直線位移傳感器在注塑機上的應用

陶永亮

(重慶川儀工程塑料有限公司技術質量部，重慶 400712)

注塑成型作為一種重要的成型加工方法，在機械、化工、汽車、儀器儀表、軍事國防、家用電器以及兒童玩具等都具有廣泛應用，并且生產的制件具有精度高、復雜度高、一致性高、生產效率高和消耗低的特點，有著良好的市場需求和廣闊的發展前景。塑件的加工精度一直是業界關心的話題，塑件的加工精度除了模具和工藝等因素外，與注塑機的控制精度有關，其中直線位移傳感器對注塑機的控制精度有較好的提高，直線位移傳感器在注塑機上控制和應用，易優化注塑生產流程，保證生產質量，并且降低了生產成本。

1 位移傳感器用于注塑機部位

注塑機的工作原理是利用塑料的熱塑性，將物料經料筒加熱圈加熱，使物料熔融，再以高速、高壓使其快速流入模具的型腔中，經一段時間的保壓、冷卻、固化定型后，模具在合模系統的作用下開啟模具，通過頂出裝置把定型好的制品從模具頂出。注射成型是一個循環的過程，每一周期主要包括:定量加料－熔融塑化－鎖合模－注射臺前移－施壓注塑－充模冷卻－注射臺后退－開模－頂出制品，取出塑件后又再閉模，進行下一個循環。在整個循環工程中，鎖合模和開模、注塑量控制和頂出制品距離等這幾個工位是需要精確控制的。而傳統的塑料注塑機中采用行程開關或拔動位置、或時間掣等控制單元來進行上述控制，如圖1所示。注塑機采用行程開關等控制，適應一些要求較低的制品，位置控制靠手工撥動。對于復雜的塑料制品，要求在注射行程中提高注射量的精確度，進行精確多級注射，才能獲得較好的塑件質量。對于厚薄不一、流程長、表面要求高、多彎道塑件，成型工藝比較復雜，若使用行程開關，時間掣等做粗略調整，容易產生塑件局部殘缺或嚴重溢料等，特別是透明件注塑，表面要求較高，難以保證塑件的質量。因此，提高注塑、預塑計量等精確度，既能保證塑件加工質量，又能降低機器的能耗［1］。

圖1 原來注塑機控制方式

隨著電子技術的發展，從20世紀80年代起，開始研究直線位移傳感器替代行程開關，時間掣等控制單元等。注射機的注塑量與鎖合模行程等控制對注塑機表現在塑件精度發揮著決定性的作用。近年來，隨著對生產過程中精度控制要求的不斷增高，更多的客戶選擇使用模擬量位置控制產品，更多的廠家和用戶關注到精度控制的重要性。2000年以后，舊機械手動系統已被數字自動系統取代。數字測量不但提高了精度，而且用戶能夠優化生產流程，保證生產質量，降低生產成本。這就是直線位移傳感器在注塑機應用得到很快發展的原因。

2 直線位移傳感器概況

2.1 直線位移傳感器組成及原理

直線位移傳感器，是傳感器里的一種。一般由拉桿、鋁管、線路板、電刷、電刷支架、高頻吸收電路、端蓋以及裝配部件等組成。其實際是一個滑動變阻器，是作為分壓器使用，以相對電壓來顯示所測量位置的實際位置。拉桿連接著電刷相當于電阻元件的運動作直線往返運動，當被測量發生變化時，通過電刷觸點在電阻之間的線性轉化。直線位移傳感器的功能在于把直線機械位移量轉換成電信號，并且該信號能夠與機械運動成正比。為達到這一效果，通常將可變電阻滑軌定置在傳感器的固定部位，通過拉桿在滑軌上的位移來測量不同的阻值。傳感器滑軌連接穩態直流電壓，允許流過微安培的小電流，滑片和始端之間的電壓，與滑片移動的長度成正比。將傳感器用作分壓器可最大限度降低對滑軌總阻值精確性的要求，因為由溫度變化引起的阻值變化不會影響到測量結果。電阻式位移傳感器主要應用在自動化裝備生產線對模擬量的智能控制。適用于注塑機等需要精確測量位移的場合，如圖2所示。

圖2 注塑機主要用電阻式位移傳感器原理和外觀示意圖

2.2 直線位移傳感器運用與益處

注塑機中大多數使用的直線位移傳感器是以電阻尺為主，成本低，使用廣泛。主要用在控制注塑料量位置，開合模位置和頂桿頂出位置，其安裝方式很簡單，如圖3所示。只需將傳感器主體部分安裝在機床固定在的被測部分的不移動端，拉桿端固定在被測部分的移動端，在移動端拉伸和壓縮拉桿距離轉換成電信號，對被測部分進行控制，精確控制上述位置。

圖3 電阻尺在頂出結構上安裝

在注塑循環各工序中，注射機的注塑與鎖合模行程控制對注塑機精度發揮了決定性的作用。位移傳感器具有精度高、線性范圍寬、對使用環境要求不高等一系列特點，在測量精密位移和檢測精密尺寸得到了廣泛應用。目前，一般液壓注塑機的鎖合模、注射臺移動、注塑和頂出制品位置控制精度在±0.1 mm，注塑時通過螺桿將熔融塑料注入模具型腔中，依靠螺桿驅動控制注塑和溶膠位置。鎖合模、注射臺移動、頂出制品以油壓控制，由壓力和速度控制其大小和快慢，位置由電子尺設定距離控制。合模裝置也有液壓式、機械式和液壓/機械混合式。在選用電子尺時，就一般的位移傳感器線性精度誤差＜0.05%F.S，重復性誤差＜0.05 mm，耐磨壽命 ＞100×106次［2］。重復性誤差是在全測量范圍內和同一工作條件下，從同方向對同一輸入值進行多次連續測量所獲得的隨機誤差。這兩項誤差是衡量傳感器的特性好壞指標。通過比較后這樣的位移傳感器完全能勝任注塑機各工序位置控制精度。

塑化位移重復精度在一定程度上反映了注塑量重復精度。注塑機的注射位移采用電子尺比傳統的限位開關提高了位移精度，在其他因素達到理想條件下，電子尺重復性誤差＜0.05 mm時，能提高注射量重復精度。同時，對注射壓力和速度的調節，提供了更方便的手段［3］。

塑件形狀結構復雜，成型要求高，應選擇多級注塑。多級注塑是在注射過程中，螺桿向模具推進熔體時，要求實現在不同位置上的有不同注射速度和不同注射壓力等工藝參數的控制［4］。多級注塑通過設置不同位置注射速度，壓力來充分改善熔體溫度的均勻性，進而改善充模過程，以獲得良好外觀，尺寸穩定，內應力小的注塑件。

一般的塑件注塑時至少要設定3段。水口流道為第1段、進澆口處為第2段、產品進膠到95%左右時為第3段、剩余的部分為第4段。對結構比較復雜、外觀缺陷多、質量要求高的膠件注塑時，需采用4段以上的射膠控制程序［5］。注射速度、保壓壓力、溶膠背壓是注射部分首先要控制的3個變量，其控制精度直接影響制品的質量。現先進的注塑機具備了5～10級的注射速度和多段保壓以及溶膠背壓控制。一般通過位移傳感器和其他傳感器配合使用，實現注射成型過程中溶膠背壓、注射速度和保壓工況的位置精確控制。多級注塑的應用實踐表明，連續批量注塑的制品的重復性和重復精度大幅度提高，目前常見的是同一種缺陷在同一部位重復出現。在射膠時，用于控制射膠螺桿的位移來控制熔融物料的用量，以保證精密注塑計量準確;準確控制開鎖模是精密注塑的必要條件，若位置不夠準確，則可能產生不完全合模，不能完成注塑。為得到密度均勻，應力小的塑料制品，必須嚴格控制速度來滿足注塑工藝要求。必須在熔融狀態將物料快速充滿整個模腔，如果此時射膠速度變慢，充模時間長，制品容易產生冷接縫、密度不均、應力大等缺陷。但是，若是射膠速度過快，熔融物料容易在澆注口處形成不規則的流動，并造成空氣吸入和排氣不良等現象而直接影響制品的表面質量。因此，有效控制注射位置及其表征的速度對于精密注塑來說非常重要［6］，更說明了位移傳感器在注塑機中應用的重要性。當然，影響注射量重復精度還包括背壓、轉速、溫度等各種因素有關。

2.3 直線位移傳感器發展趨勢

注塑機應用直線位移傳感器已有一段時間，從最初的電阻尺，發展到電位計式傳感器、磁致伸縮式傳感器，再到如今的新型電感式檢測原理，直線位移傳感器得到了不斷的發展。電位計式位移傳感器原理，將機械位移或其他能轉換為位移的非電量轉換為其有一定函數關系的電阻值的變化，從而引起輸出電壓的變化，即它通過電位器元件將機械位移轉換成與之成線性或任意函數關系的電阻或電壓輸出。受環境因素影響小、使用方便。但存在滑動觸頭與線圈等之間的摩擦，輸出能量要求較大，且磨損降低壽命和可靠性，也會降低測量精度。

原先的電阻尺被用于注塑機上，但這種產品無論是在精度、可靠性、行程和壽命都遠遠不及磁致伸縮位移傳感器，因為是接觸式的，碳刷經過長時間重復使用難免磨損，最終導致失效。在注塑現場，會有復雜的電磁和電壓波動干擾，對測量精度影響較大;對于精密注塑機來說，位移控制精度要達到0.01 mm，這里以1000 mm的尺子為例，對應電壓值為0.5 mV，這樣就提高了A/D采樣分辨率的要求，增加了PCB布線的難度，同時對電源也提出了更高的要求。將非接觸式的磁致伸縮式位移傳感器應用于注塑機，可以實現大尺度范圍內的精密測量，同時該傳感器還配備有CAN，SSI等數字接口，采用數字傳輸，最大程度上減少了精度在傳輸過程中的損失。

磁致伸縮位移傳感器，是利用磁致伸縮原理、通過兩個不同磁場相交產生一個應變脈沖信號來準確地測量位置的。測量過程是由傳感器的電子室內產生電流脈沖，該電流脈沖在波導管內傳輸，從而在波導管外產生一個圓周磁場，當該磁場和套在波導管上作為位置變化的活動磁環產生的磁場相交時，由于磁致伸縮的作用，波導管內會產生一個應變機械波脈沖信號，這個應變機械波脈沖信號以固定的聲音速度傳輸，并很快被電子室檢測到。由于輸出信號是一個真正的絕對值，而不是比例的或放大處理的信號，所以不存在信號漂移或變值的情況，更無需定期重標。目前，磁致伸縮位移傳感器已經在精密注塑機控制系統上的應用。與傳統傳感器相比，新型傳感器具有高精度、高穩定性等特點，為精密注塑提供了足夠的測量精度［7］。

電感式直線位移傳感器采用新的檢測原理，繼承了磁致伸縮直線位移傳感器優勢，在抗磁場干擾、抗振動性、外型緊湊程度有更好表現。采用信號采集和處理分兩個電路板的設計，使傳感器輸出類型的靈活性提高，只需更換不同的信號處理電路板就能改變傳感器輸出類型，這使產品成本降低。新型位移傳感器的測量原理是基于RLC耦合電路產生的，是電感式原理的革新技術［8］。傳感器集成了信號發射器和接收器線圈系統，發射信號線圈由高頻交流磁場激活并與位置塊相互感應產生一個RLC的感應電路，諧振器與接收線圈形成電感式耦合。在布有接收信號線圈的位置，電壓的變化由諧振器與線圈的感應而引起。這些電壓即為傳感器的測量信號。傳感器包含了一個粗略的和一個精確的測量線圈系統。前者負責粗略定位諧振器的位置，而後者負責精確定位。雙管齊下保證了它的精確測量。新型檢測原理不但保證了傳感器的精度，而且能夠使傳感器在非接觸的方式下工作，在允許范圍內，通過諧振電路改變傳感器輸出信號，從信號源頭增大了傳感器靈敏度［9］，如圖4所示。

圖4 Soway電感式直線位移傳感器

3 結束語

傳感器是儀器儀表的關鍵基礎元器件，傳感器技術是涉及到經濟及國防各領域的重要技術。其水平直接影響到自動化系統和信息系統的水平，自動化程度越高，對傳感器的依賴越大［10－11］。而信息往往是物質運動的量化表現，這種探測物質手段常稱為傳感器，作為獲取外界信息的傳感器，在決定注塑機控制精度方面發揮著核心作用。對于注塑機來說，位移控制無疑是重要的一部分，它直接影響塑料制品的質量，而由其表現的壓力和速度特性也關系著制品的內在品質和生產效率。隨著直線位移傳感器新品不斷涌現或被廣泛用于注塑機上，如磁阻直線位移傳感器［12］，柱柵數字式直線位移傳感器［13］等，對注塑機控制精度的提升有了很好的空間，將對提高塑件質量，節約生產成本具有重要的意義。

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［7］王智強，彭勇剛，韋巍.磁致伸縮位移傳感器在精密注塑機上的應用［J］.傳感器與微系統，2010，29(9):138－144.

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［11］徐開先，趙志誠.傳感器在儀表工業中的地位及國內傳感器產業存在的問題［J］.中國機電工業，2003(16):33－34.

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