山东大学
硕士学位论文
注塑机液压伺服系统设计与实现
姓名：郑军海
申请学位级别：硕士专业：系统工程
指导教师：张承进;肖维荣
20090503
山东大学硕士学位论文
摘要
随着注塑技术的发展，注塑产品应用领域不断扩大，对注塑机注射系统的控制质量提出了更高的要求。成本控制在注塑机制造业中发挥着重要的作用。所以最大化地压缩成本是注塑机行业最突出的特点之一。在保持现有硬件成本不变的同时，最大限度地提高控制精度变得极为重要了。
本文以贝加莱公司的注塑机控制系统项目为背景展开课题研究。首先介绍了注塑机中开合模、锁模、注射和保压等概念，分析了注塑机的组成结构及工作原理，通过介绍注塑机的工艺流程分析控制系统应达到的目标和要求。然后通过流体力学和经典控制理论建立了伺服阀和阀控液压缸的数学模型。在此模型的基础上，分析了注塑过程中螺杆注射速度闭环控制和速度分段控制方案。此外，还分析了注射速度和系统压力的变化，两者之间的相互影响，以及压力切换时间对系统压力的影响。最后给出详细的控制系统方案和控制算法，并进行了实验检验。
常规的ＰＩＤ控制器在工业控制中有较好的效果，但是对注塑机液压伺服系统中要求精度高，响应快的控制，效果并不理想。本文结合ＰＩＤ控制器简单方便的优点，引入前馈加ＰＩＤ控制来提高注射系统的控制精度和速度。前馈控制由于具有快速简单的特点，可以弥补ＰＩＤ在控制速度中的不足。在注塑机的前馈控制中使用了预测算法来提高控制器的反应速度。不使用位置反馈给出速度切换的信号。根据当前速度以及设定速度估计出切换的时间点，使用控制器自身的计时器来给出切换信号，提高响应速度。同时为了使用好ＰＩＤ控制，根据每次切换的具体情况决定加入ＰＩＤ控制的时机。本文设计的带有自动切换功能的前馈加ＰＩＤ控制器，不但弥补了传统ＰＩＤ控制器的调整速度不能太快的不足，也消除了ＰＩＤ控制器中的静差。使用Ｍａｔｌａｂ软件进行仿真实验，比较控制算法的效果，并进行改进。最后在使用贝加莱控制面板和ＩＯ设备搭建的注塑机控制系统上调试，得到了满意的控制效果。关键词：液压伺服系统；注塑机：前馈控制；预测算法；ＰＩＤ控制
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ＡＢＳＴＲＡＣＴ
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原创性声明
本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。
论文作者签名：鱼翌连日期：翌Ｚ堕：竺
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（保密论文在解密后应遵守此规定）
论文作者签名：差－早沥导师签名：日期：
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第一章绪论
１．１课题背景与意义
注塑机制造业是一门新兴的行业，注塑机是对热塑性（或热固性）塑料进行加工熔融后，以高压、高速注射入模腔，进而固化成型，生产出塑料制品的机械设备。每年注塑机的产量占全部塑料加工机械的５０％左右，全世界２５％．３０％塑料制品出自于注射成型，成为塑料成型机械制造业中增长最快、产量最多的机型之一。
注塑机自本世纪３０年代问世以来，主机结构及传动原理变化不大，但其控制却在不断更新和发展，国外已由手动操作的第一代产品发展成为基于微机闭环控制的第五代产品，自动化程度不断提高，国内直到５０年代末才开始生产注塑机，由于采取了引进消化、吸收和逐步提高、国产化的方针，再加上钢材价格上涨，石化工业能够提供原料（包括工程塑料），便形成了“以塑代钢”，“以注塑代压延成型”的趋势。国内注塑机的发展速度异常快，但控制水平较低，档次不高，绝大多数仍基于继电器和可编程控制，自动化程度较低，产品竞争能力不强【ｌＪ。
近年来，随着注塑机在行业中的比重不断加大，其出口量已超过造纸机，成为我国轻工系统最大宗的出口设备。但随着能源危机的出现，劳动力缺乏，加之对制品的质量要求越来越高，注塑机的节能高效、自动化程度高的性能己为用户所追求；同时，对于大中规模注塑工厂，甚至量少、品种多的小规模注塑车间，在保证制品质量的前提下，如何利用成熟的自动化设备，提高产品精度，降低废品、次品率，节约原材料和能源，来降低成本，增强市场竞争已引起人们的高度重视，采用先进的控制技术和管理手段已成为必然的趋势【ｚＪ。
精密注塑是指塑件的尺寸精度达到０．１．０．００１ｍｍ的注塑。有关资料表明，８０年代精密塑件在整个注塑产品所占的比重约为１％。９０年代则为１０％左右，特别是近年来随着ＶＣＤ、ＤＶＤ以及微电子通讯产品的迅猛发展。这－－Ｌｔ，例有急剧上升之势。一些注塑设备生产厂家，为了适应这一发展，加大了精密注塑机及其辅助设备的研制开发力度，不断推出适于精密注塑的新机型。这些都必将对塑料成型设备提出更高的要求，使他们向产品品种多、规格全、质量稳定
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可靠、自动化程度高、快速高效、高精度低噪音方面发展。因此要求精密注塑机械的注塑压力、速度、温度、计量等都能控制准确到相应精度。能否实现过程参数的精确控制，是衡量注塑机整机水平的重要标志。原轻工总会将精密注塑机研制列入其项目指南。
本课题就是在这样的背景下提出的，通过对已有技术的吸收、继承和发展，并实地考察了我国注塑机的技术情况，旨在开发一套既符合我国国情又具有一定市场竞争力的精密注塑机微机闭环控制系统。
１．２注塑机的研究现状与发展
从注塑机问世起，锁模力在１０００．５０００ｋＮ，注射量在５０．２０００９的中小型注射机占绝大多数。到了７０年代后期，由于工程塑料的发展，特别是在汽车、船舶、宇航、机械以及大型家用电器方面的广泛应用，使大型注射机得到了迅速发展。美国最为明显。在１９８０年美国约有１４０台１００００ｋＮ以上锁模力的大型注塑机投入市场，到１９８５年增至５００多台。日本名机公司已经成功地制造了当今世界上最大的注塑机，其锁模力达到１２００００ｋＮ，注射量达到９２０００９。
８０年代以来，ＣＡＤ／ＣＡＥ／ＣＡＰＰ／ＣＡＭ计算机应用技术在塑机制造业的广泛采用，促进了我国注塑机研发和制造水平的高速发展。以宁波海天公司为代表的一批国家级高新技术企业都相继引进美国ＵＧＳ公司和ＰＴＣ公司的计算机辅助设计和分析等软件，实现了三位立体参数化建模，机构运动仿真，对关键零件分析，对高应力区的应力分布、应力峰值、危险区域等进行准确的分析计算，帮助设计人员迅速地了解、评估和修改设计方案，保证重要零件结构合理性和可靠性达到完美结合。
国际上注塑机的移模速度，已从过去的２０．３０ｍ／ｍｉｎ提高到４０．５０ｍ／ｒａｉｎ，最高的达到７０ｍ／ｍｉｎ。国内领先公司的中小型机已经跨进４０．５０ｍ／ｍｉｎ水平，大型机处在３０．３５ｍ／ｍｉｎ水平。注射速度从过去的１００ｍｍ／ｓ提高到现在的２５０ｍｍ／ｓ，有的达到４５０ｍｍ／ｓ。日本制钢所研制的电动型注塑机达到９００ｍｍ／ｓ。国内先进的注塑机一般都超过１３０ｍｍ／ｓ。用蓄能器加速达到４５０ｍｍ／ｓ。注射压力从过去的１２０—１５０ＭＰａ提高到目前的１８０．２５０ＭＰａ。日本的ＳＮｌ２０Ｐ机已达到４６０ＭＰａ，它生产的制品收缩率几乎为零，制品公差可保证在Ｏ．０２．０．０３ｍｍ，壁厚可保证２
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Ｏ．１．０．２ｍｍ。节能方面从过去的流量比例和压力比例控制发展到变量控制或定量控制、变频调速控制、伺服控制技术的注塑机，能耗仅为传统机器的３０％。国内采用变频伺服技术的注塑机，能耗仅为传统的５０％。注塑机的高效率主要体现在工作节拍快，制品周期短，普遍比过去提高２４％以上。高效注塑机的开模与预塑一般都是同步完成，开模中同时完成抽芯和项出。日本最快的注塑机工作周期只有１秒钟。注塑机的控制技术历经了继电器、接触器控制及可编程序控制器控制和专用计算机控制的发展过程。自６０年代末美国费洛斯公司首先应用计算机控制技术，经过８０年代以来的高速发展，已经不是简单的动作控制，而是包括熔体温度、注射压力、注射速度、保压时间、冷却过程及液压回路的各种参数的综合控制。过去大多数采用开环控制，目前正在向闭环控制方向发展。德国克劳斯马菲公司的ＰＭ控制系统，通过合模力、模腔压力和充模过程的控制，使制品质量的误差精确到０．１５％。国内领先的控制技术与当今的国际先进水平的差距还比较大，我们自主研制的专用电脑在可靠性和稳定性、抗干扰能力及反馈响应灵敏度、分辨率精度等方面与西门子、巴巴康门等有一定距离。另外硬件的运动精度、综合误差都需要进一步提高１３Ｊ。
目前注塑机发展的另一个重要方面，是各种专用注塑机，如排气式注塑机、发泡注塑机、多色注塑机等等。以加拿大ＨＵＳＫＹ公司为代表的瓶胚机、包装机，集中体现了高新技术含量的特征。该公司推出的低压注塑成型技术，在锁模力只有传统三分一时，仍可高质量的保证制品成型，使机器的体积和重量都大幅度降低，在节能和制品成本控制方面都具有重大意义。我们国内领先公司也积极研制了ＨＴＣ系统的热固性材料注塑机，ＨＴＰ包装专用注塑机，ＴＨＥ瓶胚专用注塑机，ＨＴＳ双色成型注塑机。
１．３注塑机电气控制的研究现状与发展
注塑机电气控制技术经历了以下五个相互重叠的发展阶段：
（１）初级阶段的注塑机采用手动控制方式。
（２）从１９３５年至Ｕ１９７０年，采用机械和继电器控制方式。其中，节流阀、压力阀由手动调节，通过机械限位开关、机械开关定时器进行切换控制，对温度作简单的调节控制。
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（３）从１９６５年到１９８０年，注塑机控制采用电子控制器、数字设定、电子定时器、接近开关，以及行程测量系统，并由比例、积分、微分（ＰＩＤ）调节器控制温度。（４）从１９７８年到１９８９年，微机普及应用，数显技术更为完善，微机开环控制方式已经普及，闭环控制技术逐渐得以采用和日趋完善，控制系统多采用多处理结构，能够实施程序控制、过程控制和温度控制掣４１。现代控制理论广泛用于预塑计量控制、成型过程控制、温度控制，接触式行程开关完全被感应开关和各种模拟、数字位移测量系统代替。
（５）到了２０世纪９０年代，注塑机控制进入了第五阶段，配有通讯接口和总线功能，便于与主机进行联机控制，并对注塑ａｎ－ｒ＿过程进行质量管理与综合控制。１．４本章小结
本课题是在上海贝加莱工业自动化有限公司注塑机项目基础上，研究液压伺服系统，建立伺服阀和阀控液压缸数学模型，并针对注塑机的结构和特点，对速度和压力控制系统的控制算法进行改进。单一的常规ＰＩＤ控制器的控制效果无法满足高速精密注塑机的控制要求。设计前馈控制加ＰＩＤ控制的综合控制器。引入前馈控制来实现提高系统反应速度的目的。减小振荡误差实现精确高速控制。
本课题研究的主要内容包括：
（１）了解注塑机的组成和工作原理，重点是注塑成型、液力传动、液压伺服系统的原理和特点，针对注塑机中的液压伺服系统，分析注射过程的速度闭环控制，推导注射速度和注射压力与流量、输入电流的关系，建立数学模型。分析注射过程中随着熔料的不断填充，注射速度的变化与受力面积扩大导致的压力变化，并进一步分析注射速度与压力之间的影响。
（２）针对注塑机液压系统的复杂、时滞等特点和对注射速度精度的要求，引入前馈控制来提高ＰＩＤ控制的反应速度和控制精度，通过Ｍｍｌａｂ编写算法仿真程序，验证其控制性能。
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