注塑机锁模力智能感知系统的研制_颜幸尧.pdf

第 36 卷 第 2 期2023 年 2 月传 感 技 术 学 报CHINESE JOUNAL OF SENSOS AND ACTUATOSVol.36No.2Feb 2023项目来源:浙江省教育厅科研项目(Y202250587)收稿日期:20220324修改日期:20220601Development of Intelligent System for Mold LockingForce Sensing of Injection Molding Machine*YAN Xingyao1*，DENG Junwen1，HU Meijun2，CHEN Panbuyi1，NIE Deming1(1College of Metrology and Measurement Engineering，China Jiliang University，Hangzhou Zhejiang 310018，China;2Fair Friend Institute of Intelligent Manufacturing，Hangzhou Vocational and Technical College，Hangzhou Zhejiang 310018，China)Abstract:Based on tension rod stress detection，an intelligent mold clamping force sensing system for injection molding machines is de-veloped The system mainly consists of a stress detection sensor module，a signal conditioning module，a mold clamping force data pro-cessing module，and some peripheral modules Tension rod stress sensors turn the tension stress of the rods into electrical signals，whichthe signal conditioning module collects and processes A number of strategies are employed to fit the data in order to properly examineit The results reveal that the cubic polynomial function is more compatible with the original data distribution The 2of the fitting func-tion of the four tie rod channels is greater than 992%，and the standard deviation is less than 24，suggesting a high degree of fit It canbe applied in the field of injection molding machine clamping force measurementKey words:mold clamping force;rod tension measurement;cubic polynomial;injection molding machineEEACC:7220;7320Gdoi:103969/jissn10041699202302002注塑机锁模力智能感知系统的研制*颜幸尧1*，邓俊文1，胡美君2，陈潘布衣1，聂德明1(1中国计量大学计量测试工程学院，浙江 杭州 310018;2杭州职业技术学院友嘉智能制造学院，浙江 杭州 310018)摘要:本文研制了一种基于拉杆应力检测的注塑机锁模力智能感知系统。系统包含应力检测传感器、信号调理模块、锁模力数据处理模块等。拉杆应力传感器将检测到的拉杆内应力转换成电信号，经信号调理模块后，进行信号采集与处理。为了更好实现对数据的分析，采用多种方法对数据进行拟合，结果表明三次多项式函数更符合原始数据分布，四根拉杆通道拟合函数的决定系数 2均在 992%以上，标准差均在 24 以下，拟合度较好，在注塑机锁模力监控领域内具有应用价值。关键词:锁模力;拉杆拉力测量;三次多项式;注塑机中图分类号:TQ3205+2;TP2121;TP23文献标识码:A文章编号:10041699(2023)02017408注塑机是一种将热固性塑料或者热塑性塑料熔融后，通过注射填充到特定模具型腔内制成各种形状塑料制品的高分子成型设备12。锁模力指的是合模单元对模具所施加的夹紧力，用于抵抗在注射阶段熔融态聚合物填充模具内部产生胀模力，是注射成型过程中非常重要的过程工艺参数34。锁模力的检测，可以通过对注塑机曲肘、后模板和拉杆等部件的受力检测和分析得出3，但是前两种方法需要加工螺纹孔以便安装特制的检测器件，工艺要求较高，安装较为不便，通用性差且会对设备造成损伤;而通过检测拉杆的受力情况而得到锁模力的方法，无需加工螺纹孔，成本低，安装方便，通用性强，应用范围最广56。本系统采用拉杆锁模力检测法，通过测量每根拉杆的受力情况，进而在线得到锁模力的大小以及模具受力分布状况信息。合理的锁模力能不仅能保护注塑模具，延长模具使用寿命，而且还关系到注塑制品的质量。只有当四根拉杆载荷均匀，此时锁模力大小也均匀，才能保证制品的质量;若锁模力分布不均，即四根拉杆载荷不均，导致变形量不同，轻则影响注塑制品质量，重则导致拉杆断裂破坏机器，损坏模具，造成生产事故78。因此，为了保证生产安全以及确保注塑制品的质量，需要对锁模力大小进行检测和调整。鉴于锁模力实时检测的重要意义，国内有很多学者和行业从业者，对锁模力感知系统在注塑上的应用在各种纬度展开了研究。广西科技大学的刘旭红和宋世柳团队9 在国内较早地提出每根拉杆各使用 4片应变片与 4 片温度补偿片组成全桥电路的构想与方法，其受力应变片每间隔 90 度直接粘贴在拉杆上，温度补偿片放置在不受力的试块上，不仅具有温度补偿作用，而且可消除弯矩的影响，全桥电路输出电压量比半桥电路提高一倍。广东高校高分子材料加工第 2 期颜幸尧，邓俊文等:注塑机锁模力智能感知系统的研制工程技术开发中心的陈金伟团队10 将锁模力检测技术应用于注塑成型过程，实验结果发现，在保证产品质量的前提下，运用锁模力监控技术能够找到最佳工艺参数临界点。南京工业大学蔡国强团队11 在拉杆近头板处嵌入拉杆变形位置检测传感器，用于测量机铰式注塑机的锁模力，测量结果表明锁模力设定在500 kN 时检测到的实际锁模力偏差值最大，为123kN，在设定在 3500 kN 时实际锁模力偏差最小，为 10kN;最大满量程误差为2789%，最小满量程误差为0635%。台湾国立高雄第一科技大学的 HuangMing Shyan 教授团队12 在注塑机拉杆上安装德国Gefran 公司的拉杆应变传感器与美国 IFM 公司的电感式传感器，进行锁模力测量，通过分析狗骨形状的模具在注射成型的锁模力信息，判断产品的生产质量，提出一种新的获取合适锁模力的搜索方法13。日本(株)的 Naganuma Tsuneo 团队开发了用于诊断注塑机异常的锁模力监控(CFM)系统，并通过两例检修事例表明通过监视锁模力的变化判断注塑机是否出现异常。目前国外在注塑机锁模力检测方面已经很成熟，不仅能提供成套的锁模力检测系统，而且还将锁模力检测应用于注塑机故障检测、注塑成品质量检测等，因此国内企业往往直接购买国外的成套锁模力检测产品，缺少自主研发锁模力检测系统的积极性，国内在注塑机锁模力检测研发方面几乎一片空白。浙江大学赵朋教授团队12 对此有所研究，他们使用超声直探头对注塑机锁模力测量，测试结果与应变计方法对比发现，使用超声波测量锁模力方法有较好的准确性和重复性。采用超声波的方法测量注塑机锁模力虽不失为一种很好的方法上的尝试，但由于生产车间环境比较复杂，在超声波检测精度、稳定性以及重复性，以及成本和安装便捷性等方面，依然与传统基于应变片的锁模力检测传感器差距甚远，因此目前还只能停留在实验室阶段，无法大规模应用到生产车间中。随着国际大环境的巨变，不受制于人，急需研制我国具有独立自主知识产权的锁模力智能感知系统，在参考国外同类产品的基础上，本研究设计了基于拉杆应力检测的注塑机锁模力智能感知系统。1锁模力检测原理11锁模力的来源在注塑制品成型周期中的锁模阶段，合模单元会不断维持动、定模合拢和打开，注塑机四根拉杆的受力情况也随不同阶段而改变6，图 1 为拉杆受力示意图。图 1注塑机拉杆受力示意图从图 1 中可以看出，当注塑机处于合模状态时，动模板往定模板方向运动，当模具开始接触时，产生合模力，合模完全合拢时即为锁模力;此时锁模力的大小与四根拉杆的拉力合力相等，方向相反1415。根据中华人民共和国机械行业标准(JB/T 72672004)16，塑料注射成型机 标准中规定:由液压系统的压力稳定在额定工作压力时，通过应力检测仪或传感器测量拉杆的最大应变量，根据胡克(Hooke)定律计算出当前额定工作压力下注塑机的合模力9，17:F合=4i=1Fi=4i=1SEi(1)式中:Fi 代表第 i 根拉杆上所承受的轴向力，单位为牛顿(N)，i=1，2，3，4;S 为拉杆横截面积;E 为拉杆材料的弹性模量;i为第 i 根拉杆上的应变量，i=1，2，3，4。将圆柱体横截面积公式代入式(1)中，有:F合=(1+2+3+4)D24E(2)式中:D 为拉杆直径，由此可见，锁模力即为 4 根拉杆受力之和，且通过对 4 根拉杆受力分布情况的分析，还能得到与拉杆垂直平面上模具的受力分布情况。但在实际测试中，因为拉杆材质的弹性模量与实际的弹性模量可能存在差异，可以使用泊松比进行修正。因此，在拉杆上安装锁模力传感器，便可实时监控拉杆在受拉和受压情况下的细微形变量，然后通过桥式电路将其转化为微小的电压量，再经信号调理电路进行小信号放大与滤波处理。通过调整注塑机的锁模力，得到与当前拉杆形变量存在确定关系的电压量，经 AM 微控制器芯片内部信号采集和计算，即可获知锁模力和拉杆的受力情况。12拉杆受力及拉伸形变仿真使用 SolidWorks 软件对拉杆进行应力以及合位移仿真。注塑机有四根拉杆，在合模力均匀分布时，四根拉杆受力情况相同，因此此处只对一根拉杆进行仿真分析;拉杆柱子直径为 85 mm，长 度 为1 500 mm，单根施加拉力为 1 050 kN，材质为 GCr12合金钢，弹性模量为 211011N/m2，泊松比为 028。图 2 为仿真的应力分布图和合位移分布图结果。571传感技术学报chinatransducersseueducn第 36 卷图 2应力和合位移分布图由图 2(a)应力分布图可以看出，整根拉杆除了下方固定区域以外，整体受力很均匀，受力值为1927108N/m2，因此将应力传感器安装在距离定模板 12 倍的拉杆直径区域外时，即可确保传感器获得正确的应变信号。从图 2(b)合位移分布图得出拉杆的伸长量为 1320 mm，应变片电阻变化与拉杆伸缩量关系式为:=kLL(3)式中:为应变片电阻应变量，为应变片标称电阻值，L 为 1 050 kN 拉力下拉杆伸长量，L 为拉杆长度，k 为应变片与拉杆的关系系数，无量纲，由于应变片紧贴拉杆，因此 k 取 1。此处当应变片阻值为 350 时，计算得 为 0308;而/值，是确定信号放大电路放大倍数的主要依据。图 4硬件结构框图2注塑机锁模力智能感知系统整体结构21具有温度补偿的改进型传感器在注塑机注射成型过程中，模具在大部分时间中，均处于高温状态，热量会通过底板传导到拉杆上，导致拉杆产生明显的温升。由于应变片紧紧贴合在拉杆上，因此拉杆的温升会导致应变片的温度产生较大幅度的变化，温漂带来的应变片阻值的变化不可忽略。取标定温度为室温 T1，恒为 25，拉杆温度 T2为 65，应变片温度系数 Tc为 20ppm/，则温漂带来的阻值变化为:T=(T2T1)Tc(4)当应变片阻值取 350 时，应变片因温度变化产生了 T=028 的改变，相对于拉杆拉伸产生的电阻变化量 =0308，该温漂值严重影响锁模力检测的精度。国外的锁模力检测系统采用预热的方法来消除该温漂。在本研究中，在国外应力传感器的基础之上，对其进行了改进，增加了一片同型号应变片作为温度补偿片，该应变片和工作应变片组成一个半桥以消除温漂，但不参与应变信号的检测，图 3 为国外传感器和经改进后具有温度补偿功能的改进型传感器的结构爆炸图。图 3国外应力传感器和改进型应力传感器结构爆炸图22注塑机锁模力智能感知系统硬件结构图 4 为注塑机锁模力测量系统的硬件结构框图，包括四个通道的拉杆应力传感器、信号调理阵列、输出采样保持器与运算放大器阵列，锁模力校准接口与 Wi-Fi 控制电路等;注塑机锁模力智能感知系统采用拉杆应力传感器，传感器随拉杆受应力改变而发生形变;通过引入全桥电路，将应力传感器的形变量转化为电信号;再经过信号调理电路，将电信号调理至合理的电压区间;最后由微控制器对其进671第 2 期颜幸尧，邓俊文等:注塑机锁模力智能感知系统的研制行 ADC(模拟到数字的转换)采集;微控制器将采集的 AD 数据经数字滤波后，根据拉杆的校准数据计算当前拉杆的应力值，通过 DAC(数字到模拟转换)进行电压量输出以及通过 Wi-Fi 将锁模力数据上传至云端服务器;由于需要检测的拉杆根数有 4 根，而使用的 STM32 主控芯片没有足够的 DAC 通道，因此采用了采样保持芯片 LF398 进行输出电压通道的扩展，再经运算放大器阵列将拉杆的应力值控制输出在 010 V 的电压区间内。3测试机器介绍及实验安排31实验用注塑机介绍:本研究测试数据来源于至上重工有限公司生产制造的 Supreme 全自动塑料注射成型机，具体型号为KS286，四根拉杆直径为 85 mm，长度为 1 500 mm，四根拉杆呈正方形分布，间距为 580 mm，额定锁模力为286 t，设计最大锁模力为 420 t，模板最大间距为910 mm，锁模行程为 510 mm，容模量为 210 mm 510 mm。其注塑机外形图尺寸如图 5 所示，单位为 mm。图 5至上重工有限公司生产型号 KS286 注塑机外形图32实验设备安装准备321注意事项注塑机锁模力测量系统采用的是拉杆应力传感器测量注塑机拉杆的受力变化，通过分析拉杆应力传感器的形变量，计算当前注塑机的锁模力，为了确保测量结果的可靠性和准确性，在安装和使用传感器时应该注意以下事项:考虑传感器引起的零漂误差。安装测试前尽量调整使电桥的等效阻抗达到平衡;传感器探头和控制板连接导线采用具有金属屏蔽的多股多芯导线，屏蔽线要可靠接入注塑机的大地端。应变片应保持对称安装，减少受力不对称产生的误差7，18，其次安装位置应该大于拉杆直径以外的区域，此时拉杆应力传感器感受的应变分布较为均匀。322锁模力均匀度调整检测四根拉杆应力，需要 8 个拉杆应变传感器，将其分成 4 组，每组 2 个;传感器安装在距离定模板2 倍拉杆直径的区域附近，并以垂直对抱的方式固定好，传感器安装的好坏决定最后测量的精度;传感器导线长约 5 m，使用了带有金属屏蔽线的多股多芯导线，通过航空插头接入测试板，其中屏蔽线可靠地接入注塑机的大地端。图 6 分别为所使用的注塑机、改进型拉杆应力传感器和拉杆应力测量控制板。图 6测试用注塑机、改进型拉杆应力传感器和拉杆应力测量控制板随后通过安装测试模具进行锁模力的均匀度调整，具体做法为:首先测量模具的厚度及锁模固定板与移动版间距;然后在确认顶针的位置、顶针行程足够和模具吻合的前提下进行模具的安装，注意在安装过程中保持安装面的清洁，并确保没有伤痕和倒刺等杂物;最后进行模具的生产测试，调整模具所需的锁模力，使其试模成型产品无毛边的最小压力为佳。此时就可以认为锁模力已经调至到均匀状态。将四个通道的传感器分别安装到注塑机四根拉杆上，随后施加试模成型时最佳锁模力作为最大基准值，读取四个通道的 DAC 值，通过调节控制板的电位器，使得四个 DAC 通道输出相等的电压值，结果如表 1 所示:表 1四通道 DAC 输出电压调整前后 单位 V通道 1通道 2通道 3通道 4调整前9981008999997调整后1000100010001000323控制板“预热”由于测量控制板存在发热元器件(主要为运算放771传感技术学报chinatransducersseueducn第 36 卷大器)，为避免应力检测电路因大幅度的温度变化导致测量精度下降，需要提前对控制板进行“预热”操作。具体“预热”操作顺序为:将四组应力传感器固定在四根拉杆上，并将对应的航空插头接入到控制板的对应通道上;接好控制板的电源与和电压检测引脚，控制板大地端接入到注塑机的大地端上;启动注塑机与接通控制板电源，记录测量到的应力变化波形，如图 7 所示。由图 7 可得，四个通道的稳定时间点都不太一致，稳定后的 ADC 值在 3 个码范围之内跳动。通道1 大概的稳定点在 200 s 以后;通道 2 的稳定点在30 s 以后;通道 3 的稳定点在 330 s 以后;通道 4 的稳定点在 150 s 以后。在实际测量中，建议至少“预热”20 min 以确保数据的真实性。图 7四个通道在预热时的数据变化图 8KS286 注塑机最大锁模力下测得的四个通道 AD 值变化曲线4实验结果与数据分析41锁模力测量设备和实验板“预热”20 min 之后，通过 PLC 主控机对注塑机进行拉力控制，注塑机锁模力最大测得的过程曲线如图 8 所示。由图 8 曲线可得，PLC 主控机通过控制注塑机应用最大锁模力时，控制板所测到的应力数值呈下降趋势，之后，再缓缓地上升至某一点值附近;这是由于拉杆应力传感器的表面有一层橡胶保护，在施加应力之后橡胶会发生形变，等到应力稳定时，橡胶因为松弛而出现上图的回升现象。871第 2 期颜幸尧，邓俊文等:注塑机锁模力智能感知系统的研制在数据采集中，只取 AD 值“下冲”的最低点，作为当前注塑机锁模力对应的数据点。不断调节注塑机的锁模力，记录当前拉力下的最低点，最后绘制的拉力值与 AD 值对应关系如图 9 所示;PLC 系统采集控制板电压输出端的值，绘制出来的拉力值与输出电压值对应关系如图 10 所示。图 9四个通道不同拉力值下采集到的对应 AD 值曲线图 10四个通道的拉力值与输出电压值对应关系曲线42锁模力的计算项目采用一元非线性函数、二次多项式与三次多项式分别对原始数据数据进行拟合，最后选择效果最优的曲线作为最终控制板控制输出公式。拟合的曲线如图 11 所示。图 11 中星形散点代表当前通道控制板测得到的原始数值，点划线曲线为一元非线性函数 F1=aub，虚线曲线为二次多项式 F2=q1u2+q2u+q3，直线曲线为三次多项式 F3=p1u3+p2u2+p3u+p4;其中 u 代表电压值，单位伏特 V;F 代表拉力值，单位千牛(kN)。表 2 列出四个通道的函数关系式与对应的决定系数-square 和标准差(均方根误差)MSE。通过图11 和表2 可以得出，使用三次多项式函数拟合效果最好，其次是二次多项式函数，最后是一元非线性函数。三次多项式函数拟合的曲线更接近于原始数据点，其决定系数比另外两种方法拟合的系数高，标准差比另外两种方法拟合的低;四通道的决定系数均在992%以上，标准差均低于 24。因此控制板采用三次多项式函数作为拟合函数用于计算当前的锁模力。通过 PLC 重新调整注塑机锁模力，记录控制板测量结果，利用三次多项式计算出当前锁模力，如表 3 所示。971传感技术学报chinatransducersseueducn第 36 卷图 11采用一元非线性函数，二次多项式与三次多项式拟合的曲线图表 2四个通道分别对应的函数关系式、决定系数和标准差通道函数决定系数-square标准差 MSEF11=0411 2u3389 20962483通道 1F12=425u24785u+1 5610985 43051F13=8697u31535u2+9508u1 7870994 81848F21=1542 9u2826 40948641通道 2F22=3001u22765u+81950981393F23=6047u39339u2+5138u72750995 61914F31=1325 2u28860943618通道 3F32=369u23917u+1 2770974 64174F33=1011u31827u2+1 140u2 1230992 12367F41=7649 9u2112 70949638通道 4F42=1639u29165u+2890978 24252F43=2579u32792u2+1287u+55360995 2203表 3使用三次多项式拟合的锁模力测量结果单位 kN真实值CH1 计算值绝对误差CH2 计算值绝对误差CH3 计算值绝对误差CH4 计算值绝对误差1 0211 0038217189921628849917229271 0684647469028496552358732728738924395788053321467801787713380674574805479764336686722413641695379377078621866826833260657386118660451560658058619661366562553159155587532554971235852623265175196926950713987489062794520553554594581450668344353237459404391393392393926116138538562376861414327314931207320268338441144302562444255248846162561411426116616238321668从上述数据可以看出，设定的锁模力与计算的锁模 力 拟 合 度 较 高，其 中 绝 对 误 差 最 大 值 为5235 kN，最大相对误差为 747%。但需要注意的是，当前的三次多项式函数只适用当前测试的注塑机和拉杆应力传感器，对于不同的传感器和注塑机，需要重新计算拟合函数。081第 2 期颜幸尧，邓俊文等:注塑机锁模力智能感知系统的研制5结论参考国外锁模力检测系统，本文对拉杆应力检测传感器进行了改进，以消除温漂的影响;并在此基础上，研制了注塑机锁模力智能感知系统。通过对拉杆的应力仿真，发现除了底部一段区域外，整体应力分布均匀，由此确定应力传感器的安装位置;通过拉杆合位移仿真，求得传感器的电阻变化量，用于放大电路主要参数的设计依据;通过分析温度变化对传感器的影响，设计了具有温度补偿的改进型应力传感器;在分析拉杆拉力过程曲线时发现，由于传感器有橡胶保护，其拉力变化曲线会出现了“下冲回弹”现象;实验采用一元非线性函数、二次多项式函数和三次多项式函数进行应力数据拟合，发现三次多项式函数更符合当前应力数据点的分布，其拟合函数的决定系数均在 99 2%以上，标准差均低于 24。在测试结果发现，注塑机拉杆拉力在高于900 kN和低于 350 kN 时，计算得到的绝对误差最大，某一通道在 902 kN 时的绝对误差为 5235 kN;而在低于 350 kN 量级时，其最大相对误差最大，某一通道在 327 kN 时相对误差为 747%;在注塑生产时，注塑机设定的锁模力一般为满量程的 40%70%，对应每通道 400 kN700 kN 拉力区间，在此区间数据拟合效果较好，表明注塑机锁模力智能系统在注塑机锁模力测量领域内具有应用价值。参考文献:1 赵耀 注塑机拉杆应力的超声波在线测量及其在注射成形中的应用D 浙江:浙江大学机械工程学院，2019 2 Zhao Y，Zhao P，Zhang J，et al On-Line Measurement ofClamping Force for Injection Molding Machine Using Ul-trasonic Technology J Ultrasonics，2019，91:170179 3 陈金伟，杨铃，徐百平 锁模力监测技术及其在注塑成型中的应用 J 塑料科技，2014，42(7):6266 4 刘刚 注塑机锁模力智能在线优化方法研究D 北京:北京化工大学机械工程学院，2020 5 彭乃球 注塑机锁模力测试技术 J 机电工程技术，2002，31(S1):115116 6 康存锋，刘鑫，马春敏，等 全电子注塑机的合模控制及锁模力的研究 J 工程塑料应用，2009，37(1):7174 7 袁辉 磁附式测量新技术在压铸机锁模力测试中的应用 J 铸造技术，2013，34(12):17711774 8 陈金伟，Bruno S 注塑机锁模力测量新技术 J 工程塑料应用，2010，38(2):7577 9 刘旭红，宋世柳 注塑机合模力的测量及误差因素分析 J 广西工学院学报，2006，17(4):5255 10 陈金伟，杨铃，徐百平 锁模力监测技术及其在注塑成型中的应用 J 塑料科技，2014，42(7):6266 11 蔡国强，蔡杰锋 机铰式注塑机锁模力的精确检测、自动调整及修正 J 中国新技术新产品，2021(2):8589 12 Huang M S，Lin C Y A Novel Clamping Force SearchingMethod Based on Sensing Tie-Bar Elongation for InjectionMolding J 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