擠出吹塑機(jī)型坯壁厚計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

□ 杜巧連 □ 陳旭輝

1.浙江師范大學(xué) 行知學(xué)院 浙江金華 321004

2.浙江金華市技師學(xué)院 浙江金華 321000

塑料擠出吹塑中空成型加工主要采用“擠出吹塑”原理，將塑料經(jīng)擠出吹塑機(jī)塑化達(dá)到熔融狀態(tài)后進(jìn)入機(jī)頭，形成制品型坯，當(dāng)下垂的型坯達(dá)到合格的長(zhǎng)度后立即合模，合模后吹氣成型即為中空制品。按塑料容器容積大小，中空塑料制品可分為小型（小于10 L）、中型（小于 25 L）、大型（大于 25 L）和超大型（100 L 以上）4個(gè)規(guī)格。擠出吹塑常被廣泛用來(lái)加工中型、大型甚至超大型的中空制品，型坯成型是擠出吹塑的一個(gè)重要階段，型坯過(guò)厚會(huì)使制品過(guò)重，造成不必要的原料浪費(fèi)，太薄，在吹脹過(guò)程中可能會(huì)吹破或者造成制品強(qiáng)度的不足。本文基于LabVIEW的計(jì)算機(jī)程序和伺服比例閥閉環(huán)控制設(shè)計(jì)的擠出吹塑機(jī)型坯壁厚控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以在現(xiàn)有擠出吹塑機(jī)的基礎(chǔ)上，僅通過(guò)增加2個(gè)位移傳感器、1個(gè)伺服比例閥和1臺(tái)工業(yè)計(jì)算機(jī)，就可以對(duì)現(xiàn)有擠出吹塑機(jī)進(jìn)行改造，測(cè)試證明，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)擠出吹塑型坯壁厚的精確控制，提高生產(chǎn)大型薄壁容器的技術(shù)水平。

1 擠出吹塑機(jī)型坯壁厚電液控制裝置的設(shè)計(jì)原理

大型薄壁容器在擠出吹塑加工過(guò)程中，由于坯料擠出時(shí)間長(zhǎng)，在重力的作用下坯料下垂，可能導(dǎo)致吹塑成型產(chǎn)品的底部壁厚大于頂部壁厚。因此，要使擠出吹塑產(chǎn)品的壁厚均勻，需要在坯料擠出過(guò)程中根據(jù)產(chǎn)品的外形、大小以及坯料的性能等參數(shù)，對(duì)擠出時(shí)的料口大小進(jìn)行不斷地調(diào)整，最終實(shí)現(xiàn)吹塑產(chǎn)品的壁厚均勻。

擠出吹塑機(jī)型坯壁厚控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，型坯壁厚控制系統(tǒng)是通過(guò)控制口模的開度，解決熔融的塑料型坯離開口模后由于自重下垂以及在吹脹過(guò)程中型坯各部分被拉伸程度不一致而造成的成品壁厚不均勻，以及解決形狀復(fù)雜的制品難以生產(chǎn)的難題。

▲圖1 擠出吹塑機(jī)型坯壁厚控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

型坯壁厚控制系統(tǒng)是通過(guò)液壓作動(dòng)器對(duì)擠料縫隙處錐體的升降進(jìn)行控制，其面臨的首要問(wèn)題是作動(dòng)器快速性與精度的問(wèn)題。控制點(diǎn)數(shù)越多，同一時(shí)間內(nèi)作動(dòng)器的最高往復(fù)次數(shù)越多，其速度越快。同時(shí)型坯壁厚控制系統(tǒng)的輸出位移還要?jiǎng)討B(tài)跟蹤用戶設(shè)定的型坯曲線，可見型坯壁厚控制系統(tǒng)是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的液壓控制系統(tǒng)。若采用普通比例方向閥對(duì)作動(dòng)器進(jìn)行控制，由于比例方向閥的響應(yīng)速度慢，不可能實(shí)現(xiàn)較多點(diǎn)的控制。電液伺服系統(tǒng)有許多優(yōu)點(diǎn)，其中最突出的就是響應(yīng)速度快、輸出功率大、控制精確性高，這恰恰是型坯厚度控制系統(tǒng)一個(gè)基本要求。為此本文采用伺服比例閥對(duì)液壓作動(dòng)器進(jìn)行控制，可使錐體位移的控制具有精度高、響應(yīng)快的特點(diǎn)，達(dá)到對(duì)型坯厚度進(jìn)行多達(dá)120點(diǎn)數(shù)的準(zhǔn)確控制。為了進(jìn)一步提高分辨率，采用插值算法，使設(shè)定點(diǎn)達(dá)到連續(xù)，并與控制周期實(shí)現(xiàn)同步。點(diǎn)陣曲線數(shù)值化后，作為給定信號(hào)，確定了型坯的壁厚形態(tài)。同時(shí)通過(guò)LabVIEW軟件程序設(shè)計(jì)，利用圖形用戶界面，用戶只需要通過(guò)鼠標(biāo)即可在屏幕的點(diǎn)陣編制窗中設(shè)定壁厚形狀，點(diǎn)陣數(shù)可達(dá)120點(diǎn)，使錐體的實(shí)際位移曲線與用戶設(shè)定的厚度曲線基本重合。

根據(jù)某現(xiàn)有的擠出吹塑設(shè)備在加工大型薄壁容器時(shí)的經(jīng)驗(yàn)可知，加工一個(gè)規(guī)格為50 L的容器，所需的坯料約5 L，坯料擠出時(shí)間一般在5～10 s內(nèi)，料口最大開度時(shí)料口控制缸行程不超過(guò)20 mm，系統(tǒng)工作壓力約10 MPa。

現(xiàn)有的擠出吹塑設(shè)備在坯料的擠出控制過(guò)程中，一般由2個(gè)油缸來(lái)實(shí)現(xiàn)。儲(chǔ)料缸用于控制每次擠出坯料的容積以及坯料擠出的速度，其容積大小一般由行程開關(guān)的位置來(lái)設(shè)定，擠出速度由節(jié)流閥來(lái)調(diào)節(jié)。料口缸用于控制坯料擠出時(shí)料口的大小，通常由行程開關(guān)調(diào)整好位置后，料口缸運(yùn)動(dòng)到行程開關(guān)位置時(shí)停止，然后儲(chǔ)料缸開始擠出坯料。在坯料擠出過(guò)程中，料口大小和儲(chǔ)料缸運(yùn)動(dòng)速度保持不變。

為了實(shí)現(xiàn)擠出吹塑時(shí)型坯壁厚的控制，需要在坯料擠出過(guò)程中按照事先設(shè)定的曲線對(duì)料口缸的位移進(jìn)行調(diào)整，因此需要在料口缸上安裝位移傳感器，檢測(cè)料口缸的實(shí)際行程并進(jìn)行位置閉環(huán)控制。料口缸需要根據(jù)儲(chǔ)料缸的位置來(lái)對(duì)料口進(jìn)行控制，控制方式一般有兩種：基于時(shí)間和基于位移。基于時(shí)間的控制方式需要事先對(duì)坯料的擠出時(shí)間進(jìn)行測(cè)算，其優(yōu)點(diǎn)是不需要位移傳感器，缺點(diǎn)是需要測(cè)算擠出時(shí)間。基于位移的控制方式需要在儲(chǔ)料缸上安裝位移傳感器，用戶只需通過(guò)程序設(shè)定儲(chǔ)料量的大小，程序就可以根據(jù)設(shè)定值進(jìn)行料口的控制。本文在對(duì)現(xiàn)有擠出吹塑設(shè)備進(jìn)行改造時(shí)，采用基于位移的控制方式。

2 擠出吹塑機(jī)型坯壁厚計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)硬件配置

考慮到系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可靠性、實(shí)用性及高性能價(jià)格比，型坯壁厚計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)選用研華公司的工控計(jì)算機(jī)IPC-610作為控制核心，其中PCI-1710數(shù)據(jù)采集卡負(fù)責(zé)采集儲(chǔ)料位移傳感器信號(hào)、料口開度位移傳感器信號(hào)，經(jīng)系統(tǒng)計(jì)算分析輸出驅(qū)動(dòng)模擬信號(hào)控制伺服比例閥及液壓系統(tǒng)換向閥，從而達(dá)到實(shí)現(xiàn)型坯壁厚控制。本設(shè)計(jì)選用BOSCH公司的0811 404 036伺服比例閥組成電液位置控制系統(tǒng)，以滿足實(shí)現(xiàn)連續(xù)控制，控制閥芯的移動(dòng)方向和位移，并具有較高的控制精度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)的要求。

擠出吹塑機(jī)型坯壁厚計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)工作原理為：由LabVIEW通過(guò)工控機(jī)發(fā)出指令到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，再經(jīng)過(guò)比例伺服放大器對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，放大后的信號(hào)控制壁厚控制系統(tǒng)的伺服比例閥，進(jìn)而控制料口缸運(yùn)動(dòng)；位移傳感器將采集到的位移信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)制電路傳送給數(shù)據(jù)采集卡，通過(guò)LabVIEW程序?qū)⒉杉ㄉ系臄?shù)據(jù)讀到工控機(jī)內(nèi)，將采集信號(hào)與設(shè)定的信號(hào)進(jìn)行比較來(lái)實(shí)現(xiàn)壁厚控制。

▲圖2 輸入流程圖

2.2 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)主要程序設(shè)計(jì)

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)采用的是第三方的硬件產(chǎn)品，在用LabVIEW開發(fā)程序時(shí)，需要安裝廠家提供的硬件驅(qū)動(dòng)程序，并通過(guò)調(diào)用驅(qū)動(dòng)程序VI實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件設(shè)備的配置，用戶調(diào)用數(shù)據(jù)采集函數(shù)編寫數(shù)據(jù)采集程序，實(shí)現(xiàn)性能測(cè)試模塊的功能。因此在編程之前，需要通過(guò)研華提供的設(shè)備管理器（Advantech Device Manager）完成PCI-1710各項(xiàng)屬性配置。使模擬量輸入以差分（Diff）方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，從而創(chuàng)建數(shù)據(jù)采集任務(wù)。

2.2.1 模擬量輸入流程圖

圖2所示為模擬量輸入流程。

2.2.2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)框圖程序

如圖3所示，本文介紹的框圖程序按功能塊來(lái)截取。驅(qū)動(dòng)程序VI采用了平鋪式順序結(jié)構(gòu)（Flat Sequence），這使程序運(yùn)行的結(jié)構(gòu)更清晰，通過(guò)捆綁（Bundle）函數(shù)將輸出的位移點(diǎn)數(shù)和位移捆綁在一起。

程序每次開始運(yùn)行，由空字符串?dāng)?shù)組對(duì)移位寄存器（Shift Regiter）賦初值，從而創(chuàng)建累積數(shù)據(jù)用空數(shù)組。

創(chuàng)建 “料口缸位移均值”的局部變量（Local Variable），通過(guò)While循環(huán)框上的移位寄存器以及創(chuàng)建數(shù)組（Build Array），實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)。

每次循環(huán)時(shí)，采集的數(shù)據(jù)由局部變量讀出后并入數(shù)組，并存儲(chǔ)在移位寄存器中，這一功能通過(guò)Case結(jié)構(gòu)由程序自動(dòng)實(shí)現(xiàn)切換。

2.2.3 曲線設(shè)定框圖程序

如圖4所示，伺服比例閥根據(jù)設(shè)定的曲線來(lái)控制位移的大小，從而實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)控制結(jié)構(gòu)，程序中采用了樣條插值，符合控制要求。

3 擠出吹塑機(jī)型坯壁厚計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)試驗(yàn)研究

為了對(duì)擠出吹塑機(jī)型坯壁厚計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行研究，預(yù)先設(shè)計(jì)了仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)控制方法、控制軟件進(jìn)行研究。之后，為了驗(yàn)證擠出吹塑機(jī)型坯壁厚計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的有效性，將這套系統(tǒng)加入到現(xiàn)有擠出吹塑設(shè)備中，進(jìn)行樣品試制研究。

▲圖3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)框圖

▲圖4 曲線設(shè)定框圖

▲圖5 生成控制曲線

3.1 樣品生產(chǎn)試驗(yàn)條件

實(shí)際生產(chǎn)使用的吹塑機(jī)的儲(chǔ)料缸缸徑為200 mm，桿徑為140 mm，行程為250 mm；料口缸缸徑為90 mm，桿徑為63 mm，行程為50 mm。儲(chǔ)料缸在實(shí)際生產(chǎn)中使用吹塑機(jī)上的原有泵站和閥組進(jìn)行控制，料口缸改用仿真試驗(yàn)時(shí)使用的泵站閥組進(jìn)行控制，由于實(shí)際工作中使用的料口缸參數(shù)與仿真使用的料口缸參數(shù)基本一致，因此在實(shí)際使用中對(duì)料口缸的控制性能與仿真實(shí)驗(yàn)時(shí)也基本一致，不同之處在于使用工作中存在一定的負(fù)載力，工作壓力設(shè)定為15 MPa。

3.2 生產(chǎn)試驗(yàn)結(jié)果

設(shè)備安裝調(diào)試后進(jìn)行了批量生產(chǎn)試驗(yàn)，試驗(yàn)生產(chǎn)某種規(guī)格為50 L容積的塑料容器，實(shí)際生產(chǎn)時(shí)的控制曲線如圖5所示。實(shí)際生產(chǎn)326件，合格326件，合格率100%。對(duì)產(chǎn)品重量進(jìn)行抽樣檢查表明，使用型坯壁厚電液控制系統(tǒng)后，可以節(jié)約約10%的材料。

4 結(jié)束語(yǔ)

該擠出吹塑機(jī)型坯壁厚計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)是基于LabVIEW的計(jì)算機(jī)程序和伺服比例閥閉環(huán)控制的壁厚控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以在現(xiàn)有擠出吹塑機(jī)的基礎(chǔ)上，僅通過(guò)增加2個(gè)位移傳感器、1個(gè)伺服比例閥和1臺(tái)工業(yè)計(jì)算機(jī)，就可以改造成具有型坯壁厚可控的吹塑機(jī)。該擠出吹塑機(jī)型坯壁厚計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)程序界面簡(jiǎn)單易用，用戶只需先在設(shè)置界面設(shè)定或讀入壁厚控制曲線，然后設(shè)定儲(chǔ)料量的大小，就可以按下“開始”按鈕進(jìn)行自動(dòng)生產(chǎn)。通過(guò)對(duì)塑料擠吹中空成型機(jī)整機(jī)調(diào)試結(jié)果表明：該型坯壁厚電液控制控制系統(tǒng)能很好地執(zhí)行所需功能，其調(diào)節(jié)特性、位置控制精度、重復(fù)性精度及可靠性均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。該控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能優(yōu)良，操作方便，工作可靠，適合國(guó)產(chǎn)大型塑料擠吹中空成型機(jī)推廣使用。

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