瞿金平

（華南理工大學(xué)聚合物新型成型裝備國(guó)家工程研究中心//聚合物成型加工工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州 510641）

0 引言

塑料在當(dāng)今世界具有極為重要的作用，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域。塑料加工工業(yè)是我國(guó)制造業(yè)發(fā)展最快的行業(yè)之一。然而，在塑料產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展的同時(shí)，資源、環(huán)境、能源三大問(wèn)題凸現(xiàn)，制約了塑料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，成為了人們關(guān)注的熱點(diǎn)。在資源方面，傳統(tǒng)的塑料材料源于不可再生的石油資源，隨著石油資源的逐漸枯竭，傳統(tǒng)石油基高分子材料發(fā)展受到遏制。在環(huán)境方面，傳統(tǒng)石油基塑料穩(wěn)定性好，在自然界中降解緩慢，加之廢舊塑料回收、再利用技術(shù)沒(méi)有得到充分的重視和發(fā)展，造成環(huán)境污染問(wèn)題。在能源方面，塑料加工成型屬于高能耗過(guò)程作業(yè)裝備，單位產(chǎn)值能耗比較高，俗稱“電老虎”。因此，塑料可再生資源替代、廢舊塑料循環(huán)利用、加工過(guò)程節(jié)能降耗是支撐塑料加工行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵任務(wù)，也是生產(chǎn)方式向“綠色”轉(zhuǎn)變的重要標(biāo)志。同時(shí)，低能耗、高效率、環(huán)保型的綠色加工成型技術(shù)與裝備是塑料機(jī)械行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)，也是國(guó)家的重大需求。

圖1 塑料機(jī)械總體結(jié)構(gòu)示意圖

塑料原料及其輔料都要通過(guò)加工成型設(shè)備形成所需形狀、結(jié)構(gòu)與性能，成為有實(shí)用價(jià)值的材料與制品，這種加工成型設(shè)備統(tǒng)稱為塑料機(jī)械。一般塑料機(jī)械都由擠壓系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)與傳動(dòng)系統(tǒng)、過(guò)程控制系統(tǒng)以及制品成型系統(tǒng)等部分組成，如圖1 所示。目前，國(guó)內(nèi)外塑料機(jī)械的發(fā)展主要集中在這幾個(gè)部分的技術(shù)創(chuàng)新，以實(shí)現(xiàn)塑料機(jī)械具有節(jié)能降耗、無(wú)分揀廢舊塑料合金化加工和生物質(zhì)復(fù)合材料共混加工的功能和特征。例如，塑化輸運(yùn)方法從純剪切形變加工到振動(dòng)剪切形變加工再到體積拉伸形變加工演變、驅(qū)動(dòng)與傳動(dòng)方式從間接驅(qū)動(dòng)到直接驅(qū)動(dòng)再到負(fù)載敏感驅(qū)動(dòng)、控制系統(tǒng)從電氣控制到數(shù)字化控制再到智能化控制，每一次技術(shù)創(chuàng)新性研究都會(huì)推動(dòng)行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步。

1 塑化輸運(yùn)方法

擠壓系統(tǒng)是塑料機(jī)械的核心部分，其主要完成塑料的塑化、熔融和輸運(yùn)過(guò)程，為塑料制品成型定量提供熔體，而且對(duì)塑料制品質(zhì)量起決定性的作用，也是塑料加工成型消耗能量最多的過(guò)程。

1.1 振動(dòng)剪切形變加工

以螺桿作為結(jié)構(gòu)標(biāo)志和原理特征的擠壓系統(tǒng)消耗的能量遠(yuǎn)高于塑料塑化輸運(yùn)所需要的能量，能量利用率較低。因此，降低擠壓系統(tǒng)的能耗是塑料機(jī)械的重大技術(shù)難題。

通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)螺桿擠壓系統(tǒng)的研究可以發(fā)現(xiàn)普通螺桿不能強(qiáng)化塑料加工的傳質(zhì)傳熱過(guò)程。使螺桿擠壓系統(tǒng)的螺桿在轉(zhuǎn)動(dòng)同時(shí)還做軸向周期性振動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了塑料加工過(guò)程由振動(dòng)剪切形變支配，提高了塑料加工過(guò)程中傳質(zhì)傳熱效率。如圖2所示，其為純剪切和振動(dòng)剪切流場(chǎng)的結(jié)構(gòu)示意圖。在純剪切流場(chǎng)中，物料運(yùn)動(dòng)為單純的層流，其層與層幾乎沒(méi)有傳質(zhì)，傳熱過(guò)程一般只是靠熱傳導(dǎo)和粘性耗散產(chǎn)生熱，如2（a）圖中a和c處，b和d處的物料沒(méi)有傳質(zhì)過(guò)程。在振動(dòng)剪切流場(chǎng)中，物料運(yùn)動(dòng)速度V是周期性變化的，流動(dòng)方向上層與層之間會(huì)產(chǎn)生物質(zhì)交換，即圖2（b）中a和c處的物料會(huì)發(fā)生傳質(zhì)，垂直于流動(dòng)方向上產(chǎn)生的物質(zhì)交換與純剪切類似。在振動(dòng)剪切流場(chǎng)中產(chǎn)生的傳質(zhì)過(guò)程，有利于物料塑化和多相多組分體系共混，同時(shí)傳質(zhì)過(guò)程強(qiáng)化了熱交換，提高了傳熱效率，可使螺桿長(zhǎng)徑比減小，因而擠壓系統(tǒng)消耗的能量也隨之減少。

振動(dòng)力場(chǎng)的引入在擠壓系統(tǒng)中出現(xiàn)了之前所沒(méi)有的許多現(xiàn)象和特征，如物料塑化輸運(yùn)歷程縮短、熔融速率提高、熔體粘度減小等。振動(dòng)力場(chǎng)能量的引入并不是能量的簡(jiǎn)單疊加，而是利用高分子材料塑化輸運(yùn)過(guò)程在振動(dòng)力場(chǎng)作用下表現(xiàn)出來(lái)的非線性特征降低能耗，提高制品質(zhì)量[1-5]。同時(shí)振動(dòng)力場(chǎng)的引入具有比較強(qiáng)的分子鏈解纏結(jié)作用效果，使得聚合物熔體粘度下降，并且存在最佳形變振幅和頻率使得熔體表觀粘度下降幅度最大。熔體表觀粘度的下降使得相同產(chǎn)量時(shí)，擠出阻力減少，擠出壓力降低，同時(shí)也使能量消耗減少。

相對(duì)于塑料純剪切形變加工成型，塑料振動(dòng)剪切形變加工成型技術(shù)縮短了加工過(guò)程中的熱機(jī)械歷程，能耗明顯降低，多相多組分體系混合效果變好，制品質(zhì)量提高。

1.2 體積拉伸形變加工

圖2 純剪切和振動(dòng)剪切流場(chǎng)示意圖

由于多組份不相容塑料一般不能直接共混加工，螺桿加工設(shè)備很難實(shí)現(xiàn)通用塑料功能化改性加工和無(wú)分揀廢舊塑料的回收處理。因此，多組份體系共混增容是塑料改性加工的技術(shù)瓶頸。

實(shí)現(xiàn)塑料塑化輸運(yùn)過(guò)程的力場(chǎng)分為剪切力場(chǎng)和拉伸力場(chǎng)，其中在剪切力場(chǎng)作用下，物料在輸運(yùn)過(guò)程中速度梯度與輸運(yùn)方向垂直，而在拉伸力場(chǎng)中，速度梯度與輸運(yùn)方向平行。在螺桿擠壓系統(tǒng)中，由于塑料是熱的不良導(dǎo)體，加上剪切流場(chǎng)中是層流換熱，導(dǎo)致傳熱效率低，完成塑化輸運(yùn)過(guò)程需要一個(gè)很長(zhǎng)的熱機(jī)械歷程。圖3 為剪切流場(chǎng)和體積拉伸流場(chǎng)示意圖。如圖3（b）所示，在體積拉伸流場(chǎng)中，由于流道變窄，物料層與層之間會(huì)產(chǎn)生相互擠壓作用，b 處的物料會(huì)與d 和c 處的物料發(fā)生交換，從而提高了傳質(zhì)傳熱效率。

圖3 剪切流場(chǎng)和體積拉伸流場(chǎng)示意圖

在上述研究基礎(chǔ)上，提出了基于拉伸流變塑料加工方法，通過(guò)物料加工體積周期性變化強(qiáng)制物料混合混煉，實(shí)現(xiàn)以拉伸形變?yōu)橹鲗?dǎo)的正位移塑化輸運(yùn)機(jī)理[6-10]。實(shí)現(xiàn)拉伸形變支配的塑化輸運(yùn)方法的設(shè)備由葉片塑化輸運(yùn)單元（vane plasticating and conveying unit，VPCU）構(gòu)成，與螺桿擠壓系統(tǒng)（screw extrusion system，SES）相對(duì)應(yīng)，被稱為葉片擠壓系統(tǒng)（vane extrusion system，VES），如圖4 所示。在VPCU 中，由轉(zhuǎn)子、定子、若干葉片及擋板構(gòu)成一組具有確定幾何形狀的空間，由于轉(zhuǎn)子與定子內(nèi)腔偏心，它們的容積可以依次由小到大再由大到小周期性變化，容積由小變大時(shí)被納入物料，容積由大變小時(shí)物料在拉壓應(yīng)力的主要作用下被研磨和壓實(shí)，同時(shí)在機(jī)械耗散熱和定子外加熱的作用下熔融塑化并被排出，完成拉伸形變支配的物料塑化輸運(yùn)過(guò)程。顯然，這也是一個(gè)周期性動(dòng)態(tài)塑化輸運(yùn)過(guò)程。圖4所示的VES由5個(gè)VPCU組成，相鄰的兩VPCU的偏心方向相反，使前一VPCU出料口與后一VPCU 進(jìn)料口形成連續(xù)的通道，完成塑料的連續(xù)動(dòng)態(tài)塑化輸運(yùn)。

與螺桿（SES）相比，葉片擠壓系統(tǒng)（VES）具有短停留時(shí)間，短熱機(jī)械歷程和低能耗擠出特性，如圖5所示。葉片擠壓系統(tǒng)加工不相容PP/PS體系，其分散相顆粒尺寸大約僅為螺桿擠壓系統(tǒng)的1/4倍，如圖6所示。研究表明，葉片塑化輸運(yùn)技術(shù)與螺桿塑化輸運(yùn)技術(shù)相比較，物料熱機(jī)械歷程縮短50%以上、能耗降低30%左右，特別是混合混煉效果好，適用于不相容塑料、生物質(zhì)復(fù)合材料等物料的共混加工，具體主要表現(xiàn)如下。

①塑化輸運(yùn)靠特定形狀的空間容積變化完成，具有完全正位移特性，塑化輸運(yùn)能力不依賴于物料的物理特性，對(duì)物料適應(yīng)性提高，且輸送效率提高，完成塑化輸運(yùn)過(guò)程所經(jīng)歷的熱機(jī)械歷程大大縮短，塑化輸運(yùn)能耗降低。

②塑化輸運(yùn)過(guò)程熱機(jī)械歷程短、并避免了強(qiáng)剪切作用，大大降低了物料的降解程度，物料的可循環(huán)利用次數(shù)隨之增多，且強(qiáng)拉伸流場(chǎng)有利于塑化輸運(yùn)過(guò)程中多相多組分不相容體系的分散混合，物理方式增容效果好，特別適用于高分子材料循環(huán)利用加工。

③在剪切流場(chǎng)作用下，柔性纖維在輸運(yùn)過(guò)程中平移的同時(shí)還會(huì)發(fā)生旋轉(zhuǎn)，而在旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中往往會(huì)由于過(guò)度彎曲變形造成纖維的折斷。在葉片塑化輸運(yùn)單元中由于以拉伸形變?yōu)橹鲗?dǎo)，纖維增強(qiáng)體在輸運(yùn)的過(guò)程中可很快地沿拉伸形變的作用方向取向，有利于纖維團(tuán)聚體的分散和基體樹(shù)脂對(duì)纖維的浸潤(rùn)，因而增加了體系的相容性，同時(shí)可減少纖維由于旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)而造成折斷的程度，因此可以更好地保持植物短纖維的長(zhǎng)徑比，更適于大長(zhǎng)徑比植物短纖維增強(qiáng)熱塑性塑料復(fù)合材料的制備，并能顯著地提高制品的力學(xué)性能。

圖4 葉片擠壓系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)示意圖

圖5 葉片擠出的短機(jī)械歷程特性和低能耗特性

2 驅(qū)動(dòng)與傳動(dòng)方式

驅(qū)動(dòng)與傳動(dòng)系統(tǒng)作為塑料塑化加工除外加熱源以外能量的主要來(lái)源，其工作效率是塑料加工設(shè)備性能優(yōu)劣的重要標(biāo)志之一。隨著對(duì)塑料機(jī)械行高效節(jié)能的要求不斷提高，其驅(qū)動(dòng)與傳動(dòng)方式經(jīng)歷了從間接驅(qū)動(dòng)到直接驅(qū)動(dòng)，再到負(fù)載感應(yīng)驅(qū)動(dòng)的發(fā)展過(guò)程。

2.1 擠出機(jī)的驅(qū)動(dòng)與傳動(dòng)

傳統(tǒng)的塑料擠出機(jī)一直采用“電動(dòng)機(jī)+減速箱+擠壓系統(tǒng)”的間接驅(qū)動(dòng)方式。這種方式的應(yīng)用會(huì)帶來(lái)能耗過(guò)大、效率低、控制響應(yīng)慢等諸多問(wèn)題。若采用“電動(dòng)機(jī)+擠壓系統(tǒng)”的直接驅(qū)動(dòng)方式，直接消除減速箱的能量消耗，將提高擠出機(jī)的驅(qū)動(dòng)與傳動(dòng)效率同時(shí)可提高控制響應(yīng)速度和控制精度。

上世紀(jì)90年代初，提出了塑料塑化擠出直接電磁換能的新概念[11-12]，研制成功塑料電磁動(dòng)態(tài)塑化擠出設(shè)備。這種新型擠出機(jī)的螺桿擠壓系統(tǒng)被置入驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)子的內(nèi)腔中，實(shí)現(xiàn)物料的塑化擠出全過(guò)程在電機(jī)轉(zhuǎn)子內(nèi)腔中完成。塑化擠出直接電磁換能方式是擠出機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的一種特殊實(shí)例，螺桿擠壓系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)裝置是開(kāi)發(fā)成功的低速大扭矩矢量變頻異步直接驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用結(jié)果表明電磁動(dòng)態(tài)塑化擠出設(shè)備與普通單螺桿擠出機(jī)比較可節(jié)能15%左右，體積重量減少50%以上。

圖6 PP/PS共混擠出物的相形態(tài)（PS刻蝕）

用低速大扭矩矢量變頻異步直接驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)葉片擠壓系統(tǒng)，研制成功矢量變頻異步直接驅(qū)動(dòng)葉片塑化擠出設(shè)備[13]，如圖7所示。來(lái)自料斗的物料在螺旋輸送過(guò)程中吸收驅(qū)動(dòng)裝置的鐵耗和銅耗產(chǎn)生的熱量而被預(yù)熱到一定溫度，使葉片擠壓系統(tǒng)塑化輸運(yùn)物料所需的能量減少。同時(shí)，這種驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與葉片擠壓系統(tǒng)集成化的直接驅(qū)動(dòng)葉片塑化擠出設(shè)備與電磁動(dòng)態(tài)塑化擠出設(shè)備相比較，能量消耗進(jìn)一步降低，擠出穩(wěn)定性大為提高。

隨著稀土材料和功率電子技術(shù)的發(fā)展，低速大扭矩稀土永磁伺服電機(jī)開(kāi)始在塑料機(jī)械上嶄露頭角。采用低速大扭矩稀土永磁伺服電機(jī)和葉片擠壓系統(tǒng)可組成稀土永磁伺服直接驅(qū)動(dòng)葉片塑化擠出設(shè)備，其原理結(jié)構(gòu)如圖8 所示。低速大扭矩稀土永磁伺服電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)葉片擠壓系統(tǒng)負(fù)載感應(yīng)驅(qū)動(dòng)，最大限度地滿足拉伸流變控制的塑化輸運(yùn)過(guò)程負(fù)載特性要求，降低驅(qū)動(dòng)與傳動(dòng)過(guò)程中的能量損耗，提高驅(qū)動(dòng)效率，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

圖7 矢量變頻異步直接驅(qū)動(dòng)葉片塑化擠出設(shè)備示意圖

2.2 注塑機(jī)的驅(qū)動(dòng)與傳動(dòng)

圖8 稀土永磁伺服直接驅(qū)動(dòng)葉片塑化擠出設(shè)備示意圖

近幾年，國(guó)內(nèi)外各種節(jié)能型注塑機(jī)驅(qū)動(dòng)與傳動(dòng)系統(tǒng)不斷涌現(xiàn)，如變頻控制式、變量泵式及電動(dòng)控制式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)[14]。在注塑機(jī)液壓驅(qū)動(dòng)與傳動(dòng)系統(tǒng)中，其能量損失是由節(jié)流損失與溢流損失兩大部分組成的，節(jié)能降耗的關(guān)鍵就在于減少這兩類的損失。例如，液壓變量驅(qū)動(dòng)與傳動(dòng)是注塑機(jī)的一種高效節(jié)能驅(qū)動(dòng)方式，如圖9 所示。在這種液壓驅(qū)動(dòng)與傳動(dòng)系統(tǒng)中，通過(guò)調(diào)節(jié)液壓泵的排量，使系統(tǒng)流量、壓力與負(fù)載的要求相適應(yīng)，最大限度地減少液壓系統(tǒng)的溢流損失與節(jié)流損失，有顯著的節(jié)能降耗效果。

圖9 注射機(jī)液壓變量驅(qū)動(dòng)與傳動(dòng)技術(shù)

現(xiàn)用注塑機(jī)注射和保壓過(guò)程均是通過(guò)直線運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。這種直線注射和保壓方式在不同的注塑機(jī)中都存在一系列缺點(diǎn)。在傳統(tǒng)的液壓式注塑機(jī)中，塑化過(guò)程由液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)螺桿旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，注射和保壓過(guò)程用油缸驅(qū)動(dòng)柱塞或螺桿直線運(yùn)動(dòng)。整個(gè)塑化注射裝置部件多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高。尤其是在螺桿一線式注塑機(jī)中，螺桿和止逆環(huán)后大量未塑化好的物料參與注射時(shí)的直線運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)慣量大，摩擦阻力大，使注射時(shí)能量消耗大，注射速度和注射位置控制困難。在全電動(dòng)注塑機(jī)中，注射運(yùn)動(dòng)往往通過(guò)滾珠絲桿將伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為注射柱塞或螺桿的直線注射運(yùn)動(dòng)，除了與上述液壓注射機(jī)存在相同的問(wèn)題外，還存在另外的問(wèn)題：①傳動(dòng)系轉(zhuǎn)動(dòng)慣量更大，注射速度和位置控制困難；②滾珠絲桿易磨損；③噪音大；④設(shè)備成本和維修高。

針對(duì)注塑機(jī)直線注射和保壓方式存在的問(wèn)題，結(jié)合葉片擠壓系統(tǒng)的特點(diǎn)，變直線位移計(jì)量為角位移計(jì)量、直線注射和保壓為旋轉(zhuǎn)注射和保壓，發(fā)明了塑料盤(pán)式旋轉(zhuǎn)注射方法及注塑機(jī)[15]。如圖10所示，在這種新型注塑機(jī)中，利用置于圓盤(pán)上環(huán)形槽中可繞圓盤(pán)中心旋轉(zhuǎn)的活塞做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)完成塑料的儲(chǔ)料、注射和保壓過(guò)程。進(jìn)入盤(pán)式儲(chǔ)料缸的塑料熔體推動(dòng)注射活塞旋轉(zhuǎn)，使儲(chǔ)料容積增大完成儲(chǔ)料；通過(guò)外部動(dòng)力驅(qū)動(dòng)注射活塞做與儲(chǔ)料時(shí)相反方向旋轉(zhuǎn)，推動(dòng)盤(pán)式儲(chǔ)料缸中的物料從噴嘴中射出并注入模腔；保持注射活塞的轉(zhuǎn)矩可以保持模腔壓力，完成模腔保壓與物料補(bǔ)縮。

圖10 葉片注塑機(jī)旋轉(zhuǎn)注射結(jié)構(gòu)示意圖

塑料盤(pán)式旋轉(zhuǎn)注塑機(jī)與采用直線注射和保壓方式的注塑機(jī)相比較具有體積小、儲(chǔ)料計(jì)量準(zhǔn)確、注射能耗低、注射運(yùn)動(dòng)慣性小等特點(diǎn)。

3 過(guò)程控制系統(tǒng)

塑料制品加工成型是利用外場(chǎng)如力場(chǎng)、溫度場(chǎng)等使塑料產(chǎn)生熱機(jī)械形變的過(guò)程，而塑料機(jī)械是實(shí)施這一過(guò)程的手段與工具，它是一個(gè)過(guò)程裝備。塑料制品加工過(guò)程由于存在非線性、不確定性、時(shí)變性和不完全性等因素，一般無(wú)法獲得精確的過(guò)程數(shù)學(xué)模型，因此塑料機(jī)械的常規(guī)控制系統(tǒng)很難對(duì)過(guò)程實(shí)施精確控制。因此，先進(jìn)加工成型過(guò)程控制系統(tǒng)是衡量塑料機(jī)械技術(shù)水平的重要標(biāo)志之一。

以往塑料機(jī)械的過(guò)程控制系統(tǒng)都是采用通過(guò)對(duì)工藝條件（溫度、壓力和轉(zhuǎn)速等）控制來(lái)達(dá)到對(duì)制品質(zhì)量（重量、尺寸、表面質(zhì)量和性能等）的傳統(tǒng)控制。該控制系統(tǒng)由于對(duì)工藝條件、物料特性和操作的不同而產(chǎn)生的變化難以很好地響應(yīng)，很難實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制的目的。在塑料加工過(guò)程中，產(chǎn)品質(zhì)量與工藝參數(shù)和過(guò)程變量之間的關(guān)系是難以確定的，而且塑料種類繁多和加工工藝條件多變，尤其是現(xiàn)在廢舊塑料回收循環(huán)利用以及可再生植物纖維資源利用對(duì)控制系統(tǒng)提出了新的挑戰(zhàn)。需要確定控制模型的傳統(tǒng)自動(dòng)控制技術(shù)更是難以勝任多相多組分體系加工過(guò)程的控制?？梢岳孟冗M(jìn)的測(cè)量與傳感技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、非線性系統(tǒng)等現(xiàn)代手段，在產(chǎn)品質(zhì)量與工藝參數(shù)和過(guò)程變量之間建立反饋與耦合關(guān)系，對(duì)塑料加工成型過(guò)程實(shí)施智能化的精準(zhǔn)控制控制。只有這種不需要預(yù)先知道確定制模模型的智能化控制系統(tǒng)才能滿足目前塑料機(jī)械發(fā)展需要。下面結(jié)合葉片塑化擠出和注射成型過(guò)程控制簡(jiǎn)要介紹在塑料機(jī)械智能化控制系統(tǒng)研究方面的進(jìn)展。

塑料拉伸形變支配的葉片塑化擠壓系統(tǒng)的應(yīng)用，對(duì)擠出成型過(guò)程的控制技術(shù)提出了更高的要求，圖11是葉片塑化擠出成型過(guò)程智能化控制系統(tǒng)框圖。這里考慮了葉片塑化擠壓成型過(guò)程的集成化、網(wǎng)絡(luò)化與非線性過(guò)程優(yōu)化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)塑化擠出成型過(guò)程各工藝參數(shù)如加工溫度、擠出壓力、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速等的全閉環(huán)高精度智能控制，滿足擠壓成型過(guò)程制品的高質(zhì)量要求。重點(diǎn)解決了加工溫度、擠出壓力、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速等數(shù)據(jù)采集與處理、過(guò)程自學(xué)習(xí)與自適應(yīng)控制問(wèn)題，特別是實(shí)現(xiàn)了驅(qū)動(dòng)源能快速響應(yīng)負(fù)載的變化而自適應(yīng)調(diào)節(jié)動(dòng)力能量輸出。此外，智能控制系統(tǒng)具有高可靠性、好的可擴(kuò)展性以及友好的人機(jī)界面。

圖11 葉片塑化擠出成型過(guò)程智能化控制系統(tǒng)框圖

針對(duì)塑料葉片塑化盤(pán)式旋轉(zhuǎn)注射成型過(guò)程控制，開(kāi)發(fā)了專用的智能化控制系統(tǒng)，如圖12 所示。這里考慮了旋轉(zhuǎn)注射成型過(guò)程注射位置、注射速度的全閉環(huán)控制，同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了注射成型各階段系統(tǒng)壓力與流量的感應(yīng)驅(qū)動(dòng)全閉環(huán)控制。通過(guò)智能控制算法，實(shí)現(xiàn)了注射成型過(guò)程位置、速度、壓力、流量等工藝參數(shù)的高精度控制。此外，建立注射成型制品結(jié)構(gòu)特征與最佳注射工藝參數(shù)數(shù)值關(guān)系的工藝數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)工藝參數(shù)自尋優(yōu)，保證注射成型過(guò)程工藝參數(shù)的最優(yōu)化。重點(diǎn)解決了塑化注射成型過(guò)程位置、速度、壓力、流量等工藝參數(shù)的測(cè)量采集處理、過(guò)程自學(xué)習(xí)與自適應(yīng)控制問(wèn)題，特別是實(shí)現(xiàn)了液壓動(dòng)力驅(qū)動(dòng)與傳動(dòng)系統(tǒng)能快速響應(yīng)負(fù)載的變化，達(dá)到能量按需供給的目的。

圖12 葉片塑化盤(pán)式旋轉(zhuǎn)注射成型過(guò)程智能化控制系統(tǒng)框圖

4 展望

塑料工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展需要從節(jié)能減排、廢舊塑料回收循環(huán)利用以及塑料可再生資源替代出發(fā)，通過(guò)對(duì)塑料機(jī)械擠壓系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)與傳動(dòng)系統(tǒng)、過(guò)程控制系統(tǒng)以及制品成型系統(tǒng)等部分的創(chuàng)新研究與突破，形成具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的塑料綠色加工成型技術(shù)與裝備。在塑料機(jī)械的塑化輸運(yùn)方法從純剪切形變加工到振動(dòng)剪切形變加工再到體積拉伸形變加工演變、驅(qū)動(dòng)與傳動(dòng)方式從間接驅(qū)動(dòng)到直接驅(qū)動(dòng)再到負(fù)載敏感驅(qū)動(dòng)、控制系統(tǒng)從電氣控制到數(shù)字化控制再到智能化控制等方面的研究取得了很好的進(jìn)展。希望通過(guò)塑料機(jī)械行業(yè)同仁們的共同努力，將上述研究成果與行業(yè)的其他先進(jìn)技術(shù)集成，加快產(chǎn)業(yè)化與商品化的進(jìn)程，為推動(dòng)我國(guó)乃至國(guó)際塑料機(jī)械技術(shù)進(jìn)步做出貢獻(xiàn)。

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