連續(xù)擠出式中空成型機(jī)壁厚控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊鵬翔

（蘭州交通大學(xué)，甘肅蘭州730070）

0 引言

中空成型機(jī)按機(jī)頭結(jié)構(gòu)形式可以分為連續(xù)擠出式中空成型機(jī)和儲(chǔ)料式中空成型機(jī)，連續(xù)擠出式中空成型機(jī)用于小型中空制品的生產(chǎn)，儲(chǔ)料式中空成型機(jī)用于中大型中空制品的生產(chǎn)。不管是小型制品還是大型制品，在生產(chǎn)中，由于原材料的性能、塑化效果、料坯的擠出溫度和速度不同，型坯總會(huì)出現(xiàn)壁厚不均的缺陷，該類缺陷會(huì)造成用料成本上升及產(chǎn)品次品率上升等問題。目前研發(fā)壁厚控制系統(tǒng)的廠商有諸如MOOG、B&R、BECKHOFF等，但是在我國現(xiàn)有的中空吹塑成型機(jī)制造行業(yè)，由于技術(shù)壁壘和成本問題，很大一部分連續(xù)擠出式中空成型機(jī)并沒有配備壁厚控制系統(tǒng)，使用此類連續(xù)式擠出式中空成型機(jī)生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定，廢品率較高。所以，研發(fā)一種高效且性價(jià)比高的壁厚控制系統(tǒng)成為當(dāng)下連續(xù)擠出式中空成型機(jī)廠商亟需解決的問題。

1 連續(xù)擠出式中空成型機(jī)壁厚控制機(jī)理

連續(xù)擠出式中空成型機(jī)的機(jī)頭是一種直角結(jié)構(gòu)，其料坯的擠出方向與螺桿的軸向垂直。該直角機(jī)頭的主要特點(diǎn)是在機(jī)頭內(nèi)有分流梭，分流梭由分流頭、分流筋、芯棒組成[1]，如圖1所示，從前端擠出機(jī)擠出的熔體，經(jīng)擠出機(jī)接頭1，從分流梭3頂端的中心位置進(jìn)入機(jī)頭，向下按圓周方向分布，流過分流筋6，在芯棒4處重新匯合，擠出成型型坯。連續(xù)擠出式中空成型機(jī)，其壁厚控制就是對上述機(jī)頭的芯棒根據(jù)預(yù)設(shè)位置做軸向運(yùn)動(dòng)，從而對直角機(jī)頭口模5的開口量大小進(jìn)行控制來控制料坯的軸向厚薄，壁厚控制的作用是使擠出的型坯根據(jù)產(chǎn)品不同的吹脹比沿軸向獲得不同的厚度[2]，從而保證產(chǎn)品有比較均勻的壁厚。

圖1 連續(xù)擠出式機(jī)頭結(jié)構(gòu)

2 壁厚控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 整體設(shè)計(jì)

由于要對上述連續(xù)擠出式機(jī)頭中的芯棒進(jìn)行精確的軸向位置控制，所以采用PLC及D/A模塊、電液伺服閥、伺服放大器、位移傳感器、液壓伺服系統(tǒng)共同形成的針對芯棒位置的閉環(huán)位置反饋系統(tǒng)，如圖2所示。用戶可以在HMI中設(shè)定型坯注射的控制系數(shù)，設(shè)定后的數(shù)據(jù)被輸送到PLC中，PLC發(fā)出信號控制伺服閥放大器，從而控制電液伺服閥的直流電壓，改變通過電液伺服閥的液壓油量，使電液伺服閥通過伺服液壓油缸帶動(dòng)連續(xù)擠出式機(jī)頭的芯棒，根據(jù)預(yù)設(shè)位置做軸向運(yùn)動(dòng)，最終改變口模開口量的大小，從而對產(chǎn)品的壁厚進(jìn)行控制。

圖2 壁厚控制系統(tǒng)原理圖

2.2 控制系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)及數(shù)學(xué)模型

2.2.1 液壓伺服系統(tǒng)

連續(xù)擠出式中空成型機(jī)壁厚控制系統(tǒng)需要選用較高的供油壓力，以達(dá)到壁厚控制的控制精度，則液壓泵選用高壓泵。液壓伺服系統(tǒng)作為壁厚控制系統(tǒng)的液壓泵站，需要有極高的清潔度、完善靈敏的油液污染控制系統(tǒng)和油溫監(jiān)測系統(tǒng)，則需要配備三級過濾裝置（通入電液伺服閥前端的精密過濾器、進(jìn)油過濾器、回油過濾器）和油冷卻器。基于上述分析，該液壓伺服系統(tǒng)選用由電液伺服閥、伺服油缸、溢流閥、單向閥、油冷卻器、過濾器、單向閥、液壓泵、電動(dòng)機(jī)等組成的結(jié)構(gòu)，原理示意圖如圖3所示。

2.2.2 電液伺服閥選型及其數(shù)學(xué)模型

電液伺服閥是將電量轉(zhuǎn)變成液壓輸出量的電液轉(zhuǎn)換組件，是整個(gè)壁厚控制系統(tǒng)中的核心。電液伺服閥絕大多數(shù)采用兩級伺服閥結(jié)構(gòu)，第一級為液壓放大部分，第二級為滑閥功率放大部分[3]。直驅(qū)式電液伺服閥是一種新型的電液伺服閥，采用馬達(dá)直接驅(qū)動(dòng)閥芯運(yùn)動(dòng)，選用型號MOOG D636作為控制閥，采用數(shù)字式電子控制器[4]，這種伺服閥在設(shè)置和調(diào)整參數(shù)時(shí)非常方便靈活，并且能自動(dòng)消除由于環(huán)境變化引起的零漂的影響。電液伺服閥采用二階振蕩環(huán)節(jié)，其傳遞函數(shù)如下：

圖3 壁厚控制系統(tǒng)中的液壓伺服系統(tǒng)原理圖

2.2.3 伺服油缸選型及其數(shù)學(xué)模型

壁厚控制系統(tǒng)所用的油缸所受的載荷力很小，選用單出桿非對稱式伺服油缸作為負(fù)載油缸來驅(qū)動(dòng)芯棒的運(yùn)動(dòng)[5]，傳遞函數(shù)為：

式中：δh為伺服液壓系統(tǒng)阻尼比；ωh為伺服液壓系統(tǒng)固有頻率；A0為有桿腔和無桿腔面積。

2.2.4 位移傳感器選型及其數(shù)學(xué)模型

連續(xù)擠出式中空成型機(jī)壁厚控制系統(tǒng)的位移傳感器只有一個(gè)，安裝于伺服油缸軸端，用于監(jiān)測型坯的注射量。選用差動(dòng)變壓式位移傳感器，其鐵芯的位移量可轉(zhuǎn)換為PLC能夠識別的電壓信號。差動(dòng)變壓式位移傳感器輸出電壓在標(biāo)稱范圍內(nèi)與位移量成線性關(guān)系[6]，其傳遞函數(shù)為：

式中：Uf為反饋電壓；Xf為活塞帶動(dòng)鐵芯的位移量。

2.2.5 液壓油泵選型及其數(shù)學(xué)模型

加裝壁厚控制的連續(xù)擠出式中空成型機(jī)需要有獨(dú)立的油源，由于壁厚控制中最關(guān)鍵的就是對壁厚精度的控制，即需要有較高的供油壓力，并且該供油壓力達(dá)到最大負(fù)載時(shí)要保持恒定不變，所以選擇定量泵，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速確定后，定量泵流量和壓力也就恒定了。選擇力士樂A4FO系列開路式柱塞定量泵，擁有流量與驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速及排量成比例的壓力恒定特點(diǎn)，并且噪聲低[7]。傳遞函數(shù)為：

式中：Ad為反饋柱塞對定子作用面積；md為運(yùn)動(dòng)部件等效質(zhì)量；B為粘性阻尼系數(shù)。

2.2.6 伺服電控系統(tǒng)選型

2.2.6.1 HMI

選用威綸通TK6071iP觸摸屏，需要顯示各種數(shù)據(jù)，如壁厚控制系統(tǒng)各點(diǎn)的控制曲線、基本厚度曲線、口模開口量等。

2.2.6.2 PLC

PLC選用三菱FX3U-32MT，數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊選用FX3U-4DA。

2.2.6.3 伺服放大器

電液伺服閥的輸入信號是由伺服放大器處理的，伺服放大器是電液轉(zhuǎn)換功率放大的組件，選用三菱MR-J2S-200A。

3 壁厚控制系統(tǒng)Simulink仿真

連續(xù)擠出式中空吹塑成型機(jī)壁厚控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

圖4 連續(xù)擠出式中空成型機(jī)壁厚控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

以PLC的模擬量電壓輸出信號作為閉環(huán)位置控制系統(tǒng)的電壓輸入，芯棒的軸向位移量作為閉環(huán)位置控制系統(tǒng)的輸出，位移傳感器的測量信號作為閉環(huán)位置控制系統(tǒng)的反饋，在Simulink進(jìn)行仿真。將階躍信號通過伺服放大器加在電液伺服閥上，再引入PID控制器，以達(dá)到系統(tǒng)穩(wěn)定，如圖5所示。

圖5 壁厚控制系統(tǒng)仿真模型

仿真得出響應(yīng)曲線圖如圖6所示。

從圖6可以看出，該控制系統(tǒng)幾乎無超調(diào)，在3 s左右系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定，調(diào)整時(shí)間短，系統(tǒng)誤差小。

圖6 壁厚控制系統(tǒng)仿真響應(yīng)曲線圖

4 結(jié)語

本文根據(jù)連續(xù)擠出式機(jī)頭結(jié)構(gòu)闡述了連續(xù)擠出式中空成型機(jī)壁厚控制系統(tǒng)的機(jī)理，隨后對壁厚控制系統(tǒng)進(jìn)行整體設(shè)計(jì)，緊接著對壁厚控制系統(tǒng)的各控制模塊，包括液壓伺服系統(tǒng)、電液伺服閥、液壓油泵等進(jìn)行選型并給出數(shù)學(xué)模型，最后基于連續(xù)擠出式中空成型機(jī)壁厚控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖，在Simulink平臺(tái)上進(jìn)行仿真，得出本文所述壁厚控制系統(tǒng)，調(diào)整時(shí)間短，很快就能達(dá)到穩(wěn)定，滿足連續(xù)擠出式中空成型機(jī)的壁厚控制要求。