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注塑模具型腔溫度測試系統(tǒng)設計*

2018-02-05 03:32王海雄陳暉陽秦建華
制造技術(shù)與機床 2018年1期
關鍵詞:字符串型腔控件

王海雄 陳暉陽 秦建華

(①桂林理工大學廣西礦冶與環(huán)境科學實驗中心 廣西 桂林 541004; ②桂林理工大學機械與控制工程學院, 廣西 桂林 541004)

在注塑成型過程中,模具型腔溫度分布場是影響塑膠產(chǎn)品質(zhì)量與生產(chǎn)效率重要因素[1-2]。對于不同的塑料和塑膠件,模具型腔的溫度要求不一樣,模具型腔溫度過低,則高溫塑膠熔體易于冷卻,不利于充填;模具型腔溫度過高,不利于充填后的冷卻。因此,模具的溫度必須控制在一定范圍內(nèi)才能保證塑膠產(chǎn)品的質(zhì)量[3-4]。目前,對溫度對模具影響以及模具溫控系統(tǒng)的研究較多,但是對模具型腔溫度實現(xiàn)實時監(jiān)測和精確控制的研究很少有報道[5-6]。尺寸精度和產(chǎn)品質(zhì)量要求高的塑膠產(chǎn)品,需要對模具型腔溫度嚴格控制,在模具中安裝相應的溫度傳感器,對型腔溫度場進行監(jiān)控并反饋,為注塑成型工藝參數(shù)的設置提供參考。

本課題首先對溫度測試系統(tǒng)的整體進行設計,確定溫度傳感器的安裝部位,然后將該系統(tǒng)分為上位機和下位機兩個部分,采用STC89C52單片機與都是DS18B20溫度傳感器作為整個系統(tǒng)的下位機,應用虛擬儀器LabView作為整個系統(tǒng)的上位機,最后編制出測試系統(tǒng)的顯示界面,并且測試效果良好。

1 溫度測試系統(tǒng)的組成

本設計測溫系統(tǒng)主要由下位機與上位機兩個部分組成。上位機選用的是虛擬儀器Labview軟件,其主要作用是對下位機輸送過來數(shù)據(jù)處理及實時溫度曲線的顯示。下位機由DS18B20溫度傳感器及STC89C52單片機兩部分組成,上位機與下位機通信方式采用的是串行口通信方式。編程部分由STC89C52單片機程序與LabView程序構(gòu)成,利用C語言編程對溫度的數(shù)據(jù)采集、處理功能,再經(jīng)過LabView利用G語言編程實現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)處理及顯示。該測溫系統(tǒng)使用STC89C52RC單片機作為微處理器,利用上位機與下位機組成測溫系統(tǒng),檢測當前溫度并通過單片機實現(xiàn)采集到的溫度數(shù)據(jù)通過串口通信方式傳輸?shù)教摂M儀器LabView,實現(xiàn)實時溫度曲線顯示。

由于注塑模具是一個封閉的整體,要測量到型腔的溫度,就需要在模具模仁從外面向型腔內(nèi)表面打孔,如圖1在注塑模凹模上鉆出5個分布均勻的圓孔,孔的深度距離型腔內(nèi)壁1 mm左右,這樣所測的溫度可以最大程度接近模具型腔各部分的真實溫度。該溫測系統(tǒng)需要滿足實時監(jiān)測模具型腔溫度,要實現(xiàn)溫度的實時曲線顯示,必須將檢測電路檢測到的實時信號傳輸?shù)絾纹瑱C進行處理并存儲,再由串行口通信方式,把經(jīng)過單片機處理的信號傳送至計算機,經(jīng)LabView處理,溫度變化曲線在算機屏幕顯示。

2 溫測系統(tǒng)下位機設計

2.1 控制模塊硬件設計

該系統(tǒng)主要由單片機最小系統(tǒng)、晶振電路、復位電路、溫度檢測電路和實現(xiàn)溫度曲線實時顯示的上位機LabView等組成。測溫系統(tǒng)的下位機使用STC89C52RC單片機作為控制和處理的核心,它是8051單片機的改進增強型,所以與8051可以完全兼容[7]。8KB字節(jié)可編程閃存,其工作電壓范圍為3.4~5 V,工作頻率范圍0~40 MHz;溫度檢測電路主要由DS18B20傳感器件組成。DS18B20有著這些優(yōu)勢:使用單總線技術(shù),每個DS18B20與微處理器連接只需要一根線;同時每個DS18B20都有自己的64位序列號,這樣每個DS18B20便都不相同;其工作電壓的范圍為3~5 V,溫度檢測范圍為-55℃~+125℃,誤差可以控制在±0.5℃以內(nèi);晶振電路由12 MHz和兩個電容組成,復位電路由kΩ電阻和獨立按鍵組成,保持兩個周期便可以復位。

2.2 主控電路

本系統(tǒng)的主控電路由時鐘電路、復位電路、電源模塊組成。單片機STC89C52RC工作電壓為3.4~5 V,所以電源模塊可以使用USB線連接筆記本USB~5 V作為電源輸入,符合便攜手持式產(chǎn)品的設計。時鐘電路采用12 MHz晶振與陶瓷電容組成。復位電路由電解電容和電阻構(gòu)成,保持兩個機器周期便可以復位。

在單片機系統(tǒng)中都需要有晶振,因為在單片機系統(tǒng)中它起到結(jié)合單片機內(nèi)部的電路,產(chǎn)生單片機所必須的時鐘頻率,單片機一切指令的執(zhí)行都建立在這個基礎上的,單片機的運行速度與晶振提供的時鐘頻率有關。晶振為系統(tǒng)提供基本時鐘信號,圖2是系統(tǒng)電路時鐘電路。系統(tǒng)設計了一個按鍵電平復位。復位操作對于單片機有著重要作用,當出現(xiàn)死機時,按下復位鍵盤便可以初始化。在設計復位電路時,當RESET引腳保持10 ms以上的高電平時就可以進行復位。當按下復位鍵盤,RESET輸入高電平,松開按鍵變成低電平,此時單片機執(zhí)行程序地址為0000H。圖3所示為按鍵式復位電路,按下按鍵后,R1與R2接通形成回路,使RESET引腳產(chǎn)生高電平,按鍵的時間決定了復位時間。將DS18B20的VDD引腳與VCC相連,DQ引腳接在已經(jīng)定義好的P1.1上, DS18B20的GND引腳再與單片機地端連接,這樣就構(gòu)成了本系統(tǒng)的檢測電路部分,如圖4所示。

3 溫測系統(tǒng)上位機設計

本系統(tǒng)上位機的設計主要包括串口通訊模塊設計、數(shù)據(jù)處理模塊設計和數(shù)據(jù)顯示模塊設計,在各模塊設計的基礎上設計出整個系統(tǒng)的程序框圖。程序框圖的設計,是能否實現(xiàn)系統(tǒng)功能的關鍵部分。

3.1 串口通信模塊設計

由于上位機與下位機的通訊方式為串行通信,所以該模塊作用是將下位機與上位機實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送。該程序從串口讀取的十進制字符串,再將讀進來的字符串處理。

如圖5所示為本設計串行口通訊模塊總體框圖,從VISA資源名稱(串口COM4)讀取十進制的字符數(shù),再由VISA的串口配置,將數(shù)據(jù)寫入緩沖區(qū),然后再從緩存區(qū)的數(shù)據(jù)讀出。本程序一次從緩沖區(qū)讀取4個字節(jié)進行轉(zhuǎn)換,字符串端連接為字符串。偏移量一定為數(shù)值,字符串第一個字符的偏移量設置為0,不連線默認值為0。長度量為數(shù)值,本設計為4。子字符串等于長度值減去偏移量,本程序為4-0=4,所以字符串值為4。

VISA資源指定的串口按設置初始化,將數(shù)據(jù)與VISA資源名稱連接,確定要用的多態(tài)實例。該程序VISA配置串口的數(shù)據(jù)設置為:波特率2 400,數(shù)據(jù)比特8,奇偶0。也就是與在下位機程序設定好的串口工作模式中的波特率相同,同時也要設置接入的串口的波特率、數(shù)據(jù)比特和奇偶校驗要與VISA配置串口的設置相同,這樣才能進行通訊VISA資源名稱與本系統(tǒng)下位機串口傳輸數(shù)據(jù)連接,同時把數(shù)據(jù)返回到讀取緩存區(qū)。

3.2 數(shù)據(jù)處理模塊設計

數(shù)據(jù)處理模塊程序使用的是截取字符串函數(shù)和連接字符串函數(shù),連接字符串函數(shù):該函數(shù)還可以把所有的輸入的多個合并成一個輸出字符串。輸入也可以是單一字符串、字符串數(shù)組或字符簇,在快捷菜單中選擇添加輸入,或調(diào)整函數(shù)大小,均可向函數(shù)增加輸入端。連接的字符串函數(shù)包含連接的輸入字符串、溫度符號℃和行結(jié)束常量。

數(shù)據(jù)處理該程序使用的掃描字符串函數(shù)在輸出時乘以常數(shù)1,掃描字符串函數(shù)分別對輸入字符串中的浮點數(shù)、整數(shù)、字符串以及時間控件進行掃描識別。連接一個格式字符串,它將根據(jù)字符串指定的格式進行轉(zhuǎn)換。本程序選擇%f,其中%代表格式說明符開始,f指帶小數(shù)格式的浮點數(shù)(例如,12.345)。如果無設置,將進行默認格式的轉(zhuǎn)換。該函數(shù)的初始掃描位置參數(shù)用于設置初始掃描位置,即字符串中的偏移量(默認值為0)相連。

3.3 數(shù)據(jù)顯示模塊設計

為實現(xiàn)顯示,把上面處理好的數(shù)據(jù)以曲線形式、數(shù)值形式和直觀的溫度計數(shù)值顯示出來。將經(jīng)過處理的數(shù)據(jù)與溫度曲線圖連接在一起,將實時采集的溫度在一個曲線圖顯示出來。使用溫度計顯示控件、數(shù)值顯示控件和曲線圖,將實時溫度數(shù)值在數(shù)值控件顯示,同時也在溫度計顯示。

計算出來的溫度數(shù)據(jù)分為三支:一是溫度顯示;二是報警模塊;三是歷史溫度顯示模塊。溫度報警模塊,由條件結(jié)構(gòu)、比較符號和布爾控件組成。當輸出的溫度數(shù)據(jù)大于上限溫度30 ℃,此時條件為真,上限溫度報警燈亮;當輸出的溫度數(shù)據(jù)小于下限溫度20 ℃,此時條件為真,下限溫度報警燈亮。溫度顯示模塊由一個布爾時間按鈕、創(chuàng)建表格函數(shù)和輸出表格組成。按下時間按鈕,就可以在表格輸出的每個溫度數(shù)值前加上時間,歷史溫度表格能夠保存每個時間點溫度數(shù)據(jù)。

3.4 上位機程序框圖總體

根據(jù)串行口通信模塊、數(shù)據(jù)處理和顯示部分模塊,并增加了系統(tǒng)的上限和下限報警功能及歷史溫度數(shù)據(jù)生成報表的功能,得到的上位機程序框圖如圖6。整個程序使用到了平鋪式順序結(jié)構(gòu),本程序需要按順序進行多步的操作,所以需要在單框架順序結(jié)構(gòu)的基礎上創(chuàng)建多框架順序結(jié)構(gòu)。同時還是用到了條件結(jié)構(gòu),它相當于C語言中的if語句。條件結(jié)構(gòu)根據(jù)相應的設置,執(zhí)行不同的過程。包含一個或多個程序框圖、分支。結(jié)構(gòu)執(zhí)行時,只有滿足條件的一個子程序框圖或分支才能執(zhí)行。連線至選擇器接線端的值決定要執(zhí)行的分支,條件結(jié)構(gòu)默認分支選擇器為布爾量輸入控件,程序選擇器選擇為真,只有為真時,也就是輸出數(shù)值與設定的上下限數(shù)據(jù)相比較,大于上限值或小于下限值時,才有輸出,報警燈才會亮。

3.5 前面板設計

前面板是人機交互的界面,由輸入控件、輸出控件和顯示控件三部分構(gòu)成,它相當于真實儀器的操作面板。由于需要顯示實時溫度數(shù)值,所以需要顯示數(shù)值控件和直觀觀察的溫度計,還需要進行串口通訊,也需要一個I/O輸入控件、相關波特率及數(shù)據(jù)比特輸入控件。溫度曲線顯示,需要一個曲線圖,并將曲線圖的X、Y的標尺進行調(diào)整,顯示設置為自動調(diào)整圖例大小,這樣可以使溫度曲線更好觀察。還有歷史數(shù)據(jù)模塊的,時間顯示控件及歷史數(shù)據(jù)圖表。最后是報警模塊的布爾控件,包括兩個溫度報警燈。把所選的控件按一定的順序擺放好,構(gòu)成上位機的前面板。圖7為本系統(tǒng)的前面板。

4 系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果

將溫度檢測系統(tǒng)與模具連接,如圖8所示。先驗證上位機的程序編寫是否正確。在后面板上的菜單欄,有著單步執(zhí)行、連續(xù)運行、中斷執(zhí)行、暫停和高亮顯示功能按鈕,其中使用高亮顯示執(zhí)行過程,就可以看到整個程序工作的過程。按下高亮顯示,再按下連續(xù)執(zhí)行按鈕,可以看到。說明所編寫的程序是正確的。在VISA資源名稱找到串口COM4,然后按下連續(xù)執(zhí)行按鈕。實驗條件在室溫下,當模具溫度接近室溫28 ℃,所設置的溫度曲線圖Y軸數(shù)值從22至35,這樣便于觀察曲線變化情況。從顯示的溫度變化曲線圖可以看出,當模具溫度為28 ℃時,顯示的溫度非常接近28 ℃,誤差在1 ℃以內(nèi)。再改變模具的溫度,可以從曲線圖上明顯看出溫度的變化,如圖9所示,而且系統(tǒng)響應的時間很短,不超過0.1 s。

5 結(jié)語

根據(jù)模具型腔的結(jié)構(gòu)特點,確定溫度傳感器的安裝位置,使其能夠反映型腔各部分的溫度變化。使用STC89C52RC單片機作為該溫度檢測系統(tǒng)控制和處理的核心并設計出主控檢測電路。系統(tǒng)的上位機的設計主要包括串口通訊模塊設計、數(shù)據(jù)處理模塊設計和數(shù)據(jù)顯示模塊設計,在各模塊設計的基礎上設計出整個系統(tǒng)的程序框圖。通過前面板的設計,實際檢測溫度及變化情況可以實時顯示,便于觀察。將整個系統(tǒng)與模具連接,對溫度檢測系統(tǒng)進行調(diào)試,調(diào)試結(jié)果說明該系統(tǒng)能夠檢測出模具型腔實時溫度的變化。

[1]李謨樹.模具溫度對注塑成型加工的影響及其冷卻探析[J].塑料工業(yè),2011,39(7):46-50.

[2]劉東雷, 申長雨, 劉春太, 等.模具溫度對高光注射成型制品表面沉降的影響[J].高分子材料科學與工程,2012, 28(1): 165-170.

[3] 劉東雷, 辛勇.模具溫度對高光成型制品收縮影響試驗[J].材料科學與工藝,2010, 26(9): 100-105.

[4]何昌傳, 張鵬, 梁迪, 等.模具溫度對 PVC 熔接痕拉伸性能的影響[J].塑料, 2015, 44(1): 81-85.

[5]龔健虎.基于模糊自適應 PID 的聚丙烯模具溫度控制仿真[J].計算機仿真, 2013, 30(8): 376-381.

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