一種獨立完成注射功能PET 瓶胚注塑成型機的研究

易恒光

(廣州一道注塑機械股份有限公司，廣東 廣州 510640)

1 背景技術

現在，普通PET 注塑機在正常工作時遭遇突然停電時，在注射時、合模時、開模時、保壓冷卻時機器會停止工作，再次重新啟用時會有許多準備工作。不僅如此，異常停電還會使電氣和信息部件縮短壽命。由于PET 瓶胚模具具備多澆口、多型芯、多流道、型芯粗大的特點，倘若在保壓冷卻、塑化、注射時停止工作，會給工人后期的準備工作造成許多麻煩，共3 點要點。尤其是大型PET 瓶胚模具，型芯的數量最多、頂出力要求最大，給停電調整工作帶來的麻煩也最大。調整的工作分為以下3 種，參考圖1、圖2、圖3。

圖1 PET 瓶胚型芯（例）

圖2 PET 瓶胚型芯動模（例）

圖3 PET 瓶胚（例）

（1）手動調整肘桿、模板、模具位置。

此類情況一般發生在注塑機合模、保壓、開模時，重新進行注塑工作要讓動模板復位并觸發自動化，并且要騰好位置能進行廢料去除的工作。

（2）手動敲除粘在型芯上的瓶胚，去除主分流道廢料。

由于停電時間不能保證多少，一般有效的方法是盡快人工去除。人工速度慢、力小、易損壞，加上瓶胚冷卻一段時間后會緊緊粘在型芯上，比剛冷卻固化時粘力更大，工作效果更差，并且會容易造成相關模具的磨損、表面損壞、變形損壞或裂紋損壞，縮短壽命。

（3）嚴重時不得不拆開動模板、模具或肘桿系統。

此類情況一般是前2 種不起效或效率極低時發生。拆開后經過一段修整工作再重新裝上后調試，非常耗時和耗力，還更容易造成相關零件的磨損、表面損壞、變形損壞或裂紋損壞，縮短壽命。

2 效果概要

效果概要先寫供電正常運作下的主要內容，然后在此基礎上添加停電應急系統正常運行和停電應急系統補充運行的主要內容進行說明。

2.1 供電正常運作下主要內容

以不帶停電應急系統的塑化注射一級式PET 瓶胚注塑機（帶回收機械手）為例。在整個正常運行過程中，參與的主要運動部件有：蓄能器、開合模油閥、注射保壓油閥、頂出油閥、運動控制器、相關傳感器、油箱、油泵電機、塑化電機（或塑化油馬達閥）、回收機器手系統、轉換油閥。

正常運行簡要過程如圖4 所示。

圖4

2.2 停電應急系統正常運行的主要內容

假設在該系統加入了停電應急系統，主要比正常運行時多了1 個UPS 部件。

在遇到塑化、注射、保壓冷卻、開模、合模、頂出、運送時停電，都會先具備這樣的一個機制。UPS 在監測到外電源正常下除關機指令外處于待機同時自動充電，一旦停電，通過反饋信息到“外電源無”和“運動控制器開機中”，UPS 迅速供電，UPS 代外電源供電。而后UPS發信號給運動控制器，運動控制器啟用停電應急方案，發出警告信號。方案隨不同情況不同，共3 種。過程參考圖5。

圖5

2.2.1 在塑化、開模、合模時的停電方案

在運動控制器調節下，全部部件繼續工作。

待一次塑化、注射、保壓結束后，轉換油閥復位，待控制器收到轉換油閥復位的信息后，調節注射油閥、塑化電機（或塑化油馬達閥）待機實行不再工作指令。然后開模，開模至動模板走完開模行程，此時機器手系統開始工作，頂出閥在機械手到達預定位置后開始工作，將瓶胚頂出后復位，待機實行不再工作指令。而后機械手運送瓶胚至原位經傳感器發給運動控制器，在控制器調節下，開合模油閥待機實行不再工作指令。同時運動控制器發信號給油泵電機，油泵逐步停機，蓄能器開始減壓至0，油箱回油。

待蓄能器壓力為0 并將信號反饋給控制器，最后在運動控制器調節下，其他還在工作、待機的非傳感器非UPS 系統復位停機，待收到傳感器發來的各非傳感器非UPS 系統停機信號后控制器發出指令，傳感器停機，接著運動控制器發出最后的停機指令給UPS 后停機，后UPS也停機。過程參考圖6。

圖6

2.2.2 在注射時的停電方案

在運動控制器調節下，全部部件繼續工作。

待一次注射、保壓結束后，轉換油閥復位，待控制器收到轉換油閥復位的信息后，調節注射油閥、塑化電機（油馬達閥）待機實行不再工作指令。然后開模，開模至動模板走完開模行程，此時機器手系統開始工作，頂出閥在機械手到達預定位置后開始工作，將瓶胚頂出后復位，待機實行不再工作指令。而后機械手運送瓶胚至原位經傳感器發給運動控制器，在控制器調節下，開合模油閥待機實行不再工作指令。同時運動控制器發信號給油泵電機，油泵逐步停機，蓄能器開始減壓至0，回油到油箱。

待蓄能器壓力為0 并將信號反饋給控制器，最后在運動控制器調節下，其他還在工作、待機的非傳感器非UPS 系統復位停機，待收到傳感器發來的各非傳感器非UPS 系統停機信號后控制器發出指令，傳感器停機，接著運動控制器發出最后的停機指令給UPS 后停機，后UPS也停機。過程參考圖7。

圖7

2.2.3 在保壓冷卻時的停電方案

在運動控制器調節下，全部部件繼續工作。

待一次保壓結束后，轉換油閥復位，待控制器收到轉換油閥復位的信息后，調節注射油閥、塑化電機（油馬達閥）待機實行不再工作指令。然后開模，開模至動模板走完開模行程，此時機器手系統開始工作，頂出閥在機械手到達預定位置后開始工作，將瓶胚頂出后復位，待機實行不再工作指令。而后機械手運送瓶胚至原位經傳感器發給運動控制器，在控制器調節下，開合模油閥待機實行不再工作指令。運動控制器發信號給油泵電機，油泵逐步停機，蓄能器開始減壓至0，回油到油箱。

待蓄能器壓力為0 并將信號反饋給控制器，最后在運動控制器調節下，其他還在工作、待機的非傳感器非UPS 系統復位停機，待收到傳感器發來的各非傳感器非UPS 系統停機信號后控制器發出指令，傳感器停機，接著運動控制器發出最后的停機指令給UPS 后停機，后UPS也停機。過程參考圖8。

圖8

2.3 停電應急系統補充運行的主要內容

UPS、停電傳感器、電容等也會有故障的時候，在這些時候停電的話，正常的應急方案不起作用，這時需要補充方案。在無法全部部件開機的情況下實現局部開機，實現系統最低效果，盡可能為準備工作帶來方便。只限于開合模運動、運動控制器、頂出運動、注射保壓運動、塑化電機運動（油馬達閥運動）、機械手系統運動、轉換閥運動、回油運動相關必要的部件，非必要和其他不啟動。

當上述情況發生后，都會先有這樣的一個機制。UPS通過反饋信息到“外電源無”和“運動控制器關機”，先自動給控制器開機，等控制器開機成功后發送補充方案啟動的信號。而后運動控制器開始執行補充方案，先檢測停電系統正常運行方案無法啟動的原因。倘若是零件損壞問題，發出零件損壞信號，等待人工處理；倘若是零件一時失靈問題，就開始標準流程。標準流程共3種情況。參考圖9。

圖9

2.3.1 根據信息確定在塑化、開模、合模停電時

在運動控制器調節下，開合模運動、頂出運動、注射保壓運動、塑化電機（塑化油馬達閥）運動、機械手系統運動、回油運動、傳感器相關必要部件啟動待機，其他不啟動。

啟動的部件繼續工作，待一次塑化、注射、保壓結束后，轉換油閥復位，待控制器收到轉換油閥復位的信息后，調節注射油閥、塑化電機（油馬達閥）待機實行不再工作指令。然后開模，開模至動模板走完開模行程，此時機器手系統開始工作，頂出閥在機械手到達預定位置后開始工作，將瓶胚頂出后復位，待機實行不再工作指令。而后機械手運送瓶胚至原位經傳感器發給運動控制器，在控制器調節下，開合模油閥待機實行不再工作指令。同時在運動控制器調解下，蓄能器開始減壓至0，油箱回油。

待蓄能器壓力為0 并將信號反饋給控制器，最后在運動控制器調節下，其他還在工作、待機的非傳感器非UPS 系統復位停機，待收到傳感器發來的各非傳感器非UPS 系統停機信號后控制器發出指令，傳感器停機，接著運動控制器發出最后的停機指令給UPS 后停機，后UPS也停機。參考圖10。

圖10

2.3.2 根據信息確定在注射時停電時

在運動控制器調節下，開合模運1 動、頂出運動、注射保壓運動、機械手系統運動、回油運動、傳感器相關必要部件啟動待機，其他不啟動。

啟動的部件繼續工作，待一次注射、保壓結束后，轉換油閥復位，待控制器收到轉換油閥復位的信息后，調節注射油閥待機實行不再工作指令。然后開模，開模至動模板走完開模行程，此時機器手系統開始工作，頂出閥在機械手到達預定位置后開始工作，將瓶胚頂出后復位，待機實行不再工作指令。而后機械手運送瓶胚至原位經傳感器發給運動控制器，在控制器調節下，開合模油閥待機實行不再工作指令。同時在運動控制器調節下，蓄能器開始減壓至0，回油到油箱。

待蓄能器壓力為0 并將信號反饋給控制器，最后在運動控制器調節下，其他還在工作、待機的非傳感器非UPS 系統復位停機，待收到傳感器發來的各非傳感器非UPS 系統停機信號后控制器發出指令，傳感器停機，接著運動控制器發出最后的停機指令給UPS 后停機，后UPS也停機。參考圖11。

圖11

2.3.3 根據信息確定在保壓時停電時

在運動控制器調節下，開合模運動、頂出運動、注射保壓運動、機械手系統運動、回油運動、傳感器相關必要部件啟動待機，其他不啟動。

啟動的部件繼續工作，待一次保壓結束后，轉換油閥復位，待控制器收到轉換油閥復位的信息后，調節注射油閥、塑化電機（油馬達閥）待機實行不再工作指令。然后開模，開模至動模板走完開模行程，此時機器手系統開始工作，頂出閥在機械手到達預定位置后開始工作，將瓶胚頂出后復位，待機實行不再工作指令。而后機械手運送瓶胚至原位經傳感器發給運動控制器，在控制器調節下，開合模油閥待機實行不再工作指令。同時在運動控制器調解下，蓄能器開始減壓至0，回油到油箱。

待蓄能器壓力為0 并將信號反饋給控制器，最后在運動控制器調節下，其他還在工作、待機的非傳感器非UPS 系統復位停機，待收到傳感器發來的各非傳感器非UPS 系統停機信號后控制器發出指令，傳感器停機，接著運動控制器發出最后的停機指令給UPS 后停機，后UPS也停機。參考圖12。

圖12

3 實施方案概要

以下是在沒有停電應急系統的PET 瓶胚注塑機的基礎上進行改造，主要8 點要點。

3.1 新增1 套大容量智能型UPS

（1）至少能存儲供機器全部部件正常運行2 個周期的能量，以及足夠的電壓、電流、頻率，在不啟動電源時自動充電。

①設UPS 可正常存儲的最小能量為W，機器正常進行注塑的1 周期運行時間為t，電池工作電壓為U（標準件參數），U1為電池內電阻（標準件參數），U2X為UPS常供電部分用電壓，U3X為選擇供電部分運行正常狀態下工作用電壓，I 為UPS 電池供電時的額定電流（標準件參數），I2X為UPS 常供電部分工作用電流，I3X為選擇供電部分運行正常狀態下用最大工作電流。（x 指不同的部件序號，k 為UPS 常供電部件數，p 為UPS 選擇供電部件數）則可求：

②設UPS 的電池容量為Ah（標準件參數），再根據以上參數，可求：

（2）該UPS 有常供電、選擇供電這2 個基本功能，由內部的信息系統直接調節。參考圖13、圖14、圖15和圖16。

圖13

圖14

圖15

圖16

（3）具備一定的智能信息功能。有一定的處理能力，有手動和自動模式，除能控制內部的元件運行外，還能和外部的信息系統互動，接受和發送指令。既有一定的調節性，又具備被調節性。外部的信息系統，如停電傳感器、運動控制器、編碼器、反饋型電容，參考圖13 和圖14。

3.2 新增1 個大容量反饋型電容

（1）能維持斷電后一定時間內的機器正常運行，可正常儲存的能量足以使自動型UPS 在收到外電源無的信號后啟動代替外電源。假設自動型UPS 通過停電傳感器檢測到外電源無并啟動代替外電源時間為3s，那么電容能維持的時間至少要6s。電容和UPS 關系如圖14所示。

設電容最大工作容量為C（標準件參數），可正常儲存的最大能量為，為電容工作電壓（標準件參數），為UPS 啟動時間，為電容的工作電流，結合3.1 中的參數，可求：

（2）具備反饋信息功能。如能反饋電量、電壓多少，運動控制器或UPS 能辨識，以協助方案的運行。參考圖14。

3.3 進行程序修改

3.3.1 主機制編程

依據前述效果概要對已有主機能程序上配合各新控制元件運行在運動控制器和智能UPS 上進行改造性編程。

3.3.2 開關機程序注意

由于新增了停電應急系統，機器在正常開關機時需更改機制適應，主要3 個要點。

（1）正常開機時由運動控制器先接通外電源開機，然后由運動控制器發指令給UPS 開機，也可在控制器開機后再手動UPS 開機，以防程序混亂。

（2）運動控制器在進行正常關機程序時，UPS 在運動控制器發送關機命令后關機，不可以切斷外電源之后才關機，以防程序混亂。外電源繼電器應該和UPS 有感應關系，等待UPS 關機之后外電源繼電器才感應斷電，切斷與外電源的連接。參考圖15。

（3）倘若在機器執行停電應急方案關機時外電源恢復到可接通狀態下，應該等待停電應急方案執行完畢，機器完全關機后，再接通外電源重新開機，以防程序混亂。

3.4 電子元件增加

配合智能型UPS，增加或換替相應的電子元器件，如停電傳感器、編碼器、通電傳感器、各類多位傳感器等。

（1）停電傳感器能夠在電路從有到無電流的瞬間發送停電信號，都由UPS 獨立供電。參考圖13、圖14 和圖15。

（2）編碼器屬于輔助作用，用于構建UPS 等新部件和舊部件之間的信息聯系。參考圖13。

（3）通電傳感器能夠在電路從無到有電流的瞬間發送通電信號，都由UPS 獨立供電。參考圖17。

圖17

（4）各類多位傳感器替換對應原來的少位傳感器，能夠提供更多的機器狀態信息給運動控制器，以更準確判斷機器的停電時運動狀態，能使運動控制器更好把握停電應急方案的運行。參考圖13。

3.5 新增所要的電氣輔件

（1）需配置停電繼電器。

由UPS 獨立供電，停電繼電器在非關機狀態下外電源切斷下瞬間切換電路，連接起UPS、電容、零線電路，斷路電容和外電源+，使電容和UPS 成為電源。UPS 關機后斷電復位，等待下一次工作。參考圖16。

（2）需配置防倒流繼電器。

由UPS 獨立供電，并且與UPS 成感應關系，當UPS開始作為替代電源時斷路電容和工作部件+，防止電容逆向充電。UPS 關機后復位，等待下一次工作，參考圖16。

（3）需配置靜電消除器。

由于UPS 屬于電池，內含能量屬于超大功率級別，會在不開機時自然放電，產生對人身體有害靜電，同時也會對機器本身的薄弱零件產生危害，特用消除器進行靜電凈化。

（4）此外有保險裝置、逆變器、整流器、變壓器、穩壓器等。

3.6 實現補充方案時所需增加更多蓄能器來保留能量，編為緊急蓄能器組

緊急蓄能器組的功能是在油泵伺服電機無電源時或供能不足時接入常用油路，以維持足夠的油壓，在正常方案下油泵功率不足或補充方案啟動下油泵停機時能發揮作用，平時的液壓保持工作主要由油泵電機進行，常用蓄能器組為輔助。

（1）緊急蓄能器組應該具備比常用蓄能器組提供足夠流量功能的特點，可有效保證基本功能實現。

在此時，油泵因轉速不足或逐步停下，其保持液壓的任務會主要落在蓄能器上。因而其容量至少能保證油泵電機停電后液壓在正常運行2 周期內不影響局部運行油壓工作部件運行需求，帶有蓄能計，能反饋能量已蓄能多少。

①設緊急蓄能器組工作容量為a，開合模油缸（一般1 個）一個方向運動工作容量為b，頂出油缸（全部）一個方向運動工作容量為c，假如有輔助頂出油缸（全部）的話其一個方向運動工作容量設為，注射油缸（全部）工作一個方向運動工作容量為d，轉換油缸（一般1 個）一個方向運動工作容量為e。倘若還使用了塑化油馬達或機械手油馬達，那么塑化油馬達（一般1 個）一個方向運動工作流量為f，機械手油馬達（一般1 個）一個方向運動工作流量為g，工作系數為θ，θ 大于1。流量單位為。

所需工作容量計算如下：

知道工作容量a 后，就可選取緊急蓄能器的額定工作容量x（標準件參數）和個數y 了，同時設為蓄能器的額定壓力（標準件參數），油壓為F。x 和a 的關系：

②設PET 模具一個模腔保壓時軸向壓力為r，模腔數為m，各油缸工作行程為Sx（x 指不同油缸），模具流道和融液摩擦力為β，肘桿系統在開合模油缸軸向外力轉化系數為ε（負載力轉化為油缸力），則可求：

③設冷卻后的單個塑件和型芯之間的粘著力在頂出油缸軸向上投影為z，應用上述參數，可求：

C2類比。

④設熔融狀態下的PET 材料和螺桿材料的單位面積摩擦力為Fo，融液和各螺槽的接觸面積為Nx（x 指螺槽序號），h 指螺槽數，螺桿和料筒的單位面積摩擦力為γ，接觸面積為n，油馬達工作力為Fy（標準件參數），油馬達每走一圈的流量為Y（標準件參數），Sf 為油馬達轉動圈數。則可求：

⑤設機械手油馬達轉子外負載重力為G，機械手油馬達轉子和定子的摩擦系數為δ，油馬達工作力為Fx（標準件參數），油馬達每走一圈的流量為X（標準件參數），Sg 為油馬達轉動圈數。可求：

⑥設轉換閥芯材料與熔融狀態下的PET 材料單位摩擦力為F1，軸向最大接觸面積為u，閥芯和閥的最大摩擦力為λ，可求：

（2）由于具備比常用組更高容量，緊急蓄能器組應該獨有一套控制模塊，該模塊至少包括蓄能控制閥、工作控制閥、停電傳感器、運動控制器。處理模塊為運動控制器，蓄能控制閥、工作控制閥為調節模塊，停電傳感器為反饋模塊。該模塊具有手動或自動控制接入模式。

自動模式下，調節模塊和反饋模塊獨立由UPS 供電，緊急蓄能器組的調節模塊能接受運動控制器調節，能通過傳感器反饋狀態給運動控制器，能執行斷電模式、供能不足模式和蓄能模式3 種模式：

①斷電模式啟動時：配置停電傳感器感應工作功能，具備一檢測到油泵電機斷電就由運動控制器調節工作控制閥使緊急蓄能器組基本油路接入，此時蓄能控制閥關。當機器執行關機程序時工作閥復位。在關機程序執行時可由控制器調節不執行指令。參考圖16。

②供能不足模式啟動時：在應急方案啟動下運動控制器從相關傳感器分析得知油泵功能不足時可調節緊急蓄能器組基本油路的接入，此時蓄能控制閥關。當機器執行關機程序時工作閥復位。參考圖16。

③蓄能模式下：緊急蓄能器組應該在正常工作間不接入時獨立蓄能，配合停電傳感器，運動控制器通過調節蓄能控制閥開進行，此時工作控制閥關。參考圖16。

手動模式屬于輔助模式，在調試、維修或自動模式無法運行下起作用。

3.7 實現補充方案時需增加機器手制動器的附加機器人裝置

防止突然停電造成伺服電機（油馬達）慣性受損。該裝置至少由電動制停器、通電傳感器和停電繼電器3部分構成。該裝置獨自控制運行。

（1）該裝置的電動制停器，僅受內置的停電繼電器控制，由UPS 獨立供電，需具備快速逐步的制停效果，比如摩擦阻尼制停。參考圖17、圖18。

圖18 回收機械手（例）

（2）該裝置需配置停電繼電器實現控制，由UPS 獨立供電，一旦感應到機械手系統的伺服電機停電，停電繼電器就瞬間通路UPS 和制停器，在停電后短時間內制停正在運動的機械手，減少伺服電機（油馬達）的損傷。在感應到通電后或UPS 關機后繼電器復位，制停器也復位。參考圖17。

（3）該裝置具備反饋工作狀態功能，需配置1 個通電傳感器，由UPS 獨立供電，與運動控制器相配置。運動控制器能根據制停器工作狀態確定對機械手的指令，比如確定裝置復位后運動控制器才開動機械手運動。參考圖17。

（4）PET 瓶胚用的回收機械手一般至少有一軸直線運動和一軸旋轉運動，所以該制動器至少需2 種。參考圖18，黑色部分為驅動裝置，可為伺服電機或油馬達。

3.8 改造原機架或安裝座。

依據新裝置的尺寸結構適當改造機架或安裝座，供新部件裝上。

4 系統益弊

4.1 系統適用性

通過實現方案的概要說明，可以預估該系統所要的費用占未改造的機器比值為15%左右。這費用倘若換算成人工費、因故障和壽命造成的零件費、銷售遲滯費，還是樂觀的，但需要發揮作用的次數足夠才能有所價值。

所以從經濟價值來看，該系統在經常停電的環境下，或非經常停電環境下帶大型PET 模具的注塑機，或非經常停電環境下帶復雜結構的PET 型芯模具的小型注塑機才能發揮正價值。

4.2 系統運行局限性

該系統設計目的主要實現調整工作對機器損傷最小、速度最快、耗力最低。由于畢竟是系統停電時候的應急反應，不可能說一點對機器的損害都沒有，并且停機方案中有時脫出的PET 瓶胚不合格率會大大增加。無論什么非電池工作機器，都應避免外電源在工作中突然停電。

倘若是正常運行下的系統應急方案，如果UPS 功率、電壓、電流、頻率足夠，那么停機前的最后一批產品合格率能和未停電時一樣。但由于有時UPS 不一定能達到外電源的功率，這種情況下不得不以低功率運行的部件導致系統各種運行不足，固然會對機器的PET 瓶胚產品合格率造成一定影響。有時還會對機器的某些部件造成損害，比如塑化電機或發熱裝置功率不足導致在限定時間內塑化不完全就進行注射，會對料筒壁和噴嘴道造成壓力，加快磨損。

在補充方案運行下時，局部部件啟動工作完成塑化注射保壓，這些PET 瓶胚產品的不合格率會達100%。另外對機器部件的損傷會比正常方案下功率不足產生的還要大，比如在塑化時其發熱裝置不運作，由于補充方案是在機器已停機幾秒后才啟動，熱量會有一定的流失。盡管可能有余熱，還是很難保證熔融溫度，會使塑化更不完全，對機器的磨損也更大。