基于PLC控制的塑料注射成型機液壓系統的設計

葉金玲，葉峰

(1.廣東水利電力職業技術學院機械工程系，廣東廣州 510925;2.華南理工大學機械與汽車工程學院，廣東廣州 510641)

塑料注射成型機是一種專用的塑料成型機械，主要利用塑料的熱塑性，經過加熱融化后，再加以高的壓力使其快速流入模腔，經過一段時間的保壓和冷卻，成為各種形狀的塑料制品。注塑機通常由注射系統、合模系統、液壓傳動系統、電氣控制系統、潤滑系統、加熱及冷卻系統、安全監測系統等組成。文中主要研究其液壓傳動系統及電氣控制系統。

液壓傳動系統的作用是實現注塑機按照工藝過程的要求提供動力，并滿足注塑機各部分所需壓力、速度、溫度等要求。它主要由各種液壓元件所組成，其中液壓泵和電機是注塑機的動力來源，液壓閥控制油液的壓力和流量，從而滿足注射成型工藝各項要求。電氣控制系統與液壓系統合理配合，可實現注射機的工藝過程要求 (速度、溫度、壓力、時間)和各種程序動作，主要由電子元件、電器、儀表、傳感器、加熱器等組成。

1 注塑機液壓系統

注塑機液壓系統工作原理如圖1所示。由于該系統在整個工作循環中，合模缸和注射缸等液壓缸的流量變化較大，鎖模和注射后系統又有較長時間的保壓，為合理利用能量，系統采用雙泵供油方式，液壓缸快速動作 (低壓大流量)時，采用雙液壓泵聯合供油方式;液壓缸慢速動作或保壓時，采用高壓小流量泵2供油、低壓大流量泵1卸荷供油方式。執行元件除螺桿是單向旋轉外，其他機構均為直線往復運動。各直線運動機構均采用單活塞桿雙作用液壓缸直接驅動，螺桿則用液壓馬達驅動。鎖模時所需的力最大，為保證足夠的合模力，防止高壓注射時模具開縫產生塑料溢邊，該注塑機采用了液壓－機械增力合模機構，還可采用增壓缸合模裝置。系統完成的進給運動是:合模→注射→保壓→預塑→開模→頂出制品→頂出缸后退→合模→冷卻定型［1］，以上動作分別由合模缸、預塑液壓馬達、注射缸和頂出缸完成，另外注射座通過液壓缸可前后移動。

圖1 注塑機液壓系統圖

工作原理分析如下:

1.1 關安全門

為保證操作安全，注塑機都裝有安全門。關安全門，行程閥6恢復常位，合模缸才能動作，系統開始整個動作循環［2］。

1.2 合模

動模板慢速啟動、快速前移，當接近定模板時，液壓系統轉為低壓、慢速控制。在確認模具內沒有異物存在，系統轉為高壓，使模具閉合。這里采用了液壓機械式合模機構，合模缸通過對稱五連桿結構推動模板進行開模和合模，連桿機構具有增力和自鎖作用。

(1)慢速合模 (2Y、3Y1通電)。大流量泵1通過電磁溢流閥3卸載，小流量泵2的壓力由電磁溢流閥4調定，泵2的壓力油經電液換向閥5右位進入合模缸的左腔，推動活塞帶動連桿慢速合模，合模缸右腔油液經閥5和冷卻器回油箱。

(2)快速合模 (1Y、2Y、3Y1通電)。慢速合模轉為快速合模時，由行程開關發指令使1Y得電，泵1不再卸載，其壓力油經單向閥22與泵2的供油匯合，同時向合模缸供油，實現快速合模，最高壓力由溢流閥3限定。

(3)低壓合模 (2Y、3Y1、9Y1通電)。泵1卸載，泵2的壓力由遠程調壓閥18控制，因調壓閥18所調壓力較低，合模缸推力較小，故即使兩個模板間有硬質異物，也不致損壞模具表面。

(4)高壓合模 (2Y、3Y1通電)。泵1卸載，泵2供油，系統壓力由高壓溢流閥4控制，高壓合模，并使連桿產生彈性變形，牢固地鎖緊模具。

1.3 注射座前移 (2Y、5Y1通電)

在注塑機上安裝、調試好模具后，注塑噴槍要頂住模具注塑口，故注射座要前移。泵2的壓力油經電磁換向閥9右位進入注射座移動缸右腔，注射座前移使噴嘴與模具接觸，注射座移動缸左腔油液經換向閥9回油箱。

1.4 注射

注射是指注射螺桿以一定的壓力和速度將料筒前端的熔料經噴嘴注入模腔，分慢速注射和快速注射兩種。

(1)慢速注射 (2Y、5Y1、7Y1、8Y通電)。泵2的壓力油經電液換向閥15左位和單向節流閥14進入注射缸右腔，左腔油液經電液換向閥11中位回油箱，注射缸活塞帶動注射螺桿慢速注射，注射速度由單向節流閥14調節，遠程調壓閥20起定壓作用。

(2)快速注射 (1Y、2Y、5Y1、6Y0、7Y1、8Y通電)。泵1和泵2的壓力油經電液換向閥11右位進入注射缸右腔，左腔油液經換向閥11回油箱。由于兩個泵同時供油，且不經過單向節流閥14，因此注射速度加快了。此時，遠程調壓閥20起安全作用。

1.5 保壓 (2Y、5Y1、7Y1、9Y0通電)

由于注射缸對模腔內的熔料實行保壓并補塑，因此只需少量油液，所以泵1卸載，泵2單獨供油，多余的油液經溢流閥4回油箱，保壓壓力由遠程調壓閥19調節。

1.6 預塑 (1Y、2Y、5Y1、7Y0通電)

保壓完畢 (時間控制)，從料斗加入的熔料隨著螺桿的轉動被帶至料筒前端，進行加熱塑化，并建立一定壓力。當螺桿頭部熔料壓力到達能克服注射缸活塞退回的阻力時，螺桿開始后退。后退到預定位置，即螺桿頭部熔料達到所需注射量時，螺桿停止轉動和后退，準備下一次注射。與此同時，在模腔內的制品冷卻成形。

螺桿轉動由預塑液壓馬達通過齒輪機構驅動。泵1和泵2的壓力油經電液換向閥15右位、旁通型調速閥13和單向閥12進入馬達，馬達的轉速由旁通型調速閥13控制，溢流閥4為安全閥。當螺桿頭部熔料壓力迫使注射缸后退時，注射缸右腔油液經單向節流閥14、電液換向閥15右位和背壓閥16回油箱，其背壓壓力由閥16控制。同時，注射缸左腔產生局部真空，油箱中的油液在大氣壓作用下經閥11中位進入其內。

1.7 防流涎 (2Y、5Y1、6Y1通電)

當采用直通開敞式噴嘴時，預塑加料結束，要使螺桿后退一小段距離以減小料筒前端壓力，防止噴嘴端部熔料流出。泵1卸載，泵2壓力油一方面經換向閥9右位進入注射座移動缸右腔，使噴嘴與模具保持接觸，另一方面經換向閥11左位進入注射缸左腔，使螺桿強制后退。注射座移動缸左腔和注射缸右腔，油液分別經換向閥9和換向閥11回油箱。

1.8 注射座后退 (2Y、5Y0通電，5Y1斷電)

在安裝調試模具或模具注塑口堵塞需清理時，注射座要離開注塑機的定模座后退。泵1卸載，泵2壓力油經換向閥9左位使注射座后退。

1.9 開模

開模速度一般為慢→快→慢，由行程控制。

(1)慢速開模 (2Y、3Y0通電)。泵1(或泵2)卸載，泵2(或泵1)壓力油經電液換向閥5左位進入合模缸右腔，左腔油液經換向閥5回油箱。

(2)快速開模 (1Y、2Y、3Y0通電)。泵1和泵2合流向合模缸右腔供油，開模速度加快。

(3)慢速開模 (2Y、3Y0通電)。泵1(或泵2)卸載，泵2(或泵1)壓力油經電液換向閥5左位進入合模缸右腔，左腔油液經換向閥5回油箱。

1.10 頂出

(1)頂出缸前進 (2Y、4Y通電)。泵1卸載，泵2壓力油經電磁換向閥8左位、單向節流閥7進入頂出缸左腔，推動頂出桿頂出制品，其運動速度由單向節流閥7調節，溢流閥4為定壓閥。

(2)頂出缸后退 (2Y通電)。泵2的壓力油經換向閥8常位使頂出缸后退。

2 注塑機PLC系統

各執行元件的動作循環主要依靠行程開關切換電磁換向閥來實現，各液壓缸及電磁鐵通、斷電動作順序如圖2所示。

圖2中，a0、a1、a2、a3為合模缸的行程開關;b0、b1為注射座的行程開關;c0、c1、c2為注射缸的行程開關;d0、d1為頂出缸的行程開關;t1為控制慢速注射的時間;t2為控制合模保壓的時間;p為壓力開關，合模缸到達高壓值時該壓力開關動作。

注塑機在工作時動作比較多，且各個動作之間有嚴格的邏輯關系，每一工步的控制均可采用自動和手動兩種模式。液壓和PLC共同構成了控制系統，由PLC接受現場行程開關、保護開關和按鈕發出的信號，通過向電磁閥發出電信號來控制整個系統的運行［3］。

圖2 注塑機液壓系統電氣控制分析圖

2.1 PLC控制系統硬件組成

PLC控制系統硬件由輸入電路、輸出電路、PLC基本單元3部分組成。輸入電路由行程開關、啟動按鈕、保護開關組成。為實現成形沖壓機的上述控制要求，選擇三菱FX2N-48MR-001(24輸入/24點繼電器輸出)型PLC。

圖3 注塑機液壓系統PLC接線圖

2.2 自動工作狀態PLC控制程序

若采用PLC控制，則應當先規劃PLC的輸入、輸出口，PLC的硬件接線圖如圖3所示。

根據上述I/O口，設計PLC梯形圖，如圖4所 示。

圖4 注塑機液壓系統PLC梯形圖

3 結論

塑料注塑成型機通過液壓系統與電氣系統的良好配合，性能穩定，運行良好［4］，說明控制系統安全可靠，系統配置合理，并降低了設備的成本，提高了運行的自動化程度，達到了預期設計目的。

【1】周冬生.基于LabVIEW的SZ-250A型注塑機液壓控制系統［J］.電氣制造，2009(1):14－15.

【2】吳紅，周驥平.小型注塑機液壓驅動方式探討［J］.機床與液壓，2009，37(12):11 －12.

【3】朱春東，管倩，李福濤.對稱雙輥軋制機液壓系統及其PLC 控制［J］.液壓與氣動，2009(4):7－9.

【4】吳曉紅，朱琪.一種發電機聯軸器壓裝油壓機液壓系統的設計［J］.液壓與氣動，2010(6):9－10.