
現代塑料注塑成型機是一個集機、電、液于一體的典型系統,由于這種設備具有成型復雜制品、后加工量少、加工的塑料種類多等 特點,自問世以來發展極為迅速,目前全世界80%以上的工程塑料制品均采用注塑成型機進行加工。
傳統的注塑機一般采用簡單的開環控制,即按照預先設定值進行控制。在設備制造過程中,預先設定好參數值,例如鎖模力、 循環時間、溫度等,由機器在生產過程中加以保持。例如模具溫度可以通過控制加熱流體的溫度加以保持,塑化溫度可以通過控制外加熱裝置的功率保持。這種控制方式結構簡單,然而抗干擾能力差,控制溫度也比較低。
目前,更多的注塑機采用的是閉環控制,即按照在線測量值與設定值的偏差進行控制。閉環控制系統采用了負反饋回路, 抗干擾能力強,當注射速度、注射壓力、模腔溫度、模腔壓力、熔體溫度和油壓等在生產過程中因干擾出現偏差,機器則通過 控制系統對干擾進行自動修正。這一控制方法抗干擾能力強,控制精度高。更先進的控制方法是應用計算機進行控制,即構筑 閉環實時計算機控制系統。
我們公司(www.dragonflydas.com)有很豐富的注塑機控制系統的開發經驗,從底層的速度、位置、壓力、噸位、溫度等控制回路的設計到上面的人機界面設計,我們都可以幫客戶帶來技術革新。 我們可以基于DHMI平臺,和第三方控制平臺(Beckhoff TwinCAT 或多或少SIMENS)來開發設計注塑機控制系統。
注塑機控制系統的性能主要取決與過程控制的算法,這是整個控制系統的核心部分。
? 速度控制環的設計
? 位置控制環的設計(開環或閉環)
? 鎖模噸位控制環的設計
? 溫度控制環的設計(若是液壓系統,油溫控制也極為關鍵)
? 壓力控制環的設計
? 速度控制與壓力控制的有效平穩切換
? 關模壓力保護控制的設計
? 多段平滑控制曲線產生器的設計
? 控制輸出線性化設計
? 其他系統優化設計
通過以上的設計使注塑機生產周期縮短,運行穩定,效率得到提高。
注塑機的過程控制系統主要包含兩大部分:一是溫度控制系統,以對料筒、熔體和模具的溫度進行控制;二是運動控制系統, 以對注塑過程的壓力、速度、位移以及噸位進行多級切換。
在溫度控制中,其控制精度已經達到了±1℃。精確的溫度控制在精密注塑上有利于提高產品質量以及原材料的利用率,是一項 十分重要的指標。在塑料加工過程中,溫度控制主要包括料筒、噴嘴和模具的溫度控制。料筒溫度即料筒表面加熱溫度, 由于料筒的壁比較厚,因此熱電偶檢測點的選擇非常關鍵,不同的檢測點上溫度曲線是有較大的差異的。因此雙點平行檢測, 即在料筒表面與深處同時設置熱電偶,將得到比較穩定的溫度曲線,有利于溫度控制的精度。噴嘴溫度直接影響著熔體通過時 的剪切流動,對制品的質量有大的影響,因此噴嘴溫度的控制精度要求更高。模具溫度是指與制品接觸的模腔表面溫度, 它會顯著影響充膜、冷卻和保壓過程。對于模具溫度的控制方法可以采用控制加熱載體溫度的方法也可以直接控制模具溫度。 在前一種方法中,以加熱載體的出口溫度為控制對象,比較簡單,能滿足一般的溫控要求。當溫度控制精度要求較高時一般采用 第二種方法進行溫度控制。
注射速度、保壓壓力、溶膠背壓是注射部分首先要控制的三個變量,其控制精度直接影響制品的質量,F代較為先進的注塑機具備了 5到10級的注射速度和多段保壓以及熔膠背壓控制。一般通過位移/速度傳感器、壓力傳感器、閉環注射控制器和高響應伺服閥的配合 使用,實現注射成型過程中熔膠背壓、注射速度和保壓工況的精確控制。另外比較簡單的辦法是采用閉環比例閥,通過比例閥本身的 閥芯位置的閉環控制來提高控制精度。然而閥芯位置是一個中間變量,因此控制精度稍差。
移模過程控制最主要的變量是鎖模力,鎖模力的重復再現是穩定的成型周期的必要條件。移模過程中應該控制的另外一個重要的變量 是位置。一方面,先進的注塑機不斷追求效率的提高,移模速度直接影響成型周期,而快速移模本身對減速控制提出了更高的要求。 另一方面,由于特殊工藝的不斷開發和推廣,模具位置的控制精度要求越來越高。
中國的很多生產機器設備的企業, 控制系統都是配備第三方提供的現成控制系統, 這樣的機器設備極容易被其他競爭對手拷貝。 控制系統是一臺機器的大腦, 系統的核心, 如果連系統的核心都能在市場上買到, 那仿制該設備就很容易了, 仿制就會導致惡性競爭, 使設備成為低端設備。如果要提高設備的技術含量, 使設備能進入高端市場, 企業就要自己擁有控制系統的核心算法, 控制系統的算法是很難被別人偷去的, 除非控制算法的程序原代碼被偷去了, 即使偷去了也很難直接應用到他們的系統中去。 但控制算法的程序原代碼是不隨機器賣出的, 所以被偷的可能性就小多了. 而機械方面的仿制就容易多了。 歐美機械制造業一般都擁有自己的控制系統, 他們從第三方買進控制系統平臺, 然后把自己的核心控制邏輯嵌入到控制平臺從而形 成自己的控制系統, 或與第三方聯合開發, 通過付開發費形式 (一次性投資)而獲得控制系統的知識產權, 并且通過聯合開發而培訓了 自己的控制系統技術隊伍, 從而能在以后獨立基于控制平臺進行系統的升級和改造。
中國注塑機行業至今還沒有一家企業擁有自己的注塑機控制系統, 都是直接從第三方購買注塑機控制系統安裝在自己的注塑機上。 這一策略直接限制了中國注塑機的技術含量,即使注塑機企業有自己的注塑過程控制工藝, 也很難在第三方的控制系統上實現, 因為第三方控制系統不可能開放其所有的控制窗口供企業技術人員來設置和改變。而國外主要的注塑機企業(例如 HUSKY、BATTENFELD、DEMAG、ENGEL、ARBURG、NETSTAL、DR.BOY等)都擁有自己的注塑機控制系統 (PLC & HMI)。
國外的許多注塑機企業, 把技術研發和創新作為企業的生存之本, 投入了大量的人力物力, 開發出許多新的注塑技術, 特別是先進的控制算法. 他們都有自己的專業研發隊伍(既精通自動化控制技術、軟件開發,又懂注塑機的過程工藝)。他們充分認識到控制算法和軟件技術是一次性投入,但其帶來的效益是任何硬件系統所無法可比的, 而且許多硬件功能都能通過軟件來進行實現. 最近HUSKY 通過軟件、控制算法的改進,使其PET機器的產品生產周期提高了1秒多, 這就是智力投入。而國內許多企業總是以為軟件可以買、拷貝, 和請一些不懂注塑機和控制技術的人幫他們開發軟件, 這樣的軟件只能實現一些基本常用功能, 談不上先進控制算法(因開發者不懂注塑機控制系統,又如何能開發出先進的注塑機控制軟件呢?)
另外, 通過我們對中國注塑機企業的考察, 發現他們都有想掌握控制系統核心技術的迫切愿望,但都能找到各種理由來"解釋"為什么他們沒有自己開發自己獨立的控制系統,
中國勞動力便宜, 而現在市場上的注塑機控制系統已能滿足他們的要求, 所以沒有必要開發自己的控制系統.
有些公司本身就是靠拷貝別人的注塑機起家的, 所以擔心若自己開發出來后被別人拷貝去了.
有些公司喜歡請控制系統平臺提供商(SIMENS, BECKHOFF, B&R等等)來為他們免費開發控制系統, 而控制系統平臺提供商為了占據市場,也勉為其難的來為這些公司來開發注塑機控制系統. 然而這些控制系統平臺提供商的強項是開發自動化控制系統的通用平臺,盡可能提供給用戶接口讓用戶來作二次開發, 他們對注塑機控制系統的特點并不了解, 所以他們最后設計的注塑機控制系統只能讓機器運行起來, 但運行品質就不是很理想, 只能滿足中低檔機器的要求.
不愿出開發費請專業人士(具有自動化電氣軟件背景的有長期注塑機控制系統開發經驗的專業人士)來開發其控制系統, 希望控制系統平臺提供商來為他們免費開發控制系統.
認為硬件值錢, 軟件不值錢(中國特色).其實硬件容易被模仿, 而軟件才能真正體現系統的核心價值. 軟件能為系統帶來的高端利益, 防備拷貝. 硬件是長期投資, 軟件是一次性投資.
中國的注塑機企業通常有幾家控制平臺提供商, 他們喜歡在這些控制平臺提供商中搞平衡,從而也限制了他們自主開發自己的控制系統的積極性.
開發高端設備不適合中國國情, 在中國主要還是中低端設備占據市場.其實若按注塑機數量來講, 這個觀點是對的; 但若從利潤角度來看, 從世界角度來看, 這個觀點就不一定對. HUSKY一年最多生產600臺各種類型的注塑機, 而中國很多注塑機廠動不動一年就是三四千臺, 有的甚至上萬臺, 可他們的利潤卻沒有HUSKY 600 臺多. 而HUSKY在中國也有很多客戶.為什么HUSKY同樣噸位的機器能在中國賣二十多萬美金, 而中國生產的同樣噸位的機器只能賣不到十萬元人民幣?
相信外國人, 不相信中國人; 喜歡找老外來為他們開發控制系統. 其實在國外的許多公司的產品都是在中國人參與下開發出來的. HUSKY的POLARIS控制平臺的開發隊伍中中國人就占了一半, 而且許多核心技術都是中國人提出來的.
總而言之,不愿出開發費來開發自己的注塑機控制系統, 不愿組建自己的控制開發隊伍(不是應用支持隊伍)來進行控制系統開發是目前中國注塑機企業的通病, 也是中國注塑機企業的悲哀.
一個高端的控制系統,它應該具有如下特點,
? 可擴展的,易于接線,快速通訊,方便查錯的I/O接口。
? 抗噪音、精確、快速的運動控制。
? 可靠穩定、用戶友好的、人性化的人際界面。
? 開放的系統結構, 便于第三方產品的嵌入與集成,INTERNET 通訊接口,遠程診斷與服務, OPC通訊服務器的支持。
? 快速的掃描頻率,可靠、簡單、易于維護和查錯的控制器。
一個高端的注塑機控制系統,它還應具有如下特點,
? 高質量的產品 (Superior part quality)
– 通過調節系統控制參數和SPC分析來保證控制過程的一致性、抗干擾性,從而優化產品的質量。
? 快速的生產周期 (Fast Cycle Time)
– 快速的PLC程序執行周期;
– 高性能的PC和快速的I/O;
– 各控制部件的快速通訊能力;
– 自校正和自適應的控制方法;
– 高級的各種速度、壓力、溫度等的控制算法和節能的控制策略。
? 友好的用戶設計與界面
– 廣泛使用有意義的逼真圖標以便直觀操作;
– 最少按鈕操作步數來達到最快的信息獲;
– 單一按鈕操作;
– 用戶可編程功能;
– 明了精確的報警功能和在線幫助;
– 詳細的操作事件記錄;
要想改變中國注塑機控制系統現狀,我想應從以下幾方面來進行,
v 企業領導要有正確的認識。勞動力密集型企業已經不再適合中國特別是沿海一帶企業的發展。特別是一些有能力的企業(象海天)更是要做技術創新方面的領頭羊。
v 國家的大力支持。在國外, 一些開發項目(R&D)可以從政府申請到項目資金。象HUSKY每年從加拿大政府申請到不少資金來支持其“POLARIS”控制平臺的開發。
v 中國注塑機各種協會和組織要團結起來, 制定統一的規劃, 幫助有能力的中國注塑機企業勇敢地走自己發展的道路, 將注塑機的核心算法控制在自己手里。
v 破除注塑機控制系統的壟斷。目前國內注塑機控制系統主要是被臺灣、日本和歐洲的幾家公司壟斷。他們把注塑機控制系統的價格壓的很低, 無形中綁架了不少中國注塑機企業。當某些企業試圖開發自己的控制系統,這些注塑機控制系統提供商就會百般游說,最終使這些開發項目流產而不得不采用他們的系統。
v 從國外引進一些注塑機控制方面的優秀人才來加快國內注塑機控制的發展。其實國外注塑機公司里有許多優秀的中國人在進行注塑機控制系統的研究。
我們能聯合業內人士開發出具有自主知識產權的注塑機控制系統, 使中國注塑機逐漸走向高端。 希望在國際展會上能看到中國自己開發的注塑機控制系統控制我們的注塑機24小時高性能無錯運行,能教學式指導初學使用者快速學會使用,能遠程訪問監控其運行狀態, 能自動查找錯誤并自修復或指導操作者進行排錯,能進行自動質量檢測并報警,能為其它工廠監控軟件提供OPC數據接口,能有效整合其它注塑機附屬設備的支持程序;而不是象現在那樣注塑機總是靜靜地放在展會上,只見修理工不停的在那里忙碌修理。