注塑机自动调模的实现

发布日期：2013/5/7 14:54:39

注塑机是现代高分子材料的成型设备, 随着塑料产品在工农业以及日常生活中的广泛应用其需求也越来越大。传统的注塑机控制器由多组继电器组成, 其灵活性、可操作性、稳定性以及功能升级都不够理想, 当前的注塑机控制器都采用高性能的微处理器设计并有LED 或者液晶等操作显示, 完全解决了传统的继电器控制的缺点。
但是, 由于注塑机工艺的特殊要求, 有些工序一直没有完全自动化, 还需要手动完成, 这样就要求操作者比较熟悉注塑机的功能和操作, 例如几次调换模具以后的调模工序, 这样就对操作员有一定的要求, 如果将这些工序完全自动实现, 操作员只需要按一个按键就可以完成, 那么注塑机的操作就更简单, 其使用也就越广泛。
2 注塑机控制器的硬件结构
注塑机工作的基本流程工序为锁模、射胶、保压、溶胶、冷却、开模、顶针、取产品。现在注塑机普遍采用电液控制结构, 控制器有温度和位置采样, 开关量控制输入输出和压力流量模拟量的输出, 另外还有液晶或者LED 的操作显示。设计的注塑机控制器硬件框图微处理器都采用高性能的51 兼容的单片机。其中上位机主要通过液晶显示及键盘控制面板完成注塑工艺的压力、流量、时间等参数的显示及修改、料桶温度和工作状态的实时监控以及工作模式的控制等功能; 而下位机则完成注塑机实际工艺的控制, 主要处理数据的采集和工序控制的输入输出。本控制器具有6 路的温度采样、3 路的位置尺采样、64 路的开关量输入输出采集行程开关的信号和控制继电器的工作、2 路的模拟输出压力和流量。
上下位机通过RS232 串行口进行通信, 下位机向上位机传送工序参数和监控数据并接受上位机控制面板的命令控制注塑机的运行。由于电路比较复杂, 这里不给出具体的电路图,只简要介绍一下下位机的情况。下位微处理器采用高性能的8 位51 系列微处理器68HC908, 该处理器带有32 KB 的FLASH, 512 字节的RAM, 足够满足一般应用场合的需要。AD 输出采用TI 公司10 位8通道的串行输出AD 芯片TLC1543, 该芯片为SPI 接口, 与68HC908 只用4 个IO 口线接口就可以, 扩展方便, 价格便宜。
DA 芯片采用模拟器件公司的4 路12 位输出芯片AD7398, 该芯片也为SPI 接口, 与68HC908 连接简单, 只需要4 根IO 口线, 而且SPI 接口的三根线可以和AD 芯片TLC1543 的三根线SPI接口线共用, 通过片选线的不同来区分器件, 这样更加节省了CPU 的资源。AD7398 有4 路DA 输出, 其中控制器系统中压力、流量输出使用了2 路, 另外2路备用。
这样就解决了控制注塑机需要的模拟输入输出问题, 另外扩展了一片8 KB 的外部RAM6264,用做中间处理使用。数字量的输入输出采用内存映射的IO 地址扩展, 共有8 路地址的64 位数字输入输出。此外还扩展了一块Xicor 公司的串行EEPROMX25645 来存贮需要保存的资料。
3 实现自动调模的硬软件要求
3. 1 自动调模的功能要求
注塑机在生产不同产品时需要采用不同的模具, 这就需要经常改换模具, 由于不同的模具其结构和尺寸不一样, 而现在大部分的注塑机还没有实现自动调模功能, 所以安装好模具以后需要手动进行调模工序, 使注塑机锁模工序到位时, 模具刚好也合拢, 即调模也刚好到位, 这样才能正常生产, 否则会损坏模具、注塑机或者生产的产品不合格。调模功能的指示图。
其中螺杆A、B, 母模F 和母模挡板D 固定; 公模E 安装在公模挡板C 上面;公模E 通过锁模动作可向母模F 移动和母模F 合拢, 也可以通过开模动作使公模和母模分开, 但是公模E 移动的距离是由行程开关固定的; 公模挡板C通过调模动作可以在螺杆A、B 上面左右移动, 调模前进使公模挡板C 向右移动, 调模后退使公模挡板C 向左移动。只有当锁模完成时公模E 和母模F 完全合拢才可以进行生产。手动调模时需要通过调模动作改变公模挡板C 的位置, 使锁模完成时公模E和母模F 完全合拢。锁模工序由行程开关指示锁模到位, 而一般注塑机的调模是否到位没有信号指示,需要操作员自己实际观察和试生产, 使公模E 在锁模完成时和母模F 合拢, 这样一般需要经过多次的调试才能满足要求, 既浪费时间又不便操作。我们需要实现自动调模功能, 操作员只需要按一个启动键, 注塑机控制器就可以自动完成调模过程, 操作简单, 效率高。
3. 2 完成自动调模的硬件要求
要实现自动调模, 就需要有方法检测调模到位信号, 一个最简单而低成本的方法是在调模的公模挡板C 上安装一个脉冲编码盘。安装非常简单, 根本不需要改变注塑机的结构, 而且成本只有30 元左右。注塑机控制器通过一个数字I/ O 输入点记数编码盘送过来的脉冲个数就可以知道公模挡板C 在螺杆A、B 上面移动的距离了, 当在一定时间内脉冲信号不变就说明调模已经到位。而锁模到位信号由行程开关通过I/ O 输入给处理器。这样软件就可以检测锁模到位和调模到位信号, 有了这两个信号就可以实现自动调模的功能了。
4 自动调模的软件实现
由于不同的模具尺寸不同, 安装上去以后, 可能会出现3 种情况: 第一种情况是当锁模完成时公模E 和母模F 还没有合拢, 这就需要调模前进, 将公模挡板C 向右移动到合适的位置, 使锁模到位时公模母模刚好合拢; 第二种情况是当锁模还没有完成时公模和母模就已经完全合拢了, 这样就会损坏注塑机, 所以需要使用调模后退, 将公模挡板C 向左移动到合适的位置, 使锁模到位时公模母模刚好合拢;第三种情况就是锁模到位时公模和母模刚好合拢,这种情况就不需要进行调模动作了, 相当于调模已经完成, 在编程时这种情况可以合并在第一种情况中。实现自动调模的第一个任务就是要区分是上述情况中的那一种, 第二个任务就要使用尽量快的算法找到公模挡板C 需要移动的合适距离并使其到达这个位置。
注塑机控制器在新的模具安装上去并启动自动调模功能以后先进行锁模动作, 如果可以完成, 说明公模和母模之间的距离过大或刚好, 属于第一或第三种情况, 编程时可以合并在第一种情况中处理; 如果锁模动作不能完成则说明公模和母模之间的距离太小, 属于上述的第二种情况, 这种情况需要先进行调模后退动作, 直到转化为第一种情况就可以进行下面的处理了。
当所有的情况都转化为第一种情况以后就先锁模到位, 接着进行调模前进动作, 直到调模前进到底为止, 此时公模母模基本合拢, 这一点可以通过脉冲编码盘不发送脉冲发现, 但是此时公模和母模的合拢程度还不能达到要求, 接下来需要先开模, 然后调模前进一个合适的距离, 称为STEP。该STEP 距离是以脉冲编码器的脉冲数计算的, 然后再锁模, 如果仍然可以锁模到位则继续调模前进STEP 距离, 直到锁模不到位为止。
此时需要用到黄金分割原理,也称为0. 618 法则。接着先开模调模后退B- STEP1= F- STEP1= 0. 618 @ STEP 距离, 接着再进行锁模动作。如果锁模完成则先开模再继续调模前进FSTEP2=0. 618 @ F- STEP1 距离, 如果此时锁模不成功则需要先开模, 再进行调模后退B- STEP2= 0. 618@ B- STEP1 距离, 接着再进行锁模。如此反复, 第N次调模后退的距离B- STEPN 和第N- 1 次调模后退的距离B- STEPN- 1 的关系是B- STEPN= 0. 618 @B- STEPN- 1, 第N 次调模前进的距离F- STEPN 和第N- 1 次调模前进的距离F- STEPN- 1 的关系是F- STEPN= 0. 618 @ F- STEPN- 1, 直到当第N 次调模前进后锁模成功, 而且此时前进的距离F- STEPN小于我们预先所期望的一个数值$X( 该数据根据我们调模所需要的合适程度指定) 时则认为自动调模过程结束, 优选法证明这样移动可以以最快的速度达到我们所期望的位置。
5 结论
采用上述思想设计的注塑机控制器, 其自动调模功能硬件实现简单, 软件算法合理, 在实际应用中取得了令人非常满意的结果, 提高了注塑机的可操作性, 减轻了操作人员的要求, 具有很好的应用范围和推广价值。

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