基于模内熔体状态感知系统的熔体流速及凝固速率检测方法

摘要

本发明公开了一种基于模内熔体状态感知系统的熔体流速及凝固速率检测方法，包括：将模内熔体状态感知系统的点电极安装在注塑过程的关键点处，并将模内熔体状态感知系统的点电极电容器通过电容测量单元与状态识别系统连接，其中，注塑过程的关键点位于模具内；设定采样周期并根据设定的采样周期定时对点电极电容传感器的输出电压进行采集；根据采集的输出电压和采样时刻进行计算，得出注塑模具内的熔体流速及凝固速率。本发明只需将点电极电容传感器的点电极安装在模具内的注塑过程关键点处，并配合测量单元和状态识别系统就能完成模具内熔体状态的检测，灵活度较高且适应性较广。本发明可广泛应用于注塑领域。

说明书

技术领域

本发明涉及注塑领域，尤其是一种基于模内熔体状态感知系统的熔体流速及凝固速率检测方法。

背景技术

在高分子成型过程中，特别是注塑过程，在线实时测量或者检测高分子熔体在注塑模具中的流动速率和凝固速率，对于整个注塑过程的检测和最终产品质量的预测具有至关重要的作用。

传统的注塑过程中熔体在注塑模具内的流动速率和凝固速率检测方法主要包括：

1）、通过测量模腔压力、模腔表面温度等其他变量来间接推测出模具中熔体的流动速率和凝固速率，但该方法操作起来不够简便。

2）、在模具中安装玻璃模腔，通过高速相机拍摄高分子熔体在模具中的流动速率和凝固速率。该方法提供了较好的实验信息，但是由于熔体在玻璃表面与其在工业中所使用的金属模具表面的流动及传热过程完全不同，该方法无法应用到工业中，应用范围较小。

3）、通过超声脉冲反射法来检测熔体在模具中的流动速率和凝固速率。该方法根据高分子和空气对超声波的不同衰减度来检测熔体前端在模具中流动的位置。在模具中，安装多个传感器，当熔体前端流动到传感器的安装位置时，超声脉冲反射回来的振幅立即发生变化，由此得到熔体在模具中流动的位置。但是，该方法只能在传感器安装的位置检测到熔体的前端，只能提供间断的或者离散的熔体流动速率和凝固速率信息，不够准确。

为了克服以上缺陷，有人提出了采用平板电容传感器（由平板电容器和相应的电容值测量电路）的方法来检测熔体在注塑模具内的熔体流动速率和凝固速率信息。该电容传感器利用安装在型腔两侧的两个平板型电极感知模腔内的塑料熔体流动速率和凝固速率信息。实验结果发现平板型电容器可以正确有效地在线测量平板型塑料产品在模腔内的材料状态，但该方法中平板电容器的两极难以安装在表面结构复杂的模具（如非平面结构的模具）内，灵活度较低且适用性较窄。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的目的是：提供一种灵活度较高且适用性较广的，基于模内熔体状态感知系统的熔体流速及凝固速率检测方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

基于模内熔体状态感知系统的熔体流速及凝固速率检测方法，包括：

A、将模内熔体状态感知系统的点电极安装在注塑过程的关键点处，并将模内熔体状态感知系统的点电极电容器通过电容测量单元与状态识别系统连接，其中，注塑过程的关键点位于模具内；

B、设定采样周期并根据设定的采样周期定时对点电极电容传感器的输出电压进行采集；

C、根据采集的输出电压和采样时刻进行计算，得出注塑模具内的熔体流速及凝固速率。

进一步，所述注塑过程的关键点为注塑过程的进胶口、最后填充位置或最后冷却位置。

进一步，所述步骤C中根据采集的输出电压和采样时刻进行计算，得出注塑模具内的熔体流速这一步骤，其包括：

C11、根据采集的输出电压计算熔体前端在每个采样时刻t的位置x_t和相应的点电极电容值；

C12、分别获取位于x_t和x_t-1处的点电极电容值出现变化的采样时刻T_t和T_t-1；

C13、根据获取的熔体前端位置和点电极电容值出现变化的采样时刻进行差分运算，从而得到当前时刻注塑模具内的熔体流速。

进一步，所述述步骤C13，其具体为：

根据获取的熔体前端位置x_t、x_t-1和点电极电容值出现变化的采样时刻T_t、T_t-1进行差分运算，从而得到当前时刻注塑模具内的熔体流速，进行差分运算的计算公式为：

，

其中，v_t为在两点电极间熔体的流动速度，x_t为第t个点电极的位置，x_t-1为第t-1个点电极的位置，T_t为第t个电容值突变出现的时刻，为第t-1个电容值突变出现的时刻。

进一步，所述步骤C中根据采集的输出电压和采样时刻进行计算，得出注塑模具内的凝固速率这一步骤，其包括：

C21、根据采集的输出电压、采样时刻生成输出电压与时间关系曲线；

C22、在输出电压与时间关系曲线中找出冷却阶段的起止点以及相应的起止时刻；

C23、根据冷却阶段的起止点以及相应的起止时刻计算注塑模具内的凝固速率。

进一步，在所述步骤C之后还设有步骤D，所述步骤D，其具体为：根据注塑模具内的熔体流速对注射过程熔体在模腔内的流动状态进行闭环调整，从而实现熔体在模腔内的均匀流动。

进一步，在所述步骤C之后还设有步骤E，所述步骤E，其具体为：

根据注塑模具内的凝固速率确定固化结束时间，进而得到最佳冷却时间。

进一步，所述模内熔体状态感知系统包括点电极电容器传感器和状态识别系统，所述点电极电容器传感器包括点电极电容器和电容测量单元，所述点电极电容器的一极为设置在模具静模内的点电极，所述点电极电容器的另一极为设置在模具动模上的金属电极，所述点电极和金属电极均与电容测量单元连接，所述电容测量单元的输出端与状态识别系统的输入端连接。

进一步，所述电极电容器传感器还包括嵌套和螺线栓，所述点电极中轴肩的上部与模具的定位孔配合实现向上方向的定位，所述点电极中轴肩的下部通过嵌套与螺线栓的配合，实现向下方向的定位。

进一步，所述模内熔体状态感知系统包括点电极电容器传感器和状态识别系统，所述点电极电容器传感器包括点电极电容器和电容测量单元，所述点电极电容器的一极为设置在模具动模顶针上的点电极1，所述点电极电容器的另一极为设置在模具静模7上的金属电极，所述点电极1和金属电极均与电容测量单元连接，所述电容测量单元的输出端与状态识别系统的输入端连接。

本发明的有益效果是：只需将点电极电容传感器的点电极安装在模具内的注塑过程关键点处，并配合测量单元和状态识别系统就能完成模具内熔体状态的检测，降低了模具表面结构对模具状态检测过程的影响，从而可以将点电极电容器传感器安装在表面结构复杂的模具内，灵活度较高且适应性较广。进一步，点电极电容器传感器包括点电极、嵌套和螺线栓，点电极通过轴肩与嵌套、螺线栓之间的互相配合来实现点电极的定位，使得点电极在承受模腔内塑料的压力同时保证极板未进入模腔，更加可靠。进一步，直接利用顶针作为点电极，不需要对模具结构进行改动，更加方便和普遍适用。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1为本发明基于模内熔体状态感知系统的熔体流速及凝固速率检测方法的整体流程图；

图2为本发明根据采集的输出电压和采样时刻进行计算，得出注塑模具内的熔体流速步骤的流程图；

图3为本发明根据采集的输出电压和采样时刻进行计算，得出注塑模具内的凝固速率步骤的流程图；

图4为本发明模内熔体状态感知系统的整体结构图；

图5为本发明点电极电容器的结构示意图；

图6为本发明电容测量单元的组成结构图；

图7为本发明实施例一点电极电容器的结构示图；

图8为本发明实施例四的输出电压-时间曲线。

附图标记：1、点电极；2、绝缘层；3、嵌套；4、螺线栓；5、接线孔；6、轴肩；7、静模；8、模腔；9、测量物体；10、接地电极。

具体实施方式

参照图1，基于模内熔体状态感知系统的熔体流速及凝固速率检测方法，包括：

A、将模内熔体状态感知系统的点电极安装在注塑过程的关键点处，并将模内熔体状态感知系统的点电极电容器通过电容测量单元与状态识别系统连接，其中，注塑过程的关键点位于模具内；

B、设定采样周期并根据设定的采样周期定时对点电极电容传感器的输出电压进行采集；

C、根据采集的输出电压和采样时刻进行计算，得出注塑模具内的熔体流速及凝固速率。

进一步作为优选的实施方式，所述注塑过程的关键点为注塑过程的进胶口、最后填充位置或最后冷却位置。

参照图2，进一步作为优选的实施方式，所述步骤C中根据采集的输出电压和采样时刻进行计算，得出注塑模具内的熔体流速这一步骤，其包括：

C11、根据采集的输出电压计算熔体前端在每个采样时刻t的位置x_t和相应的点电极电容值；

C12、分别获取位于x_t和x_t-1处的点电极电容值出现变化的采样时刻T_t和T_t-1；

C13、根据获取的熔体前端位置和点电极电容值出现变化的采样时刻进行差分运算，从而得到当前时刻注塑模具内的熔体流速。

进一步作为优选的实施方式，所述述步骤C13，其具体为：

根据获取的熔体前端位置x_t、x_t-1和点电极电容值出现变化的采样时刻T_t、T_t-1进行差分运算，从而得到当前时刻注塑模具内的熔体流速，进行差分运算的计算公式为：

，

其中，v_t为在两点电极间熔体的流动速度，x_t为第t个点电极的位置，x_t-1为第t-1个点电极的位置，T_t为第t个电容值突变出现的时刻，为第t-1个电容值突变出现的时刻。

参照图3，进一步作为优选的实施方式，所述步骤C中根据采集的输出电压和采样时刻进行计算，得出注塑模具内的凝固速率这一步骤，其包括：

C21、根据采集的输出电压、采样时刻生成输出电压与时间关系曲线；

C22、在输出电压与时间关系曲线中找出冷却阶段的起止点以及相应的起止时刻；

C23、根据冷却阶段的起止点以及相应的起止时刻计算注塑模具内的凝固速率。

进一步作为优选的实施方式，在所述步骤C之后还设有步骤D，所述步骤D，其具体为：根据注塑模具内的熔体流速对注射过程熔体在模腔内的流动状态进行闭环调整，从而实现熔体在模腔内的均匀流动。

进一步作为优选的实施方式，在所述步骤C之后还设有步骤E，所述步骤E，其具体为：

根据注塑模具内的凝固速率确定固化结束时间，进而得到最佳冷却时间。

参照图4和图5，进一步作为优选的实施方式，所述模内熔体状态感知系统包括点电极电容器传感器和状态识别系统，所述点电极电容器传感器包括点电极电容器和电容测量单元，所述点电极电容器的一极为设置在模具静模7内的点电极1，所述点电极电容器的另一极为设置在模具动模上的金属电极，所述点电极1和金属电极均与电容测量单元连接，所述电容测量单元的输出端与状态识别系统的输入端连接。

本发明可以将点电极安装于模具的静模上，使点电极引出的信号线不需要随模具动模的变动而变动，以令得到的信号更加稳定。

参照图5，进一步作为优选的实施方式，所述电极电容器传感器还包括嵌套3和螺线栓4，所述点电极1中轴肩6的上部与模具的定位孔配合实现向上方向的定位，所述点电极1中轴肩6的下部通过嵌套3与螺线栓4的配合，实现向下方向的定位。

进一步作为优选的实施方式，所述模内熔体状态感知系统包括点电极电容器传感器和状态识别系统，所述点电极电容器传感器包括点电极电容器和电容测量单元，所述点电极电容器的一极为设置在模具动模顶针上的点电极1，所述点电极电容器的另一极为设置在模具静模7上的金属电极，所述点电极1和金属电极均与电容测量单元连接，所述电容测量单元的输出端与状态识别系统的输入端连接。

本发明也可以通过将顶针进行特殊设计后（例如加绝缘层），直接利用顶针作为点电极。这种情况下，点电极就是在模具的动模上（因为顶针一般都是在动模上），此时与点电极对应的金属电极直接就是模具对应的金属表面，即与点电极绝缘层内部分对应的面积。这种设计的好处是不需要对模具进行改动（因为每个模具都一定有顶针），十分方便且易于实现。

下面结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

实施例一

参照图4-7，本发明的第一实施例：

本发明基于点电极的注塑模具内熔体状态感知系统包括状态识别系统和由点电极电容器、电容测量单元组成的点电极电容传感器。下面分别对这两大部分进行介绍。

（一）点电极电容传感器

为了解决以平板形状为主的产品（例如手机外壳）的在线测量的需求，目前已经有人设计加工出了平板型电容传感器，但是平板型电容器无法安装在模腔表面结构复杂的塑料产品模具内。基于这种需求，本发明设计了一种新型的点电极电容器传感器来解决复杂表面塑料产品的在线测量问题。

本发明的点型传感器既可以通过阵列的形式起到平板型电容传感器的作用，也可以合理布局在非平面表面结构的模具中，适用性更广。本发明的电容传感器极板设计为单点形状（一般为3~6mm圆形），可被分别布局在进胶口、最后填充位置、最后冷却位置等注塑过程的关键点处。

本发明的点电极电容器传感器包括点电极电容器和电容测量单元。

（1）点电极电容器

如图7所示，点电极与接地电极板之间构成电容器。当被测塑料熔体置于上述两电极之间时，熔体作为介质取代空气介质引起电容值升高，此外熔体的材料状态、厚度、模具温度等因素也会影响注塑过程中电容值的变化。因此，将此构型应用在模具中就可以通过实时监测电容值而监测实时的过程信息。点电极电容器的两个金属电极分别装在模具的两半（一半是静模，一半是动模，如图7所示。在模具闭合的过程中，静模不动，动模向静模方向闭合，同时这两金属板是相互隔离的），从而形成电容器的两个电极。

此外，因为平板电极与模具都为金属材料，为了减少设计的复杂度，本发明只设计了点电极，而点电极电容器的另一个电极则由接入电容测量单元的动模代替。如图7所示，一块不锈钢板安装在动模中，形成点电极电容器的一极，同时包含点电极的静模部分不需要任何修改，形成点电极电容器的另外一极。

出于点电极尺寸小的特点以及顶针与模具的位置关系考虑，本发明的点电极传感器也可被设计成与顶针相同的形状代替顶针，即将点电极设置在模具动模的顶针上和将金属电极设置在模具的静模上。这样的设计可由现有设备快速改造而成，不需改变现有的模具结构，只需将顶针进行改进便可实现，避免了在模具上另外加工安装孔，更加方便和普遍适用。

（2）电容测量单元

本发明的电容测量单元则主要由三部分组成，如图6所示，其中，电容-电压转换模块对点电极电容器的电容值进行测量并将电容值转化为模拟电压输出，且输出电压与电容值呈线性关系；电容测量单元的模数转换模块将输出的模拟电压转化为数字量；电容测量单元的采集模块对电容测量单元输出的数字量进行采集并反馈给状态识别系统。

（二）状态识别系统

状态识别系统对电容测量单元在不同时刻输出的数字量进行采集和记录，得到输出电压-时间曲线，然后对该曲线进行分析，即可识别出模具内熔体所处的状态。

实施例二

参照图5，本发明的第二实施例：

出于可靠性的考虑，本发明的点电极电容传感器划分三个部分，分别为点电极、嵌套和螺线栓。点电极的设计需要考虑其工作环境。在模具中，点电极既要承受来自模腔内塑料的压力，又必须保证其极板未进入模腔，以避免对产品质量的影响。因此，点电极板需要在两个方向上实现定位。如图5所示，本发明对点电极的定位由轴肩实现，轴肩上部与模具的定位孔配合实现向上方向的定位；而轴肩的下部则与嵌套配合，再由螺线栓通过螺纹与静模模具配合，实现向下方向的定位。

本发明将点电极、嵌套、螺纹栓三者设计成相互配合的结构，实现点电极电容器传感器在模具中的定位和装配。点电极依靠嵌套实现与定位螺栓的配合定位，以固定在静模内，并通过其表面感应模具内的塑料状态信息。

点电极电容器传感器安装到模具上时需要对模具进行加工（如钻孔等），为了使其适应性更好和节约成本，也可以将模具上变化的部分做成静模模块，其余部分都做成相同的结构。这样对于不同的产品来说，其需要进行不同的传感器位置布局时，只需要加工不同的静模模块，然后将静模模块装配至模具的凹槽中即可，有效地降低了生产费用和提高了模具的适用性。

为了形成电容器，电容器的两极必须互相隔离。本发明使用电绝缘体来隔离点电极与模具的其他部位，在点电极与嵌套之间设置了绝缘层。

另外，出于点电极尺寸小的特点以及顶针与模具的位置关系考虑，本发明的点电极传感器也可被设计成与顶针相同的形状，代替顶针。这样的设计可由现有设备快速改造而成，不需改变现有的模具结构，只需将顶针进行改进便可实现，避免了在模具上另外加工安装孔，更加方便和普遍适用。

实施例三

在注塑过程的注射阶段，熔体在螺杆的推动下注入模腔，其在模腔内的流动状态对最终产品的质量，特别是力学性能有着至关重要的作用。若熔体在模腔内具有非均匀恒定的熔体流动速度，则会造成产品各部分的膨胀系数不同，导致产品的扭曲与变形；而熔体在模腔内的流动速度均匀，则能够保证熔体有均匀的分子与纤维取向分布，从而保证产品的力学性能稳定。基于以上考虑，本发明的感知系统还通过多个点电极监控熔体前端在模腔内的位置，进而即时计算熔体在模腔内的流动速度，为闭环控制注射过程，实现熔体均匀恒定的流动提供测量基础。

本发明基于模内熔体状态感知系统的熔体流速的实现过程为：

（1）、将点电极电容器的两个电极安装在模腔的两侧，并将点电极电容器通过电容测量单元与状态识别系统连接；

（2）、状态识别系统设定采样周期并根据该采样周期定时对点电极电容传感器的输出电压进行采集；

（3）、根据采集的输出电压计算熔体前端在每个采样时刻t的位置x_t和相应的点电极电容值；

其中，对于特定的注塑过程来说，高分子材料的相对介电常数k固定，所以熔体前端的位置x可以表示为仅以电容值C为变量的一个函数，又因为输出电压V和电容器的电容值C呈线性关系，故x也可以表示为以输出电压V为变量的函数。因此，对电容测量单元输出电压V的采集可实现对熔体前端位置的确定和相应的点电极电容值确定。

（4）、分别获取位于x_t和x_t-1处的点电极电容值出现变化的采样时刻T_t和T_t-1；

（5）、根据获取的熔体前端位置x_t、x_t-1和点电极电容值出现变化的采样时刻T_t、T_t-1进行差分运算，从而得到当前时刻注塑模具内的熔体流速v_t，v_t的计算公式为：

。

实施例四

参照图1、图3和图8，本发明的第四实施例：

注塑过程的冷却阶段占据了整个注塑过程最长的时间，冷却时间不足会造成成型的产品不一致以及开模后产品的变形，而过长的冷却时间则会导致较低的注塑效率，增加注塑过程的成本。目前工业上无法准确得知最佳的冷却时间，所以为保证产品质量，一般需要现场工人凭经验尽量使用长一点的冷却时间。

若采用本发明的点电容传感器，则在冷却阶段，模腔中的熔体由于其自身热量通过模腔壁流失而进入凝固过程，其高分子的介电常数会随着其自身温度的变化而改变（微小的改变）。介电常数发生改变了，与之相对应地，模内熔体传感系统的电压输出也随着凝固过程的进行而发生改变。基于以上思路，本发明也可以根据冷却阶段系统输出电压的检测结果来检测凝固速率，确定固化结束的时间，进而得到最佳冷却时间，提高注塑效率。

本发明基于模内熔体状态感知系统的凝固速率的实现过程为：

（1）、将点电极电容器的两个电极安装在模腔的两侧，并将点电极电容器通过电容测量单元与状态识别系统连接；

（2）、状态识别系统设定采样周期并根据该采样周期定时对点电极电容传感器的输出电压进行采集；

（3）、状态识别系统记录采集的输出电压和采集时刻，得到相应的输出电压-时间曲线；

（4）、在输出电压与时间关系曲线中找出冷却阶段的起止点以及相应的起止时刻；

如图8所示，在合模阶段，动模向静模靠拢，模内电容器两极板间距离变短。该变化导致点电极电容器的电容值逐渐增大；由于输出电压随电容呈线性变化，所以电容测量单元输出的电压值也相应增大，直至动模和静模之间的相对距离不再变化为止。在注射阶段，由于高分子介电常数比空气大，随着高分子熔体逐渐注入模腔，模内电容器的电容值也逐渐增大，电容测量单元的输出电压值也随之增大；在保压阶段，少量的熔体被挤入到模腔以补偿熔体冷却导致的产品收缩，此时电容测量单元的输出电压也相增加，但相对于注射阶段，输出电压在此阶段的增加幅度和速率变得非常缓慢。在保压结束后，注塑过程进入冷却阶段，点电极电容器的电容值没有发生显著的变化；当产品凝固充分，模具打开，电容两极间的距离突然变大，引起电容值及输出电压迅速下降。因此通过输出电压-时间曲线，状态识别系统可以清晰地识别凝固开始点（即冷却阶段的起始点）电压U1、凝固终止点（即冷却阶段的终止点）电压U2以及相应的起始时刻t1、终止时刻t2。

（4）、根据冷却阶段的起止点电压以及相应的起止时刻计算注塑模具内的凝固速率。

在冷却阶段，点电极电容器的输出电压与电容呈线性关系，而电容与介电常数也呈线性关系，介电常数与温度呈线性关系，温度与凝固厚度呈线性关系，故凝固厚度与点电极电容器的输出电压呈线性关系。因此，根据凝固开始点电压U1、凝固终止点电压U2以及相应的起始时刻t1、终止时刻t2凝固开始点的电压U1与开始点点电极的电容C1成正比、凝固终止点（即冷却阶段的终止点）电压U2即可计算出平均凝固速率。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。