注射成型系統監控裝置及其智能管理系統研究

劉宗義，羅剛

(四川省宜賓普什模具有限公司，四川 宜賓 644000)

注塑機作為注塑制品的生產機械已被廣泛使用,對于模具制造商來說，對制造卓越模具的追求，沒有止境。目前先進精密注塑模具正在向更高腔、更緊湊、由單一的制模轉變為給客戶提供模具系統一體化的方向發展。注射模具成型作為一個典型的多變量、多工序間歇工業過程,也是過程監測的重要應用背景,其理論成果層出不窮。但由于間歇過程固有的變量時變性、反應復雜等多種原因,其在實際生產中的應用效果卻難如人意[1], 目前模具運行過程中，由于缺乏有效的運行監控管理系統，注塑系統完全處于開環控制狀態，缺乏有效的運行監控措施，整個注塑過程較大地依賴人工，精密注塑控制問題一直得不到很好的解決。當出現運行故障時，只有派遣專門的維修人員到現場進行故障檢測以確定故障原因。整個監控過程的自動化程度不高，人工勞動強度較大，極大地影響了模具運行效率。例如，當模具運行突發出現填充壓力、注射速度、冷卻水溫度、冷卻水流量等變化后，必將會導致部分產品質量問題[2]。生產管理人員很難及時發現，只能依靠檢測到塑料制品不合格后才能發現設備或工藝環境出現了變化或者故障。出現故障后，必須依靠工作人員親臨現場進行故障檢測以確定故障原因并予以解決、修復或調整工藝后才能重正常生產。由于塑料制品質量保障依賴注塑設備、模具以及生產環境運行穩定性，產品質量控制難度大，對生產工藝控制技術要求高。因此，研發半閉合或閉環控制的注射成型控制系統，對成型過程中關鍵工藝參數如填充壓力、注射速度、冷卻問題、流量等變化進行對監控或者生產工藝自動補償，可以有效改善或解決注塑成型的質量風險。隨著自動化和計算機控制技術在注塑機上的應用,智能控制注塑工藝過程的各參數達到最佳已成為可能。這種方式可以保證注塑制品的精度,將最優的工藝條件儲存在計算機中,從而保證每一批注塑制品的質量。發展智能模具，不僅是制造業對模具行業提出的新要求，同時它也是模具行業進一步發展的推動力量，因此，它必將成為未來模具行業的發展方向。

1 注射模具工作原理

注射模具又稱注塑成型，是成型物料在注塑機加熱料筒中塑化后，由螺桿柱塞注射到閉合模具的模腔中形成制品的成型方法[3]。如圖1，其過程是由顆粒狀原料高溫加熱流動的液態高壓高速度進入熱流道保溫熔液進入模腔冷卻成型 到頂出溫度頂出成品[4]。

圖1 注射成型過程圖示

注射模具工作過程一般是：合模—注射（保壓）—模具冷卻（熔融）—開模—頂出塑件，如圖2，根據模具結構、工作原理及生產環境編寫運行程序及調試[5]。

圖2 注射成型循環周期分布

2 注塑模具監控裝置

先進精密注塑模具正在向更高腔、更緊湊、由單一的制模轉變為提供給客戶模具系統一體化的方向發展。目前模具運行過程中，由于缺乏有效的運行監控措施，工作人員對整個注塑過程的監控必須依靠親臨現場予以解決，并且，當出現運行故障時，只有派遣專門的維修人員到現場進行故障檢測以確定故障原因。整個監控過程的自動化程度不高，且人工勞動強度較大，極大影響了模具運行效率[6]。

針對上述問題，如圖3研發一種注塑模具監控裝置，包括熱流道系統、熱流道溫控器、檢測模塊及模具數據采集器等模塊。裝置通過模塊之間熱流道系統與熱流道溫控器連接，模具數據采集器分別與檢測模塊及熱流道溫控器連接[7]，實現監控裝置能夠對模具的運行過程進行實時監控，對運行數據進行檢測后通過數據采集器進行處理并發送給熱流道溫控器，熱流道溫控器根據運行數據計算得到熱流道系統的合理工作溫度。在此基礎上，熱流道溫控器將接收的運行數據發送給管理計算機，管理計算機對接收的數據進行實時顯示，以方便工作人員及時了解模具運行狀態。通過模具監控裝置及其智能管理程序，實現對模具運行智能管理的同時，方便在模具運行故障時工作人員及時處理，極大提高了模具運行效率。相關部件工作原理要求如下：

圖3 注塑模具監控裝置工作原理圖示

（1）熱流道系統，通過加熱保證流道和澆口的塑料保持熔融狀態。

（2）熱流道溫控器，用于接收來自模具數據采集器的信息，同時根據所搜集信息對熱流道系統溫度進行控制。

（3）檢測模塊，用于檢測模具運行時的運行數據；檢測模塊包括計時器、計數器、GPS模塊、模內壓力傳感器及鎖模力傳感器，分別用于檢測模具的成型周期、生產次數、位置信息、模腔壓力及鎖模力[8]。

（4）模具數據采集器，用于采集檢測模塊檢測到的運行數據，處理后發送給數據收發模塊；數據收發模塊，用于進行數據收發，包括將模具數據采集器發送的運行數據發送給熱流道溫控器；另外，熱流道溫控器除具備上述功能外，還可以功能疊加用于進行自動化模具診斷、塑料泄露檢測及加熱器故障檢測。理所當然，此時熱流道系統需具備與外部設備進行數據收發的通信功能，并且與整個注塑工藝流程監控系統相連接。當熱流道出現塑料泄露或者加熱器故障時，首先連接的報警器將提示報警及故障顯示，或者根據預先的設置直接報警停機提示待修。同時相關數據采集器包括數據收發模塊，用于進行數據收發，包括將運行數據發送給熱流溫控器。同時模具數據采集器與熱流道溫控器通過以太網或CAN總線連接。

3 注塑模具智能管理系統

上述監控裝置，主要解決的試單一模具生產運行智能監控，如要實現整個車間及工廠生產所用模具運行的智能監控及管理，則還需要研發一種注塑模具智能管理系統。注塑模具智能管理系統除了包括上述的注塑模具監控裝置，還包括服務器及管理計算機，系統運行管理中服務器與管理計算機連接；服務器用于存儲模具運行數據及分析管理數據；管理計算機內包括對模具運行數據自動收集的數據收集模塊、對運行數據進行圖形化處理并顯示的顯示管理模塊以及對收集的數據進行分析與評估的數據分析模塊。相關部件工作原理如下：

（1）服務器用于存儲模具運行數據及分析管理數據。

（2）管理計算機內包括對模具運行數據自動收集的數據收集模塊、對運行數據進行圖形化處理并顯示的顯示管理模塊以及對收集的數據進行分析與評估的數據分析模塊。

（3）報警裝置與管理計算機連接，用于當模具發生塑料泄露或熱流道系統的加熱器發生故障時進行報警處理。檢測模塊檢測到模內壓力值在預設的壓力報警值范圍之外時，報警裝置便進行報警。

注塑模具智能管理系統提供的注塑模塊監控裝置，能夠對模具的運行過程進行實時監控，對運行數據進行檢測后通過數據采集器進行處理并發送給熱流道溫控器，熱流道溫控器根據運行數據計算得到熱流道系統的合理工作溫度。在此基礎上，熱流道溫控器將接收的運行數據發送給管理計算機，管理計算機對接收的數據進行實時顯示，以方便工作人員及時了解模具運行狀態。通過監控裝置及其智能管理系統，實現對模具運行智能管理的同時，方便在模具運行故障時工作人員及時處理，極大提高了模具運行效率。

對上述的監控裝置及其智能管理系統的實施進行以下一詳細說明。

將計時器、計數器、GPS模塊、模內壓力傳感器及鎖模力傳感器組成的檢測模塊安裝與模具內的適當位置，計時器、計數器、GPS模塊、模內壓力傳感器及鎖模力傳感器分別檢測模具的成型周期、生產次數、位置信息、模內壓力及鎖模力后將上述運行數據傳輸到數據采集器，數據采集器對運行數據進行處理后通過以太網或CAN總線傳輸給熱流道溫控器。由于是對模具運行數據進行實時采集，因此數據采集器在此處是必要的，因其具備強大的數據采集及處理功能，數據采集器包括數據收發模塊，用于進行數據收發，包括將運行數據發送給熱流道溫控器。熱流道溫控器用于對熱流道系統所需溫度進行控制，其根據接收的運行數據，分析計算出熱流道系統工作的合適溫度并將此合適溫度發送給熱流道系統，熱流道系統再根據該控制溫度通過加熱保證流道和澆口的塑料保持熔融狀態[9]。

熱流道溫控器在處理運行數據的同時還將運行數據上傳給管理計算機，管理計算機通過圖形化界面處理，將運行數據進行圖形化顯示，以方便運行維護人員對模具運行有直觀的了解。與管理計算機連接的設備還有服務器，服務器用于存儲模具運行數據及分析管理數據。服務器除存儲數據功能之外，還可對存儲的數據進行分析處理。管理計算機還連接有報警裝置，由于塑料注入注嘴頭孔時，將增加澆口嵌件的熱損耗，并對注嘴頭的熱電偶連接產生影響，并且分流板槽中的塑料泄漏可以彌合氣隙，分散分流板的熱量，這兩種情況會導致工作周期急劇增加。 管理計算機在接收到監控運行數據后，通過數據分析對比，在發送上述情況時，將及時控制報警裝置進行報警[10]。報警裝置可采用蜂鳴器予以實現，在蜂鳴器進行報警的同時，管理計算機同時通過圖形顯示。尤其當管理計算機連接的模具數量較多時，管理計算機將對應顯示發送故障的運行模具，但是，由于數據傳輸限制，模具的數量一般不超過128臺。在上述功能的基礎上，當發生故障時，服務器還具備故障數據定點發送功能，例如，將故障數據以郵件形式發送給專家或者特定管理人員。同樣地，基于服務器，智能管理系統還可以提供模具運行數據網絡瀏覽功能，此功能的基礎當然是在服務器中提供訪問域名。注塑車間管理系統架構如圖4所示。

圖4 注塑車間管理系統架構

4 結語

隨著我國工業水平的不斷提高，對工藝裝備的要求越來越高，無論是硬件還是軟件，都上了很大臺階。對于模具制造商來說，對模具的制造及卓越的追求，沒有止境。目前先進精密注塑模具正在向更高腔、更緊湊、由單一的制模轉變為提供給客戶智能注射模具系統一體化的方向發展。