注塑成型過程中模具型腔溫度控制

注塑模型腔溫度控制摘要：我們開發(fā)了一種基于PI控制器和冷卻液可調整的注塑蠟模冷卻系統(tǒng)，這種方法以模具表面的平均溫度作為設定溫度點，以一個機電系統(tǒng)作為控制冷卻液流速的裝置，通過機械模具來對這個控制方法進行模擬，在一個合模力為50t的注塑機上進行試驗。關鍵詞：PI控制器型腔溫度冷卻液流速注塑機1、 介紹隨著材料科學的飛速發(fā)展，高分子材料已成為工程材料中應用范圍增長最廣泛的材料之一。高分子材料有很多優(yōu)點，輕質、低價、而且它還具備優(yōu)秀的機械性能。因此，注塑過程中的擠塑和注塑作為最重要的工藝技術，它的發(fā)展正與其他的相關學科同步進步。這種流行的注塑方式得益于它能夠生產十分復雜外形的產品，而且能夠保證較好的尺寸精度。最終的產品質量與注塑成型的操作有著密切的聯(lián)系，已經有很多相關的研究圍繞其展開理論和試驗的結果均已經證明一些重要的注塑變量，如模具溫度、塑料溫度、型腔的壓力的可重復性是十分重要的。這些參數作為重要的控制變量已經開始被研究。在此過程中，模具最終的屬性取決于熱工學，與融化的溫度、型腔的壓力、局部的冷卻相關。然而，對于這些參數良好的控制依然是制取高質量塑件的根本。對溫度的控制被認為是最重要的因素，比其他的因素如蠟液的流速、型腔和射嘴的壓力。用于蠟膏溫度控制的方式常常是基于ON/OFF控制和PID控制共同構成。然而因為這些方法其缺乏健壯性和必要的適應性，所以并不適合控制非線性和關聯(lián)的過程。很多時候，模具對于蠟件質量和產量的熱力反應的影響已經被證實。但它的重要性卻在通常情況下被低估。模具的熱反應是型腔溫度和蠟液分布的表現，這將影響蠟件的質量，如尺寸精度，機械性能等，某文獻日前提出，模具型腔溫度對蠟液流速、注射時間、冷卻時間、尺寸的穩(wěn)定性和機械性能。文獻也談及了可能的控制變量，和測量位置。然而，他的控制器的設計并不是基于動態(tài)的模具溫度。文獻論述了澆注的型腔溫度控制應建立在對模具自身測量的基礎之上，而非像很多人想象的那樣在控制熱交換媒介的入口。對循環(huán)的平均溫度、最高溫度、和具備冷卻時間能夠對控制有較大的幫助。從上面提及的調查研究很明顯可以看出一個有效且高效的冷卻系統(tǒng)不僅在蠟件成型上扮演重要的角色，而且還關系到注蠟工序的生產效率。所以目前的工作時如何找到一種合適的方法用PID控制器來控制型腔的溫度，以便來更高效的完成注蠟過程。2、試驗準備這個試驗通過一個具備50t合模力，具備往復注蠟能力的射蠟機來完成。這個模具的冷卻系統(tǒng)具備測量所需數據的能力，流程圖如圖1所示?？刂蒲b置采用一個帶有DAQ數據獲取板的工控機來完成，其主要作用是數據獲取和控制。兩個E型的傳感器用作測量到達設定溫度的蠟液的溫度？？？？，泵的流量需要足夠大來保證大流量、保證變化的流量能夠被DAQ輸出信號控制，一個90v、1HP、最大轉速1750的直流電機用作驅動泵的運轉。用一個脈沖寬度調制放大器來為直流電機提供可變的直流電源。這個放大器需要一個交流電源和一個1-10v的直流驅動電源輸入端，這個放大器能夠通過0-10v的電信號來以較高的頻率來驅動直流電機。CVI試驗窗口采用C語言編寫的人機界面來用于人機交流，控制系統(tǒng)的模擬在試驗進行前用Matlab完成。3、控制變量（被控量）在這個試驗中，在模具中的熱交換被認為是個型腔獲得必要的溫度的熱學過程，這個過程最終決定了注蠟過程中蠟液冷卻的時間。很多因素影響著型腔和蠟件成型溫度，包括冷卻

液的的溫度和流量，環(huán)境溫度，背壓，注蠟速度蠟膏通過模具的溫度等，其他的因素如模具的工裝，尺寸，冷卻器安裝的位置一般認為是不隨時間改變的量，因此不會影響到蠟件的溫度。a、控制量通過用恒定的冷卻液溫度和流量的兩次注蠟過程的實驗來記錄蠟件表面（型腔內）的動態(tài)的溫度響應，圖2展示了每個注蠟開始時溫度相對恒定，而蠟液開始注射后溫度快速上升緊接著被逐漸冷卻到較低溫度。一個開始的情況將要使被控變量成為蠟件表面的溫度超過整個蠟液注射過程。然而從圖2中，當蠟液充型的時候，蠟件表面的溫度變化過快，這樣這個溫度采樣點不能成為一個蠟件的溫度設定點。尤其是當設定的點溫度可能被調整，通過重復的曲線的特征，選定一個控制點，要求這個控制點不能像工件表面的溫度改變那樣迅速。0-405070 800-405070 80Time(sec)goFig.2CtivitytemperLitureresponse在單次的注蠟過程中，定義一個蠟件平均注射過程溫度參數Tavg。在每個注蠟過程中或者在收集了一個過程的數據之后，這個參數要能夠被評估（做運算）。注蠟過程相對較短，更合適整個過程中的溫度均值Tavg。在這個試驗中，蠟件注射成型過程持續(xù)了27s因此，后面的Tavg評估被使用，Tavg的表達式為end A'IT(f}dt 2T(kT)其中Tcycle為成型時長，是每個采樣點的記錄下來的采樣溫度,N為共計的采樣次數，T(kT)代表T(t)的離散值，使用平均值的一個優(yōu)點是能夠減低噪聲干擾。b、操作變量很多動態(tài)的參數影響Tavg,所以，任何一個或者所有的參數能被用來控制Tavg。然而，直接影響Tavg的兩個因素是溫度和冷卻液的流量。已經被證明，冷卻液的溫度對蠟模表面和蠟膏的溫度有很大的影響。然而，動態(tài)模型是建立在與時間相關的一種較慢的影響的基礎之上。再者，可以通過一個冷卻水混合系統(tǒng)來保證制冷、制熱、或者混合冷卻液的溫度，來達到快速的改變冷卻液的溫度的目的。但是出于成本的考慮，這種辦法是不能在工業(yè)生產中運用的，因為提供一個冷水混合系統(tǒng)是非常昂貴的。雖然改變冷卻液的流速僅僅對于改變型腔和蠟膏的溫度作用不算很大。但是依靠一個機電一體化機構能夠快速的改變冷卻液的流速而且，成本不會很高。因此改變冷卻液流速的方法被選定來作為操作變量。4、系統(tǒng)辨識在我們設計一個有效的控制系統(tǒng)之前，了解整個過程的原理是非常重要的。最常用的系統(tǒng)辨識的模型是ARX(外部自動回歸)，這個模型能用最少的平方公式來關聯(lián)系統(tǒng)的輸入輸出。通用的ARX模型如下形式。人⑷二叭q)“(/-加)十昨) (2)式中A(q)和B(q)是單位延遲算子(delayoperator)qA(-1)的多項式，并且與G(q)和H(q)相關聯(lián)，y(t)代表輸出量Tavg，u(t)代表輸入量即用于電機控制的的模擬量，e(t)代表隨機的噪聲。

A(q)和A(q)和B(q)的標準形式為式中的na和nb為ARX模型和過程延時nk的階次，在這個試驗中，本系統(tǒng)可認定為單輸入或被控變量(冷卻液的流量)單輸出Tavg,即SISO系統(tǒng)。a.系統(tǒng)模型在這個SISO的模型中，被控變量u(t)代表控制電機輸出的模擬量，y(t)代表Tavg。電機用來驅動水泵從而控制平均表面溫度(Tavg)--y(t)，用于控制水泵轉速的模擬量電壓輸入u(t)能夠被幾個對模具開環(huán)測試來推導出來。對于電機的模擬電壓輸入量u(t)相當于冷卻液的流量，這些測試包括在注蠟的過程中的一段時間內給電機幾個不同的u(t)值，直到獲得相對穩(wěn)定的y(t)值。這些開環(huán)測試的結果如圖3。廠討一二E廠討一二ECJlFig.3Steady averagetnupeTatiirsiTavgfordifferentmotorinputsfig.4說明了一個開環(huán)的測試，這個測試展示了冷卻液的熱量的傳遞速度的依據。能夠從中看出存在一個區(qū)域在這之后雖然冷卻液的流量增加了，但是冷卻液的熱傳遞并不增加。導致這種情況的原因在于，一旦流體成為完全發(fā)達湍流(雷諾數=10000)，冷卻液流速的增加對于較低的Tavg不起主導作用。通過電機的輸入和模具內腔的溫度來反映不同的流速，這些不同的流速間的聯(lián)系能夠，通過獲得幾個開環(huán)測試數據和依據系統(tǒng)辨識來獲得。通過規(guī)范化輸出量和控制變量的方法來減少在ARX模型中的縮放的影響。規(guī)范花的表達式如下在此公式中yss代表電機輸入為0v時模具穩(wěn)定的溫度值。其中①代表周圍環(huán)境溫度值。過濾通過一個移動平均數的方法被用于開環(huán)數據處理。系統(tǒng)辨識取值na=2,nb=2，在過濾數據時其中的一個將被延時。ARX模型被表示為A(q)=\-0.8966^_l-O.O()3O3S?"2 ⑺0(@)二(p」十0A\75q~2}f(t)上述公式也可以離散的形式表示5、控制系統(tǒng)的設計a、控制方法眾所周知在工業(yè)上使用的主要的控制方法還是基于傳統(tǒng)的反饋控制理論°PID控制器。PID控制器之所以被廣泛使用主要歸因于其使用簡單，而起PI和PID控制器可在此機械上被選擇使用。因為PID控制的微分部分需要計算偏差的變化，因此更容易產生噪聲干擾。有介于此，PI的控制器被用于此次試驗。b、控制器參數整定一個PI控制器能夠被表達為傳遞函數的形式，如下譏)=^1 ⑼此式中z=1/TiGc⑸是plant的Gp(s)的一部分，這個公式包含了直流電機的所有的影響

和從模具到冷卻液的熱量傳遞。顯而易見控制器的傳遞函數的PI控制器的一個零點和一個極點在這個方程的根軌跡。極點的位置是固定的，也就是說在s=0和零點的位置在控制系統(tǒng)設計的時候是非常重要的，設計一個運算法則來引導開環(huán)測試和系統(tǒng)辨識，在執(zhí)行模擬的時候，提供控制參數在IMM［智慧型記憶體管理器(intelligentmemorymanager)］基礎上。這個運算法則遵循以下規(guī)則：1、 針對特定的模具和IMM來獲取像圖.3的實驗數據--Tavg和驅動泵的電機電壓間的關系。2、 用公式3和4來規(guī)范步驟1中獲取的數據，并獲得一個離散的ARX模型。把這個離散的模型轉換為連續(xù)的模型以便于做更深入的分析。這種情況下，Gp(s)forplant表示為公式10(10)-0.01742l<-0.0034645-十0.0005151(10)J^0.421Ci?十0.05S52.V+0.00022013、 獲得plant傳遞函數的根的軌跡。4、 設定執(zhí)行參數，包括震蕩時間、阻尼比來決定根軌跡上的操作點。5、 操作點確定下來之后，使用角判據來確定控制器零點的配置，使得根軌跡能夠通過描述的操作點。6、計算這個點的總增益K,使用方法幅值判據。最后估算調節(jié)參數z和kc。結果和討論a、控制模擬控制器的離散形式被下式給出)￡，v-kcEN_v (11)此處M代表N時刻的被控變量，E代表N時刻的偏差，kc和Ti代表N時刻的比例和積分算子。由于在模具中的平均溫度為控制量，那么在每個射蠟過程完成成后，被控變量都會被更新。圖5展示了在良好的控制作用下的一個多重設定點的品均溫度的模擬曲線。溫度設定的改變從43度到40度，又到35度。這個控制器的整定參數為kc=0.94,Ti=177.8,此時系統(tǒng)達到穩(wěn)態(tài)時間Ts<400s,超調量B<15%，這些PI的參數在接下來的試驗中將會被使用。陰 陰 1 c c [ 1 [ [ 1 10 j.1 0.2 0.3 0.4 u.5 0.6 0.7O.Su.9Tunei町Fig.5MLilti-setpo-intcontrolsimulationoilTavg〔uo)zEwmhudJlb、實時控制下面的運算法則被用于基于IMM的PI控制器1、 運用公式1,在單個個注射過程中選取型腔溫度采用點，并計算Tavg。2、 使用公式6轉換Tavg的值，并且比較設定點的溫度偏差。3、 確定控制器的輸出MN。4、 轉換控制器的輸出使之成為電壓信號，并發(fā)送脈沖信號給電機驅動器，反復重復以上步驟。圖6和圖7記錄了使用了PI控制器后的型腔溫度的控制結果。隨著控制點的增加，測試的溫度呈減少的趨勢。展示了PI控制器提供了一個良好地閉環(huán)控制系統(tǒng)，系統(tǒng)的在±1度內做震蕩。

50ffD)OJ」nlE」(u50ffD)OJ」nlE」(udluJ(ul454035302520H 1 1 1 10 5 10 15 20Time(min]Fig.6MLilti-setpoliltchangesinTavg圖7展示了當Tavg設定點從33度增加到38度時，系統(tǒng)的響應情況。雖然goodcontrol被完成，但是響應要低于在圖6中的減少的設定點。實際上，使Tavg增大到更高的設定點的決定性因素是來之被蠟膏帶進模具中的熱量。而控制器僅僅是通過自動的增量冷卻液的流速來保證Tavg不會超過設定點。因此，Tavg動態(tài)的響應不能成為一個更快的響應來達到更高的設定點。更高的蠟膏溫能夠提升Tavg在一個相對較短的時間內，但是這對注蠟操作是不合適的。20 . 1 1 1 1 .0 10 20 30 40 50 60C