淺談注塑生產的自動化改造

胡美珠 沈志林 劉興海 沈華權

摘要：隨著高分子聚合材料在醫療、食品、電子電器、儀器儀表等各個領域的廣泛應用，其產品的品質對注塑成型工藝的依賴程度越來越高，但隨著原材料價格的上漲用工成本的增加，市場的激烈競爭，為了保住市場份額，迫使生產企業不得不挖掘潛力降成本，改變傳統生產模式通過實行自動化改造改變傳統人工密集、環境臟亂型生產模式，采用集中供料系統、機械手、模具監視器，配以傳送機構等，以提高生產效率及產品質量，從而增強企業的競爭力，同時為企業樹立現代化工廠的形象，從“制造”逐步向“智造”轉變。

關鍵詞：注塑成型;供料系統;機械手;模具監視器

中圖分類號：TP2? 文獻標識碼：A? 文章編號：1672-9129（2020）02-0046-02

Abstract： with the polymer materials in medical treatment， food， electronic appliances， instruments and meters and other fields are widely used， its product quality more and more dependent on plastic injection molding process is high， but with the increase of raw material prices rising labor costs， to the fierce competition in the market， in order to retain market share， forced production enterprises to explore potential cost reduction， change the traditional mode of production by implement automation transformation to change traditional labor intensive， filthy environment， production mode， adopt centralized feeding system， manipulator， mold monitor， with the transmission mechanism， etc.， in order to improve the production efficiency and product quality， So as to enhance the competitiveness of enterprises， at the same time for enterprises to establish the image of modern factories， from "manufacturing" gradually to "intelligent manufacturing" change.

Key words： injection molding; Feeding system; Manipulator; Mold monitor

1? 概述

注塑成型工藝是高分子材料制品加工中非常重要的成型工藝，所涉及的行業及領域甚廣，如醫療、食品、化工、電子電器、儀器儀表。注塑成型必須借助注塑機和模具才能完成。注塑成型工藝原理是：將經加熱處于熔融狀態的高分子聚合材料以一定壓力快速噴注入閉合的模具型腔內，再經冷卻固化定型即得到成型制品的工藝過程。注塑成型適用于全部熱塑性材料和部分熱固性高分子材料，塑膠產品的大部分成品或零部件都是注塑成型制造的。注塑成型工藝的優點是制品花色多，制品尺寸精確，尺寸可由大到小，形狀可以由簡單到復雜、產品造型美觀，通過更換模具產品容易更新換代，根據產品大小、產量需求估算，結合注塑機配置設計一模出數，操作可實現自動化，生產效率高、適合大批量高分子材料產品加工領域。不利的一面是設備與模具成本高、成型工藝技術專業性極強，使用維護不當，易導致制品質量問題及設備和模具損傷。

2? 注塑成型生產的發展趨勢

注塑成型生產包含以下步驟：一、準備材料：一種情況是采用全新的塑膠原料，另一種是將全新塑膠原料與回收的水口等二次料按適當的比例通過混料機混合;二、配料著色：根據產品設計要求，對于需要著色的零件，則注塑前先在塑膠原料里添加相應的著色劑或色母料，充分混合均勻;三、原料干燥：因大多數高分子聚合材料具有一定吸濕性，原料中或多或少含有一些水分，水分對注塑制品的外觀及性能有不良影響，因此，在注塑成型前需通過干燥機對原料進行烘干處理;四、注塑成型：對塑膠原料進行前處理后，利用注塑機和模具按評定的合適的工藝參數進行加工生產，一個完整的成型過程通常包含合模、注射、保壓、冷卻固化、開模等動作過程[1];五、取成型制品、檢查、去水口;六、制品傳送、廢料回收。

注塑成型工藝從設計到生產管理是一個系統工程，涉及的知識面極廣;首先產品、模具結構設計要合理，要考慮高分子材料的特性，避免壁厚、圓角不合理導致的縮水、應力集中開裂問題，避免脫模不暢，拉傷頂裂產品;要保障注塑機性能，設定適宜的注塑工藝參數，不同顏色產品色粉或色母粒的配比使用，成型制品的外觀、性能測試，質量評判;車間現場保持整潔有序、設備人員安全等。注塑成型工藝設計不當或生產管理工作不到位，就會出現如一模出數少，生產效率低;水口多，原材料損耗大，脫模不暢，產品拉傷、頂裂，導致不良率高，甚至出現一些應力集中，短期問題不顯現，庫存一段時間后或已發到客戶手中才暴露，導致產品批量報廢或客戶退貨;模具使用不當損傷問題導致生產受到影響、不能按期交貨及發生安全生產事故等問題。我國不少注塑加工制造企業仍舊依靠廉價勞動力做些重復勞動工作，停留在“劣質、低效、高耗”的作坊式生產管理模式，如今原材料價格飛漲，但產品的價格卻因為競爭激烈并未跟著上漲甚至降低，另外隨著社會的發展，人們經濟條件的好轉，人們不再只關注薪資的高低，就業環境的好壞也是擇業重點考慮的選項;目前全國制造業面臨人力缺乏、人工成本持續高漲，企業面臨越來越多的挑戰，針對上述問題，采用自動化系統以節能、環保、減少人工，提高產品質量和生產效率來提高企業競爭力，已經成為業界的共識。

3? 供料系統改造

注塑車間采用集中供料系統可實現將多種原料自動供給不同的注塑機使用，其中包括原料從烘干、配色到水口料的粉碎并按比例回收利用，能夠實現這些過程自動化控制及監測，能保障24小時連續生產需要。集中供料系統集成度高，操作簡易人性化，只需少數幾個人即可控制整個注塑生產的供料需求，從而大大減少了人力成本。其次，減少了在注塑機旁堆放原料及配置上料、回料粉碎等輔助設備，提高了生產現場空間的利用率。集中供料系統可以根據產品要求、原料使用要求、車間布局設計出最優的方案，將使原料及粉塵對注塑生產的污染減至最低的程度，可以保持潔凈的車間環境，降低噪音，實現無人化的自動化生產車間，樹立現代化工廠管理的形象。綜上所述，注塑車間采用集中供料系統，具有高效、節能、個性化優點及現代化工廠的形象。

4? 機械手的應用

對于注塑成型加工制造商而言，時間就是金錢，想要提高生產效率就需要爭分奪秒，使用更高速、更靈活、更大負載的注塑機機械手設備，是實現自動化生產，提高生產效率實現成倍增長的利器。注塑成型生產實現自動化是企業發展的趨勢，也是企業提高市場競爭力的主要手段。所謂“工欲善其事，必先利其器”，注塑機械手是為實現注塑生產自動化配備的專業智能集成機械裝備，它可以替代人完成簡單、重復的體力勞動，提高了安全生產保障;機械手是通過可編程控制的，能夠模仿人體上肢的部分功能，使其按照設定要求輸送制品或進行生產操作的自動化生產設備[2]。它能夠提高注塑成型的生產效率、保持產品質量穩定、降低產品不良率，從而降低生產成本、增強企業的市場競爭力。因此，機械手在注塑成型生產中發揮越來越重要的作用。機械手取出產品放置在輸送帶上輸送至指定位置使無人全自動化操作變為可能，自動流水線更能夠節省場地，使得整個廠規劃更小，規劃布局更加緊湊、管理更方便。

5? 模具監視器的應用

模具作為注塑生產的關鍵設備，在整個注塑生產過程中，如因為不合理使用、不合規定的操作，會導致模具損傷，從而導致產品出現質量問題，交期延誤、材料浪費，注塑機運行時，每個周期內因為成型塑件殘留或滑塊錯位模具都有損壞的風險，給企業造成不可挽回的重大損失，另外，模具在注塑生產成本中占據較大的比例，其使用壽命也直接影響企業的生產硬件成本。實際生產過程中，企業經常碰到以下問題：1、注塑過程經常出現頂針卡死或粘模等現象，影響生產效率;2、模具故障頻繁，需要專人來維護和檢修，增加人工成本;3、停機修模，維修時間2-3天甚至更長時間，維修費用高達幾千元到幾萬元甚至到幾十萬元;4、交貨期延長，面臨賠償違約金的風險，最高達30%;5、不良品流出，客戶投訴，產品退貨，影響企業信用;因此，對注塑生產過程中的模具運行動作狀態進行全程監視，通過視覺系統的CPU對反饋數據進行實時處理，當出現異常時發出信號引導注塑設備自動停機是極其必要的！

機械手在注塑生產過程的應用，極大提高了生產效率、提高了生產質量的穩定性;但機械手只是替代人工，沒有視覺的功能，機械手的主要作用是把產品或水口取出;以及把植入鑲件埋入;簡單來說就是把已經成型的塑料制品搬運出來，或者把外部的鑲件搬到模具內部進行鑲嵌注塑，是點到點的搬運;機械手的動作是通過液壓或氣壓驅動的，液壓或氣壓回路是通過電磁閥的動作切換的，假如控制電磁閥的電路、電磁閥出現異常，或液壓、氣壓調節不當，都可能導致機械手夾取物品失敗;或者在放東西的時候東西沒有放掉就回到了原點，這種現象沒法避免;為了檢測機械手是否夾到物品，通常會給機械手裝上夾檢測/真空負壓檢測/抱具檢測。檢測原理一般使用磁性開關或微動開關判斷夾治具氣缸的活塞位置而判斷夾治具的狀態，比如說夾水口時我們需要知道夾子有沒有夾到產品，需要把感應器調到一個夾住水口亮燈有信號，夾不到和打開的時候都是沒有信號的狀態，從而完成夾具檢測。當有多個夾具時，把信號進行串聯實現檢測。但是在實際應用中，有很多模具機構使用機械手有時候會單獨取出水口而產品自然脫落，或者單獨取出產品而水口自然脫落，或者在植入鑲件時我們只能保證機械手已經放置但是無法確認放置是否正確到位，所以機械手只是提高了生產自動化，并不能保證模具安全。這樣就有必要增加視覺系統[3]，對注塑機運行情況進行實時監視、分析判斷、輸出控制，發現異常情況時，鎖定注塑機，起到保護模具，防止壓模，以免造成模具損壞導致的重大損失及停產風險。

模具監視器，又稱模具保護器、模具電子眼，可對各類型的注塑機在進行模具開模、脫模、合模的運行過程中，進行實時監視、控制，以保護模具避免非正常損壞。模具監視器由高分辨率的工業相機（或機器視覺系統）、CPU系統、外設端口控制系統等組成。通過工業相機對運行過程中的模具在開模、脫模、合模時抓拍圖像，通過CPU對圖像進行灰度等級處理以及特定的算法處理，有效判斷當前產品是否存在異常，當前模具運行是否存在隱患，如發現異常或分析存在安全隱患，模具保護器則發出異常信號，停止注塑機動作并報警提醒現場作業人員來確認警報情況并進行下階段處理。

6? 輸送帶的應用

輸送帶是自動化生產改造不可或缺的一部分，若機械手把注塑產品從注塑機模具取出來并放入中轉箱內，然后通過相關物流運輸到下一工序或車間進行下一工序作業，這樣不光會增加物流成本，而且在運輸過程容易把產品擦花，影響產品質量，尤其不適合高端產品。另外也容易使生產現場出現分散凌亂的現象，不利于生產現場管理。同時，注塑機在生產過程中，塑料粒子熔融需要加熱，加熱會使周邊溫度升高，材料高溫裂解也會排放出有毒的氣體，影響車間的作業環境及危害作業人員的身體健康，使作業人員流動性較大。如輔以輸送技術讓所有的注塑產品輸送到環境舒適的作業區域，原來車間繁忙的物流會變得順暢，員工的工作環境也會得到改善。

7? 總結

注塑車間通過改造，采用集中供料系統、機械手、模具監視器，配以輸送傳遞機構，能極大改善車間環境，提高生產效率、降低人力成本，提高產品質量，特別是在生物醫藥制造領域，更是可以通過自動化改造減少產品的直接接觸，降低初始微生物負載，對于保證產品的最終滅菌效果至關重要，通過改造也極大增強了企業的競爭力，引領制造業向“智造”轉型。

參考文獻：

[1]梁明昌，注塑成型工藝技術與生產管理，化學工業出版社，2014-01.

[2]滕宏春，皺華東，張驚雷，錢軍，工業機器人與機械手，電子工業出版社，2015-02

[3]呂景泉，蔣正炎，陳永平，湯曉華，工業機械手與智能視覺系統應用，中國鐵道出版社，2014-04

作者簡介：胡美珠（1969-）通信工程專業本科長期在企業和事業單位從事信號處理和自動控制儀器設備的研發。

沈志林（1971-）浙江省杭州市人。大學本科學歷，職務：總經理。研究方向為食品、藥品微生物檢測與控制技術。

劉興海（1979-）機械制造及自動化專業大學本科學歷，長期在生物醫療領域從事高分子聚合材料類產品的結構與模具設計研發。

沈華權（1982-）電子電氣技術專業大學專科學歷，長期從事儀器設備的控制系統設計與開發工作。