滚动轴承内环圆度数字系统研究注塑机的“油管理”怎样评估热流道喷嘴.doc

注塑机的“油管理”
除了不恰当的维修保养外，被污染的液压油也是引起注塑机出现故障的主要原因之一。大约70%~90%的机器故障都是因液压系统受到污染，从而引起液压元件的损坏而导致的。因此，“油管理”的目标就是要预防此类污染的发生，以提高液压系统的有效性和可靠性，最终提高注塑机的使用效率。“油管理”不只是终端用户需要关注的事情，注塑机制造商同样应予以重视。

空气、水或固体颗粒物等都会使液压油受到污染。在磨损机理的作用下，受污染的液压油中的固体颗粒会损坏液压元件的重要工作表面，从而引起控制失灵、泄漏、浪费能源以及缩短机器零件的使用寿命等问题，随之而来的则是越来越多的微粒物渗入到液压油中，磨损进一步加剧。即便采用了过滤系统，对这种连锁的磨损反应的控制也是有限的。除了颗粒物的数量外，其大小也对磨损程度具有决定性的影响。通常，引起磨损的固体颗粒物非常小，肉眼很难发现。

图1 显微图清晰地显示出了两种液压油（ISO 18/15/12和ISO 21/20/17）的不同质量情况
目前，人们已采用了几种标准化的分析方法，以对存在于液压油中的污染微粒进行区分。按照广泛采用的ISO 4406:1999国际标准的规定，对大于4μm、6μm和14μm的粒子分别有明确的数量限定，同时还限定了它们的特性值。实际上，自动粒子计数器已在此方面得到了普遍应用，它可以快速而简单地检测出液压油的纯度。随着粒子数量的成倍增加，其特性值也会因此而提高。
但是，液压油最初是如何被污染的呢？首先应注意的是，在机器组装的过程中，零部件的洁净度如何？这种所谓的液压系统的原始污染会对注塑机的可靠性有决定性的影响。通常，原始污染的程度越低，对液压系统的初期磨损就越小。因此，“油管理”应首先从注塑机制造商开始。
污染的另一个重要源头是液压油本身。液压系统决定了所用液压油的纯度等级：对机器零部件的性能要求越高，对液压油的纯度要求也就越高。阿博格的ALLROUNDER系列机器要求液压油的纯度应满足ISO 18/15/12的标准要求，而一般的桶装油不能满足这一标准要求。

图2 液压油应通过一个微过滤系统被灌注到油箱中
在所有的生产流程中，阿博格都认真对待“油管理”问题。例如，在机器组装前，像机架和缸盖之类的铸件必须在所谓的“清洗机”中除去表面污物。一旦清洁干净，所有的零部件都被放到一个密闭的箱中，或者用保护膜覆盖，直到它们被用于组装。对于液压管等也采用了类似的管理方式：它们被冲洗干净后，利用插塞来保护它们免受污染。阿博格对其所有的注塑机都采用了同样的保护措施，直到它们被交付出去。为此，他们定期监测液压油的纯度，使其满足上述要求。在机器运输前，油箱中的液压油都会被抽空。

图3 在机器运输前，油箱中的液压油都会被抽空
当然，这些还需要终端客户的配合，否则，阿博格为此所做的一切努力都将是徒劳的。例如，ALLROUNDER机器应使用规定纯度等级的液压油。为了确保液压油的纯度，还应采取恰当的储存方式。当灌注液压油时，应使用一个微过滤系统。如果没有严格按这些要求进行操作，必将引起液压系统的污染，从而不可避免地导致液压元件的过早损坏。

有效的“油管理”措施的最后一个步骤是，定期对液压油的性状进行分析。这能够可靠地检测出液压油受到污染的程度，从而根据磨损的情况得出结论，例如，是泵被磨损了？还是密封件被磨损了？

怎样评估热流道喷嘴
当模塑商要为其产品生产选择适合的热流道喷嘴时，将如何来评估热流道喷嘴的可靠性呢？其实，方法很简单。首先需要对注塑成型过程中与之相关的每一个生产要素有一个清晰的了解。
在注塑成型过程中，很多因素都会影响到热流道喷嘴的选择。简单地说，会涉及以下因素：产品的设计、塑料原材料、产品的重量、循环周期、模具、流道、浇口（阀式或点式）、喷嘴、温度控制器和注塑机的性能等。当模塑商对这些因素有了准确的把握后，就可以将理论上的知识转化到实际应用中，为其生产选配合适的热流道喷嘴。当然，还非常有必要仔细地对比一下目前可供选择的热流道系统各自的优势和劣势。
首要因素
通常，在选择热流道系统前，首先要对以下10个生产要素具有充分的了解：第一，产品的设计。产品设计一般是最先完成的，而其最终的成型需要在热流道模具中完成。为了确保在成型过程中材料获得更好的流动性，以及在成型结束时产品的外表更光洁，出模更容易，必须在产品的结构设计上充分考虑这些因素。第二，塑料原材料。不同的塑料原料具有不同的加工变量，一般涉及流动速率（粘度），以及对加工温度的敏感性等。这些加工变量也会影响热流道系统的选择。第三，产品重量。产品重量是几盎司、几磅还是介于它们之间？总体而言，不同重量的产品，其对热流道的要求也完全不同。但无论是小的瓶坯，还是大的汽车保险杠，都可以很容易地设计出适合它们的热流道系统。第四，循环周期。

图1 该两点热流道板带有转换阀（transition plugs），以确保料流更平滑的流动
快速的生产循环意味着对喷嘴要求的提高，比如，喷嘴必须精确地传递热量，且必须耐用。当热流道系统的温度平衡性不好时，就会对产品的成型带来很大的影响。一般，早期生产的热流道系统，它们的温度平衡性往往不好，但目前开发的热流道系统基本都可以提供稳定的生产性能，其可靠性能也满足正常的生产要求。第五，模具。一般，与选配热流道系统有关的模具要素包括：型腔数是多少？加工什么样的材料？喷嘴分布距离如何？热流道供应商是否会提供将热流道系统有机联系在一起的、且带有电器插座的热半模？第六，流道。通常，人们习惯于将热流道成型称作“无流道”成型，这种说法多少有些不恰当，因为所谓的“无流道”成型并没有真正把流道去掉。实际上，热流道系统的使用避免了产生料把，从而既节省了原料，同时又省去了以往需要通过手工、机械手或其他方式来去除料把的工序。第七，浇口（点式或阀式）。对于点式浇口而言，为了在每个成型周期中保持良好的热平衡性，其热流嘴尖必须具有熔化物料和冷却封口的功能。而阀式浇口则采用机械的方法来封住浇口。第八，温度控制。一般，每个喷嘴必须与一个相对复杂的温度控制器相连接。该控制通常采用PID算法来保证将热量控制在精确的公差范围内。目前，这种控制方法已在生产中得到了广泛应用。在当前的市场范围中，这种控制性还在不断提高，而其价格却在下降。第九，注塑机的特性。一般，对注塑机的具体要求包括：必须能够安装给定尺寸的模具、提供足够的合模力、按循环时间的要求进行操作、塑化足够的物料、满足严格的温度控制要求，以及能够精确注射。第十，喷嘴。目前在北美市场，已有超过20家来自全球的热流道供应商。当一些供应商还在声称他们的产品可适用于任何应用时，大多数的供应商已经有远见地选择一个或者几个更小的领域进行重点推广。例如，可为针对小型医疗器具领域、提供包括喷嘴在内的热流道系统的供应商，他们可能不再关注诸如飞盘之类的产品领域，尽管其热流道系统在此领域也是可行的。未来，模塑商可能会通过工业分类表、展览目录、网站和同事推荐等方式来查询并选择供应商。喷嘴的类别多种多样，一般可按尺寸、温度分布、物理特性、所用材料（铜、钢等等）以及维修的难易程度和价格等进行区分。模块式结构的数控磨床 三维反求技术
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图2 该喷嘴采用了一种正在申请专利的最新喷嘴设计，可显著地减少从喷嘴到模具的热量损失
有了上述基本认识后，模塑商就可以向热流道供应商了解其热流道是否能够很好地满足自己的成型需求。如果答案是肯定的，那么就需要做进一步的证实。这可以通过两种方式进行考量，一种是在一个使用了该热流道系统的相似应用中了解其应用效果，另一种方式是在热流道供应商的技术中心进行实际演示。尽管热流道供应商不可能对每种产品的应用都给出全面的评估，但由于多数产品的成型具有相似的要求，因此实验室的验证基本可以满足所有的要求。
当前的喷嘴技术
一些热流道系统的问题在于，通过喷嘴的热量损失通常高达40%。当加热器使位于喷嘴中部的树脂处于过热状态，或者热量绕过边缘传递到模具中时，物料就可能因过热而降解。
目前Volastic公司设计开发了一种新的喷嘴，正在申报专利技术，据说它能显著地减少这种典型的、从喷嘴到模具的热量损失。利用一种导热性硬质合金片，使得喷嘴轴得以延伸，从而可以直接将热量从加热器传递到喷嘴的端部。为确保温度的准确性，加热器由一个单独的热电偶控制。这种喷嘴设计为加工敏感性材料（如30%玻纤增强尼龙）提供了精确和更低的成型温度，从而可以避免生产中物料降解，并提高产品质量。除加热器和热电偶外，这种喷嘴可采用4种不同的材料制造，这些材料的功能与铍铜等知名的导热性材料相似。
Volastic公司还在热流道板和加热器的设计上避免了内部拐弯的尖角，并组合了易弯曲的镍加热丝和铸造转换阀（cast transition plugs）。该公司试图通过这种做法来提高其热流道系统在合金材料、高温应用和窄的操作窗口等方面的应用极限，同时加热器的使用寿命也因此而显著提高。 #p#分页标题#e#
本文设计了一种能够对轴承内环圆度进行智能检测的系统。该系统采用光电编码器等角度采样，数字显示，以及与上位机相连，克服了传统圆度测试系统不能防反转，且读数吃力、易出现误收和误废、不具有数据处理功能的不足。 
关键字：轴承检测;位移传感器;单片机;光电编码器：圆度仪
滚动轴承是一种具有高度互换性的标准部件，它具有摩擦力小、启动容易、润滑简单、便于更换等优点，是各种机械中传递运动和承受载荷的重要支承零件，在机械结构中几乎是不可缺少的部件。随着工业的发展，对轴承的性能、寿命和可靠性提出了更高的要求。滚动轴承的性能、寿命和可靠性，取决于其设计、制造和检测过程。而检测是提高轴承性能重要的一个环节。
轴承内圈是与轴密切接触的部件，其不仅存在着尺寸误差，而且存在着圆度误差、粗糙度误差和波纹度误差等。本文采用位移传感器测量轴承内环的圆度，光电编码器控制系统等角度采样，控制与数据处理单元采用8位W78E52单片机。通过串口将数据传到上位机，便于集中分析数据。外接LED，可以显示数据处理的结果，读数方便，从而实现了滚动轴承圆度检测的智能化、数字化。
1 系统的总体设计
该系统主要由三个部分组成:检测部分、信号采集与处理部分、输入输出部分，整体构架见图1。检测部分包括传感器、光电编码器、放大、滤波. 信号采集与处理部分负责AD转换、系统的控制和采样数据的存储. 输入输出部分由LED和键盘构成（如图1）。

图1 系统整体框图
轴承内环固定在一个浮动测头、两个固定测头上。位移传感器通过机械装置与浮动测头相连。光电编码器控制传感器等角度采样，传感器的信号经过放大、滤波进入A DC。单片机对ADC出来的信号进入处理与存贮。轴承内环旋转一周，数据采集完毕。最后单片机找出3数据中的最大与最小值，并计算出差值，通过LED显示出来。工件回转一周的最大读数差值F和圆度误差f的关系为 

式中 K——反映系数，由GBT 4380-1984查得[1]，即差值除以反映系数为圆度误差。 

2 检测部分 

2.1传感器的选用 

根据圆度仪标准JB/T 10028 1999，仪器误差A级中，测量系统线性误差不大于满量程的2%，测量系统灵敏阀不大于0.02μm[2]。 

本系统采用接触式的测量方法，因此选用稳定性好、结构简单可靠、抗干扰性强等优点的差动变压器式电感传感器作为位移传感器。 

本系统选用的中原量仪E-DT-80SB型传感器具有测量精度高,灵敏度高, 装夹定位容易等优点，满足圆度仪标准JB/T 10028 1999。虽然其动态响应频率不高,但也已经能完全满足圆度测量时的速度响应要求（采样点） 。性能如下： 

总行程（mm）： 3 
测量范围（mm）： ±0.5 
线性误差： ±0.5% 
重复性误差（μm） ：0.2
2.2差动变压器式位移传感器测量电路
差动变压器式传感器输出的是交流电压，若用交流电压表测量，只能反映衔铁拉移的大小，而不能反映移动方向，同时其测量值中将包含零点残余电压。故在实际测量时，通常采用相敏检波电路和差动整流电路。相敏检波电路，需要用初级激励电压作为相位参考来决定输出电压的极性，这就需要有恒定幅值和频率的激励信号源，需要补偿差动变压器初级和次级的相位偏移及温度、频率波动造成的误差。而差动整流电路不必考虑相位问题，电路也相对比较简单。本文选用差动整流电路对差动变压器的输出信号进行后期处理（如图2.1[3]）。

图2.1 全波差动整流电路图
2.3信号放大
传感器出来的信号一般比较弱，通常只有几毫伏到几十毫伏。本传感器输出信号范围是0.028mv～100mv，而A/D转换器要求满量程输入是±5v。故需放大以提高分辨率和降低噪音，也使调理后信号最大值和A/D最大输入值相等，以提高转换精度。就本题目而言，只有一个通道信号输入，为不致使放大最大信号超出ADC满量程，其放大倍数 

即信号放大电路采用增益K=50。
2.4滤波电路
在圆度测量中，由于各种噪声信号的影响，使得测量数据不可信，因此必须对原始的测量数据进行滤波，滤去不必要的高频信号，取得某特定频段的信号。在本系统中所用的是二阶RC有源低通滤波（如图2.2）。
2.5计数电路
计数方法可以用软件实现，也可以用硬件实现。用纯软件计数虽然电路简单，但是计数速度慢，容易出错。用外接计数芯片的方法，虽然速度快，但硬件电路复杂，成本较高。综合这两种方法，本文采用软硬结合的方式，即单片机内部的计数器来实现计数。
手动旋转轴承内环,速度不会过快也不会过慢,对于光电编码器的分辨率, 最高响应频率及允许最高转速要求不高; 光电编码器并不承受很大的外力,所以对其的力学性能要求也不高,考虑到工作环境,本文选择光洋旋转编码器TRD-2E A完成系统设计。其性能规格如下： 

项目: TRD-2E A 
分辨率:1024脉冲/转 
输出信号形式:A·B两相 
最高响应频率:200kHz 
容许最高转速:5000rpm 
起动扭矩 ≤0.001N·m 

图2.2 二阶压控电压源低通滤波器电路
表1 不确定为高或低电平 

将光电编码器的计数脉冲A端接D触发器的D端和单片机的外部中断INT1端，光电编码器的B端接D触发器的CLK端,经过D触发器之后的脉冲即方向控制脉冲（DIR）接到单片机的外部中断INT1端（如2.3图[4]）。打开相应的中断，并置T1的门控位GATE为1,这时，除需要将TR1置1外，还要使INT1引脚为高电平，才能启动计数器。由表1可知，仅当DIR是高电平，并且A为正或负跳变时，轴承内环正转。所以当满足内环正转条件后，传感器读数，并进行加计数。轴承内环转动一周，进入中断程序，将采集的数据送入PC，并计算出差值，从而得出圆度。 #p#分页标题#e#

图2.3 计数电路接线图
此电路在轴承内环反转和不转时，不采集数据。从而保证了数据的准确性，排除了操作员的抖动引起内环反转带来的不准确性。
3. A/D转换器的选择
对于A/D转换器的选择来说，转换率和分辨率是两个重要参数。其设计如下[5]：
3.1.转换率的选择
系统中，光电编码器控制着ADC的采样，光电编码器旋转一周，ADC采样1024次，手动旋转光电编码器旋转一周用时最少0.8秒，即光电编码器采样率最大为1.25,因此ADC的转换率要大于光电编码器采样率1.25。
3.2分辨率的选择
传感器测量范围±0.5mm，测量精度1μm。通过实际测量，传感器最大输出信号为1.25V，即为传感器最大测量位移±0.5mm，则当测头径向移动1μm，传感器输出信号电压为u， 即u为传感器最小输出信号。根据分辨率公式4.1

本系统ADC分辨率实际选择n=10。n取大值，A/D转换精度提高，但价格昂贵，不够经济。实际中，传感器输出信号太弱小，需经放大电路放大，放大的信号送入A/D就可降低A/D的分辨率，故选择n=10位。
综上所有计算结果结合实际工作情况，联系经济条件决定采用MOTOROLA 公司生产的一种基于CMOS 制造工艺的双积分型A/D转换器MC14433。其工作性能如下：
3（1/2）位双积分型ADC
工作电压范围为：双电源4.5-8V,
A/D转换精度为0.05%（11位二进制数），
对应于50-150kHz时钟频率，转换率为4-10T/s（大于光电编码器转换率）。
4.结论
本文介绍的滚动轴承圆度仪可以对轴承的圆度进行准确的测量，具有电路简单，稳定可靠的优点。采用光电编码器等角度采样，防止抖动（反转）导致的误差，提高了测量精度。采用LED显示，避免了传统轴承内环圆度测量仪读数吃力, 劳动强度大等的问题。采样数据通过串口发送到PC，便于集中分析轴承数据，弥补了传统的检测仪不具有数据处理的不足。该圆度仪结构简单可靠、测量精度高、稳定性好、经济性好，具有较好的应用前景。