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        帶溫度補(bǔ)償?shù)母倪M(jìn)型注塑機(jī)鎖模力傳感器設(shè)計與實現(xiàn)*

        2024-03-06 02:54:24鄧俊文顏幸堯胡美君陳潘布衣聶德明
        傳感技術(shù)學(xué)報 2024年1期
        關(guān)鍵詞:檢測

        鄧俊文,顏幸堯*,胡美君,陳潘布衣,聶德明

        (1.中國計量大學(xué)計量測試工程學(xué)院,浙江 杭州 310018;2.杭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院友嘉智能制造學(xué)院,浙江 杭州 310018)

        影響注塑制品質(zhì)量的常見因素主要有注射速度、v/p 切換點、保壓壓力和時間、模具溫度、鎖模力設(shè)定值等[1-3]。其中鎖模力對注塑制品質(zhì)量具有較為明顯的影響,合理設(shè)置鎖模力對注塑制品質(zhì)量和機(jī)器合模單元以及模具的壽命具有重要的影響[4]。若鎖模力偏差過大,不僅會損害模具,影響產(chǎn)品質(zhì)量,甚至還會出現(xiàn)傷人等安全事故;若能精準(zhǔn)實時監(jiān)控鎖模力,不僅能有效控制制品質(zhì)量,還對于更換生產(chǎn)模具后進(jìn)行試模調(diào)模起一定指導(dǎo)作用[5],且能夠?qū)Ρ葰v史鎖模力數(shù)據(jù)分析拉桿是否存在疲勞斷裂[6]。臺灣Huang 教授團(tuán)隊[7]通過分析模具在注射成型時鎖模力變化情況,判斷生產(chǎn)制品的質(zhì)量,并提出獲取合適鎖模力搜索方法;日本長沼恒雄與橋本浩一學(xué)者[8]對注塑機(jī)鎖模力歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,判斷注塑機(jī)是否出現(xiàn)異常。

        目前注塑機(jī)鎖模力的感知方法主要有以下幾種:

        ①粘貼式,將應(yīng)變片通過粘貼方式直接安裝在拉桿上[9];②形變片式傳感器,傳感器用螺絲壓裝在尾板上(需要銑配合平面);③壓力變送裝置,通過檢測液壓缸的推力來推算鎖模力值[5];④柱塞式傳感器,傳感器安裝至拉桿(哥林柱)內(nèi)部[10];⑤拉桿式傳感器,在拉桿靠近頭板安裝檢測桿,通過檢測桿內(nèi)部彈簧伸長的距離進(jìn)行鎖模力檢測[11];⑥磁附式傳感器,磁附式傳感器是通過磁力吸附在拉桿上,其應(yīng)變片安裝在兩個磁鐵之間的不銹鋼箔下[12-14];⑦螺紋固定式傳感器,原理與磁附式相類似,只是以螺紋緊固的預(yù)緊力替代了磁力[15];⑧箍型傳感器,通過抱箍或鋼帶將傳感器固定在拉桿上;⑨超聲直探頭,利用聲彈性效應(yīng),通過超聲波傳播時間測量拉桿的受力值[16-17]。

        以上傳感器,除了磁附式傳感器、箍型傳感器方式外,其余方式均由于自身的一些限制而沒有被廣泛用于實際生產(chǎn)的實時檢測中。

        我國在注塑機(jī)行業(yè)已經(jīng)擁有很大的設(shè)備規(guī)模,但與國外相比,在技術(shù)上和精度上還存在著不足,一些高端設(shè)備,比如注塑機(jī)鎖模力傳感器,依然需要進(jìn)口[12]。本文在參考國外同類產(chǎn)品的基礎(chǔ)上,對其進(jìn)行改進(jìn),設(shè)計了一款雙側(cè)全橋,帶溫度補(bǔ)償?shù)逆i模力傳感器,并對其進(jìn)行實際上機(jī)測試。

        1 鎖模力傳感器檢測原理

        1.1 注塑機(jī)鎖模力的來源

        鎖模力是為了防止模具不被型腔內(nèi)熔體壓力頂開所能施加的夾緊力,又稱為合模力[18];注塑機(jī)鎖模力是衡量機(jī)器加工塑件能力的指標(biāo)[4];鎖模力的產(chǎn)生取決于兩個條件:一是通過合模機(jī)構(gòu)傳遞產(chǎn)生推力;二是合模系統(tǒng)產(chǎn)生彈性變形力[19]。

        拉桿(哥林柱)是注塑機(jī)合模力的承載零件,作用是連接定、動模板和機(jī)架,也是較容易發(fā)生斷裂失效的零件[20]。當(dāng)鎖模油缸的左腔接壓力油路、右腔接回油路時,就使拉桿產(chǎn)生一定的預(yù)拉力,所有拉桿所受拉力的合力與鎖模力大小相等,方向相反[21],因此只需要測定所有拉桿的拉力值即可計算出鎖模力值。

        1.2 注塑機(jī)拉桿受力仿真分析

        通過分析鎖模力的來源可知,測定四根注塑機(jī)拉桿(哥林柱)的應(yīng)力值,即可獲知鎖模力值;由于四根拉桿在注塑生產(chǎn)前需要進(jìn)行調(diào)模過程,使得四根拉桿受力值盡可能相同,偏心模具需小于8%,因此,只需對其中一根拉桿進(jìn)行受力分析即可。使用Soildworks 軟件進(jìn)行靜應(yīng)力仿真,仿真設(shè)置拉桿長度為1 500 mm,拉桿直徑為110 mm,材質(zhì)為GCr15 合金鋼,設(shè)置拉應(yīng)力值為1 050 kN,對其應(yīng)力與合位移進(jìn)行仿真分析,仿真結(jié)果見圖1。

        圖1 應(yīng)力分布圖和合位移分布圖

        從圖1(a)應(yīng)力分布圖可以得出,注塑機(jī)拉桿除了固定的定模板的一小部分區(qū)域外,整體受力分布很均勻,在距定模板121 mm 與1 500 mm 時其應(yīng)力值都為1.105×108N/m2,因此鎖模力傳感器安裝至距離定模板1.5 倍拉桿直徑的距離之外,即可保證傳感器感知正確的鎖模力信號。從圖1(b)中得知,注塑機(jī)拉桿在1 050 kN 的拉力下,合位移為0.787 9 mm,合位移量是設(shè)計信號調(diào)理電路的重要參數(shù)。

        2 改進(jìn)型鎖模力傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計

        2.1 改進(jìn)型傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計

        2.1.1 溫度變化對傳感器的影響

        注塑機(jī)在注塑生產(chǎn)過程中,螺桿會將熔融態(tài)的聚合物注射至生產(chǎn)模具中,導(dǎo)致合模腔室內(nèi)溫度上升,待聚合物填滿模具后,螺桿會停止注射,等待聚合物冷卻成型。模具安裝在模板上,模板與拉桿直接連接,因此模具的溫度不可避免地傳遞到拉桿上,固定在拉桿上的傳感器的溫度也隨著變化。應(yīng)變片的電阻阻值受溫度的影響較大,一般應(yīng)變片溫度系數(shù)Tc=20×10-6/℃,標(biāo)稱電阻取R=350 Ω,取應(yīng)變片標(biāo)定時的溫度與工作時的溫度差ΔT=20 ℃,根據(jù)公式:

        得出單個應(yīng)變片阻值在溫差20 ℃時電阻變化量ΔRT=0.14 Ω,在單橋電路下其電阻變化量ΔRT=0.42 Ω,半橋電路下電阻變化量ΔRT=0.28 Ω,該溫漂值已經(jīng)影響了拉桿應(yīng)力的檢測精度。

        2.1.2 應(yīng)變片檢測電路

        測量應(yīng)變片的形變量通常使用電橋電路,電橋電路分為單臂電橋、雙臂(對臂)電橋以及全橋電橋;單臂電橋使用一個受力敏感應(yīng)變片,雙臂電橋使用兩片受力敏感應(yīng)變片,全橋電橋使用四片受力敏感應(yīng)變片。

        本文設(shè)計的鎖模力傳感器具有溫度補(bǔ)償功能,并且在電路結(jié)構(gòu)上使用了類全橋電路,而且可消除彎矩的影響,全橋電路輸出電壓量比半橋電路提高一倍[21]。

        2.1.3 改進(jìn)型傳感器結(jié)構(gòu)

        鎖模力傳感器由鋁合金底座、彈性橡膠、溫度補(bǔ)償應(yīng)變片、受力敏感應(yīng)變片以及PCB 電路轉(zhuǎn)接板組成。鋁合金底座為注塑機(jī)拉桿的安裝扣具;彈性橡膠將敏感應(yīng)變片緊緊依附在哥林柱的表面,從而能夠正確感知哥林柱的形變值;PCB 電路板為連接應(yīng)變片電路以及傳感器信號線焊接口;受力敏感應(yīng)變片安裝方向與拉桿在受力時產(chǎn)生變形的方向一致,使得敏感應(yīng)變片能充分感知拉桿在受力時的應(yīng)變值,若安裝方向錯誤,傳感器將無法正確地檢測出拉桿的應(yīng)變值;溫度補(bǔ)償應(yīng)變片安裝至底座頂層兩側(cè)處,如圖2(a)所示。

        圖2 改進(jìn)型鎖模力傳感器爆炸圖和不同視角圖

        傳感器頂層的中間部分為U 型圓弧結(jié)構(gòu),嵌有硅膠彈性體,突出于表面,敏感應(yīng)變片安裝于彈性體的表面之上,因此將鎖模力傳感器安裝至拉桿上時,底座的U 型兩側(cè)邊線緊壓在拉桿之上,此時,敏感應(yīng)變片緊貼在拉桿之上,隨著拉桿的變形而變形,而兩側(cè)的溫度補(bǔ)償片由于沒有跟拉桿直接接觸,因此不會感知拉桿應(yīng)力值,只起到溫度補(bǔ)償作用。圖2(b)為傳感器不同視角圖。

        2.2 信號調(diào)理電路設(shè)計

        信號調(diào)理電路將鎖模力傳感器檢測到的注塑機(jī)拉桿應(yīng)力值轉(zhuǎn)化為微控制器能分辨的模擬量,鎖模力處于空載與滿載時(對應(yīng)最小鎖模力與最大鎖模力)經(jīng)微處理器采集轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字量差值越大,AD 有效碼數(shù)就越多,分辨率就越高。

        本文設(shè)計的信號調(diào)理電路由電橋電路,放大電路和濾波電路組成,設(shè)計的信號調(diào)理電路如圖3(a)所示,圖3(a)只展示了一路注塑機(jī)拉桿檢測調(diào)理電路,另外三路檢測電路使用同樣結(jié)構(gòu)電路。

        圖3 類全橋信號調(diào)理電路和鎖模力檢測控制板

        電橋電路使用本文設(shè)計的鎖模力傳感器,分為上全橋與下全橋;上全橋中左上元件(S1)與右下元件(S2)為受力敏感片,右上(S3)與左下(S4)元件為溫度補(bǔ)償片,在受力敏感片受力時,其輸出電壓值Vs1+>Vs1-;下全橋中右上元件(S5)與左下元件(S6)為受力敏感片,左上(S7)與右下(S8)元件為溫度補(bǔ)償片,敏感片受力時,其輸出電壓值Vs2-<Vs2+;上全橋與下全橋的差分電路組成一個類全橋電路,其輸出分別為:

        A1、A2為各自全橋差分電路的放大倍數(shù),類全橋電路通過一個同相比例放大電路進(jìn)行上全橋與下全橋信號量疊加,其輸出為:

        式中:A3為同相比例放大器的放大倍數(shù)。電路上使用的運算放大器器件必須有較高的CMRR(共模抑制比)以及PSRR(電源抑制比),以此減小共模信號干擾和因電源不穩(wěn)定導(dǎo)致運放輸出不穩(wěn)定情況,提高信號采集的穩(wěn)定度;雙電源運放器件可以采用OP07 系列,單電源器件可以采用TP1271 系列。圖3(b)為配套本文傳感器設(shè)計的鎖模力檢測控制板。

        3 實驗測試與數(shù)據(jù)分析

        3.1 設(shè)備介紹

        本文實驗數(shù)據(jù)采集于溫州市至上重工有限公司生產(chǎn)的KS286 注塑機(jī),KS286 有多種拉桿長度和拉桿直徑的型號,本文使用的注塑機(jī)的拉桿(哥林柱)直徑為110 mm、長度為1 500 mm,設(shè)計最大鎖模力為4 200 kN,分解到四根拉桿上為1 050 kN。圖4為本文設(shè)計的鎖模力傳感器安裝至拉桿上。

        圖4 本文設(shè)計的鎖模力傳感器安裝至拉桿上(另外三路未展示)

        3.2 全橋與半橋?qū)嶒灁?shù)據(jù)分析比較

        使用KS286 注塑機(jī)進(jìn)行全橋和半橋電路測試,不斷調(diào)整壓力值(鎖模力),記錄當(dāng)前鎖模力檢測電路的測試結(jié)果;使用一元線性回歸方程對全橋抱箍、半橋抱箍和半橋扎帶方式進(jìn)行數(shù)據(jù)點擬合,擬合結(jié)果見圖5,回歸方程效果與精度對比見表1。

        從圖5 四個傳感器通道的數(shù)據(jù)可以得出,使用全橋抱箍與半橋抱箍固定方式測得數(shù)據(jù)的線性度好,而半橋扎帶的固定方式線性度很差;由于使用了類全橋放大電路,因此全橋抱箍方式測得的ADC 有效碼數(shù)比半橋電路的要高一倍,全橋抱箍的有效碼數(shù)至少有2 100 個碼,半橋抱箍的有效碼數(shù)為700~950之間,半橋扎帶的有效碼數(shù)為400~700 之間;這表明本文設(shè)計的傳感器有效分辨率高。

        從表1 可以看出,使用一元線性回歸方程擬合數(shù)據(jù)時,四個通道的全橋抱箍方式SSE 誤差平方和、R2決定系數(shù)和RMSE 均方根誤差最大值為分別為SSE=350.039、R2=0.999 7 和RMSE=4.409 8;半橋抱箍的最小值分別為SSE=1741、R2=0.998 9 和RMSE=8.115 2;半橋扎帶最小值分別為SSE=3.034×105、R2=0.855 9 和RMSE=94.468 8;這表明全橋抱箍的固定方式其回歸擬合的效果最好。

        對全橋抱箍、半橋抱箍和半橋扎帶方式采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理,將圖5 的ADC 值轉(zhuǎn)化為(0~10)V 電壓量輸出,繪制的壓力值(鎖模力)與DAC電壓曲線見圖6。

        圖6 全橋抱箍、半橋抱箍與半橋扎帶固定方式DAC 歸一化與壓力值對比散點圖

        對圖6 四個通道的曲線進(jìn)行觀察可以得到,采用全橋抱箍方式和半橋抱箍方式的線性度要好,半橋扎帶的線性度最差,因此在對注塑機(jī)拉桿進(jìn)行鎖模力傳感器安裝時,應(yīng)選用抱箍的方式進(jìn)行安裝;對比全橋和半橋抱箍方式的數(shù)據(jù)曲線,進(jìn)一步得出,采用全橋電路作為應(yīng)力檢測,其檢測的精度與線性度是優(yōu)于半橋電路的,因此在對精度要求高的場合下,應(yīng)采用全橋電路作為前端檢測電路。

        4 鎖模力傳感器性能評估

        4.1 相對誤差與絕對誤差

        某量值的測得值與真值之差為絕對誤差,絕對誤差可以評定其測量精度的高低,但量值的真值是一個理想的概念,一般是不知道的,因此在實際測量中,常用被測量的實際值來代替真值[22],即:

        絕對誤差與被測量的真值之比值稱為相對誤差,在實際測量中,常用被測量的實際值來代替真值[22];相對誤差同樣可以評定其測量精度的高低,并且適用于不同的被測量以及不同的物理量,相對誤差公式為:

        表2 展示了四個通道下鎖模力的計算值、絕對誤差和相對誤差對比。

        表2 分段折線擬合得到的鎖模力測量結(jié)果 單位:kN

        從表2 得出,設(shè)定的鎖模力與計算的鎖模力擬合度很高,四個通道在1 059 kN、768 kN、848 kN 和742 kN 時絕對誤差分別為-15 kN,23 kN,25 kN 和-15 kN,最大絕對誤差為25 kN;四個通道在329 kN、453 kN、768 kN 和535 kN 時相對誤差分別為-3.343%,3.753%,3.255%和-2.430%,最大相對誤差為3.753%。

        4.2 鎖模力重復(fù)性精度

        重復(fù)性精度是衡量精密注塑成型加工過程最為重要的一個技術(shù)指標(biāo),指的是在相同條件下對同一被測量物進(jìn)行多次重復(fù)性測量,通過分析處理重復(fù)性數(shù)據(jù)得知一致性的過程,是表示測量結(jié)果中重復(fù)誤差的程度,是一個基于統(tǒng)計過程的概念[2,23-24]。鎖模力重復(fù)性精度公式為[25]:

        式中:δFk為設(shè)定壓力值Fk時對應(yīng)的鎖模力重復(fù)精度,無量綱;n為測試次數(shù),F(xiàn)i為在Fk下進(jìn)行i次測試得到的壓力值樣本,單位為kN;為在設(shè)定值Fk時多次測量的算術(shù)平均值,單位為kN。測得的壓力值與真實值相比,波動越大,表示鎖模力的重復(fù)精度就越差。通過調(diào)整注塑機(jī)處于不同的鎖模力,記錄四個通道當(dāng)前鎖模力電路測量結(jié)果,重復(fù)測試9 次,計算所得鎖模力重復(fù)性精度見表3。

        表3 鎖模力重復(fù)性精度

        從表3 可以得到,四個通道在329 kN、489 kN、535 kN 和593 kN 時重復(fù)性精度分別為1.702%、1.962%、2.430%和1.572%;重復(fù)性精度最大值δFk=2.430%,優(yōu)于鎖模力傳感器重復(fù)性設(shè)計要求的δ<5%,這表明本文設(shè)計的鎖模力傳感器在不同壓力載荷下,鎖模力重復(fù)性精度好。

        5 結(jié)論

        本文對傳統(tǒng)鎖模力傳感器進(jìn)行結(jié)構(gòu)性改進(jìn)并進(jìn)行實驗驗證,在單個傳感器探頭上集成兩片受力敏感應(yīng)變片組成單側(cè)半橋,由兩個傳感器組成雙側(cè)全橋,從而提高了信號的信噪比以及信號強(qiáng)度,每個傳感器都使用兩片不受力的溫度補(bǔ)償應(yīng)變片用于消除注塑機(jī)于注塑生產(chǎn)過程中因溫度變化引起的溫度漂移。

        實驗結(jié)果表明:本文設(shè)計的改進(jìn)型鎖模力傳感器線性度好,使用一元線性回歸方程擬合得出的R2決定系數(shù)均大于等于0.999 7;在對比鎖模力設(shè)定值與測量值的實驗統(tǒng)計得出四個通道絕對誤差的最大值為25 kN、相對誤差的最大值為3.753%,鎖模力重復(fù)性精度最大值為2.430%,這說明本文設(shè)計的傳感器可以相對準(zhǔn)確地反映當(dāng)前注塑機(jī)拉桿的鎖模力,在注塑機(jī)鎖模力檢測領(lǐng)域內(nèi)具有重要的應(yīng)用價值。

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