吳清榮，蔣鼎

(海天塑機(jī)集團(tuán)有限公司 技術(shù)四科，浙江 寧波 315821)

近年來各行各業(yè)對(duì)塑料制品精度要求越來越高，特別在精密儀器、電子儀表、通信工程及汽車工業(yè)等行業(yè)更是如此[1]。影響塑料制品精度的因素有很多，包括模具和注塑機(jī)兩方面，而對(duì)注塑機(jī)來說前提是注射重復(fù)精度需達(dá)到一定標(biāo)準(zhǔn)。常規(guī)注射精度通常無法滿足高精度制品，目前注塑工業(yè)中大多采用比例閥或伺服閥控制技術(shù)來提高注射精度，但閥控技術(shù)成本較大且對(duì)機(jī)器油液清潔度要求較高[2]。

本文根據(jù)閉環(huán)控制的特點(diǎn)，提出了將注射位置閉環(huán)技術(shù)與海天注塑機(jī)技術(shù)相結(jié)合，給有要求注射精度的塑料制品提供了一個(gè)性價(jià)比非常高的解決方案。位置閉環(huán)技術(shù)是一種智能運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)，它將位置檢測裝置反饋的移動(dòng)部件位置與設(shè)定位置進(jìn)行比較，將兩者差值進(jìn)行變換成速度信號(hào)去控制伺服電機(jī)向著消除偏差方向運(yùn)動(dòng)以達(dá)到位置控制要求。注塑機(jī)注射位置閉環(huán)是一種革新的精密控制技術(shù)，它能滿足高精度注射控制需求且較低成本要求。

1 系統(tǒng)總體構(gòu)成

注射位置閉環(huán)控制系統(tǒng)由指令給定、信號(hào)傳輸、信號(hào)處理、被控對(duì)象、檢測反饋等幾部分構(gòu)成，系統(tǒng)框圖如圖1所示[3]。

圖1 注射位置閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖

指令給定是由上位機(jī)完成，即注塑機(jī)的電腦控制器，它是整個(gè)注塑機(jī)的“大腦”[4]，通常指令都從控制器的面板中進(jìn)行輸入；信號(hào)傳輸主要是通過 CAN總線進(jìn)行；信號(hào)處理主要是通過變頻器完成，進(jìn)行位置閉環(huán)算法的實(shí)現(xiàn)；本文被控對(duì)象是指注射位置，即螺桿位置；檢測反饋裝置為高精度 CANopen 位移傳感器、旋轉(zhuǎn)變壓器及壓力傳感器等，負(fù)責(zé)檢測注塑機(jī)的變量，CANopen 位移傳感器（重復(fù)精度與分辨率必須高）用于檢測注射位置，旋變用于檢測電機(jī)轉(zhuǎn)速，壓力傳感器用于壓力反饋。

2 注射位置閉環(huán)技術(shù)

在注塑工業(yè)發(fā)展過程中，閉環(huán)控制的應(yīng)用越來越多，通常閉環(huán)技術(shù)有硬件裝置和軟件算法兩種[5]。硬件閉環(huán)控制需用專門的閉環(huán)控制器來實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)變量的閉環(huán)控制，通常需配置比例閥或伺服閥等閥控技術(shù)。軟件閉環(huán)是借助輔助檢測反饋裝置來檢測需要被控對(duì)象的變量，并利用軟件編程控制算法來實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，本文注射位置閉環(huán)控制便是利用位置閉環(huán)算法來控制螺桿位置。

2.1 注射位置閉環(huán)原理

注射位置閉環(huán)系統(tǒng)工作原理圖如圖2所示，整個(gè)系統(tǒng)由電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)（壓力環(huán)）組成，它與傳統(tǒng)注塑機(jī)不同的是增加了位置環(huán)。常規(guī)注塑機(jī)只是將電子尺信號(hào)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)中進(jìn)行顯示查看，并不會(huì)去進(jìn)行位置閉環(huán)的調(diào)整，嚴(yán)格來說常規(guī)注塑機(jī)的伺服控制系統(tǒng)它只是一個(gè)半閉環(huán)系統(tǒng)，如圖3是常規(guī)注塑機(jī)的伺服控制系統(tǒng)，它只是通過編碼器反饋電機(jī)轉(zhuǎn)速，對(duì)于負(fù)載位置卻無法有效地進(jìn)行閉環(huán)控制。本文將負(fù)載位置通過高精度 CANopen 位移傳感器發(fā)送到CAN 總線上，上位機(jī)與變頻器都可通過 CAN 總線讀取負(fù)載位置，變頻器獲取位置信息后通過內(nèi)部閉環(huán)算法并結(jié)合上位機(jī)流量指令綜合判斷出所需電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而控制注射位置，提高注射重復(fù)精度。

圖2 注射位置閉環(huán)系統(tǒng)原理圖

圖3 常規(guī)注塑機(jī)的控制原理圖

2.2 注射位置閉環(huán)算法

2.2.1 位置閉環(huán)算法處理信息

注射位置閉環(huán)算法應(yīng)用 CANopen 協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，具體如下：

（1）上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)至變頻器

上位機(jī)通過 PDO（過程數(shù)據(jù)對(duì)象）方式來發(fā)送壓力指令、流量指令和油溫信息至 CAN 總線上，通過SDO（服務(wù)數(shù)據(jù)對(duì)象）方式發(fā)送設(shè)定位置信息至 CAN總線上。

（2）變頻器數(shù)據(jù)接收與發(fā)送

變頻器通過 PDO 方式從 CAN 總線上讀取位移傳感器發(fā)送過來的實(shí)時(shí)位置信息以及發(fā)送結(jié)束位置閉環(huán)指令至 CAN 總線上。

2.2.2 位置閉環(huán)算法實(shí)現(xiàn)流程

（1）機(jī)器上電后，變頻器首先會(huì)啟動(dòng)高精度CANopen 位移傳感器，位移傳感器會(huì)每間隔 1 ms 把當(dāng)前負(fù)載位置發(fā)送到 CAN 總線上。

（2）變頻器會(huì)檢測目前機(jī)器運(yùn)行狀態(tài)，是否有注射、儲(chǔ)料或者射退等指令，當(dāng)檢測到以上指令后便會(huì)啟動(dòng)位置閉環(huán)算法并從 CAN 總線上一直讀取螺桿的實(shí)時(shí)位置信息。

（3）在整個(gè)注射動(dòng)作期間，算法都會(huì)去通過 PDO方式一直讀取上位機(jī)發(fā)過來的油溫信息，當(dāng)檢測到油溫變化時(shí)便會(huì)調(diào)取閉環(huán)算法內(nèi)部的溫度補(bǔ)償算法來彌補(bǔ)溫度給油液黏度帶來的變化而引起的位置定位精度變化；當(dāng)油溫超過算法內(nèi)部設(shè)定溫度時(shí)便會(huì)退出閉環(huán)算法并給出報(bào)警提示，這時(shí)就需要對(duì)油溫進(jìn)行冷卻或者機(jī)器本身需配置油溫冷卻裝置。

（4）在整個(gè)注射動(dòng)作期間，變頻器會(huì)將壓力傳感器反饋的壓力與設(shè)定最大壓力進(jìn)行比較，如果壓力達(dá)到最大壓力時(shí)便會(huì)停止位置閉環(huán)算法，啟動(dòng)壓力環(huán)來控制，從而可以保護(hù)機(jī)器結(jié)構(gòu)，防止壓力過高帶來的破壞。

（5）當(dāng)注射位置到達(dá)設(shè)定位置時(shí)，變頻器便停止位置閉環(huán)算法，然后通過 SDO方式發(fā)送位置閉環(huán)算法結(jié)束信號(hào)。

在整個(gè)閉環(huán)控制中，對(duì)精度影響較大的因素有溫度和位移傳感器精度。測試發(fā)現(xiàn)當(dāng)油溫超過 45°，常規(guī)注射的重復(fù)精度變化較大，因此本文在位置閉環(huán)算法內(nèi)增加了溫度動(dòng)態(tài)補(bǔ)償算法用于彌補(bǔ)油液黏度變化而引起的重復(fù)精度變化；位移傳感器精度決定了反饋?zhàn)x取精度，當(dāng)位移傳感器精度較低時(shí)，那么反饋到算法中的變化也就越大，出現(xiàn)較大偏差時(shí)才會(huì)調(diào)整算法或者調(diào)用補(bǔ)償算法，所以一個(gè)穩(wěn)定且擁有高分辨率的位移傳感器更有利于實(shí)現(xiàn)位置閉環(huán)算法的控制效果。

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析

本文測試采用空載和加載分別驗(yàn)證位置閉環(huán)算法效果。在空載全自動(dòng)持續(xù)測試中，當(dāng)溫度達(dá)到 50°時(shí)，常規(guī)注射重復(fù)精度已在 0.1 mm以上，而采用位置閉環(huán)算法的重復(fù)精度可控制在0.1 mm內(nèi)，基本達(dá)到微米級(jí)的控制效果。如圖4是空載測試其中一段波形，從波形可以看出波谷為注射到底，而波峰是射退到底，波形數(shù)據(jù)顯示重復(fù)精度在0.1 mm內(nèi)。

對(duì)于空載測試來說，加載或許更能驗(yàn)證位置閉環(huán)效果，因?yàn)榧虞d后料筒內(nèi)部有熔體壓力會(huì)迫使螺桿向后退，這點(diǎn)在常規(guī)注塑機(jī)上會(huì)比較明顯。在測試中壓力表顯示負(fù)載 80 kg，當(dāng)持續(xù)測試溫度達(dá)到 50℃時(shí)，常規(guī)注射重復(fù)精度已在 0.3 mm以上，而采用位置閉環(huán)算法的重復(fù)精度可控制在0.4 mm內(nèi)，如圖5是位置閉環(huán)加載測試其中一段波形，圖6常規(guī)加載測試其中一段波形，對(duì)比可發(fā)現(xiàn)常規(guī)加載注射到底后一直在回退，重復(fù)精度很差。測試結(jié)果表明位置閉環(huán)算法顯著提升了注射重復(fù)精度，更能滿足高精度塑料制品的成型需求。

圖4 位置閉環(huán)空載測試波形

圖5 位置閉環(huán)加載測試波形

圖6 常規(guī)注射加載測試波形

4 結(jié)論

隨著工業(yè)自動(dòng)化的不斷發(fā)展，未來無人注塑車間會(huì)逐步增多，對(duì)注塑機(jī)的重復(fù)穩(wěn)定精度要求會(huì)越來越高，而位置閉環(huán)控制技術(shù)憑其卓越的優(yōu)越性可提高機(jī)器的位置精度，因此將位置閉環(huán)控制技術(shù)應(yīng)用在注塑機(jī)的各個(gè)運(yùn)動(dòng)部件也就能夠生產(chǎn)出高品質(zhì)的塑料制品。本文所介紹的注射位置閉環(huán)控制技術(shù)是一種提升注射的重復(fù)精度，可有效提升每次射出時(shí)的射出量的重復(fù)精度，特別對(duì)于克重較輕的精密電子零件，可精確控制制品的重量。注射位置閉環(huán)技術(shù)在各注射閉環(huán)控制中有一定的先天優(yōu)勢，但是目前面對(duì)各種干擾還需要進(jìn)行進(jìn)一步的研究開發(fā)，相信位置閉環(huán)控制技術(shù)會(huì)具有較好的市場前瞻性。