黃 鑫，王 秋，李忠武

（1.德宏師范高等專(zhuān)科學(xué)校，云南省芒市 678400；2.大連理工大學(xué)化工學(xué)院，遼寧省大連市 116024；3.保山學(xué)院，云南省保山市 678000）

Zigbee監(jiān) 控網(wǎng)絡(luò)下注塑機(jī)注塑性能穩(wěn)定性及注塑產(chǎn)品質(zhì)量

黃 鑫1，王 秋2，李忠武3

（1.德宏師范高等專(zhuān)科學(xué)校，云南省芒市 678400；2.大連理工大學(xué)化工學(xué)院，遼寧省大連市 116024；3.保山學(xué)院，云南省保山市 678000）

利用Zigbee無(wú)線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)對(duì)聚丙烯薄壁制品的加工過(guò)程進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。研究了監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)反饋信息與真實(shí)加工工藝之間的契合度，并且在該監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)下完成了聚丙烯薄壁制品的加工，通過(guò)研究制品翹曲變形量來(lái)進(jìn)一步衡量該監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。結(jié)果表明：采用Zigbee無(wú)線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)高精度的工藝調(diào)控，具有較好的穩(wěn)定性，參數(shù)調(diào)控誤差可控制在3%以?xún)?nèi)；同時(shí)，利用該監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)對(duì)注塑機(jī)進(jìn)行調(diào)控時(shí)，可將所制聚丙烯薄壁制品的翹曲變形量降低到1.819 mm。

聚丙烯 薄壁制品 監(jiān)控網(wǎng)絡(luò) 工藝調(diào)試 翹曲變形

在塑料注塑加工過(guò)程中，聚合物熔體各部分的冷卻速率不一致以及聚合物分子取向等原因會(huì)造成塑料制品發(fā)生翹曲變形，不僅影響制品的美觀，而且會(huì)極大降低其使用性能，甚至?xí)斐伤芰现破返膱?bào)廢。結(jié)合材料的流變性能，選用合適的料筒溫度、注射壓力、注射時(shí)間、模具溫度、保壓壓力和時(shí)間等工藝參數(shù)，可以有效減小制品的翹曲變形量［1-6］。聚丙烯具有良好的耐候性、耐化學(xué)藥品腐蝕性，低毒、高絕緣性等優(yōu)良性能，在食品包裝、醫(yī)用材料、汽車(chē)行業(yè)、纖維和日用品加工等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。聚丙烯熔體屬于典型的假塑性流體，在低剪切速率下呈牛頓流體特性，而在高剪切速率下呈現(xiàn)剪切變?。?-10］。通常，加工過(guò)程中選用熔體流動(dòng)速率為2～10 g/10 min的聚丙烯，成型溫度選定為205～315 ℃，溢出值控制在0.03 mm，注塑機(jī)料筒溫度控制在210～280 ℃［6］。

為提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，加工時(shí)通常采用多臺(tái)機(jī)器同時(shí)工作，并且利用監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行加工過(guò)程的監(jiān)控和加工工藝的調(diào)控［11-15］。普通的無(wú)線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)只能完成近程的監(jiān)控，而Zigbee無(wú)線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)不僅能夠進(jìn)行近程監(jiān)控，還能夠遠(yuǎn)程監(jiān)控加工過(guò)程并調(diào)節(jié)加工工藝［16-17］。本工作采用Zigbee無(wú)線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)對(duì)聚丙烯薄壁制品（尺寸為230 mm×136 mm×43 mm，壁厚為2 mm）的加工過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控，研究了監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)反饋信息與真實(shí)加工工藝之間的契合度，并且在該監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)下完成了聚丙烯薄壁制品的加工，最后，通過(guò)研究制品翹曲變形量進(jìn)一步衡量了該監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1主要原料與設(shè)備

聚丙烯，注塑級(jí)，中國(guó)石油化工股份有限公司北京燕山分公司生產(chǎn)；DQ-100T型臥式注塑機(jī)，廣東德群機(jī)械有限公司生產(chǎn)。

1.2性能測(cè)試

翹曲變形測(cè)試采用美國(guó)Akrometrix公司生產(chǎn)的Akrometrix型熱變形外貌檢測(cè)儀進(jìn)行檢測(cè)。

1.3注塑工藝參數(shù)

預(yù)熱干燥溫度為80 ℃，預(yù)熱干燥時(shí)間為5 h，螺桿轉(zhuǎn)速為50 r/min；第一段料筒溫度為200～240℃，第二段料筒溫度為260～300 ℃，第三段料筒溫度為200～240 ℃；噴嘴溫度為175 ℃，模具溫度為50 ℃；注射壓力為80 MPa，保壓壓力為60 MPa；注射時(shí)間為4 s，保壓時(shí)間為 25 s，冷卻時(shí)間為25 s。

2 結(jié)果與討論

2.1 Zigbee無(wú)線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性測(cè)試

監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)是將注塑機(jī)的工藝參數(shù)通過(guò)傳感器傳送到檢測(cè)器上，然后控制系統(tǒng)再針對(duì)所獲得的工藝信息反饋至注塑機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)注塑過(guò)程的遠(yuǎn)程監(jiān)控和操控。因此，監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性極大地影響注塑機(jī)的加工工藝。對(duì)注塑機(jī)料筒進(jìn)行分段式控溫，通過(guò)改變料筒的溫度考察監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)所接收到的工藝參數(shù)與實(shí)際工藝參數(shù)之間的差別以及監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)對(duì)其采取應(yīng)對(duì)措施的靈敏度，并通過(guò)與普通監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)對(duì)比，考察該Zigbee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

將料筒溫度控制在100～280 ℃，并分別記錄料筒實(shí)際溫度、Zigbee無(wú)線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)顯示的溫度以及對(duì)照監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)顯示的溫度。對(duì)每個(gè)溫度進(jìn)行10組實(shí)驗(yàn)，取其平均值進(jìn)行對(duì)照，并計(jì)算了標(biāo)準(zhǔn)偏差。從圖1可以看出：當(dāng)料筒溫度由100 ℃升至280 ℃時(shí)，Zigbee無(wú)線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的溫度示數(shù)與實(shí)際溫度相差不大，均控制在3 ℃以?xún)?nèi)，而且在低溫區(qū)（100～180 ℃）和高溫區(qū)（180～280 ℃），該監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性并無(wú)明顯差別；而對(duì)照組所采用的無(wú)線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)在低溫區(qū)的溫度偏差為3～6 ℃，在高溫區(qū)溫度偏差縮小，為1～3 ℃。這是因?yàn)殡S著料筒溫度的升高，加熱時(shí)間延長(zhǎng)，監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的反應(yīng)時(shí)間也相應(yīng)延長(zhǎng)，所以一般情況下監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)在高溫區(qū)的示數(shù)較為準(zhǔn)確。Zigbee無(wú)線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)在低溫區(qū)和高溫區(qū)的示數(shù)均較為準(zhǔn)確，說(shuō)明該監(jiān)控系統(tǒng)的靈敏性和穩(wěn)定性?xún)?yōu)于一般的監(jiān)控系統(tǒng)。

圖1 不同料筒溫度條件下各監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的顯示溫度Fig.1 Temperature displayed in monitoring network at different barrel temperatures

為進(jìn)一步研究該監(jiān)控系統(tǒng)的穩(wěn)定性，選定料筒溫度為280 ℃，研究3.0 min內(nèi)無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)溫度示數(shù)的準(zhǔn)確度和波動(dòng)情況。從圖2可以看出：0.1～1.0 min時(shí)，料筒處于加熱狀態(tài)，溫度穩(wěn)步升至280 ℃左右，雖然出現(xiàn)了小范圍的過(guò)熱現(xiàn)象，但料筒溫度在3.0 min內(nèi)穩(wěn)定到目標(biāo)溫度。Zigbee無(wú)線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)示數(shù)在加熱過(guò)程中與料筒實(shí)際溫度存在著一定的偏差，但在1.0 min時(shí)，該監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的示數(shù)僅與料筒實(shí)際溫度存在1～2 ℃的偏差，在1.0～3.0 min時(shí)，偏差一直穩(wěn)定在1～2 ℃，說(shuō)明Zigbee無(wú)線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)具有較好的穩(wěn)定性；而對(duì)照組監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)雖然在1.0 min時(shí)，溫度示數(shù)與實(shí)際溫度相差也較小，但在1.0～3.0 min時(shí)，該監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的示數(shù)存在明顯波動(dòng)。

注塑過(guò)程時(shí)，由于加熱速率過(guò)快，料筒會(huì)產(chǎn)生過(guò)熱現(xiàn)象，而監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的反應(yīng)靈敏度和對(duì)料筒溫度的反饋調(diào)控作用則可以在一定程度上避免過(guò)熱情況的發(fā)生。為檢測(cè)Zigbee無(wú)線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的靈敏度，首先將料筒溫度穩(wěn)定在280 ℃，然后將溫度升至290 ℃，記錄3 min內(nèi)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)顯示溫度及料筒實(shí)際溫度的變化。從圖3可以看出：Zigbee無(wú)線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)能快速準(zhǔn)確地對(duì)料筒溫度的變化做出響應(yīng)，并且及時(shí)對(duì)料筒溫度進(jìn)行調(diào)控，當(dāng)料筒溫度升到290 ℃后，Zigbee無(wú)線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的溫度示數(shù)幾乎和料筒溫度沒(méi)有差別，并且在該系統(tǒng)的調(diào)控下，注塑機(jī)料筒溫度很快降至280 ℃，在1.5 min內(nèi)便穩(wěn)定在了設(shè)定溫度；而對(duì)照組無(wú)線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的顯示溫度與實(shí)際溫度相差較大，且響應(yīng)也具有一定的滯后性，因此，采用該監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)溫度進(jìn)行調(diào)控時(shí)，料筒溫度下降過(guò)程中出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的溫度波動(dòng)，并且在2.5 min時(shí)才實(shí)現(xiàn)了溫度的穩(wěn)定。

圖2 料筒實(shí)際溫度及監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的顯示溫度與時(shí)間的關(guān)系曲線Fig.2 Time as a function of actual barrel temperature and temperature displayed in monitoring network

圖3 監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)料筒溫度的響應(yīng)及調(diào)控Fig.3 Response and control of monitoring system to barrel temperature

2.2 Zigbee無(wú)線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)下聚丙烯薄壁制品的翹曲變形量

在聚丙烯加工過(guò)程中，對(duì)注塑機(jī)料筒進(jìn)行三段式控溫，第一段和第三段料筒溫度設(shè)定為220℃，第二段料筒溫度設(shè)定為280 ℃。為更清晰地研究Zigbee無(wú)線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性，對(duì)整個(gè)料筒的升溫過(guò)程進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)控。從圖4可以看出：在Zigbee無(wú)線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測(cè)和調(diào)控下，三段溫度均在1.0 min內(nèi)達(dá)到目標(biāo)溫度，并且在10.0 min內(nèi)未出現(xiàn)明顯溫度波動(dòng)，這進(jìn)一步證明了該監(jiān)控系統(tǒng)的穩(wěn)定性和靈敏性。

采用Zigbee無(wú)線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)對(duì)聚丙烯注塑工藝進(jìn)行優(yōu)化，研究不同料筒溫度條件下，聚丙烯薄壁制品的翹曲變形量，并與不采用監(jiān)控系統(tǒng)的注塑機(jī)進(jìn)行了對(duì)照。從表1可以看出：當(dāng)前段料筒溫度為220 ℃，中段料筒溫度為280 ℃，后段料筒溫度為220 ℃時(shí)，聚丙烯薄壁制品的翹曲變形量最低，為1.819 mm。因此，最佳的參數(shù)為：前段料筒溫度為220 ℃，中段料筒溫度為280 ℃，后段料筒溫度為220 ℃。為了研究該監(jiān)控系統(tǒng)所調(diào)控注塑工藝的精確性，在不使用Zigbee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控條件下，將注塑機(jī)三段料筒實(shí)際溫度設(shè)定為220，280，220℃，對(duì)同樣規(guī)格的聚丙烯薄壁制品進(jìn)行注塑，最終所得制品的翹曲變形量為1.815 mm，二者相差僅為0.004 mm，幾乎為同一水平。這進(jìn)一步證明了Zigbee無(wú)線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)不僅能夠?qū)ψ⑺軝C(jī)工藝進(jìn)行準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)，并且還可以對(duì)其進(jìn)行有效地調(diào)控。Zigbee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控具有較為優(yōu)異的穩(wěn)定性和靈敏度，可以實(shí)現(xiàn)注塑機(jī)注塑過(guò)程的遠(yuǎn)程操作，無(wú)需人工對(duì)注塑過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控，極大降低了生產(chǎn)成本，提高了生產(chǎn)效率。

圖4 料筒升溫過(guò)程中溫度變化Fig.4 Temperature variation during barrel heating

表1 聚丙烯注塑溫度優(yōu)化結(jié)果Tab.1 Optimization results of PP injection molding temperature

3 結(jié)論

a）Zigbee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)可以準(zhǔn)確地監(jiān)控注塑機(jī)的料筒溫度，監(jiān)測(cè)誤差控制在1～3 ℃。

b）Zigbee無(wú)線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可以較為靈敏地對(duì)料筒溫度的變化作出響應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)料筒溫度的調(diào)控。在實(shí)際生產(chǎn)中，該系統(tǒng)對(duì)三段式料筒溫度的控制能夠較好地響應(yīng)和調(diào)控。

c）采用Zigbee無(wú)線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)對(duì)聚丙烯注塑溫度進(jìn)行優(yōu)化，可以有效地將制品的翹曲變形量降至1.819 mm。

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Reliability of injection molding machine and quality of products monitored by Zigbee wireless network

Huang Xin1， Wang Qiu2， Li Zhongwu3
（1. Dehong Teachers' College， Mangshi 678400， China； 2. School of Chemical Engineering， Dalian University of Technology， Dalian 116024， China； 3. Baoshan University， Baoshan 678000， China）

Zigbee wireless monitoring network is used for remote monitoring of the manufacturing of polypropylene（PP）thin-wall products. The fitness of feedback information from the monitoring system where PP products was produced and actual manufacturing process was observed. The stability of the system was verified by surveying the warping of the products. The results show that Zigbee wireless monitoring network can implement the high precision process control in high reliability，the error of parameters can be controlled within 3%，the warping of the PP products is reduced to 1.819 mm when the injecting molding machine is monitored by the system.

polypropylene； thin-wall product； monitoring network； process adjustment； warping

TQ 325.1+2；TQ 05

B

1002-1396（2017）02-0073-04

2016-10-11；

2017-01-03。

黃鑫，男，1981年生，碩士，講師，2009年畢業(yè)于湖北大學(xué)。聯(lián)系電話(huà)：15925438058；E-mail：huangxing_ guei@sina.com。