孫 瑩 梁松儉 唐小琦 周 彬 江 平

（①華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院國(guó)家數(shù)控系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，湖北武漢430074;②四川交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川成都611130）

模內(nèi)層壓技術(shù)是近年來(lái)國(guó)內(nèi)外比較熱門的一種集裝飾、注塑為一體的新工藝新技術(shù)，是通過(guò)注塑成型技術(shù)，生產(chǎn)出一種外表是皮（或織物、人造革等），內(nèi)表是樹(shù)脂的復(fù)合制品。這種制品其基材和樹(shù)脂有很強(qiáng)的互補(bǔ)強(qiáng)作用，而且還有美觀和裝飾效果，在汽車、電子、航空航天、醫(yī)療及日常用品等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

為了不破壞或改變基材的物理屬性，模內(nèi)層壓成型選擇低壓注塑。但是，由于基材表面粗糙，極大地降低了塑料熔體的流動(dòng)性，因此低壓注塑又很難確保熔體迅速地充滿型腔，為此選用多級(jí)熱嘴針閥射膠，同時(shí)為減小模腔壓力，獲得完整平滑的熔流鋒面或熔流前緣，將多級(jí)射膠設(shè)計(jì)為順序時(shí)間控制。顯然，傳統(tǒng)的高壓快速注塑工藝，以及模具和設(shè)備難以適用模內(nèi)層壓成型工藝。深圳群達(dá)行精密模具有限公司與模具技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室合作成功研制了汽車內(nèi)飾件模內(nèi)層壓模具，此模具與常規(guī)模具相比結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，如采用倒裝結(jié)構(gòu)、多級(jí)熱嘴針閥、復(fù)雜的熱流道系統(tǒng)、多回路多方式冷卻系統(tǒng)等。目前，將此模具應(yīng)用在傳統(tǒng)注塑機(jī)上，通過(guò)新增功能，開(kāi)發(fā)與原系統(tǒng)協(xié)調(diào)運(yùn)行的嵌入式系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了大型模內(nèi)鑲件低壓注塑。

1 模內(nèi)層壓工藝

模內(nèi)層壓成型是在計(jì)算機(jī)控制下，將塑化后的熔體，通過(guò)多級(jí)熱嘴針閥，按時(shí)間順序控制方式，在低壓條件下，以層流狀態(tài)精確平穩(wěn)地注入事先置入襯料的模腔中，隨后經(jīng)冷卻而成型。

模內(nèi)層壓成型的工藝流程為:①加熱，熱流道加熱至設(shè)定溫度;②開(kāi)模，動(dòng)模上的多組中子滑塊退出，將襯料掛置于模腔口;③壓緊，頂出定模上壓料板，壓往動(dòng)模和定模之間的襯料四周;④合模，動(dòng)模上的多組中子滑塊以設(shè)定的順序和壓力推動(dòng)模芯到位，并鎖緊動(dòng)模和定模;⑤射膠，按設(shè)定的時(shí)間打開(kāi)針閥，分時(shí)分段進(jìn)行射膠;⑥冷卻，射膠完成，打開(kāi)冷卻系統(tǒng)，模具冷卻;⑦開(kāi)模，動(dòng)模上的中子滑塊退出，動(dòng)模退回，頂針板推出，機(jī)械手取出產(chǎn)品。

2 嵌入式控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 嵌入式控制系統(tǒng)

本系統(tǒng)在普通注塑機(jī)的基礎(chǔ)上，新開(kāi)發(fā)了64路熱流道系統(tǒng)加熱裝置、12組熱嘴針閥射膠控制裝置和8組滑塊運(yùn)動(dòng)控制裝置（6組動(dòng)模中子滑塊、1組壓料板滑塊和1組頂針滑塊），以及能與原注塑機(jī)控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)運(yùn)行，并實(shí)現(xiàn)對(duì)上述新增裝置進(jìn)行有效控制的嵌入式控制器。

（1）嵌入式控制器

嵌入式控制器與原注塑機(jī)有機(jī)結(jié)合并協(xié)調(diào)運(yùn)行，通過(guò)對(duì)新增裝置的控制，實(shí)現(xiàn)完整的低壓注塑加工流程，同時(shí)為了調(diào)試需要，也能對(duì)新增各功能模塊進(jìn)行獨(dú)立控制。

嵌入式控制器結(jié)構(gòu)如圖1中虛線框所示。主要由顯示模塊、主控模塊、輸入輸出接口模塊和電源模塊4個(gè)部分組成。主控模塊分上位機(jī)和下位機(jī)結(jié)構(gòu)，上位機(jī)主要功能是人機(jī)交互、用戶參數(shù)設(shè)置、控制過(guò)程參數(shù)計(jì)算以及工作狀態(tài)顯示與監(jiān)控。本系統(tǒng)選用研華PCM－3370工控機(jī)，配PC/104總線接口。下位機(jī)主要功能是工作過(guò)程信息采集，狀態(tài)監(jiān)控和閉環(huán)控制，與上位機(jī)和原注塑機(jī)系統(tǒng)實(shí)時(shí)協(xié)調(diào)。由于本系統(tǒng)外圍控制對(duì)象多、控制方式復(fù)雜，為了提高控制精度和速度，下位機(jī)采用兩片F(xiàn)PGA芯片，芯片型號(hào)為Altera公司Cyclone系列的EP1C12Q208C6芯片，各自完成的功能如圖1所示。

（2）熱流道加熱系統(tǒng)及控制模塊

在低壓注塑工藝中，熔體和模具的溫度是確保產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵工藝參數(shù)。為此，本系統(tǒng)對(duì)熱流道和模具基體溫度采用精確的閉環(huán)控制，且隨工藝流程實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)控制。熱流道加熱系統(tǒng)及控制模塊如圖2所示。由64路采用調(diào)壓方式控制的電熱環(huán)、64路J型熱電偶溫度傳感器、1路用于熱電偶軟件冷端補(bǔ)償?shù)腄S18B20數(shù)字式溫度傳感器，以及通道選擇和A/D轉(zhuǎn)換等接口電路組成。溫度的閉環(huán)控制方式為當(dāng)前溫度經(jīng)FPGA（1）實(shí)時(shí)上傳至上位機(jī)，完成PID控制運(yùn)算產(chǎn)生控制量，再下傳至FPGA（1），控制可控硅功率調(diào)壓電路輸出可調(diào)電源，調(diào)節(jié)電熱環(huán)的加熱溫度，從而實(shí)現(xiàn)熱流道溫度和模具基體溫度的閉環(huán)控制。

溫度控制方式如圖3所示，F(xiàn)PGA（1）以功率調(diào)壓電路產(chǎn)生的220 V交流電源的過(guò)零信號(hào)為基準(zhǔn)，將控制量轉(zhuǎn)換為與過(guò)零脈沖同步的觸發(fā)可控硅開(kāi)關(guān)動(dòng)作的移相脈沖，移相脈沖的占空比取決于上位機(jī)的控制量，因此功率調(diào)壓電路的輸出電壓隨之變化，從而調(diào)節(jié)了電熱環(huán)的加熱溫度。各路功率調(diào)壓電路中還設(shè)置了電流檢測(cè)、比較電路，可產(chǎn)生電流過(guò)載報(bào)警信號(hào)。在嵌入式系統(tǒng)的人機(jī)界面上可實(shí)時(shí)顯示與監(jiān)測(cè)加熱系統(tǒng)的工作狀況（加熱、保溫、報(bào)警）。

（3）液壓工作站

本系統(tǒng)中，12組熱嘴針閥射膠和6組動(dòng)模中子滑塊、1組壓料板滑塊和1組頂針滑塊的運(yùn)動(dòng)均采用液壓傳動(dòng)方式，設(shè)計(jì)一液壓工作站，工作站結(jié)構(gòu)如圖4所示。各滑塊的運(yùn)動(dòng)參數(shù)（壓力和速度）由用戶上位機(jī)的人機(jī)界面上設(shè)定，控制器產(chǎn)生的控制量為10 kHz的PWM信號(hào)，信號(hào)經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換為0～10 V的模擬電壓，再經(jīng)VT－2000比例功率放大器，實(shí)現(xiàn)對(duì)比例電磁壓力閥和比例電磁調(diào)速閥工作狀態(tài)的控制，從而控制各滑塊運(yùn)動(dòng)的壓力和速度。液壓站參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 液壓站主要參數(shù)表

2.2 嵌入式控制器的軟件

嵌入式系統(tǒng)的軟件分為上位機(jī)軟件和下位機(jī)軟件。上位機(jī)軟件即為工控機(jī)軟件，采用VC語(yǔ)言設(shè)計(jì)。下位機(jī)軟件為FPGA軟件，采用QuartusⅡ6.0編程軟件環(huán)境下的VHDL語(yǔ)言和原理圖設(shè)計(jì)語(yǔ)言相結(jié)合的方法設(shè)計(jì)。

（1）上位機(jī)軟件

上位機(jī)軟件是基于Windows2000/XP平臺(tái)上開(kāi)發(fā)的，應(yīng)用Python語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面的生成，利用VC語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)對(duì)I/O端口和物理內(nèi)存的32位數(shù)據(jù)交換，以及實(shí)時(shí)性要求較高的PID溫度控制功能。人機(jī)界面的生成利用了Python語(yǔ)言的動(dòng)態(tài)執(zhí)行特性，設(shè)計(jì)了基于數(shù)據(jù)字典驅(qū)動(dòng)生成GUI（圖形用戶界面）單元的方法，使主顯示區(qū)內(nèi)以各種控件wx.Widgets為主的顯示能夠輕松生成，并通過(guò)配置數(shù)據(jù)字典文件隨意修改，再結(jié)合基于SplitterWindow劃分的動(dòng)態(tài)框架生成上位機(jī)人機(jī)顯示界面，最后通過(guò)ActiveSkin皮膚對(duì)界面進(jìn)行美化。由于Windows2000/XP操作系統(tǒng)對(duì)應(yīng)用程序訪問(wèn)硬件資源加以限制，為此選用WinIo v2.0模塊實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程序?qū)/O端口的通訊，再由ActiveX完成I/O操作數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)字典文件之間的通信功能，實(shí)現(xiàn)界面的實(shí)時(shí)顯示。用這種混合編程的方式，結(jié)合了Python和VC兩者的優(yōu)勢(shì)，使軟件更靈活、穩(wěn)定和具有友好的人機(jī)界面。上位機(jī)程序結(jié)構(gòu)如圖5所示，上位機(jī)程序流程如圖6所示。

（2）下位機(jī)軟件

從圖1中可見(jiàn)，下位機(jī)既受控于本系統(tǒng)的上位機(jī)，又受控于原注塑機(jī)控制系統(tǒng)。下位機(jī)截取原注塑機(jī)特定的控制信號(hào)，按工藝要求，作出相應(yīng)的控制反應(yīng)，同時(shí)，將系統(tǒng)工作狀態(tài)通知原注塑機(jī)控制系統(tǒng)，從而處理好兩個(gè)系統(tǒng)控制功能的協(xié)調(diào)關(guān)系。為此，將下位機(jī)的控制功能分為兩部分，一部分為非關(guān)聯(lián)性控制功能，即64路熱流道的實(shí)時(shí)溫度控制，其不受原注塑機(jī)系統(tǒng)的控制;另一部分為關(guān)聯(lián)性控制功能，即動(dòng)模中子滑塊、壓料板滑塊、頂針滑塊運(yùn)動(dòng)控制，以及熱嘴針閥射膠動(dòng)作控制。關(guān)聯(lián)性控制功能又分手動(dòng)方式和自動(dòng)方式，手動(dòng)方式下，僅受控于本系統(tǒng)上位機(jī)，自動(dòng)方式下，同時(shí)受控于原注塑機(jī)控制系統(tǒng)和本系統(tǒng)上位機(jī)，按低壓注塑工藝流程完成功能，其控制流程如圖7所示。下位機(jī)軟件的設(shè)計(jì)采用了QuartusⅡ6.0編程軟件環(huán)境下的VHDL語(yǔ)言和原理圖設(shè)計(jì)相結(jié)合的方法完成。

3 解決的關(guān)鍵問(wèn)題

3.1 快速精確的變模溫控制

（1）變模溫控制

傳統(tǒng)的注塑技術(shù)采用恒模溫控制，且模具溫度相對(duì)較低。低模溫常常引起熔體在沖模流動(dòng)過(guò)程中伴隨著冷卻的發(fā)生，影響產(chǎn)品表面質(zhì)量。為此，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了變模溫控制方式。將注塑工藝劃分為模具加熱、高溫保持、模具冷卻和低溫保持4個(gè)工藝階段，各加熱點(diǎn)的溫度可在設(shè)定界面預(yù)先設(shè)置。系統(tǒng)采用優(yōu)化的PID控制策略，使加熱過(guò)程快，溫度精確及穩(wěn)定，并設(shè)計(jì)了溫度監(jiān)控界面（如圖8所示），可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和報(bào)警。

（2）優(yōu)化的PID控制

由于注塑機(jī)械和熱熔體的快速運(yùn)動(dòng)，使各熱流道溫度之間有著強(qiáng)耦合的關(guān)系，溫度出現(xiàn)變參數(shù)、大時(shí)滯、隨機(jī)干擾等特性，為此對(duì)PID控制算法進(jìn)行了改進(jìn)。一是積分分離。在短時(shí)間系統(tǒng)存在較大溫差時(shí)，由于積分飽和現(xiàn)象，會(huì)導(dǎo)致控制產(chǎn)生較大的超調(diào)和長(zhǎng)時(shí)間的波動(dòng)。為此采用積分分離措施，即設(shè)定積分分離誤差溫度閾值Tpi，在小于Tpi時(shí)采用比例環(huán)節(jié)，大于Tpi時(shí)采用比例積分環(huán)節(jié)。二是延續(xù)ON/OFF動(dòng)作。在PID控制中，超過(guò)設(shè)定值則停止控制量的發(fā)送，這叫ON/OFF動(dòng)作，實(shí)際上這是振蕩引起的原因之一。采用延續(xù)控制方法，即在超過(guò)設(shè)定溫度的一定范圍內(nèi)（目前為0.15%），仍進(jìn)行PI控制，有效地減小了振蕩。三是合理選擇比例與積分常數(shù)。參數(shù)選擇時(shí)綜合考慮加熱速度、超調(diào)以及Tpi的關(guān)聯(lián)作用，同時(shí)，遵循“比例作用逐漸減小、積分作用逐漸增大”的原則，分段詳細(xì)計(jì)算。有效減小了在接近溫度設(shè)定值時(shí)，由于溫度信號(hào)干擾帶來(lái)的控制量跳動(dòng)。以235℃加熱為實(shí)例:采樣周期為400 ms，加熱溫度與采樣點(diǎn)關(guān)系曲線如圖9所示，加熱控制量與采樣點(diǎn)關(guān)系曲線如圖10。從圖中可見(jiàn)，由室溫31℃加熱到235℃保溫，總耗時(shí)760×0.4=304 s，即5 min快速加熱到指定溫度，并穩(wěn)定在設(shè)定溫度誤差±1℃范圍內(nèi)。

3.2 射膠順序時(shí)間控制

對(duì)于大型模內(nèi)層壓成型，采用多澆口進(jìn)膠是確保型腔填充完全和填充效率的需要。而普通注塑機(jī)的多澆口系統(tǒng)在注塑成型時(shí)始終處于打開(kāi)狀態(tài)，沒(méi)有獨(dú)立控制開(kāi)閉功能。由于多澆口進(jìn)膠，必然產(chǎn)生分支料流，因此，會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致熔接痕的產(chǎn)生。本系統(tǒng)采用獨(dú)立的液壓系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)12組熱嘴針閥的射膠動(dòng)作，并通過(guò)嵌入式系統(tǒng)對(duì)射膠動(dòng)作進(jìn)行精確的順序控制。順序控制的機(jī)理是熱嘴針閥的打開(kāi)和關(guān)閉取決于填充過(guò)程，使先射入的熔體作為流動(dòng)前沿，后射入的熔體直接進(jìn)入先前流出的熔體內(nèi)部，即盡量保證一個(gè)充型方向上只有一個(gè)流動(dòng)前沿，從而有效消除多澆口多前沿出現(xiàn)熔接痕的缺陷，進(jìn)而提高產(chǎn)品的表面質(zhì)量。

12組熱嘴針閥的開(kāi)關(guān)時(shí)間可預(yù)先設(shè)定，打開(kāi)延時(shí)或關(guān)閉延時(shí)的時(shí)間設(shè)置范圍為0～600 s，針閥的開(kāi)關(guān)順序取決于工藝要求。針閥的工作狀態(tài)可在監(jiān)控界面（如圖11所示）實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

4 結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)在普通注塑機(jī)的基礎(chǔ)上，使用模內(nèi)層壓模具，并進(jìn)行相應(yīng)軟硬件開(kāi)發(fā)，很好地滿足了大型模內(nèi)鑲件加工的工藝要求。由于腔內(nèi)壓差小，熔體均勻，不用保壓，提高了效率，節(jié)省了材料（5%左右），而且，鎖模力僅為高壓注塑的1/3左右，降低了模具成本，模具壽命長(zhǎng)。同時(shí)，本系統(tǒng)能對(duì)熔膠和注塑的工藝參數(shù)進(jìn)行精密準(zhǔn)確的控制，進(jìn)一步提高了產(chǎn)品質(zhì)量。本系統(tǒng)引領(lǐng)了模內(nèi)層壓技術(shù)的新發(fā)展，具有廣闊的應(yīng)用前景。

［1］陳松茂，阮鋒，蔡考群.模內(nèi)鑲件注塑膜片材料力學(xué)性能研究［J］.現(xiàn)代制造工程，2009（5）.

［2］汪智勇，周華民，蔡考群，等.模內(nèi)層壓技術(shù)在汽車工業(yè)中的應(yīng)用［J］.模具制造，2010（10）.

［3］王桂龍，趙國(guó)群，李輝平，等.變模溫注塑技術(shù)的研究與應(yīng)用分析［J］.現(xiàn)代化工，2009，29（2）.

［4］劉躍軍，瞿金平，劉頂文.注塑機(jī)控制技術(shù)的現(xiàn)狀與展望［J］.現(xiàn)代機(jī)械，2001（4）.

［5］姚明亮，吳杰，李佳.基于PC/104的紅外溫度檢測(cè)系統(tǒng)［J］.河北理工大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2008，30（1）.

［6］黃志高，蔡考群，周華民，等.塑料成型新工藝:模內(nèi)層壓［J］.塑料工業(yè)，2008（6）.

［7］Friedrich Jobanther.Injection Molding Machine［D］.M unich Vienrta New York:Haimer Publishers，1994.

［8］Helduser S.Improved Energy Efficiency in Plastic Injection Molding Machines［C］.The Eighth Scandinavian International Conference On Fluid Power，2003.