵變頻器所需要的模擬量信號(hào)去驅(qū)動(dòng)下一級(jí)變頻（模擬量變成頻率執(zhí)行電路）。

3.2 電源模塊的設(shè)計(jì)

1）系統(tǒng)中有電源模塊位系統(tǒng)供電，系統(tǒng)中需要正負(fù)15 V的電壓，使用24 V直流模塊將24 V轉(zhuǎn)變?yōu)檎?fù)15 V直流電壓，此電壓作為電源模塊的輸出來(lái)提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。

2）該電源模塊可兼容不同設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)來(lái)解決f/I電路和PLC共地點(diǎn)的問(wèn)題，使用不同電壓變化模塊將不同標(biāo)準(zhǔn)的電壓轉(zhuǎn)換成F/I電路需要的電壓。

3.3 監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

從用戶控制的角度出發(fā)，此系統(tǒng)需要一個(gè)反饋系統(tǒng)情況的監(jiān)控系統(tǒng)，一般由可編程控制器（PLC），工站電腦（PC），服務(wù)器（Server）等上位機(jī)組成，主要用于反饋系統(tǒng)的運(yùn)行情況和與其它設(shè)備通訊。現(xiàn)階段一般能接入安燈（Andon）, 制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）等。便于位于上層計(jì)劃管理系統(tǒng)與底層工業(yè)控制之間的、面對(duì)車(chē)間層的管理信息系統(tǒng)，就工藝本身指導(dǎo)工業(yè)控制[2]。

3.4 變頻器與流量泵的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的輸出執(zhí)行元件是流量泵，流量泵可以是變量泵等高精度的氣泵，進(jìn)氣量的控制由電機(jī)把握，電機(jī)轉(zhuǎn)得快變量泵就轉(zhuǎn)得快，進(jìn)氣量就大，同理抽真空也是如此。所以進(jìn)氣量或抽氣量是由電機(jī)的頻率決定的，電機(jī)頻率的輸入端連接到變頻器輸出端，則變頻器的輸出頻率就可以控制流量泵的輸出流量了。在此過(guò)程中其實(shí)變頻器就充當(dāng)把模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)變成為了可變的頻率信號(hào)去驅(qū)動(dòng)外部裝置。

3.5 流量監(jiān)測(cè)單元的設(shè)計(jì)

流量監(jiān)測(cè)單元安裝盡量接近熱吹泡和抽真空的出氣口，這樣方便采集真實(shí)的流量。通過(guò)串聯(lián)監(jiān)測(cè)的方式，可以保證監(jiān)測(cè)的精度。而由于反饋的是脈沖信號(hào)，所以保證響應(yīng)速度快，且沒(méi)有累計(jì)誤差，保證系統(tǒng)的控制精度。而脈沖信號(hào)頻率選擇比較高，選用共模信號(hào)，所以同時(shí)又有抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。設(shè)計(jì)走線也要注意做一些抗干擾措施，例如用屏蔽電纜，強(qiáng)弱電分開(kāi)走線，用金屬波紋管等施工工藝，提供整體系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3.6 流量泵的設(shè)計(jì)

輸出執(zhí)行元件非常重要，其中選擇可以多樣且靈活，這里舉例了流量泵和流量閥，流量泵可以是真空泵或者高精度的定量壓縮泵。選用的同時(shí)可以配置一些通過(guò)頻率改變進(jìn)出氣閥門(mén)開(kāi)度的流量閥等，或者做成雙輸出雙閉環(huán)系統(tǒng)也可以。主體思想就盡量采用高質(zhì)量的泵或閥充當(dāng)輸出單元。

4 快速流量控制系統(tǒng)應(yīng)用于熱真空成型工藝

上述快速流量控制系統(tǒng)通過(guò)流量泵控制了熱吹泡氣量和抽真空流量，通過(guò)流量泵的轉(zhuǎn)速調(diào)整了發(fā)泡機(jī)密封箱的氣量，而不像以前只是節(jié)氣閥的開(kāi)度，最終系統(tǒng)采用兩疊加控制系統(tǒng)，雙閉環(huán)的方式來(lái)提高控制精度，同時(shí)此技術(shù)兼容支持凹模和凸模工藝。

在密封箱中的模具氣孔與箱體氣孔分開(kāi)，快抽真空和吹氣共用箱體氣孔，慢抽真空和脫模吹氣共用吸塑模具氣孔，而其中的切換通過(guò)換路的組合閥控制，閥組切換不同的氣路進(jìn)入密封箱和吸塑模具，從而使得快速流量系統(tǒng)配好的閥組接入到了密封箱，來(lái)控制密封箱氣量。

在熱真空成型工藝中，當(dāng)發(fā)泡設(shè)備的發(fā)現(xiàn)密封箱的氣量偏離了用戶所設(shè)定的目標(biāo)值，硬件電路馬上會(huì)響應(yīng)，加上在軟件中也通過(guò)PID的調(diào)整，補(bǔ)充或減少密封箱氣量，在毫秒級(jí)的時(shí)間內(nèi)即可做出調(diào)整，使得出氣量和抽真空量精確可控，而且變化可以是線性型的，中間沒(méi)有斷層，波動(dòng)時(shí)間短。

通過(guò)上述手段就可以讓快速流量控制系統(tǒng)接入熱真空成型工藝，吹泡形狀和高度控制好，使得熱塑膜拉伸合理，不會(huì)吹破或厚度不均勻，下模臺(tái)上升時(shí)可以減少邊角位置出現(xiàn)褶皺等現(xiàn)象。而抽真空氣量控制好，則保證了吸出來(lái)的模形狀滿足要求，且可以吸出更多不同形狀的產(chǎn)品，同時(shí)能適應(yīng)凹模和凸模工藝。而由于氣量控制好，則減少了吹泡破損情況，一旦破損就要停機(jī)等待冷卻和檢修，影響產(chǎn)量。通過(guò)上述方法加人控制系統(tǒng)，使得節(jié)拍JPH、CMK和MPBF都有所提高，使得設(shè)備符合DFSS標(biāo)準(zhǔn)。

冰箱生產(chǎn)內(nèi)膽需要吸塑工藝，為了解決家電生產(chǎn)中吸塑工藝的缺陷，需要在熱真空成型工藝中加入快速流量控制系統(tǒng)。通過(guò)加入了快速流量控制技術(shù)解決了原來(lái)熱吹泡和真空吸塑成型中控制氣量速度慢和精度低等缺點(diǎn)，改善了冰箱內(nèi)膽生產(chǎn)的質(zhì)量和精度需要提高等問(wèn)題，彌補(bǔ)某些家電產(chǎn)品外觀形狀能設(shè)計(jì)出來(lái)卻無(wú)法制造的不足。

5 總結(jié)

快速流量控制技術(shù)在冰箱內(nèi)膽生產(chǎn)中的應(yīng)用，打破了目前國(guó)內(nèi)吸塑技術(shù)的瓶頸，可以大大地提升吸塑工藝的市場(chǎng)適應(yīng)性，滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)的可制造能力，生產(chǎn)出更適應(yīng)市場(chǎng)發(fā)展的產(chǎn)品，促進(jìn)家電行業(yè)市場(chǎng)的發(fā)展。