基于喷嘴压力的注塑机注射保压切换控制系统及方法

摘要

本发明涉及注塑过程的控制方法，旨在提供一种基于喷嘴压力的注塑机注射保压切换控制系统及方法。该系统包括注塑机、注塑液压系统、压力和压力斜率阈值设定模块、喷嘴压力采集模块和切换控制模块；压力和压力斜率阈值设定模块连接到切换控制模块，喷嘴压力采集模块安装于注塑机的注射料筒的喷嘴相应位置，并且通过信号线连接到切换控制模块；切换控制模块通过信号线连接至设于注塑机上的注塑液压系统。本发明可以增加切换的安全性，防止斜率计算的误差，达到平稳的切换。压力传感器尺寸精度要求低，安装方便，便与实施。可以克服采用模腔压力切换的检测难问题和采用注塑液压系统压力判断的滞后现象。

说明书

技术领域

本发明涉及注塑过程的控制方法，更详细的说，本发明涉及注塑机注塑成型过程中 注射过程到保压过程的切换控制方法，实现注射到保压的平稳、无超调切换控制。

背景技术

注塑机是将高分子原材料经过注塑机的料桶加热到生产需要的温度，变成熔融态， 然后将加热到熔融态的高分子流体，通过螺杆注射到模具中冷却成型的加工机械。塑料 注射成型可对形状复杂的制品实现一次成型，具有效率高、尺寸精确、适合大批量生产 等特点，是塑料制品最具优势也是最主要的加工方式。一台典型的液压式注塑机包括注 射机构、合模机构、液压系统和控制系统四个部分。注塑成型过程是一个周期性的复杂 过程。一个典型的注塑成型过程包括合模、注射、保压、预塑和冷却、开模和顶出几个 步骤。注射装置的作用是将塑料均匀地塑化，并注射到模具型腔中。注射装置由塑化部 件(螺杆，料桶，加热装置，喷嘴)，料斗、计量装置、传动装置、注射油缸及移动油缸 等组成。合模装置实现模具的开闭，在注射时应保证模具可靠地合紧。合模装置主要由 前后固定模板，移动模板，连接拉杆，连杆机构，调模装置，合模油缸，移模油缸以及 制品顶出装置组成。液压系统和电气控制系统提供动力并使注塑机按照预定的工艺过程 要求(压力，速度，时间，温度)和动作顺序工作。

注塑使用的高分子材料、模具、注塑机械和注塑工艺四个方面直接控制着注塑产品 的质量。在注塑的高分子材料、模具和注塑工艺一定的情况下，注塑产品的质量直接由 注塑机械的工艺参数控制精度决定。注塑成型最重要的工艺条件是影响塑化流动和冷却 的温度、注射精度、压力以及流量控制等。

注射和保压过程是直接成型产品的关键过程，其对应工艺参数的控制的精度直接关 系到产品的质量。当高分子原来通过预塑过程被从注塑机料筒传送到注塑机的注射料 筒，并被加热到设定的温度，形成熔融态，然后按照设定的液压速度被旋转的注射螺杆 充填进闭合的模腔，该过程成为注射过程。当闭合的模腔被熔融态的高分子原料充填满 以后，注射螺杆继续保持一定的压力进行补充高分子原料在冷却成型过程中的收缩形成 精确外形尺寸的产品，该过程成为保压过程。然后经过冷却过程形成最终的产品。

保压过程对精密塑件的影响极大，准确地说，保压能较好地补缩，减小塑件变形， 控制塑件精度。保压压力的稳定决定了塑件的成型精度，螺杆的终止位置不变是决定保 压效果的决定因素。注射成型过程需要合适的保压压力，以提高塑件的密实度，减小收 缩变形，保证制件精度。但是，并非注射压力越大越好，压力过大会产生飞边现象。实 际应用中保压压力不是不变的，而是采用阶段式的保压过程，也就是保压过程分成几个 阶段，从注射过程到保压过程开始，以时间顺序成为保压一、保压二、保压三等阶段， 不同大小的注塑产品所需的要保压段数不同。一般而言第一阶段的保压压力最大，而后 依次减小。

从注射过程到保压过程是一个连续的过程，注射过程主要以注射的液压过程的速度 为控制目标，而保压过程主要以液压过程的压力为控制目标。在什么时刻、采用何种方 式从注射过程切换到保压过程有不同的方法，实际控制的效果也不同。目前主要的注射 过程转保压过程的切换控制方法主要有时间方式、位置方式和压力方式。时间控制方式 是在注射阶段设定注射过程的时间，当注射过程达到设定时间以后切换到保压过程。位 置方式为设定注射过程中注射螺杆的位置，当注射螺杆达到该位置以后切换到保压过 程。而压力控制方式是设定液压系统的压力，控制系统实时的检测注塑液压系统的压力， 当注射过程中液压系统的压力达到设定值以后就切换到保压过程。

不同的切换控制方法有不同的控制特点和控制效果。例如利用注射液压系统的压力 进行切换，由于液压系统的压力和模具模腔中的压力并不相等，而且存在滞后现象，导 致注射压力超调现象，形成模具内模腔压力迅速上升，大大超过设定的最高保压压力， 最终压力过高导致形成飞边、曲翘等注射缺陷。因此抓住合适的时机迅速的转换到保压 过程是非常重要的。

喷嘴压力和模腔压力是相互联系的，利用喷嘴压力的检测可以间接反映模腔压力的 变化。一个三段保压的保压过程压力曲线设置如附图1所示，一般三段保压的参数是阶 梯下降的。按时间顺序其中201为第一段保压，202为第二段保压，203为第三段保压。 而常规的切换控制方法模腔内部压力变化如附图2中所示。其中302为附图1中所述意 义的三段设置保压压力，而虚线部分301为模腔内部实际压力，可以看出保压开始阶段 模腔内部压力迅速上升，大大超过了第一段设置压力，这对于产品质量有很大的不良影 响。本发明就是为了克服这个问题，提高注塑产品质量。

本发明的发明重点就是要解决如何准确、迅速的实现注射过程到保压过程的切换问 题，实现注射到保压的平稳、压力无超调切换控制。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术的不足，提出一种新的基于注射料筒喷 嘴压力的注射保压切换控制系统。本发明更进一步的目的是提供一种基于喷嘴压力的注 射保压切换控制方法，实现注射到保压过程的平稳切换。

本发明解决技术问题采用的技术方案如下：

提供一种基于喷嘴压力的注塑机注射保压切换控制系统，包括注塑机和注塑液压系 统；还包括：用于设置喷嘴压力阈值和压力上升斜率阈值的压力和压力斜率阈值设定模 块；用于实时检测注射料筒的喷嘴处压力的喷嘴压力采集模块；和用于实现喷嘴压力和 压力上升斜率实测值与阈值比较、注射过程与保压过程切换的切换控制模块；压力和压 力斜率阈值设定模块连接到切换控制模块，喷嘴压力采集模块安装于注塑机的注射料筒 的喷嘴相应位置，并且通过信号线连接到切换控制模块；切换控制模块通过信号线连接 至设于注塑机上的注塑液压系统。

本发明进一步提供了基于前述系统的注塑机注射保压切换控制方法，包括：

(1)压力和压力斜率阈值设定模块根据注塑机工艺参数设定的最大保压压力V_max设置喷嘴压力阈值V_t，根据实际注塑机最大注射速度设置压力上升斜率阈值K_t，并将两 个设定阈值传送至切换控制模块；

(2)喷嘴压力采集模块依据采样周期ΔT实时检测注射料筒的喷嘴处压力V_k，并将 压力数据传送至切换控制模块；

(3)切换控制模块将接收到的实时喷嘴压力数据进行A/D转化得到喷嘴压力V_k， 并根据公式(a)计算当前实时的压力上升斜率K_k：

$K_k=\frac{V_k-V_{k-1}}{\mathrm{\Delta T}}---\left(a\right)$

式中，k表示当前采样时刻，V_k为当前采样时刻的喷嘴压力，V_k-1为前一时刻的喷 嘴压力，ΔT为采样周期；

(4)切换控制模块计算得到当前压力上升斜率K_k以后，保存K_k以用于下一周期的 计算；并根据公式(b)进行二次平均滤波处理，得到当前的有效压力上升斜率K；

K＝(K_k+K_k1)/2    (b)

其中K_k为通过公式(a)计算得到的当前压力上升斜率K_k，K_k-1为上一采样时刻计 算得到压力上升斜率；

(5)如果检测得到的当前喷嘴压力V_k满足V_k≥V_t，且当前的有效压力上升斜率K 满足K≥K_t，则切换控制模块发出注射过程到保压过程的切换指令，注塑液压系统控制 注塑机由注射过程转变到保压过程；否则不进行切换控制，注塑机继续保持注射过程不 变。

本发明中，所述采样间隔时ΔT的取值为0.1～10ms。

本发明中，所述喷嘴压力阈值V_t的设定范围为：V_t＝(40％～80％)*V_max。

本发明中，所述压力上升斜率阈值K_t的设定范围为0～2000bar/s。

本发明的具体思路如下：

本发明的系统结构框图如附图3所示，包括压力和压力斜率阈值设定模块101、喷 嘴压力采集模块105、切换控制模块102、注塑液压系统103和注塑机104几个部分。 喷嘴压力采集模块105采用压力传感器实时采集注射料筒喷嘴处的压力，控制算法在切 换控制模块102内部实现。压力和压力斜率阈值设定模块101连接到切换控制模块102， 将喷嘴压力阈值V_t和压力上升斜率阈值K_t两个参数传送到切换控制模块。喷嘴压力采集 模块105安装在注塑机104注射料筒的喷嘴对应位置，实时的检测喷嘴处的压力，并且 喷嘴压力采集模块105通过信号线连接到切换控制模块102，将实时采集的喷嘴压力传 送给切换控制模块102。切换控制模块102内置切换控制算法，首先利用实时得到的喷 嘴压力计算喷嘴压力上升斜率，然后和当前喷嘴压力与设定模块设置的压力和压力上升 斜率进行判断比较，如果当前喷嘴压力大于设定的压力阈值，而且计算得到的压力上升 斜率大于设定的压力上升斜率，则切换控制模块102实现发出注射过程到保压过程的切 换控制信号，否则继续保持注射过程不变。切换控制模块102通过信号线连接到注塑液 压系统103，对液压系统进行实际的控制，实现注射过程和保压过程的切换。而注塑液 压系统103安装在注塑机104对应位置，控制注塑机的实际动作和运行。

各模块的功能具体如下：

压力和压力斜率阈值设定模块101设置切换控制所需要的喷嘴压力阈值V_t和压力上 升斜率阈值K_t。根据设定的最大保压压力V_max设置喷嘴压力阈值V_t，一般情况下 V_t＝(40％～80％)*V_max，而压力上升斜率阈值K_t一般根据实际注塑机最大注射速度进行 设置，一般范围为0～2000bar/s。

切换控制模块102内置计算程序实时的计算喷嘴压力上升斜率K。切换控制模块102 首先利用喷嘴压力采集模块105采集并传送过来的喷嘴压力，通过A/D转化计算，得到 当前的喷嘴压力V_k，下标k表示当前采样时刻。并且保存当前喷嘴实际压力V_k，然后通 过下面公式(a)计算当前实时压力上升斜率K_k.

$K_k=\frac{V_k-V_{k-1}}{\mathrm{\Delta T}}---\left(a\right)$

其中V_k为当前采样时刻的喷嘴压力，而V_k-1为切换控制模块102保存的前一时刻的 喷嘴压力，ΔT为采样间隔时间，也就是采样周期，每隔ΔT时间切换控制模块102通过 喷嘴压力采集模块采集105采集一次喷嘴当前压力。采样间隔时间ΔT的设置根据实际 注塑过程精确闭环控制的需要、压力传感器的采集能力、压力采集模块A/D(模拟数字) 转换速度的限制等条件进行设置，实际控制中一般为0.1～10ms(毫秒)。

切换控制模块102计算得到当前压力上升斜率K_k以后，保存K_k以用于下一周期的 计算。为了防止压力检测误差和其他各种外接干扰，切换控制模块102通过下面公式(b) 进行二次平均滤波处理得到当前的有效压力上升斜率K。

K＝(K_k+K_k-1)/2    (b)

其中K_k为通过公式(a)计算得到的当前压力上升斜率K_k，K_k-1为上一采样时刻计 算得到压力上升斜率。

切换控制模块102利用公式(b)计算得到的当前的有效压力上升斜率K和当前的 喷嘴压力V_k进行注射和保压过程的切换判断。

切换判断过程如下：

如果检测得到的当前喷嘴压力V_k满足V_k≥V_t，而且通过公式(a)和(b)计算得到 有效压力上升斜率K满足K≥K_t，则切换控制模块102实现注射过程到保压过程的切换， 注塑机由注射过程转变到保压过程，否则不进行切换控制，注塑机继续保持注射过程不 变。

相对于现有技术，本发明的有益效果在于：

本发明通过喷嘴压力和喷嘴压力上升斜率两个阈值实现注塑过程注射到保压的平 稳切换，压力上升斜率阈值参数的作用是为了判断模腔已经基本被熔融了高分子原料充 填满，压力开始快速上升，而喷嘴压力阈值的作用可以增加切换的安全性，防止斜率计 算的误差，以及调整注射到保压的切换点，达到平稳的切换。采用喷嘴处压力进行切换 控制，压力传感器尺寸精度要求低，安装方便，便与实施。采用喷嘴压力的检测，可以 克服采用模腔压力切换的检测难问题，因为一般模具非常精密，难以在模腔内安装合适 的压力传感器检测模腔内部压力。同时可以克服采用注塑液压系统压力判断的滞后现 象。

附图说明

图1为典型的保压压力设置曲线。

图2为一般切换控制方法模腔实际压力曲线。

图3为本切换控制系统的总体结构图。

具体实施方式

以一个60吨小型注塑机的注射保压切换控制过程为例进行说明，该注塑工艺参数 中注射过程有4段，保压过程有3段。其他各种吨位和型号的注塑机注射到保压的切换 控制算法类似，都被认为在本发明的范围之内。

本实施借助图3的控制系统结构和图1的典型压力设置曲线进行说明。

如图3中所示，各模块连接如下：压力和压力上升斜率阈值设定模块101连接到切 换控制模块102，将喷嘴压力阈值和喷嘴压力上升斜率阈值传送到切换控制模块102。 注塑机104的料筒喷嘴处安装有喷嘴压力采集模块105，喷嘴压力采集模块105通过信 号线连接到切换控制模块102，切换控制模块内置有A/D模拟数字转换模块，将喷嘴压 力采集模块105传送过来的压力信号转换为数字信号。切换控制模块102内置计算程序 实时的计算喷嘴压力上升斜率K。切换控制模块102通过信号线连接到注塑机液压系统 103，注塑机液压系统103安装在注塑机104上。当切换控制模块102计算得到的喷嘴 有效压力上升斜率K和当前喷嘴压力V_k满足条件是驱动控制注塑液压系统103，注塑液 压系统103带动注塑机104实现注射过程到保压过程的切换。

如图1中所示三段保压压力设置分别如图1中201、202、203所示。其中201为第 一段保压压力，202为第二段保压压力，203为第三段保压压力。假设该注塑机加工产 品时根据实际情况三段保压压力设置如下：第一段保压压力201设置为90bar，第二段 保压压力202设置为60bar，第三段保压压力203设置为40bar。下面针对该设置值对本 注射保压切换控制方法进行说明。

首先，根据注塑机工艺参数设置喷嘴压力阈值V_t和喷嘴压力上升斜率阈值K_t。三段 压力设置值如上所述，因此最大设定保压压力V_max＝90bar，一般情况下 V_t＝(40％～80％)*V_max，根据经验可设置V_t＝40bar。而压力上升斜率阈值K_t一般根据实 际注塑机最大注射速度进行设置，假设最后一段注射速度为50％，本实例设置K_t为 400bar/s。

其次，设置压力采样周期ΔT，进行压力上升斜率的实时计算。为了实现压力控制 的快速响应，本实例设置ΔT＝1ms。切换控制模块首先利用喷嘴压力采集模块105采集 并传送过来的喷嘴压力，通过A/D转化计算，得到当前的喷嘴压力V_k，下标k表示当 前采样时刻。并且保存当前喷嘴实际压力V_k，然后通过下面公式(a)计算当前实时压 力上升斜率K_k.

$K_k=\frac{V_k-V_{k-1}}{\mathrm{\Delta T}}=\frac{V_k-V_{k-1}}{0.001}.$

其中V_k为当前采样时刻的喷嘴压力，而V_k-1为切换控制模块102保存的前一时刻的 喷嘴压力，ΔT为采样间隔时间。

切换控制模块102计算得到当前压力上升斜率K_k以后，保存K_k以用于下一周期的 计算。为了防止压力检测误差和其他各种外接干扰，切换控制模块102通过下面公式(b) 进行二次平均滤波处理得到当前的有效压力上升斜率K。

K＝(K_k+K_k-1)/2    (b)

其中K_k为通过公式(a)计算得到的当前压力上升斜率K_k，K_k-1为上一采样时刻计 算得到压力上升斜率。

最后切换控制模块102利用公式(b)计算得到的当前的有效压力上升斜率K进行 注射和保压过程的切换判断。

切换判断过程如下：

如果检测得到的当前喷嘴压力V_k满足V_k≥V_t＝40bar，而且通过公式(a)和(b) 计算得到有效压力上升斜率K满足K≥K_t＝400bar/s，则切换控制模块102实现注射过 程到保压过程的切换，注塑机由注射过程转变到保压过程，否则不进行切换控制，注塑 过程继续进行注射控制。