機鉸式注塑機鎖模力的精確檢測、自動調整及修正

蔡國強 蔡杰鋒

（1．南京工業大學，江蘇 南京 211816；2．仲愷農業工程學院，廣東 廣州 510225）

0 技術背景

注塑機更換模具后，由于模具厚度的改變，因此，需要對機器進行匹配性調整，從而獲得合適的鎖模位置及鎖模力。目前的注塑機通常標配自動調模功能，用戶安裝好新模具后，通過簡單的參數設置和操作步驟，就可以自動完成對模厚的調整。由于機鉸式注塑機受機械結構、制造公差和控制精度等因素的影響，調整后的鎖模力的實際值與目標值往往存在一定的偏差，可以通過進行漸近式的多次調整來修正該偏差，但自動調模時間就會比較長，有時甚至超過3 min，且它的成功率也偏低。

隨著塑料加工行業的不斷發展，它對鎖模力的控制要求也越來越高，知道實際鎖模力才能根據制品的需要對控制參數進行優化；鎖模力快速精準地自動調整有助于成型工藝的連貫，保證制品質量的穩定；利于對模具（尤其是貴重模具、特種模具）的保護，例如加強了對鋁材模具的保護并延長它們的使用壽命[1]。

目前在行業應用上，普遍通過檢測機械變形量來計算鎖模力，有以下3種檢測方法：1） 圖1是磁附式鎖模力檢測儀，通過檢測4條拉桿的變形量，將其換算成鎖模力。優點是可以同時檢測4根拉桿的受力，功能強大；缺點是體積大、價格高，適用于移動式檢測。2） 圖2是箍型鎖模力傳感器，形變片通過不銹鋼圈上下正對箍緊在2條拉桿上，變形量通過電壓模擬量信號反饋給控制系統，AD運算后獲得實際鎖模力。該方案安裝維護簡單、成本低，使用范圍較廣，其缺點是檢測精度相對較低，適用于檢測要求不高的場合。3） 圖3是形變片式鎖模力傳感器，傳感器用螺絲壓裝在尾板上（需要銑配合平面），當鎖模力建立時，尾板的變形傳導到傳感器，變形量通過電壓模擬量信號反饋到控制系統，AD運算后獲得實際鎖模力。該方案檢測結果會受鑄件組織、形態結構等因素的影響，目前較少使用。

圖1 磁附式鎖模力檢測儀

圖2 箍型鎖模力傳感器

圖3 形變片式鎖模力傳感器

1 技術方案

該方案采用拉桿變形位置檢測傳感器，對鎖模力進行精確地檢測，并通過對軟件程序的控制實現鎖模力快速自動調整和修正的功能。精確檢測是基礎，軟件控制是保障，2者相輔相成。

1.1 機械結構原理

拉桿式鎖模力檢測裝置示意圖如圖4所示。在拉桿靠近頭板側沿中心線加工長孔，檢測桿通過壓緊蓋與安裝支架同心固定，除接頭與拉桿內孔底部充分接觸外，檢測桿與長孔壁并無接觸；安裝固定時，彈簧預設一定的壓縮行程（需要大于最大鎖模力下的拉桿拉伸變形量）。當機器合模并且建立鎖模力時，拉桿受力拉伸，檢測桿由于受壓縮彈簧的推力，接頭端左移，保持與內孔底部充分接觸，即檢測桿會向左伸長，而伸長的距離會通過右側的位置（壓力）傳感器以電壓模擬量信號的方式反饋到控制系統，再經AD轉換并根據相關公式計算出對應的鎖模力。

1.2 電氣檢測及控制原理

電氣檢測及控制原理圖如圖5所示。對注塑機整機的控制，硬件采用奧地利B&R控制系統（面板PP250+PLC X20），軟件自行開發。該方案只著重介紹鎖模力的檢測及控制，對注塑機的通用及延展功能不做贅述。

圖5中檢測桿承受合模力后的拉伸量，通過鎖模力檢測（位置）傳感器，信號接入“編碼器放大板”（注：輸出Gray Code的無源觸點信號），再經“電平轉換板”轉為24 V正信號，接入PLC輸入模塊，由控制系統通過相關公式轉換，計算實際鎖模力。由于Gray Code信號穩定，并且鎖模力的調整具有可計算的理論根據，因此檢測穩定精確。

圖4 拉桿式鎖模力檢測裝置

1.3 調模計算根據

調模進給量是基于上一次的鎖模力偏差值，通過公式計算出下一次調模的目標位置。為了保證數據的準確性，該方案采用編碼器檢測調模位置，精度可達0.01 mm。

δ為調模進給量，其計算方程如公式（1）所示。

式中：δ1為拉桿承受合模力后的拉伸值；δ2為機械（包括模板、機鉸、間隙和模具等）的壓縮量。

δ1的計算方程如公式（2）所示。

式中：L為拉桿有效拉伸長度，L= 拉桿最大拉伸長度-最大模厚+當前模厚。

δ2的計算方程如公式（3）所示。

式中：△P為鎖模力設定值-鎖模力實側值。

注意，由于對同一套模具，承受鎖模力100 t與400 t的模厚是不同的，會有幾毫米的偏差，因此參數L也是個變值。

K4是受機器材質影響的參數，即使2臺同型號機器的K4也可能不同，但對單機來說其數值是固定的。

K5是受機器安裝和材質影響的參數，即使2臺同型號機器的K5也有可能不同，但對任意1臺機器來說，K5是固定的。

實驗證明，δ2是影響鎖模力自動調整和修正效果的主要因素，如果設置不當，自動修正程序會反復且次數較多，尤其在設定鎖模力接近標稱最大鎖模力區間段的時候。

綜上所述，自動調模進給量δ=δ1+δ2，其中δ2為主導因素，δ1為微調因素。

2 方案實施

2.1 鎖模力自動調整過程

公式中的K4、K5可以通過鎖模力校準值和軟件程序進行計算。在更換新模具后，根據不同的情況，計算并控制注塑機精確運行到調模進給量的目標值位置，軟件使用C語言編程，流程簡介見表1。

表1 鎖模力自動調整流程

圖5 電氣檢測及控制原理

2.2 鎖模力自動調整/修正操作

根據自動調模原理，該方案采用B&R控制系統，設計了操作頁面，如圖6所示，對頁面的簡要說明如下。

畫面中右側標注☆為輸出值，顯示當前機器的變量值或狀態值，不可修改；其他右側無標注☆為輸入值，只有具備相關密碼權限的人員，才可以修改對應數據。

2.2.1 拉桿檢測校正

對檢測傳感器的零位和最大值進行調校，如果調校錯誤，實際檢測回來的鎖模力就計算不準，后續的自動調整也就失去意義。調校過程為以下2條：1）開模到位，由于模具沒有接觸，因此鎖模力為零。將“鎖模力Gray Code”的讀數輸入到“最小值調校”欄，最小值調校完畢，這時“當前鎖模力kn”顯示零。2） 調整模厚到機器標稱最大鎖模力（需要用磁附式鎖模力檢測儀實際檢測），將“鎖模力GREYCODE”的讀數輸入到“最大值調校”欄，最大值調校完畢，這時“當前鎖模力kn”顯示機器的標稱鎖模力。

2.2.2 出廠參數調試

該部分參數非常重要，原則上不允許客戶自行更改，因此設置了操作允許條件，如果條件不符則功能選擇自動關閉，后面的數據欄變暗，不允許更改。調試過程為以下3條：1）調試模式+允許調模+安全門關閉+電機啟動+非自動調模+功能選擇。2）調模到大于當前模厚→合模將機鉸完全伸直→調模前直到不能再動，將“當前模厚：Puls”數值輸入到“接觸模厚：Puls”欄，將“當前鎖模力：kn”數值輸入到“接觸壓力：kn”欄。3）反復手動開模→調模前→合模，直到達到最大鎖模力并保持鎖模狀態→在調試模式+允許調模+安全門關閉+電機啟動+非自動調模+功能選擇條件下，將“當前模厚：Puls”數值輸入到“全壓模厚”欄，將“拉桿拉伸：Puls”數值輸入到“全壓拉伸量：Puls”欄→開模→關閉功能選擇，以防誤操作。注意，調試的過程，尤其是找最大鎖模力的過程相對較長，需要工廠調試人員有足夠的責任心、細心和耐心。

2.2.3 自動調模操作

經過上述調整后，自動調模可以通過以下3個步驟實現：1）安裝固定好新模具，用圈尺量出模具厚度。2）進入“調模”頁面，在“設定模厚：mm”欄輸入新模具的模厚，在“允許偏差：%”欄輸入要達到的精度，例如3%。3）按“調試”鍵進入調試模式→按“允許調模”鍵→再按“自動模厚調整”鍵，機器就按控制流程自動進行鎖模力調整，直到到達偏差范圍。如果調整完成，系統會報警并顯示“自動調模已完成”，如果調整過程出錯，機器會有相應警報提示信息，操作者可以據此排查故障。

2.2.4 鎖模力自動修正

在半/全自動過程中，模具受熱膨脹，模厚增大，實際鎖模力也變大。如果選擇該功能，則當出現實際鎖模力不在偏差范圍內時，機器自動將模厚調整到設定的鎖模力，調整完畢后繼續原來的自動流程；如果不選該功能，則機器將忽略實際鎖模力，繼續原來的自動流程。

圖6 鎖模力自動調整/修正頁面

3 方案效果機器參數配置

3.1 機器參數配置

機器鎖模力4410 kN，拉桿最大拉伸長度3460 mm，最大變形量1.39 mm，調模每毫米對應編碼器脈沖數1834.86，最小模厚370 mm，最大模厚820 mm。

3.2 拉桿參數調校

Gray Code最小值7377，最大值7077（2個數據用于計算實際鎖模力）。

3.3 出廠參數調試

接觸模厚917429 Plus，接觸壓力27 kN，全壓模厚909844 Plus，全壓拉伸量為2311 Plus。

3.4 調模設定數據

當前模具厚度500 mm，調模速度10%（每分鐘調模行程約為214 mm），補償因子100，允許偏差設置為3%。

鎖模力自動調整測試數據見表2。

表2 鎖模力自動調整測試數據

從上述數據可以看出，一次調模的最大偏差為-2.79%，符合客戶要求（≤3%），二次調模的最大偏差為-2.47%，三次調模的最大偏差為-0.73%，調模次數越多，精度越高。

換另一套705 mm模厚的模具測試，出廠參數不變，重新進行自動調模，也是一次調模即符合≤3%的偏差要求。理論上，只要基礎數據設定和機器調校正確，更換任何一套模具，設定任何鎖模力，幾乎都可以一次調模成功。

當然，要達到以上比較好的效果，除了控制和保證電氣和軟件外，還需要對機械設計、零件加工、安裝公差/調模馬達編碼器以及調模絲母設計等進行匹配性修改[2]。

4 結語

以上是機鉸式注塑機鎖模力的精確檢測、自動調整修正方案、控制流程以及典型功能的介紹， 其簡單、準確并且高效。整個過程一次性完成，總共用時不超過60 s。由于控制定位精準，鎖模力調整精確穩定，成本也相對可控，因此具有較好的性價比優勢，適用于對鎖模力、模具保護以及對產品精度要求比較高的場合。