快速流量控制技術在冰箱內膽生產中的應用

江子杰 陸宏杰 劉水強 熊 偉

（中國電器科學研究院股份有限公司 廣州 510300）

引言

冰箱內膽在冰箱性能和外觀方面非常重要，它不但直接接觸食物，影響制冷效率，而且影響用戶打開冰箱的第一感官。所以，對于生產冰箱內膽的生產設備，其所生產的冰箱內膽大小、厚薄、平整度、形狀外觀及其生產節拍等參數都要求越來越高。

1 熱真空成型的生產工藝

真空成型工藝是指將ABS和HIPS等熱塑性材料板材加熱軟化，將軟化后的板材密封在模具和密封箱之間，抽真空使成板材與模具之間形成負壓，板材被吸附在模具表面，最終冷卻成型的一種工藝。其工藝流程如圖1。

圖1 熱真空成型生產工藝流程

圖2 真空成型后的冰箱內膽與外殼連接

其中內膽側邊成型的要求較高，其尺寸誤差將影響和冰箱羅拉槽的接觸密封性能，進而影響了冰箱的密封制冷效果，而內部可能因為拉伸不均勻出線開裂的現象。圖2是真空成型后的冰箱內膽與外殼連接。

為了達到良好的成型效果，熱吹泡和抽真空的速度和精度要求都很高。如果兩者控制不準確，反應速度不夠快，會出現吹泡膜高度不夠高、板材拉伸不足、吹泡膜被吹破、板材無法貼合模具、吸出的產品誤差高等情況。因此，需要控制吹泡和抽真空的速度和精度。熱吹泡又分為快速吹泡和慢速吹泡，抽真空也分為慢速真空和快速抽真空，成型工藝又分為凹模成型和凸模成型。

2 真空成型的現狀

現在的吹泡和抽真空流量控制系統中，技術手段比較落后，有手閥調整和電開度調整等技術手段，不過控制都不是毫秒級的，熱吹泡和真空吸塑過程中調整流量的快速反應性比較差，無法在控制過程中達到快速調整和快速控制的目的，而且由于氣體的控制不準確造成大量的能耗浪費，不符合綠色環保的倡議。因此為了提高冰箱內膽成型的精度，就要提高熱吹泡和真空吸塑工序，所以在熱吹泡和熱吸塑工序中則需要一種快速流量控制的技術，在這個氣體流量控制技術手段里面，采用一種快速流量控制系統。

通過此技術手段的改善，使得熱吹泡和真空吸塑工序具有響應速度快、能夠瞬時控制氣體流量、流量控制的精度高、結構簡單、一次投入成本低、節能環保等優點。從而使得板料成型后的尺寸誤差、外觀質量、生產節拍、能耗等得到提高，也進一步為冰箱產品升級變化打下堅實的基礎。

3 快速流量控制技術

快速流量控制系統，是指一種可以快速感應氣體流量并做出快速響應控制氣體流量的系統，采用該技術的系統，包括流量檢測單元、變頻器、流量泵、驅動控制單等執行控制單元，其優點是結構簡單、流量控制準確、成本低、其響應速度可達微秒級等。

其原理描述大概如下，脈沖電壓轉換電路用于把流量脈沖信號變成為流量電壓信號，信號放大電路對流量電壓信號執行信號處理之后，由電壓比較電路對目標和設定流量電壓執行對比，電壓比較電路用于對比分析流量電壓信號是否大于設定流量電壓值，并輸出對應于電壓信號的判斷結果，再由電壓電流轉換電路把判斷結果電壓信號變成為判斷結果電流信號，該判斷結果電流信號直接傳輸給變頻器控制輸出電流頻率，快速調整流量泵調整吹氣和抽真空流量。控制系統過渡過程的時間（即快速性）和最大振蕩幅度（即超調量）一般都有具體要求[1]，采用集成電路等新型手段，通過新技術從而快速控制真空成型和熱吹泡的流量和氣量，讓系統做到真正高效可控。

圖3 詳細結構如示意框架

圖4 驅動控制單元電路圖

系統主要由硬件設計（流量檢測單元、電源模塊、控制系統、驅動控制單元、監視系統、變頻器、流量泵）及算法軟件組成。其詳細結構示意框架如圖3。

3.1 驅動控制單元的設計

其中驅動控制單元由脈沖電壓轉換電路、信號放大器電路、電壓轉換電路、電壓電流轉換電路、驅動電路組成。

其流量的脈沖作為輸入，經過驅動控制單元的轉換，輸出為4～20 mA的電流信號到達下一個控制即其中有電源模塊和控制系統為其供電，為實現這個功能需要設計各自的電路模塊，相互配合才能達到目的，其驅動控制單元電路舉例如圖4。

1）脈沖電壓轉換電路是由運算放大器U6、算放大器U5、運運算放大器U4、二極管D1、三極管Q1、電容C3、電容C2、電容C1、電阻R6、電阻R5、電阻R4、電阻R3、電阻R2、電阻R1、基準電壓電路、RS觸發器、高精密電流源、三極管Q2、基準電壓電路、常開開關K1等組成。

2）信號放大電路由運算放大器U1、電阻R7和電阻R8組成。

3）電壓比較電路由運算放大器U3、電阻R12、電阻R11、電阻R10和電阻R9組成。

4）電壓電流轉換電路由運算放大器U2、可調電阻器R16、2.5 V穩壓管D3、電阻R15、電阻R13、可調電阻器R15、電阻R18、電阻R17和電阻Rf組成。

5）驅動電路由VOMS場效應管和電容C4組成。

通過此電路的配合，我們可以將氣體流量的數字量信號變成輸出的泵變頻器所需要的模擬量信號去驅動下一級變頻（模擬量變成頻率執行電路）。

3.2 電源模塊的設計

1）系統中有電源模塊位系統供電，系統中需要正負15 V的電壓，使用24 V直流模塊將24 V轉變為正負15 V直流電壓，此電壓作為電源模塊的輸出來提高系統穩定性。

2）該電源模塊可兼容不同設備標準來解決f/I電路和PLC共地點的問題，使用不同電壓變化模塊將不同標準的電壓轉換成F/I電路需要的電壓。

3.3 監控系統的設計

從用戶控制的角度出發，此系統需要一個反饋系統情況的監控系統，一般由可編程控制器（PLC），工站電腦（PC），服務器（Server）等上位機組成，主要用于反饋系統的運行情況和與其它設備通訊。現階段一般能接入安燈（Andon）, 制造執行系統（MES）等。便于位于上層計劃管理系統與底層工業控制之間的、面對車間層的管理信息系統，就工藝本身指導工業控制[2]。

3.4 變頻器與流量泵的設計

系統的輸出執行元件是流量泵，流量泵可以是變量泵等高精度的氣泵，進氣量的控制由電機把握，電機轉得快變量泵就轉得快，進氣量就大，同理抽真空也是如此。所以進氣量或抽氣量是由電機的頻率決定的，電機頻率的輸入端連接到變頻器輸出端，則變頻器的輸出頻率就可以控制流量泵的輸出流量了。在此過程中其實變頻器就充當把模擬量信號轉變成為了可變的頻率信號去驅動外部裝置。

3.5 流量監測單元的設計

流量監測單元安裝盡量接近熱吹泡和抽真空的出氣口，這樣方便采集真實的流量。通過串聯監測的方式，可以保證監測的精度。而由于反饋的是脈沖信號，所以保證響應速度快，且沒有累計誤差，保證系統的控制精度。而脈沖信號頻率選擇比較高，選用共模信號，所以同時又有抗干擾能力強的優點。設計走線也要注意做一些抗干擾措施，例如用屏蔽電纜，強弱電分開走線，用金屬波紋管等施工工藝，提供整體系統的穩定性。

3.6 流量泵的設計

輸出執行元件非常重要，其中選擇可以多樣且靈活，這里舉例了流量泵和流量閥，流量泵可以是真空泵或者高精度的定量壓縮泵。選用的同時可以配置一些通過頻率改變進出氣閥門開度的流量閥等，或者做成雙輸出雙閉環系統也可以。主體思想就盡量采用高質量的泵或閥充當輸出單元。

4 快速流量控制系統應用于熱真空成型工藝

上述快速流量控制系統通過流量泵控制了熱吹泡氣量和抽真空流量，通過流量泵的轉速調整了發泡機密封箱的氣量，而不像以前只是節氣閥的開度，最終系統采用兩疊加控制系統，雙閉環的方式來提高控制精度，同時此技術兼容支持凹模和凸模工藝。

在密封箱中的模具氣孔與箱體氣孔分開，快抽真空和吹氣共用箱體氣孔，慢抽真空和脫模吹氣共用吸塑模具氣孔，而其中的切換通過換路的組合閥控制，閥組切換不同的氣路進入密封箱和吸塑模具，從而使得快速流量系統配好的閥組接入到了密封箱，來控制密封箱氣量。

在熱真空成型工藝中，當發泡設備的發現密封箱的氣量偏離了用戶所設定的目標值，硬件電路馬上會響應，加上在軟件中也通過PID的調整，補充或減少密封箱氣量，在毫秒級的時間內即可做出調整，使得出氣量和抽真空量精確可控，而且變化可以是線性型的，中間沒有斷層，波動時間短。

通過上述手段就可以讓快速流量控制系統接入熱真空成型工藝，吹泡形狀和高度控制好，使得熱塑膜拉伸合理，不會吹破或厚度不均勻，下模臺上升時可以減少邊角位置出現褶皺等現象。而抽真空氣量控制好，則保證了吸出來的模形狀滿足要求，且可以吸出更多不同形狀的產品，同時能適應凹模和凸模工藝。而由于氣量控制好，則減少了吹泡破損情況，一旦破損就要停機等待冷卻和檢修，影響產量。通過上述方法加人控制系統，使得節拍JPH、CMK和MPBF都有所提高，使得設備符合DFSS標準。

冰箱生產內膽需要吸塑工藝，為了解決家電生產中吸塑工藝的缺陷，需要在熱真空成型工藝中加入快速流量控制系統。通過加入了快速流量控制技術解決了原來熱吹泡和真空吸塑成型中控制氣量速度慢和精度低等缺點，改善了冰箱內膽生產的質量和精度需要提高等問題，彌補某些家電產品外觀形狀能設計出來卻無法制造的不足。

5 總結

快速流量控制技術在冰箱內膽生產中的應用，打破了目前國內吸塑技術的瓶頸，可以大大地提升吸塑工藝的市場適應性，滿足產品設計的可制造能力，生產出更適應市場發展的產品，促進家電行業市場的發展。