夏云波，徐文濤

(大慶師范學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163712)

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基于電子技術(shù)的注塑模具溫控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

夏云波，徐文濤

(大慶師范學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163712)

摘要：注塑成型技術(shù)在汽車等行業(yè)飛速發(fā)展的背景下，得到了極為廣泛的應(yīng)用，注塑模具在注塑成型技術(shù)中起塑件外觀、尺寸、物理強(qiáng)度等諸多特性的決定作用。注塑模具溫控系統(tǒng)則是注塑模具中的一個(gè)重要系統(tǒng)，該系統(tǒng)控制模具型腔內(nèi)溫度,或冷卻降溫或預(yù)熱升溫,使模具型腔內(nèi)溫度滿足注塑產(chǎn)品持續(xù)生產(chǎn)溫度需求及塑件成型外觀溫度需求。該文闡述一種利用電子元件替代水循環(huán)方式對模具溫度進(jìn)行控制的系統(tǒng)及方法，利用51單片機(jī)做主控單元，12864顯示屏做輸出顯示，智能協(xié)調(diào)控制加熱、冷卻的工作狀態(tài)，使模具型腔保持在一個(gè)相對穩(wěn)定的溫度，便于塑件生產(chǎn)，優(yōu)化生產(chǎn)過程，降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)能力。

關(guān)鍵詞：注塑模具；溫控系統(tǒng)；智能控制；51單片機(jī)

0引言

注塑成型是批量生產(chǎn)某些形狀復(fù)雜部件時(shí)用到的一種加工方法。利用電子技術(shù)提出一種將溫控系統(tǒng)與模具相結(jié)合，利用電子元件加/降溫，借由電信號(hào)完成對模具溫度控制的系統(tǒng)。該系統(tǒng)由升溫系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、反饋系統(tǒng)與控制系統(tǒng)四大模塊構(gòu)成，改善了使用水循環(huán)方式的諸多缺點(diǎn)。該系統(tǒng)通過在模具制作過程中事先安裝升溫系統(tǒng)與冷卻系統(tǒng)，以及相對應(yīng)的反饋系統(tǒng)，電路線路等，徹底告別了利用水循環(huán)方式對模溫的控制，利用電信號(hào)通過升溫冷卻系統(tǒng)的工作，完成對模具溫度的精確控制，增加工藝多樣性，降低工藝難度，無堵塞風(fēng)險(xiǎn)，相對維護(hù)修理都較簡單，模具升溫速度快，能較快滿足生產(chǎn)需求，并且能有效減少開機(jī)廢品率，降低生產(chǎn)成本，提高效益。

1模具結(jié)構(gòu)解析

注塑模具基本工作環(huán)境如圖1所示：模具處在注塑機(jī)工作區(qū)域內(nèi)，注塑機(jī)螺桿控制原料高(低)壓高(低)速進(jìn)入模具內(nèi)部，完成塑件成型過程。

圖1　注塑模具工作環(huán)境

在塑件成型過程中，模具溫控系統(tǒng)對塑件影響較大，塑件在模具型腔內(nèi)降溫快則形狀穩(wěn)定，反之易變形；型腔溫度則關(guān)系到塑件在注塑成型過程中的熔接情況及表面亮度。模具基本結(jié)構(gòu)如圖2所示：型腔位于動(dòng)模板與定模板內(nèi)。該設(shè)計(jì)取消模具內(nèi)冷卻水道設(shè)計(jì)改之為電子元件控制溫度，在動(dòng)、定模板內(nèi)增加電路布置，與注塑機(jī)端控制系統(tǒng)完成對型腔溫度控制。模具中動(dòng)、定模鑄造加工材料主要為鐵，且動(dòng)、定模溫控系統(tǒng)工作原理相同，故設(shè)計(jì)中采用金屬固塊模擬模具定模狀態(tài)，可以有效節(jié)約設(shè)計(jì)成本，且具有較好代表性，符合設(shè)計(jì)理念。

圖2　模具基本結(jié)構(gòu)圖解

2系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

該溫控系統(tǒng)需要滿足升溫、降溫、監(jiān)控顯示及控制等多個(gè)功能，故總體由四部分構(gòu)成：加熱系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)、反饋系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)四部分構(gòu)成。該四部分系統(tǒng)均服務(wù)于模具。

圖3　總體設(shè)計(jì)思路方框圖

加熱系統(tǒng)與冷卻系統(tǒng)協(xié)調(diào)處于激活狀態(tài)會(huì)作用于模具，使模具溫度發(fā)生改變，從而達(dá)到預(yù)計(jì)期望的溫度值。反饋系統(tǒng)檢測端在模具內(nèi)部，接收模具溫度信號(hào)，通過MAX6675模塊，將溫度信號(hào)(熱電勢)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)傳至控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)兼具控制、調(diào)節(jié)與輸出功能：接收到反饋系統(tǒng)傳遞的電信號(hào)后與設(shè)定值做比對，發(fā)出控制信號(hào)，協(xié)調(diào)控制加熱系統(tǒng)與冷卻系統(tǒng)中繼電器的通斷，達(dá)到對加熱系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)工作情況的管控，以控制模具溫度情況；調(diào)節(jié)功能在于通過外置按鍵的通斷，發(fā)出電信號(hào)至51單片機(jī)，通過程序可實(shí)現(xiàn)對溫度設(shè)定值的修改，以滿足該總成系統(tǒng)的應(yīng)用價(jià)值；輸出功能則使用12864顯示屏做顯示，通過單片機(jī)控制輸出結(jié)果，使之與當(dāng)前實(shí)際情況相吻合，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控，方便調(diào)節(jié)等諸多功能。

3硬件設(shè)計(jì)

3.1加熱系統(tǒng)

加熱系統(tǒng)在模具模溫控制中起關(guān)鍵的作用。如圖4所示：通過低壓控制電路控制繼電器通斷，在需要加熱時(shí)，繼電器接通，發(fā)熱片會(huì)處在工作狀態(tài)，該狀態(tài)模擬360V狀態(tài)下電器元件的工作。發(fā)熱片的持續(xù)工作，保持升溫，可以滿足塑件對模具模溫的需求，可以快速提升模具溫度，使設(shè)備盡快進(jìn)入工作狀態(tài)，優(yōu)化塑件外觀及熔接情況，減少開機(jī)廢品率，幫助注塑工藝更快成型產(chǎn)品，降低注塑工藝難度。在此模型中加熱系統(tǒng)采用PTC發(fā)熱片代替電熱板、電熱圈完成對模型的模擬制作。PTC發(fā)熱芯是一種絕緣恒溫的新型發(fā)熱芯，在PTC發(fā)熱元件的兩側(cè)粘上兩金屬片(如銅、鋁、不銹鋼片)并引兩根導(dǎo)線作為通電電極，同時(shí)在金屬電極片外套上絕緣耐熱材料；其結(jié)構(gòu)簡單，無需另加控溫裝置即可持續(xù)發(fā)熱，絕緣性能好，安全可靠，功率穩(wěn)定，使用電壓廣，符合該模型設(shè)計(jì)的全部要求，且成本較低，故該設(shè)計(jì)選取PTC發(fā)熱片作為加熱系統(tǒng)核心。

圖4　加熱系統(tǒng)電路原理圖

3.2制冷系統(tǒng)

制冷系統(tǒng)在模具模溫控制中起到穩(wěn)定產(chǎn)品的作用。與加熱系統(tǒng)工作原理類似，如圖5，需要降溫時(shí)，控制電路控制繼電器閉合，制冷片會(huì)處在工作狀態(tài)，保持降溫，滿足模具冷卻需求。在注塑設(shè)備進(jìn)入正常生產(chǎn)狀態(tài)后，持續(xù)的液態(tài)PP(或PC等)原料的澆注系統(tǒng)會(huì)在模具型腔內(nèi)成型，伴隨著熱傳導(dǎo)，模具溫度會(huì)上升，從而導(dǎo)致注塑產(chǎn)品表面發(fā)污、運(yùn)動(dòng)部件活動(dòng)不暢、產(chǎn)品變形等諸多問題。因此需要制冷系統(tǒng)來控制模具溫度保持已設(shè)定的恒溫狀態(tài)。該制冷系統(tǒng)采用制冷設(shè)備(TEC1-12706制冷片)代替工業(yè)用液氮，制冷壓縮機(jī)等設(shè)備完成對模型的模擬制作。該制冷片適用于小型模型的制作，可以滿足小型模擬系統(tǒng)需求，同時(shí)能減少能耗與成本，滿足模擬條件。而在應(yīng)用于實(shí)際的時(shí)候可采用功率更大的制冷片或者制冷壓縮機(jī)等設(shè)備完成降溫的需求。

圖5　加熱系統(tǒng)電路原理圖

3.3反饋系統(tǒng)

反饋系統(tǒng)在模具模溫控制中起到采集溫度數(shù)據(jù)及反饋的作用。當(dāng)加熱系統(tǒng)與制冷系統(tǒng)工作的時(shí)候，要達(dá)到恒溫的控制，就必須有溫度采集和反饋系統(tǒng)。此模型采用K型熱電偶對模具進(jìn)行溫度的采集。K型熱電偶作為一種溫度傳感原件，其檢測范圍廣，適用于接觸類溫度檢測，具有相當(dāng)高的精度，在檢測模具類固體溫度時(shí)表現(xiàn)出色。但熱電偶類溫度傳感元件在應(yīng)用于單片機(jī)操作系統(tǒng)領(lǐng)域時(shí)，存在幾個(gè)問題：熱電偶的非線性特性：熱電偶在工作環(huán)境下，其輸出的熱電勢與被檢測的溫度之間為非線性關(guān)系，因此在應(yīng)用熱電偶做溫度檢測時(shí)必須對其進(jìn)行線性化處理；熱電偶的冷端補(bǔ)償特性：熱電偶蕊由兩種不同化學(xué)物質(zhì)的電偶絲構(gòu)成，在工作中其冷、熱兩端溫度不同，則會(huì)在熱電偶回路中發(fā)生熱點(diǎn)現(xiàn)象產(chǎn)生熱電勢，而熱電偶輸出的熱電勢為：冷端保持為0℃時(shí)與測量端的熱電勢之差，但熱電偶在實(shí)際應(yīng)用中冷端的溫度是隨著環(huán)境溫度而變化的，故需要對其進(jìn)行冷端補(bǔ)償；熱電偶數(shù)字化輸出特性：與嵌入式(51單片機(jī))系統(tǒng)接口要采用數(shù)字化輸出以及數(shù)字化接口，作為模擬小信號(hào)測溫元件的K型熱電偶無法直接滿足這個(gè)要求，若將熱電偶應(yīng)用于嵌入式(51單片機(jī))系統(tǒng)時(shí)，須進(jìn)行復(fù)雜的信號(hào)放大、A/D轉(zhuǎn)換、查表線性化、溫度補(bǔ)償及數(shù)字化輸出接口等軟硬件設(shè)計(jì)，使設(shè)計(jì)太過復(fù)雜，故采用MAX6675模塊將上述功能做集合設(shè)計(jì)，完成對熱電偶的應(yīng)用。

4軟件設(shè)計(jì)

單片機(jī)是采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)，將具有數(shù)據(jù)處理能力的CPU(中央處理器)、RAM(隨機(jī)存儲(chǔ)器)、ROM(只讀存儲(chǔ)器)、多種I/O口和中斷系統(tǒng)以及定時(shí)器、計(jì)時(shí)器等功能(其中可能還包括顯示驅(qū)動(dòng)電路、脈寬調(diào)制電路、模擬多路轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器等電路)集成到一塊硅片上，從而構(gòu)成的一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，該系統(tǒng)小而完善。單片機(jī)應(yīng)用廣泛，在該設(shè)計(jì)的應(yīng)用，則降低了設(shè)計(jì)成本，簡化了設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，將繁瑣龐大的電路做集成優(yōu)化。將單片機(jī)應(yīng)用于溫度控制中，采用單片機(jī)做主控單元，可完成對溫度的采集、控制與顯示要求。

圖6　軟件程序框圖

主程序框圖如圖6所示：供電開始后對系統(tǒng)做初始化處理，單片機(jī)接收反饋系統(tǒng)的熱電勢信號(hào)，通過與設(shè)定溫度比對，判斷是否需要調(diào)節(jié)溫度，若不調(diào)節(jié)則不進(jìn)行下一步工作繼續(xù)等待反饋系統(tǒng)做反饋并再次判斷是否需要調(diào)節(jié)溫度；若需要調(diào)節(jié)則需要進(jìn)一步判斷是升溫調(diào)節(jié)還是降溫調(diào)節(jié)，以此選擇下一系統(tǒng)工作狀態(tài)，加熱系統(tǒng)或冷卻系統(tǒng)處于工作狀態(tài)后，其溫度調(diào)節(jié)作用于模具，反饋系統(tǒng)檢測端在模具內(nèi)將采集的溫度信息通過MAX6675模塊處理后反饋給單片機(jī)，單片機(jī)通過12864顯示屏做輸出顯示的同時(shí)繼續(xù)執(zhí)行與設(shè)定溫度做比對工作，判斷是否需要溫度調(diào)節(jié)。

5結(jié)語

本文闡述的模具溫控系統(tǒng)是對模具未來發(fā)展方向的一種規(guī)劃與設(shè)想。模具與注塑機(jī)共同的優(yōu)化，在模具中加入升降溫系統(tǒng)及反饋系統(tǒng)，通過統(tǒng)一規(guī)格的電插頭與注塑機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行連接，在該系統(tǒng)完善后可將控制界面加入到注塑機(jī)控制系統(tǒng)中，使注塑機(jī)一體化程度更高。模具增加了完善的電子溫控系統(tǒng)，將物理運(yùn)動(dòng)與物理降溫等與電路控制聯(lián)系起來，可以更高效地完成既定目標(biāo)，優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，有利于企業(yè)對成本、過程的管控與預(yù)測。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 陳海宴.51單片機(jī)原理及應(yīng)用[M] ．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2010.

[2] 覃金珠.有機(jī)熱載體加熱系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[D] ．湖南：湖南工業(yè)大學(xué)學(xué)位論文，2010.

[3] 趙曉安.MCS-51單片機(jī)原理及應(yīng)用[M]．天津：天津大學(xué)出版社，2001.

[4] 鄭賢德.制冷原理與裝置[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

[5] 甘學(xué)溫、趙寶瑛.集成電路原理與設(shè)計(jì)[M]．北京：北京大學(xué)出版社，2006.

[責(zé)任編輯：崔海瑛]

(英文摘要略)

Design of injection mold temperature control system based on electronic technology

XIA Yun-bo, XU Wen-tao

(Mechanical and Electrical Engineering Institute, Daqing Normal University, Daqing163712, China)

作者簡介：夏云波(1957-)，男，黑龍江齊齊哈爾人，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，從事電子技術(shù)研究。

中圖分類號(hào)：TP391

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2095-0063(2016)03-0021-04

收稿日期：2015-03-16

DOI 10.13356/j.cnki.jdnu.2095-0063.2016.03.006