一種自動化微孔發泡注塑成型機的優化研究

摘要：隨著新型合成材料的涌現和要求使用高精度泡塑產品的范圍不斷擴大，綠色、環保、節能的意識日益增強，對生產泡塑產品設備的要求越來越高。文章通過對一種自動化微孔發泡注塑成型機在散熱系統模式、油缸結構、壓力監控裝置以及以客戶需求驅動產品設計共享系統等方面的深入研究和優化設計，從延長高效區間工作占比、降低非工作能耗和提高產品可靠性等方面入手，以滿足產品在安全性、可靠性、操作舒適性和節能環保上的要求。

關鍵詞：微孔發泡；注塑成型；優化研究

中圖分類號：TQ320 文獻標志碼：A

0 引言

近年來，隨著綠色低碳節能環保理念的不斷深入，越來越多的塑料制品生產廠家開始使用EPP材料代替傳統的EPDM、再生PUR泡沫等非環保性材料。微孔發泡塑料作為“21世紀的新型材料”也應運而生，其所具備的低密度、高強度、高韌性、高剛度、長壽命等獨特的優勢性能被廣泛應用在航天航空、生活日用品和汽車零部件等多個方面。由此可見，泡塑行業是一個欣欣向榮的行業，研究如何提高注塑設備的生產效率，提升設備的安全性和自動化程度是有現實意義的。

1 微孔發泡注塑成型機的現狀研究

在我國，泡塑行業雖然起步較晚，但發展迅猛，已經成為塑料行業中應用量最大、最廣泛的品種。自動化微孔發泡高分子材料注塑成型機的研發正是基于成熟的聚苯乙烯類高分子材料的應用并立足于現今“智慧化”的風潮，著力于解決泡塑生產行業存在的質量低、效率低、能耗高等問題^［1］。

隨著國家對衛生、環保、安全等方面法規的日益完善，對塑料制造業配方調配、生產工藝、質量檢測等各環節的要求都更為嚴苛。就目前傳統的塑料機械而言，雖然可以進行泡塑成型，且有著較強的生產能力，但是往往不能滿足節能、低能耗的需求。在國務院印發的《中國制造2025》中就要求“堅持把可持續發展作為建設制造強國的重要著力點，加強節能環保技術、工藝、裝備推廣應用，全面推行清潔生產。發展循環經濟，提高資源回收利用效率，構建綠色制造體系，走生態文明的發展道路”。因此，泡塑企業需要通過自身技術更新、產品研發及人性化的操作工藝等措施來降低單位產品的能耗水平，同時積極研發并推廣先進、成熟、適用的綠色低碳技術，推動泡塑成型技術的可持續化發展^［2］。

自動化微孔發泡高分子材料注塑成型機的優化研究立足于行業發展，著力于解決產業目前存在的質量低、效率低、能耗高的問題，盡力縮小與發達國家之間的差距，具有較好的發展前景和市場價值。

2 微孔發泡注塑成型機的優化研究

按照習近平總書記提出的“兩個百年計劃”，我國已在2020年全面實現小康社會，貧富差距逐漸縮小，依靠低勞動力成本的時代已經結束，由勞動密集型升級到技術密集型，減少車間工人數量，節約企業生產運行成本，實現泡沫成型的自動化以及低能耗的生產將是泡沫成型未來發展的趨勢。

從綠色、節能、低碳及提高產品可靠性等方面入手，對生產泡沫產品的工藝、設備結構、自動化控制以及工業機器人的融入來滿足項目產品對高效率、安全性、可靠性和操作舒適性上的需求，對微孔發泡高分子材料泡塑成型機的散熱模式、油箱結構設計、壓力控制單元、數控一代智能技術和以客戶需求驅動的產品設計共享體系等技術進行深入研究^［3］。

2.1 泡塑機散熱系統模式優化

針對泡塑機的實際工作情況是高負荷的、連續的、重復的工作狀態，根據熱力學相關知識并結合其在工廠的實際情況，例如機器散熱面積、機器表面粉塵灰塵雜質積聚狀態、熱負荷作用下的應力分布，還有機器本身的制造材料抗高溫變形程度等諸多不利散熱因素，提出建立溫度、應變、流體壓力等多方面條件下的系統散熱優化算法，幫助操作人員及時發現機器熱負荷和強度方面的問題，以滿足像泡塑機這種需要連續工作且發熱量大的設備在長時間工作中的安全運行。該技術的應用是結合結構力學散熱模型提出的適合泡塑機的散熱優化方案，能夠有效解決長期困擾泡塑機行業的大負荷工況下連續工作的散熱問題^［4］。

2.2 泡塑機結構優化設計

小型企業、工廠往往都追求效益最大化，以往對泡塑機的結構優化只是根據其注塑成型特點進行簡單的形式處理。隨著國內生產自動化水平的顯著提高、原材料價格的不斷飆升、國際形勢相對嚴峻，加之這幾年疫情影響，目前企業需要解決的是減少單位重量制品的能耗來取代機器生產速度的問題。

從泡塑機的工作特點考慮，在其結構優化中考慮復合油缸結構設計，并將旋轉模的理念融入其中，以達到降低運行成本的目的。該機構主要包括固模、移模、油缸座、備用油箱、油缸A、油缸B，固模、移模位于油缸座的左側，固模、移模與油缸座之間連接有連桿，從降低制造成本且利于檢修方面考慮，可以把該連桿設計為可拆卸活動式連桿。移模與連桿之間為滑動配合連接，為增強支撐結構剛性，在此處采用滑腳前伸的設計理念，同時也能保證上模后模板垂直度，從而達到保護模具的效果。油缸座的右側中間連接油缸A與油缸B，且兩個油缸的頂桿均貫穿油缸座與移模相連接。備用油箱位于油缸座的右側，且備用油箱與油缸A，B之間通過油路管相連通，在工作中可以進行無障礙切換使用。固模和移模所組成的平面與油缸座所組成的平面均相互平行，以提升開合模定位精準度。

利用該復合油缸結構設計可結合智能雙面模結構，在固模的前后兩面都能安裝模具，且固模能繞其中心軸旋轉。在加工產品過程中，可實現一面生產，另一面取產品和放鑲件，在智能雙面模工作過程中可使兩油缸交替供油。這種設計具有減少生產成本、提高生產效率、有效降低產品生產所需能源的優點。在生產一些需要在產品上放置鑲嵌件的產品時，每一模都需要人工進入模具內放鑲件，既沒有效率，也有很大的安全隱患。智能雙面模具座的旋轉，可以在放置鑲件的時候，一面正常生產，另一面在生產空間外側，既可以節約時間，也可保證生產的安全性。

2.3 泡塑機壓力監控裝置的優化

在生產塑料產品時，EPS原料的加熱需要較高要求的穩定壓力和溫度，這就需要更加準的管道閥門控制。通過對閥門的開度實現精確控制，來實現模腔內的壓力和溫度的控制。

目前，現有的管道壓力控制機構是通過平衡閥控制，由壓力調節閥設定壓力通氣進平衡閥設定端，由管道上的采樣點反饋壓力進平衡閥采集端，通過壓力比較推動平衡閥內部的閥芯左右滑動，以控制進入閥門的氣壓，使閥門開度變化，達到控制管道壓力。但是平衡閥的壓力采集和壓力比較的精度比較低，閥芯的滑動有一定的阻力，造成了管道壓力控制的一定誤差，對于需要高精度控制壓力的產品，在產品合格率方面不能很好地控制。

為此，可以通過采用PLC程序控制技術來優化注塑成型機的壓力控制機構，如圖1所示?？刂葡到y采用人機界面屏進行監控和控制，在角座閥上安裝了限位開關及壓力傳感器。PLC控制器能夠通過壓力傳感器實時采集角座閥里的蒸汽壓力信號，經數據處理后顯示在人機界面上，操作人員可以通過人機界面實時觀測角座閥內蒸汽壓力；角座閥內蒸汽壓力到達設定值觸發限位開關動作，信號通過PLC控制器處理后精準控制角座閥閥門開口大小，以此達到提高精密產品合格率的效果。

根據系統運行狀態，選用最合適的控制方法，其中PID控制（又被稱為比例、積分、微分控制）因其算法簡單、魯棒性好、可靠性高，是目前工業過程控制中應用最廣泛的技術之一。在泡塑機的壓力監控裝置中，壓力傳感器的作用是獲得當前蒸汽壓力值的大小，以計算它與目標壓力的差值e（t）。在比例控制環節，控制量和誤差成正比，即u（t）=Kpe（t），當傳感器檢測到誤差較大時，其控制量也會較大，此時蒸汽量就會增大，當快接近目標值時，誤差變小，控制量也較小，使得蒸汽量增量變小，并維持在一定增量。比例控制雖然可以快速減小誤差，但最大的問題是當控制量小于一定值時，蒸汽的壓力只能把閥門保持在當前位置，就造成了所謂的穩態誤差，這一誤差不會隨著時間推移而被比例控制消除。通過不斷累計誤差值并直接加到積分控制量上，即，蒸汽壓力繼續增大，最終成功消除穩態誤差。而微分控制量是在蒸汽輸入量不穩定的狀態下，計算當前誤差的變化率并加至控制量，即，微分控制量將隨著誤差變化率的增大而增大，使得蒸汽量迅速增大而使閥門回到目標位置?？傊?，在PID控制中，積分控制提供了一定的慣性，而微分控制則提供了一定的阻尼，加上微分控制的調節，使得泡塑機的壓力控制穩定性更好，精確度更高^［5］。

2.4 以客戶需求驅動產品族譜變型

對泡塑機客戶需求進行參數化建模，重點以噸位、舉升高度、動力系統、冷卻系統、環境參數、控制系統等參數為特征分析對象，結合各系統的內在參數關聯模型，分析系統需求參數的共性特征及其差異性，建立從客戶需求參數分析到設計參數特征關聯的動態設計過程。以需求屬性、特征屬性及需求關聯屬性對需求進行參數化定量拓展，包括泡塑機的動力、噸位、傳動到冷卻、效率、振動噪聲水平等為性能提升對象的一系列拓展，建立設計需求與產品功能的邏輯映射關系，合理規劃產品族譜的共性關鍵技術和功能多樣性，建立產品按需求分類共享設計體系，有效縮短產品研發周期。

通過設計需求參數特征關聯及部件子系統功能映射分析方法集成，形成以智能化微孔發泡成型機設計需求為導向的產品功能設計知識體系，利用設計知識庫互聯共享技術，建立基于信息技術的智能化微孔發泡成型機結構功能創新設計平臺；以知識推理應用拓展為基礎，設計完成合模裝置、注射裝置、驅動裝置和控制系統等功能模塊，并進一步根據功能裝配有向圖中對裝配關系和裝配向量的描述，建立支持多裝配參數關系向量的模塊化裝配體系，提高產品的設計效率和可靠性。

3 結語

隨著微電子技術、傳感技術及信息處理技術的不斷發展，泡塑成型機整體水平顯著提高。本文主要通過研究優化泡塑機的散熱系統模式、改變油缸結構、精確壓力監控裝置以及針對客戶需求建立產品按需分類共享網絡體系等，使得泡塑機安全性、可控性和環境友好性等得到顯著提升。通過與機械設備、電子元件及液壓傳動的密切結合，并使之保持最佳工作狀態，以實現泡塑成型機的智能化作業，為實現無人車間、無人工廠提供了堅實的技術基礎。

參考文獻

［1］任亦心，劉君峰，許忠斌，等.微孔發泡注塑成型工藝及其設備的技術進展［J］.塑料工業，2021（2）：12-15.

［2］葉巴丁，陸晨風，儲能奎，等.全電動注塑機研究進展及在汽配電子行業中的應用［J］.中國塑料，2020（10）：94-99.

［3］付琳，歐宇，唐承輝，等.全電動注塑機設備合模機構結構優化［J］.塑料科技，2021（7）：121-123.

［4］王惠添，殷莎，陳正偉，等.微孔發泡注塑技術研究進展［J］.中國塑料，2021（10）：154-165.

［5］陳興媚，李雙成.液壓傳動在注塑機設備中應用研究［J］.新型工業化，2021（2）：175-177.

（編輯 何 琳編輯）

Optimization research of the automatic microcellular foam injection molding machine

Zhang" Hailing， Liu" Hongjing

（Zhejiang International Maritime College， Zhoushan 316021， China）

Abstract：" With the emergence of new synthetic materials and the continuous expansion of the range of high-precision foam products， as well as the growing awareness of green， environmental protection and energy conservation， the requirements for the production of foam products and equipment are getting higher and higher. Through the in-depth research and optimization design of an automatic microcellular foam injection molding machine in the heat dissipation system mode， oil cylinder structure， pressure monitoring device and customer demand driven product design sharing system， the paper starts with extending the proportion of efficient interval work， reducing non work energy consumption and improving product reliability to meet the requirements of product safety， reliability， operation comfort， energy conservation and environmental protection.

Key words： microcellular foaming; injection modeling; optimization research