注塑成型过程中模具型腔温度控制

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1、注塑模型腔温度控制摘要：我们开发了一种基于 PI 控制器和冷却液可调整的注塑蜡模冷却系统，这种方法以模 具表面的平均温度作为设定温度点，以一个机电系统作为控制冷却液流速的装置，通过机械 模具来对这个控制方法进行模拟，在一个合模力为 50t 的注塑机上进行试验。关键词：PI控制器 型腔温度 冷却液流速 注塑机1、介绍随着材料科学的飞速发展，高分子材料已成为工程材料中应用范围增长最广泛的材料 之一。高分子材料有很多优点，轻质、低价、而且它还具备优秀的机械性能。因此，注塑过 程中的挤塑和注塑作为最重要的工艺技术，它的发展正与其他的相关学科同步进步。这种流 行的注塑方式得益于它能够生产十分复杂外形的产

2、品，而且能够保证较好的尺寸精度。最终的产品质量与注塑成型的操作有着密切的联系，已经有很多相关的研究围绕其展开 理论和试验的结果均已经证明一些重要的注塑变量，如模具温度、塑料温度、型腔的压力的 可重复性是十分重要的。这些参数作为重要的控制变量已经开始被研究。在此过程中，模具 最终的属性取决于热工学，与融化的温度、型腔的压力、局部的冷却相关。然而，对于这些 参数良好的控制依然是制取高质量塑件的根本。对温度的控制被认为是最重要的因素，比其他的因素如蜡液的流速、型腔和射嘴的压力。 用于蜡膏温度控制的方式常常是基于ON/OFF控制和PID控制共同构成。然而因为这些方法 其缺乏健壮性和必要的适应性，所以并

3、不适合控制非线性和关联的过程。很多时候，模具对于蜡件质量和产量的热力反应的影响已经被证实。但它的重要性却在 通常情况下被低估。模具的热反应是型腔温度和蜡液分布的表现，这将影响蜡件的质量，如 尺寸精度，机械性能等，某文献日前提出，模具型腔温度对蜡液流速、注射时间、冷却时间、 尺寸的稳定性和机械性能。文献也谈及了可能的控制变量，和测量位置。然而，他的控制器 的设计并不是基于动态的模具温度。文献论述了浇注的型腔温度控制应建立在对模具自身测量的基础之上，而非像很多人想 象的那样在控制热交换媒介的入口。对循环的平均温度、最高温度、和具备冷却时间能够对 控制有较大的帮助。从上面提及的调查研究很明显可以看出

4、一个有效且高效的冷却系统不仅在蜡件成型上 扮演重要的角色，而且还关系到注蜡工序的生产效率。所以目前的工作时如何找到一种合适 的方法用 PID 控制器来控制型腔的温度，以便来更高效的完成注蜡过程。2、试验准备这个试验通过一个具备 50t 合模力，具备往复注蜡能力的射蜡机来完成。这个模具的冷 却系统具备测量所需数据的能力，流程图如图1所示。控制装置采用一个带有DAQ数据获 取板的工控机来完成，其主要作用是数据获取和控制。两个E型的传感器用作测量到达设定 温度的蜡液的温度？，泵的流量需要足够大来保证大流量、保证变化的流量能够被 DAQ输出信号控制，一个90v、1HP、最大转速1750的直流电机用作驱

5、动泵的运转。用一个 脉冲宽度调制放大器来为直流电机提供可变的直流电源。这个放大器需要一个交流电源和一 个1-10v的直流驱动电源输入端，这个放大器能够通过0-10v的电信号来以较高的频率来驱 动直流电机。CVI试验窗口采用C语言编写的人机界面来用于人机交流，控制系统的模拟在 试验进行前用 Matlab 完成。3、控制变量（被控量）在这个试验中，在模具中的热交换被认为是个型腔获得必要的温度的热学过程，这个过程最终决定了注蜡过程中蜡液冷却的时间。很多因素影响着型腔和蜡件成型温度，包括冷却液的的温度和流量，环境温度，背压，注蜡速度蜡膏通过模具的温度等，其他的因素如模具 的工装，尺寸，冷却器安装的位置

6、一般认为是不随时间改变的量，因此不会影响到蜡件的温 度。a、控制量通过用恒定的冷却液温度和流量的两次注蜡过程的实验来记录蜡件表面（型腔内）的动 态的温度响应，图2展示了每个注蜡开始时温度相对恒定，而蜡液开始注射后温度快速上升 紧接着被逐渐冷却到较低温度。一个开始的情况将要使被控变量成为蜡件表面的温度超过整 个蜡液注射过程。然而从图 2 中 ，当蜡液充型的时候，蜡件表面的温度变化过快，这样这 个温度采样点不能成为一个蜡件的温度设定点。尤其是当设定的点温度可能被调整，通过重 复的曲线的特征，选定一个控制点，要求这个控制点不能像工件表面的温度改变那样迅速。0 -40507080Time (sec)g

7、oFig. 2 Ctivity temperLiture response在单次的注蜡过程中，定义一个蜡件平均注射过程温度参数Tavg。在每个注蜡过程中或 者在收集了一个过程的数据之后，这个参数要能够被评估（做运算）。注蜡过程相对较短， 更合适整个过程中的温度 均值Tavg。在这个试验中，蜡件注射成型过程持续了 27s因此， 后面的 Tavg 评估被使用， Tavg 的表达式为endAI T(fdt2 T(kT)其中Tcycle为成型时长，是每个采样点的记录下来的采样温度,N为共计的采样次数，T(kT)代表T(t)的离散值，使用平均值的一个优点是能够减低噪声干扰。b、操作变量很多动态的参数影响

8、Tavg,所以，任何一个或者所有的参数能被用来控制Tavg。然而，直接影响 Tavg 的两个因素是温度和冷却液的流量。已经被证明，冷却液的温度对蜡模表面 和蜡膏的温度有很大的影响。然而，动态模型是建立在与时间相关的一种较慢的影响的基础 之上。再者，可以通过一个冷却水混合系统来保证制冷、制热、或者混合冷却液的温度，来 达到快速的改变冷却液的温度的目的。但是出于成本的考虑，这种办法是不能在工业生产中 运用的，因为提供一个冷水混合系统是非常昂贵的。虽然改变冷却液的流速仅仅对于改变型 腔和蜡膏的温度作用不算很大。但是依靠一个机电一体化机构能够快速的改变冷却液的流速 而且，成本不会很高。因此改变冷却液流

9、速的方法被选定来作为操作变量。4、系统辨识 在我们设计一个有效的控制系统之前，了解整个过程的原理是非常重要的。最常用的系统辨识的模型是ARX (外部自动回归)，这个模型能用最少的平方公式来关联系统的输入输 出。通用的 ARX 模型如下形式。人二叭q)“ (/-加)十昨)(2)式中A(q)和B(q)是单位延迟算子(delay operator)qA(-1 )的多项式，并且与G(q)和H(q)相关联，y (t)代表输出量Tavg， u (t)代表输入量即用于电机控制的的模拟量，e (t)代 表随机的噪声。A(q)和B(q)的标准形式为式中的na和nb为ARX模型和过程延时nk的阶次，在这个试验中，

10、本系统可认定为单 输入或被控变量(冷却液的流量)单输出Tavg,即SISO系统。a.系统模型在这个SISO的模型中，被控变量u(t)代表控制电机输出的模拟量，y(t)代表Tavg。电机 用来驱动水泵从而控制平均表面温度(Tavg)-y(t)，用于控制水泵转速的模拟量电压输入u(t) 能够被几个对模具开环测试来推导出来。对于电机的模拟电压输入量u(t)相当于冷却液的流 量，这些测试包括在注蜡的过程中的一段时间内给电机几个不同的u(t)值，直到获得相对稳 定的y(t)值。这些开环测试的结果如图3。厂討 一二ECJlFig. 3 Steadyaverage tnupeTatiirsi Tavg fo

11、r different motor inputsfig.4 说明了一个开环的测试，这个测试展示了冷却液的热量的传递速度的依据。能够 从中看出存在一个区域在这之后虽然冷却液的流量增加了，但是冷却液的热传递并不增加。 导致这种情况的原因在于，一旦流体成为完全发达湍流(雷诺数=10000)，冷却液流速的增 加对于较低的Tavg不起主导作用。通过电机的输入和模具内腔的温度来反映不同的流速，这些不同的流速间的联系能够， 通过获得几个开环测试数据和依据系统辨识来获得。通过规范化输出量和控制变量的方法来减少在 ARX 模型中的缩放的影响。规范花的表达式如下在此公式中yss代表电机输入为0v时模具稳定的温度值

12、。其中代表周围环境温度值。 过滤通过一个移动平均数的方法被用于开环数据处理。系统辨识取值na=2,nb=2，在 过滤数据时其中的一个将被延时。 ARX 模型被表示为A(q) = -0.8966_l -O.O()3O3S?20()二(p十0A75q2f(t)上述公式也可以离散的形式表示5、控制系统的设计a、控制方法众所周知在工业上使用的主要的控制方法还是基于传统的反馈控制理论PID控制器。PID控制器之所以被广泛使用主要归因于其使用简单，而起PI和PID控制器可在此机械上被选择使用。因为 PID 控制的微分部分需要计算偏差的变化，因此更容易产生噪声干扰。有介 于此， PI 的控制器被用于此次试验

13、。b、控制器参数整定一个 PI 控制器能够被表达为传递函数的形式，如下讥)=1此式中z=1/Ti Gc是plant的Gp(s)的一部分，这个公式包含了直流电机的所有的影响和从模具到冷却液的热量传递。显而易见控制器的传递函数的 PI 控制器的一个零点和一个极点在这个方程的根轨迹。 极点的位置是固定的，也就是说在 s=0 和零点的位置在控制系统设计的时候是非常重要的， 设计一个运算法则来引导开环测试和系统辨识，在执行模拟的时候，提供控制参数在IMM智 慧型记忆体管理器(intelligent memory manager)基础上。这个运算法则遵循以下规则：1、针对特定的模具和IMM来获取像图.3的

14、实验数据-Tavg和驱动泵的电机电压间的 关系。2、用公式3和4来规范步骤1中获取的数据，并获得一个离散的ARX模型。把这个 离散的模型转换为连续的模型以便于做更深入的分析。这种情况下， Gp(s) for plant 表示为 公式 10(10)-0.01742l -0.0034645-十 0.0005 151J 0.421Ci?十 0.05 S52.V+0.00022013、获得 plant 传递函数的根的轨迹。4、设定执行参数，包括震荡时间、阻尼比来决定根轨迹上的操作点。5、操作点确定下来之后，使用角判据来确定控制器零点的配置，使得根轨迹能够通过 描述的操作点。6、计算这个点的总增益K,使

15、用方法幅值判据。最后估算调节参数z和kc。结果和讨论a、控制模拟控制器的离散形式被下式给出)，v -kcEN_v(11)此处M代表N时刻的被控变量，E代表N时刻的偏差，kc和Ti代表N时刻的比例和积分算子。由于在模具中的平均温度为控制量，那么在每个射蜡过程完成成后，被控变量都会被更新。图 5 展示了在良好的控制作用下的一个多重设定点的品均温度的模拟曲线。温度设定的改变从43度到40度，又到35度。这个控制器的整定参数为kc=0.94,Ti=177.8,此时系统 达到稳态时间Ts400s,超调量B15%，这些PI的参数在接下来的试验中将会被使用。阴1cc1110j.10.20.30.4u.50.60.7 O.S u.9Tune i 町Fig. 5 MLilti-setpo-int control simulation oil Tavguo) zEwmhudJlb、实时控制下面的运算法则被用于基于IMM的PI控制器1、运用公式1，在单个个注射过程中选取型腔温度采用点，并计算 Tavg。2、使用公式6转换Tavg的值，并且比较设定点的温度偏差。3、确定控制器的输出 MN。4、转换控制器的输出使之成为电压信号，并发送脉冲信号给电机驱动器，反复重复以上步骤。