计算机控制下的注射机控制优化

随着微电子技术、数控和计算机技术的发展，注射机的控制系统经历了几次更新换代。本节概略介绍可编程序控制器、计算机控制注射机及注射机智能化。

1.可编程序控制器

现代注射机的控制系统的主流是采用可编程序控制器（programmable logical control-ler，PLC）搭建的控制。PLC是以微处理器为核心的工程控制工业计算机。它用电液比例元件和可编程序控制器相联接的控制装置，其体积小、功能强，响应速度快，可靠性高。

（1）PLC的硬件PLC的硬件主要有：

1）中央处理器CPU有运算处理功能。CPU也称微处理器，有算术逻辑运算和程序控制功能。

2）存储器有只读存储器ROM和读写存储器RAM。ROM存储系统监控程序，不可改写。RAM存贮应用程序和数据。

3）输入和输出单元I/O大都按注射功能划分的接口模块，可以扩充。各路备有模拟量A与数字量D的转换器。

4）有定时器和计数器。

（2）PLC的软件PLC软件有两部分：

1）系统监控程序 它们由PLC制造厂编制，有系统的时间、存储空间和程序块调用的管理功能，监控各路的执行和接口运行及自我诊断，用于故障测试、查找和处理，放置在ROM存储器中。

2）应用程序 由PLC制造厂编制，用于注射过程各阶段和各工艺参量的参数设定。

（3）PLC控制的注射机 图5-74为可编程序控制器PLC注射机的控制系统框图，说明了PLC与注射被控对象的检测元件和执行机构的关系。

图5-74 PLC控制注射机的控制系统框图

可编程序控制器PLC，有下面三方面优点。

1）提高了控制能力。比例电磁阀比电气继电器组成的控制装置，控制质量高，能实现复杂的控制功能。比例电磁阀连续动作过程，避免冲击等干扰，延长了控制元件的寿命。

2）适应能力强。PLC可修改程序指令，选择控制方案，实现多种保压切换和多级注射等功能。PLC面板将控制集中，便于注射机操作，调试方便。

3）提高了可靠性。PLC采用现代集成化电子线路，抗干扰能力提高和无故障寿命长。

常见PLC控制注射机的加工操作，以图形化的指令和数据输入。操作面板上有小屏幕显示输入框，并有操作的文字和图表说明；下方有输入按键，除数码键和主操作键外，在一个区域中有合模装置的控制开合模和脱模按键。在另一个区域有注射装置的控制射出、塑化、注射座和料筒加热温度等按键。它们可以调出对应的屏幕界面，输入指令和数据。

2.计算机控制注射机

图5-75所示是计算机的注射过程控制框图。首先要将注射成型过程中的压力、温度和速度的模拟量由电子转换器译成数字。然后由计算机语言，将测定值与给定值在程序运行中对比。如超出极限值，则计算机发出警告并作处理。在闭环控制系统，差值信号转换成所需调整量，指令执行机构动作。

图5-75 计算机的注射过程控制框图

（1）注射机的计算机硬件

1）中央处理单元CPU。早期用8位二进制代码，现用16或32位进制的CPU，运行速度快，有较强的数字和逻辑运算能力，有强大的数据处理与交换能力和程序控制能力，还有中断处理和信号接口功能，由累加寄存器、数据寄存器、程序寄存器和地址寄存器等组成。

2）只读存储器ROM。用来存储基本程序、指令和数据，存储计算机的操作系统，注射工艺过程的各种程序。ROM存储器的内容是厂方编程写入的，不允许改变内容，断电后不会失去。现代已有可擦除的只读存储器EPROM，可用专门的工具和方法擦除程序和数据，也允许多次擦除和写入。

随机存取存储器RAM存放运算的中间数据，输入的指令。RAM中的数据随时可以重新写入和读取。

计算机上除了以上的芯片存储器外，还有磁性存储器。这些磁卡和磁盘，可擦、可写大容量的程序和数据，读写可储存注射机历来的几十套加工指令和数据；也能外接磁性存储器，与其交换工艺指令和数据，也可实现注射工艺资料的外部管理。

3）输入输出接口I/O。依从注射机诸多的控制对象的需要设置。模拟量的输入接口用于若干热电偶、位移和压力传感器，数字量的输入接口用于各限位开关，还有计算机操作键盘的输入接口。输出方面有连接电磁阀的数字量接口，和使用比例阀的模拟量接口。

4）显示器和键盘。高分辨率的显示器有强大的图形显示功能，用计算机操作键盘输入指令和数据。

（2）注射机的计算机软件

1）监控程序。用于完成参数输入和显示，进行运行过程监控和故障处理等。

2）工作程序。用于完成注射过程的各种控制功能，有PID控制软件、温度控制软件、液压油控制软件、注射控制软件、开合模具控制软件和初始化软件等。

3）诊断程序。用于有关控制系统各部分的自我诊断，以便维修。

（3）计算机控制系统与PCL比较

1）注射机的计算机控制系统是汇集现代先进技术专用系统，模块结构合理，因此，计算机控制系统的精度、稳定性和抗干扰能力都有提高。计算机控制注射机生产制品的重量误差下降到0.7%以下。如果实现注射模型腔压力控制，制品的重量误差可下降到0.15%以下，无定形塑料制品的尺寸精度可达到±0.0012mm/mm，结晶型制品的精度可达到±0.002mm/mm。

2）注射机的控制功能更齐全并完善，操作自动化程度提高，多级注射和多级保压实施方便。模具厚度调节功能使次模具更换时调整注射机的时间缩短。

3）计算机控制系统配有显示器和键盘，能高质量显示图形、动画、文字和数据，实现友好的人机交互界面；能显示各种注射状态曲线，直观监视注射过程，及各装置机构的工作状态；有注射压力状态曲线和螺杆位置等显示，并能与参考曲线比较，辅导工艺参数调整操作。现代的显示器已有触摸式显示屏，可快速转换画面。

4）注射机的计算机操作系统构建在当今windows操作系统的平台上，能实现计算机联网，输出打印等功能。可通过局域网进行厂内的多台注射机远程控制，也可以通过因特网远程操控；可利用windows操作系统环境下的软件，为注射工艺状态控制、控制系统智能化提供了支持。

（4）工艺状态控制 注射工艺状态控制，也称统计过程控制（statistical process control，SPC）。SPC利用统计规律对注射过程中的多个参量进行监控，发现参数异常及时判断处理，并发出警告，从而达到保证制件质量的目的。

衡量注塑件质量的指标很多，直接在注射生产中测量很困难。只能对监测工艺参量间接监控。计算机控制系统在线及时采样、记录、统计、处理和显示工艺参量。

在成批量的注射生产中，计算机对工艺参数的异常波动进行监察和处理。首先确定保证制品质量的工艺参数CL中心线，一般用注射工艺的给定值，决定上限控制线UCL和下限控制线LCL，见图5-76；监察到注射加工参数超过UCL，或低于LCL的制件视为不合格，注射机上有执行机构将落下的废品，推翻到存贮筐中。

上下限控制线根据概率统计理论决定。注射生产的批量制品质量统计也服从正态分布，见图5-77所示。图示正态分布函数N（u，σ²）的制品的合格率，取决于中线u值和宽度因子σ。按正态分布的3σ准则，在正态分布图上（u-3σ，u+3σ）区间内注塑件的合格率为99.73%。因此，在微机控制注射机的生产中，按3σ准则设置工艺参数的公差和对称的上下偏差。

图5-76 注射工艺状态控制线(www.xing528.com)

图5-77 正态分布区间的合格率

进行的SPC注射生产，还要选择若干个较重要的工艺参量，成组地监控统计。单一的温度或压力参量不能合理统计制件的合格率，生产中需查阅各种控制图表，科学地编制控制标准，对工艺状态异常进行诊断，并采取措施。

3.计算机控制注射机的智能化

注射机的专家系统（expert system of injection molding machine）是现代注射机控制系统的发展方向。如图5-78所示的注射机完整的控制系统框图中，还有注射制品质量的反馈和工艺参量给定值设定需接入到系统里。可编程序控制器或计算机控制的注射机，能够完成注射加工的状态控制，保证注射加工的温度、压力、位移和时间等参量保持恒定，使注射生产的全部制品的重量和质量稳定。但是，这些工艺过程的指令和参数值的选取，还是依赖操作人员的知识和经验。

图5-78 完整的注射机的控制系统框图

注射机控制参量的设定，一直困扰着操作者，也影响制品的质量。注射工艺的众参数正确设定是困难的。一方面，注射加工的控制过程是在间接监控注射制品的质量；另一方面，注射机的控制的对象是多变量、间歇工作，响应滞后且又离散，还不能建立起定量的模型。注射机的专家系统是一种智能的计算机控制系统，它以计算机程序求解高难度的工艺参量的设定值。

（1）注射机的专家系统三方面的特征

1）知识获取。注射机的专家系统的程序有大量的塑料材料、注射机、注射工艺和注射模的概念、数据和相关知识，经编辑后存入数据库；也将一些经验数据汇集到知识库中，把经过应用的某种塑料材料，某类注射模的某种制品的工艺参数存入数据库，需要时作为置换新模具的初始化的工艺参数；也将典型的注射压力分析曲线和螺杆推进速度曲线存入数据库，需要时作为工艺调试阶段对比校准的依据。

注射机专家系统的知识库，不但应该能方便调用，传授给计算机，还应该能不断补充和修正，有学习和丰富知识库的功能。注射工艺知识获取要经过问题识别、概念化、形式化，有些工艺规程要经过注塑件质量检测，反复设计和实验才能完善。

2）模糊推理。注射工艺参量繁杂且多变，注塑件质量指标的项目多样。注射机的专家系统要面对许多不确定的问题。而计算机只能处理定量的数据。这就要用模糊理论和模糊推理方法，处理数据的不全或不精确。用语言中的超出、尚可、可行、好或最好一类的词汇，将工艺参量定量化和区间化，并赋予属性，成为隶属函数和模糊集。计算机程序可以确定模糊集之间的关系，也可进行模糊推理。常用“若……则”（if…then），和“若……则……否则”（if…then…else）。

图5-79 模糊推理消除制品缺陷程序的框图

某个“设定注射参数及消除制品缺陷”的程序，其运行框图如图5-79所示。它有个强大的知识数据库，知识获取方便直观。可以测量的注射制品的质量有：尺寸、重量、表面粗糙度、力学性能和颜色等；不容易或不精确的有：气泡、流动痕、熔合缝和烧焦等等。首先，要对制品质量缺陷模糊化，也要对采样的注射工艺参数模糊化，然后经程序运行得到模糊推理。例如得到这样推理：如果制品有气泡缺陷而且保压时间太短，则增加保压时间，再进一步，用加权平均法解模糊，按强度规则解出修正量。

3）多目标优化 注射机专家系统的参量优化就是注射成型工艺的优化，或者认为是注射工艺优化的组成部分。其他还有塑料选材专家系统和注射模设计专家系统等。

从数学的角度理解，工艺优化就是在注射成型过程参数空间寻找可行的点。该点对应一组可成型最佳或接近最佳的制品质量的工艺参数。由于影响注射制品的各项质量指标的工艺参数相互制约甚至相互矛盾，所有的质量指标全部达到最优是不可能的。对一个质量指标的过分追求会使最优点超出约束范围。

图5-80 工艺参数设计优化

以熔体温度和注射时间对制品质量的影响为例。工艺参数的设计和优化可以用图5-80表示。工艺参数的搜索空间为塑料材料的温度参数和注射机效能参数。C₁、C₂、C₃、C₄为不同缺陷制品对应的约束。约束限制的区域为解的可行域。优化过程的初始点（X₀）可以为搜索空间的任意点。然后基于一定的准则和优化技术，经过X₁、X₂、X₃、X₄，最后到达G。路径矢量的方向和长度受优化参数的类型和量级的影响。由此可见，注射成型工艺优化是通过一系列搜索，使制品质量达到最优的过程。

注射成型工艺的优化，属于有约束非线性规划问题

Min　F（X） （5-41）

又g_j（X）≤0 j=1，2，…，m

h_i（X）=0 i=1，2，…，l

式中，X为设计变量，是工艺参数的集合。由于注射工艺参数很多，根据实验结果筛选对制品质量影响较大的变量作为设计参量。目标函数F（X）为制品质量指标与工艺参数的关系函数。g_j（X）与h_i（X）为注射机、材料等对成型过的限制条件。由于注射制品质量和工艺参数之间的关系非常复杂。要用基于神经网络技术建立两者之间的关系模型，建立约束函数关系；要用因素实验设计技术，研究注射工艺参数对制品质量的影响。

（2）专家系统举例 这里介绍两个注射机的专家系统的软件——“注射机参数的初始化设定”和“模腔几何形状辨识与分级注射参数的设定”。它们是注射工艺参数设定的重要程序。

1）注射机参数的初始化设定。初始化设定参数通常从生产无缺陷制品前提下开始，并实现高效的生产率。若为提高生产率设置注射周期为最小，会因此导致制品缺陷的出现。一组好的初始化参数，将为以后寻找无缺陷制品的注射打下良好基础。

重要的过程参量有：熔体温度、模具温度、冷却水温度、注射速度、保压压力、保压时间、冷却时间、螺杆转速和塑化背压。决定和影响这些注射参量的还有注射机操作和控制参数，例如熔体温度与料筒的各段加热温度和喷嘴温度相关；塑料塑化时的螺杆转速和背压也有影响，但可忽略。

熔体温度T与充模流动时间t的设定，可以用式（5-41）描述为式（5-42a）的数学式；目标函数Min F（X）描述成注射周期Min t_注周（T，t）为最小值，获得高效生产。它应该是最小充模时间t、最短的保压时间t_保 和冷却时间t_冷 之和。有

Min t_注周（T，t）=t+t_保+t_冷（5-42a）

图5-80所示优化注射时间和熔体温度参数的搜索的四边线，除了注射机能力的上下限制线外，两侧材料限制线为塑料熔体温度限制线。分解温度T_max和熔融温度T_min的关系：

对塑料熔体在模具型腔内的剪切流动，为防止不稳定的流动产生制品流动痕的缺陷，用临界剪切速率和剪切应力τ′限制剪切速率和剪切应力τ_max（T，t）。有

最后，添加经验公式的限制

式中V为注射模的型腔体积；v是注射机的最高注射速度。

经以上几个约束条件限制，设定的初始的充模流动时间t₀和初始熔体温度T₀，对应于图5-80上的框中X₀点，有条件用优化技术达到优化点G。

2）模腔几何形状辨识与分级注射参数的设定。计算机控制的注射机，在螺杆头前有熔体的压力和温度传感器，有螺杆位移和速度的监测，在注射现场能获知实际的注射压力变化曲线。

实验证实，在恒定的注射速度下，注射压力曲线的变化与注射模型腔的几何形状和大小有关。在熔料充模的主流道、分流道、浇口流程中，流经矩形、扇形或筒形通道时，流动阻力不同。因此，在恒定的注射速度下，在压力-螺杆位置曲线或在压力-时间曲线上，都有伴随着型腔几何形状改变的压力突变。

计算机控制的注射机有注射速度5～10级的多级注射功能。操控分级注射时，分段和速度设定可用计算机专家系统实施。运行注射机专家系统程序设定多级注射，可使塑料熔体在模具型腔流动时避免流速突变，具有稳定的剪切速率和剪切应力，可以避免产生制品缺陷。

“分级注射参数设定程序”编制中，用该注射模具的压力曲线的分析数据，计算压力曲线突变的斜率，用流变学的模具型腔流动的流量、压力降、剪切速率和剪切应力的计算式，限制曲线的斜度，得到多级注射的分段位置和各级的注射速度。

通常，监察压力曲线，“试凑”分级注射参数，凭经验操作往往会失去多级注射的价值。应用注射机专家系统，在注射现场设定分级注射参数，保证精密注射成型，这种注射机专家系统设定方法，也应用于设定多级保压压力和保压时间的参数。