許宇軒，黨開(kāi)放，傅南紅，焦曉龍，謝鵬程*，楊衛(wèi)民

（1.北京化工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，北京 100029；2.寧波長(zhǎng)飛亞塑料機(jī)械制造有限公司，浙江 寧波 315830；3.海天塑機(jī)集團(tuán)有限公司，浙江 寧波 315801）

0 前言

注射成型是塑料制品最主要的成型方式之一。該成型工藝是通過(guò)注射成型裝備將聚合物顆粒熔融塑化，利用螺桿將聚合物熔體注入固定模具型腔內(nèi)，經(jīng)過(guò)冷卻定型后成為最終的塑料制品。注射成型裝備通過(guò)高精度的閉環(huán)控制策略，可以很好地保持成型過(guò)程中工藝參數(shù)穩(wěn)定。傳統(tǒng)的注塑機(jī)控制技術(shù)研究主要針對(duì)的是響應(yīng)精度、響應(yīng)速度和運(yùn)行穩(wěn)定性等方面的需求，當(dāng)注射成型過(guò)程出現(xiàn)如原料黏度變化等非工藝參數(shù)的外部擾動(dòng)時(shí)，現(xiàn)有成型裝備無(wú)法做出響應(yīng)以維持制品品質(zhì)與質(zhì)量的高重復(fù)精度。在日益激烈的全球市場(chǎng)化競(jìng)爭(zhēng)的大背景下，想要實(shí)現(xiàn)注射成型產(chǎn)業(yè)化升級(jí)，高精度、高重復(fù)性、高一致性的注射成型工藝成為不可或缺且至關(guān)重要的部分。傳統(tǒng)的調(diào)節(jié)響應(yīng)的方式，主要是采取停機(jī)檢查、試錯(cuò)、人工修改參數(shù)的方式，通過(guò)重復(fù)修改參數(shù)來(lái)改善由于生產(chǎn)波動(dòng)所造成的制品缺陷。但是這樣不僅增加了大量的人力成本，還會(huì)影響生產(chǎn)效率，降低產(chǎn)品的良品率。因此，塑料注射成型工藝自適應(yīng)優(yōu)化技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。該技術(shù)的核心問(wèn)題是使注射成型裝備能夠動(dòng)態(tài)感知外部擾動(dòng)，做出在線決策后在當(dāng)前成型周期內(nèi)對(duì)質(zhì)量參數(shù)進(jìn)行精準(zhǔn)優(yōu)化。在此技術(shù)的研究過(guò)程中需要深入探究以下幾個(gè)問(wèn)題。本文則針對(duì)注射成型工藝的自適應(yīng)優(yōu)化技術(shù)的幾點(diǎn)關(guān)鍵研究問(wèn)題進(jìn)行了研究總結(jié)與未來(lái)展望。

1 聚合物熔體物性參數(shù)變化的分析與定量表征

為提升注射成型裝備對(duì)外部擾動(dòng)的響應(yīng)能力，國(guó)內(nèi)外學(xué)者圍繞聚合物熔體在復(fù)雜流動(dòng)行為下對(duì)外部擾動(dòng)的響應(yīng)機(jī)理開(kāi)展研究，并針對(duì)非工藝參數(shù)外部擾動(dòng)引起的熔體物性參數(shù)波動(dòng)進(jìn)行定量表征。

外部擾動(dòng)因素包括原料的批次變化、含水量變化、工藝參數(shù)的波動(dòng)和回料占比的變化等，均會(huì)造成聚合物熔體物性參數(shù)的變化。Ronkay等[1]對(duì)聚碳酸酯（PC）回收料的形態(tài)以及流變學(xué)特性進(jìn)行了系統(tǒng)分析，研究發(fā)現(xiàn)原始塑料顆粒和回收塑料顆粒在注射成型過(guò)程中出現(xiàn)了顯著差異。Javierre等[2]利用毛細(xì)管流變儀分析了不同回料占比的高密度聚乙烯（PE-HD）的流變特性變化，探究了熔體黏度變化對(duì)注射成型工藝的影響，并分析了流變特性變化對(duì)鎖模力、熔體壓力等關(guān)鍵過(guò)程參數(shù)的影響。Grümer等[3]對(duì)聚酰胺（PA）和其回收材料進(jìn)行了流變學(xué)分析與測(cè)量，開(kāi)發(fā)了基于Carreau模型的熔體黏度通用建模方法并進(jìn)行了驗(yàn)證。

除了對(duì)回收材料的性質(zhì)進(jìn)行研究分析，學(xué)者們還對(duì)不同含水量的原料進(jìn)行了分析，如Heinzler等[4]分析了聚合物含水量對(duì)熔體黏度的直接影響，發(fā)現(xiàn)原料含水量升高造成高分子材料分子鏈間的相互運(yùn)動(dòng)更加容易，從而導(dǎo)致熔體黏度下降。注射成型過(guò)程中熔體受多場(chǎng)耦合作用的影響規(guī)律也受到關(guān)注，溫度、壓力和剪切等均會(huì)對(duì)熔體的流變性能造成影響。Liang等[5]系統(tǒng)研究了壓力和溫度對(duì)于聚合物熔體的黏度影響規(guī)律。Volpe等[6]利用流變儀研究發(fā)現(xiàn)熔體黏度與剪切速率之間存在耦合關(guān)系。這些研究結(jié)果均充分證明，外部擾動(dòng)因素的出現(xiàn)，將直接體現(xiàn)為注射成型過(guò)程中熔體黏度波動(dòng)。但是，由于上述研究均停留于定性分析，還無(wú)法根據(jù)外部擾動(dòng)對(duì)物性參數(shù)變化實(shí)現(xiàn)定量表征及預(yù)測(cè)。

為解決這一問(wèn)題，研究人員曾不斷嘗試不同的定量表征方法，其中壓力傳感器是最常用的在線表征熔體物性參數(shù)的工具。Hopmann等[7]提出，在模具型腔內(nèi)加裝壓力傳感器，結(jié)合高壓毛細(xì)管流變儀的測(cè)量原理，利用壓力信號(hào)的變化來(lái)監(jiān)測(cè)當(dāng)前周期內(nèi)聚合物熔體的變化過(guò)程，并取得了良好的測(cè)量效果。Chen等[8]提出了一種分別在成型裝備噴嘴、模具流道與型腔安裝壓力傳感器來(lái)對(duì)聚合物熔體狀態(tài)進(jìn)行表征的方法，為連續(xù)注射成型過(guò)程中熔體物性參數(shù)狀態(tài)變化提供了一種有效的表征方式。Lin等[9]研制一種壓力傳感器襯套模塊，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該模塊對(duì)熔體黏度表征的準(zhǔn)確性。Turng等[10]提出利用介電傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)注射成型熔體剪切應(yīng)力的測(cè)量，用于定量表征熔體物性參數(shù)。除了通過(guò)測(cè)量模具內(nèi)的過(guò)程參數(shù)，一些學(xué)者還通過(guò)定制狹縫模具來(lái)實(shí)現(xiàn)黏度的在線表征。Aho等[11]設(shè)計(jì)了狹縫模具用于測(cè)量注射成型中聚合物熔體的流變特性，取得了較明顯的效果。

熔體物性參數(shù)的在線測(cè)量及表征方式可以有效地幫助注射成型裝備實(shí)現(xiàn)對(duì)外部擾動(dòng)的動(dòng)態(tài)感知。以上定量表征可分為兩種方式，一是針對(duì)進(jìn)入模具型腔內(nèi)的熔體，這將導(dǎo)致定量表征存在明顯滯后性，無(wú)法針對(duì)外部擾動(dòng)實(shí)施在線自適應(yīng)優(yōu)化；二是開(kāi)發(fā)易于實(shí)現(xiàn)熔體測(cè)量的特殊狹縫模具，但這種測(cè)量方式無(wú)法適用于不同類(lèi)型模具及實(shí)際注射成型過(guò)程。因此，研究開(kāi)發(fā)具有廣泛適用性的物性參數(shù)在線定量表征方法勢(shì)在必行。

2 聚合物熔體質(zhì)量參數(shù)變化的分析與定量表征

實(shí)現(xiàn)外部擾動(dòng)下成型裝備維持制品品質(zhì)高重復(fù)精度的前提是建立質(zhì)量參數(shù)的定量表征模型，國(guó)內(nèi)外學(xué)者重點(diǎn)圍繞注射成型過(guò)程非牛頓粘彈性熔體定量表征模型的構(gòu)建開(kāi)展研究并取得進(jìn)展，為實(shí)現(xiàn)工藝自適應(yīng)優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)。定量表征過(guò)程需要基于對(duì)過(guò)程參數(shù)以及質(zhì)量參數(shù)之間映射關(guān)系的明晰與確立，由于過(guò)程參數(shù)與質(zhì)量參數(shù)之間關(guān)系的復(fù)雜性，因此在確定映射關(guān)系的過(guò)程中，主要分為代理模型法和機(jī)理模型法。

代理模型法主要面向不易于實(shí)施過(guò)程參數(shù)測(cè)量或成型過(guò)程未知的場(chǎng)合。注射成型中進(jìn)入模具型腔的熔體處于“黑箱”中，因此在質(zhì)量參數(shù)預(yù)測(cè)過(guò)程中代理模型法得到了廣泛的應(yīng)用。代理模型的建立主要基于機(jī)器學(xué)習(xí)算法如響應(yīng)曲面法（RSM）、粒子群優(yōu)化（PSO）、克里金法（Kriging）、支持向量機(jī)（SVM）、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）、徑向基函數(shù)（RBF）以及高斯過(guò)程（GP）等，來(lái)明確過(guò)程參數(shù)與質(zhì)量參數(shù)之間的復(fù)雜映射關(guān)系。Kenig等[12]利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型注射成型的質(zhì)量參數(shù)進(jìn)行了預(yù)測(cè)，在注射成型裝備上實(shí)現(xiàn)了驗(yàn)證。Bensingh等[13]混合ANN和PSO技術(shù)實(shí)現(xiàn)了注塑制品在成型過(guò)程的質(zhì)量參數(shù)預(yù)測(cè)。除了ANN外，其他機(jī)器學(xué)習(xí)算法也在注射成型質(zhì)量預(yù)測(cè)方面得到了廣泛應(yīng)用。葛志強(qiáng)等[14]提出了一種用于熔體相關(guān)質(zhì)量參數(shù)預(yù)測(cè)的有效預(yù)測(cè)方法——組合局部GP回歸，并通過(guò)在聚丙烯（PP）生產(chǎn)過(guò)程中的應(yīng)用，驗(yàn)證了該預(yù)測(cè)方法的可行性及有效性。范希營(yíng)等[15]采用了Kriging模型來(lái)映射過(guò)程參數(shù)與質(zhì)量參數(shù)之間的非線性函數(shù)關(guān)系，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。Heidari等[16]利用RBF模型建立了質(zhì)量參數(shù)與工藝參數(shù)之間的近似函數(shù)關(guān)系。隨著機(jī)器學(xué)習(xí)算法的發(fā)展，代理模型雖然達(dá)到了極高的表征精度，但需要大量的樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練，而這限制了其在熔體質(zhì)量在線補(bǔ)償中的使用。

機(jī)理模型法主要結(jié)合過(guò)程參數(shù)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系建立質(zhì)量參數(shù)的簡(jiǎn)化表征模型，主要分為計(jì)算機(jī)數(shù)值分析模擬法與物理模型軟測(cè)量法。隨著數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展，一系列數(shù)值分析方式更加準(zhǔn)確。李征等[17]提出一種基于有限元法的數(shù)值動(dòng)態(tài)注射成型技術(shù)，對(duì)質(zhì)量參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)預(yù)測(cè)優(yōu)化，并證明了其有效性。Mishra等[18]基于Cross-WLF黏度模型和聚合物壓力-比容-溫度（PVT）模型，通過(guò)數(shù)值分析的方式分析了過(guò)程參數(shù)與質(zhì)量參數(shù)的關(guān)系。但是，雖然數(shù)值分析已經(jīng)可以很精確地描述復(fù)雜映射關(guān)系，但該方法需采用大量數(shù)值進(jìn)行迭代計(jì)算，無(wú)法用于在線注射成型過(guò)程控制。

因而，伴隨著感知采集技術(shù)的進(jìn)步以及高精度傳感器的飛速發(fā)展，出現(xiàn)了物理模型軟測(cè)量方法。物理模型軟測(cè)量的方式主要基于注射成型工藝過(guò)程參數(shù)的采集與處理，各過(guò)程參數(shù)的采集可以利用附加傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)。模具型腔內(nèi)的熔體過(guò)程參數(shù)與質(zhì)量參數(shù)直接相關(guān)，通過(guò)監(jiān)測(cè)模具內(nèi)相關(guān)過(guò)程參數(shù)變化，并以此為依據(jù)建立熔體質(zhì)量機(jī)理模型是易于實(shí)現(xiàn)的方案，而且可以最大程度上保證表征精度。Turng教授等[19]設(shè)計(jì)了一種監(jiān)控模具分型面的方式，在模具的分型面位置安裝精密線性位移傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)兩個(gè)半模之間微米量級(jí)的脹模量，并建立了模具脹模量和熔體質(zhì)量之間的軟測(cè)量物理模型。模具分離的整個(gè)過(guò)程被監(jiān)測(cè)并被采集使用，以定量表征當(dāng)前周期內(nèi)的聚合物熔體質(zhì)量。黃明賢等[20]提出了一種熔體質(zhì)量監(jiān)測(cè)思路，分別在噴嘴、流道和模具型腔處安裝熔體壓力傳感器，在注射成型過(guò)程中監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)的壓力信號(hào)以預(yù)測(cè)熔體質(zhì)量參數(shù)。Chen等[21]提出了一種使用壓力傳感器在線監(jiān)測(cè)質(zhì)量參數(shù)變化過(guò)程的基本方法，并通過(guò)對(duì)丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的可行性。黃明賢等[22]提出了另一種通過(guò)監(jiān)測(cè)成型裝備鎖模力的變化來(lái)表征熔體質(zhì)量參數(shù)的方式，構(gòu)建了鎖模力增量與質(zhì)量參數(shù)之間的軟測(cè)量模型。Gao等[23]提出注射成型質(zhì)量參數(shù)在線預(yù)測(cè)評(píng)估方法，在模具型腔內(nèi)部加裝傳感器，利用傳感器測(cè)量模腔內(nèi)與熔體質(zhì)量直接相關(guān)的四個(gè)工藝參數(shù)：熔體壓力、熔體溫度、熔體黏度和熔體流動(dòng)速率，最終實(shí)現(xiàn)質(zhì)量參數(shù)的定量表征。除了壓力傳感器，其他類(lèi)型的采集技術(shù)也被充分利用。趙朋等[24-28]提出利用超聲波技術(shù)和磁懸浮技術(shù)等實(shí)現(xiàn)熔體質(zhì)量參數(shù)的測(cè)量，為質(zhì)量參數(shù)模型的構(gòu)建奠定了基礎(chǔ)。Kusic等[29]提出利用聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行聚合物質(zhì)量參數(shù)的預(yù)測(cè)方式，并驗(yàn)證了可行性。Gordon等[30]使用多變量傳感器對(duì)質(zhì)量參數(shù)進(jìn)行建模，并利用實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了相關(guān)驗(yàn)證。Sobotka等[31-32]利用光電技術(shù)對(duì)聚合物熔體的過(guò)程參數(shù)和質(zhì)量參數(shù)實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測(cè)，保證了注射成型工藝參數(shù)可視化。

為了表征熔體質(zhì)量，與其相關(guān)的過(guò)程參數(shù)也被收集并分析，如聚合物PVT特性關(guān)系在很多熔體質(zhì)量?jī)?yōu)化過(guò)程中得到應(yīng)用，它是聚合物的本質(zhì)屬性，它表征了熔體壓力、溫度以及比容之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。Lucyshyn等[33]提出一個(gè)熔體質(zhì)量表征模型，基于聚合物PVT數(shù)據(jù)或能量方程等基本材料行為，描述了保壓壓力、保壓時(shí)間、熔體溫度和模具溫度對(duì)零件質(zhì)量和尺寸的影響，實(shí)現(xiàn)了對(duì)熔體質(zhì)量以及產(chǎn)品尺寸的表征。王建等[34]為了探究注射成型工藝過(guò)程中的聚合物比容變化，使用了熔體PVT測(cè)試裝置來(lái)模擬塑料注射成型過(guò)程，考慮了熔體溫度、保壓壓力、保壓時(shí)間以及冷卻速率等參數(shù)對(duì)于PVT本質(zhì)屬性的影響，為質(zhì)量參數(shù)的定量表征奠定了基礎(chǔ)。

物理模型軟測(cè)量方式可以避免復(fù)雜的迭代計(jì)算，也無(wú)需訓(xùn)練大量的樣本數(shù)據(jù)，這有利于更快地實(shí)現(xiàn)質(zhì)量參數(shù)的定量表征。但是，該模型的構(gòu)建大多基于模具內(nèi)部的過(guò)程參數(shù)，而模具與制品形狀各異，尺寸變化較大，且材料性質(zhì)各異，難以形成針對(duì)不同制品、材料與模具的通用的定量表征方式，這也限制了其在成型裝備上的應(yīng)用。

3 塑料注射成型工藝自適應(yīng)優(yōu)化

針對(duì)熔體復(fù)雜流動(dòng)行為下質(zhì)量高重復(fù)精度控制需求，研究揭示多子時(shí)段（注射、保壓）特征下過(guò)程參數(shù)與質(zhì)量參數(shù)之間的映射關(guān)系并對(duì)工藝參數(shù)組合進(jìn)行自適應(yīng)優(yōu)化，是實(shí)現(xiàn)對(duì)外部擾動(dòng)進(jìn)行在線補(bǔ)償?shù)幕A(chǔ)。由于多子時(shí)段特征下過(guò)程參數(shù)與質(zhì)量參數(shù)之間的映射關(guān)系的難以明確，且缺乏針對(duì)熔體質(zhì)量高重復(fù)精度控制的工藝參數(shù)自適應(yīng)優(yōu)化方法，導(dǎo)致成型裝備無(wú)法動(dòng)態(tài)感知熔體物性參數(shù)波動(dòng)，更不能通過(guò)工藝自適應(yīng)優(yōu)化調(diào)整實(shí)施動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。

在注射成型過(guò)程中，需要設(shè)置諸多工藝參數(shù)來(lái)滿(mǎn)足最終的成型要求，如機(jī)筒和模具溫度、注射速度、注射壓力與保壓壓力、塑化螺桿轉(zhuǎn)速以及注射轉(zhuǎn)保壓切換點(diǎn)（V/P切換點(diǎn)）等。對(duì)于工藝參數(shù)的設(shè)定與優(yōu)化，研究人員提出如圖1所示4個(gè)層次的解決方案。

圖1 工藝參數(shù)設(shè)定與優(yōu)化方式Fig.1 Setting and optimization of process parameters

首先是針對(duì)機(jī)器參數(shù)的最優(yōu)設(shè)定，通過(guò)最優(yōu)設(shè)定來(lái)保證穩(wěn)定性控制需求。研究人員主要探究了最優(yōu)工藝參數(shù)組合的輸入方式，用到的方法主要基于實(shí)驗(yàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)（DoE），結(jié)合正交實(shí)驗(yàn)與田口實(shí)驗(yàn)，通過(guò)方差分析（ANOVA）或信噪比（S/N）分析等方式確定最優(yōu)參數(shù)輸出。Abohashima等[35]利用DoE和田口實(shí)驗(yàn)方法對(duì)重要工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，得到了最佳的工藝參數(shù)組合。Chen等[36]提出一個(gè)綜合優(yōu)化系統(tǒng)，以找出多輸入多輸出（MIMO）注射成型過(guò)程的最佳參數(shù)設(shè)置。山東大學(xué)王桂龍等[37-39]基于有限元法對(duì)模具進(jìn)行了性能分析，獲得了工藝參數(shù)組合的目標(biāo)變量。采用混合回歸模型和響應(yīng)面法建立了響應(yīng)面數(shù)學(xué)模型，采用ANOVA方法檢驗(yàn)所建立數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確性。這些工藝參數(shù)優(yōu)化方式停留于離線狀態(tài)下的工藝參數(shù)輸出，并未考慮工藝參數(shù)在實(shí)際工況下的變化過(guò)程。

為此，研究人員提出了針對(duì)工藝參數(shù)軌跡控制的工藝參數(shù)優(yōu)化方式，主要應(yīng)用的是比例-積分-微分（PID）算法對(duì)裝備上的溫度參數(shù)[40]。除PID算法外，其他先進(jìn)的擬合控制算法也被采用，如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)控制[41]、模型預(yù)測(cè)控制（MPC）[42-43]或迭代學(xué)習(xí)控制（ILC）等，在機(jī)器參數(shù)的精確控制方面也得到了發(fā)展與應(yīng)用。李茜等[44]利用模型預(yù)測(cè)控制實(shí)現(xiàn)了注射速度的優(yōu)化控制。高福榮等[45]利用自適應(yīng)的廣義預(yù)測(cè)控制原理設(shè)計(jì)了一種自適應(yīng)控制器，對(duì)注射成型過(guò)程中的注射速度實(shí)現(xiàn)了最優(yōu)控制。胡建斌等[46]利用非線性回歸預(yù)測(cè)及迭代學(xué)習(xí)的控制方式實(shí)現(xiàn)了對(duì)注射速度的優(yōu)化控制。梁宏偉等[47]利用模型預(yù)測(cè)控制及仿真方式實(shí)現(xiàn)了注射速度的優(yōu)化控制。除了溫度和注射速度的精確控制，還有對(duì)于鎖模機(jī)構(gòu)的控制、保壓壓力控制、螺桿參數(shù)控制等。針對(duì)工藝參數(shù)軌跡的高重復(fù)精度控制可實(shí)現(xiàn)工藝參數(shù)在外部擾動(dòng)下保持穩(wěn)定，但是對(duì)于加工熔體的物性參數(shù)波動(dòng)則無(wú)法在線感知并補(bǔ)償。

為了使成型裝備可以在線補(bǔ)償熔體物性參數(shù)變化所帶來(lái)的擾動(dòng)，研究人員嘗試基于過(guò)程參數(shù)一致來(lái)進(jìn)行工藝自適應(yīng)優(yōu)化，最終實(shí)現(xiàn)熔體質(zhì)量的在線補(bǔ)償。王建等[48-49]提出了一種的注射成型過(guò)程控制方法，保證不同成型周期內(nèi)，聚合物PVT特性關(guān)系的過(guò)程穩(wěn)定性。Reiter等[50-51]針對(duì)模具型腔壓力的重復(fù)穩(wěn)定性展開(kāi)了系統(tǒng)研究，并提出了一種基于物理激勵(lì)灰箱模型的模型預(yù)測(cè)控制器的方法，來(lái)對(duì)注射成型中型腔壓力的穩(wěn)定性進(jìn)行調(diào)控，取得了很好的效果。Hopmann等[52]采用了迭代學(xué)習(xí)控制算法來(lái)保證模具型腔壓力曲線的一致性，通過(guò)對(duì)結(jié)果驗(yàn)證表明，該控制算法的應(yīng)用可以在不影響控制性能的情況下，提高了控制精度與靈活性。但以上控制思路并未直接對(duì)熔體質(zhì)量的重復(fù)精度進(jìn)行控制。

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)熔體質(zhì)量的直接控制，研究人員提出基于質(zhì)量參數(shù)一致性的工藝自適應(yīng)優(yōu)化方式。黃明賢等[53-54]提出了一種基于鎖模力增量和熔體質(zhì)量對(duì)應(yīng)關(guān)系的補(bǔ)償方式，注射成型裝備鎖模力增量被用來(lái)作為表征熔體質(zhì)量的指標(biāo)，并以此為參考調(diào)節(jié)V/P切換位置，確保熔體質(zhì)量的穩(wěn)定性。張?jiān)频萚55]提出利用注射壓力和螺桿位置的積分來(lái)量化表征質(zhì)量參數(shù)，并以該積分作為參考在當(dāng)前周期內(nèi)調(diào)節(jié)注射階段的V/P切換位置，保證熔體質(zhì)量的恒定。Hopmann等[56-57]提出，結(jié)合聚合物的PVT特性，發(fā)現(xiàn)注射速度和熔體質(zhì)量之間存在很強(qiáng)的相關(guān)性，提出通過(guò)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)注射速度以補(bǔ)償熔體質(zhì)量。Dubay等[58]提出通過(guò)調(diào)節(jié)螺桿轉(zhuǎn)速與背壓的方式來(lái)調(diào)節(jié)熔體質(zhì)量參數(shù)的新方案，并得到良好的實(shí)驗(yàn)效果。李德群等[59]考慮到加工溫度的穩(wěn)定性對(duì)注射過(guò)程中熔體質(zhì)量的一致性至關(guān)重要，為保證在外界干擾的存在下，熔體質(zhì)量可以保持較高的重復(fù)精度，研究人員調(diào)節(jié)溫度變化來(lái)補(bǔ)償最終制品品質(zhì)并取得了很好的效果。Correia等[60]通過(guò)動(dòng)態(tài)溫度控制實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品表面品質(zhì)參數(shù)的控制，取得了很好的效果。這些控制思路實(shí)現(xiàn)了對(duì)熔體質(zhì)量的直接控制，但是卻忽略了對(duì)外部擾動(dòng)狀態(tài)的參考和注射成型工藝各子時(shí)段的不同工況特征，僅實(shí)現(xiàn)了質(zhì)量的粗略調(diào)節(jié)。在此基礎(chǔ)上，充分考慮外部擾動(dòng)狀態(tài)和注射成型工藝的周期性與各子時(shí)段的不同工況特征將為進(jìn)一步提升質(zhì)量重復(fù)精度控制效果提供保障。

為此，北京化工大學(xué)謝鵬程等[61]提出注射成型熔體黏度波動(dòng)定量表征及在線補(bǔ)償控制新方法?；诓疵C葉流動(dòng)規(guī)律和聚合物PVT特性，提出了熔體黏度波動(dòng)特征提取、多子時(shí)段下熔體充填量定量表征和一致性在線補(bǔ)償控制等方法，構(gòu)建了注射成型工藝參數(shù)自適應(yīng)優(yōu)化控制系統(tǒng)并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)注射過(guò)程出現(xiàn)如原料黏度變化等非工藝參數(shù)的外部擾動(dòng)時(shí)，成型裝備可以實(shí)現(xiàn)黏度波動(dòng)和熔體充填量的無(wú)滯后在線定量表征，注塑制品品質(zhì)重復(fù)精度提升50%～70%。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著塑料成型領(lǐng)域的發(fā)展和越來(lái)越迫切的產(chǎn)業(yè)化需求，注射成型工藝自適應(yīng)優(yōu)化控制技術(shù)顯得越來(lái)越重要。現(xiàn)階段的大量研究工作主要集中于成型加工過(guò)程中的熔體物性參數(shù)以及制品品質(zhì)參數(shù)的預(yù)測(cè)和表征，這部分工作為工藝自適應(yīng)優(yōu)化技術(shù)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

注射成型工藝自適應(yīng)優(yōu)化技術(shù)的主要挑戰(zhàn)在于熔體快速充填過(guò)程中，過(guò)程參數(shù)的強(qiáng)耦合與時(shí)變性特征，且熔體進(jìn)入模具后根據(jù)型腔內(nèi)的過(guò)程參數(shù)進(jìn)行預(yù)表征存在滯后性，無(wú)法用于當(dāng)前成型周期熔體質(zhì)量重復(fù)精度的在線調(diào)節(jié)。而機(jī)筒內(nèi)熔體流動(dòng)行為與熔體物性參數(shù)及質(zhì)量參數(shù)同樣密切相關(guān)，可為實(shí)現(xiàn)重復(fù)精度控制提供支持。在未來(lái)的研究中，學(xué)者可以從充填階段機(jī)筒內(nèi)熔體復(fù)雜流動(dòng)行為規(guī)律、聚合物熔體過(guò)程參數(shù)變化對(duì)外部擾動(dòng)的響應(yīng)機(jī)理、充填階段熔體物性參數(shù)變化的定量表征及數(shù)字化建模方法、多子時(shí)段（注射、保壓）中熔體質(zhì)量的定量表征及數(shù)字化建模方法入手進(jìn)行著重研究，最終實(shí)現(xiàn)注射成型裝備在外部擾動(dòng)下的動(dòng)態(tài)感知、在線決策和精準(zhǔn)執(zhí)行的智能化功能。