注塑机锁模力智能感知系统的研制_颜幸尧.pdf
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1、第 36 卷 第 2 期2023 年 2 月传 感 技 术 学 报CHINESE JOUNAL OF SENSOS AND ACTUATOSVol.36No.2Feb 2023项目来源:浙江省教育厅科研项目(Y202250587)收稿日期:20220324修改日期:20220601Development of Intelligent System for Mold LockingForce Sensing of Injection Molding Machine*YAN Xingyao1*,DENG Junwen1,HU Meijun2,CHEN Panbuyi1,NIE Deming1(1C
2、ollege of Metrology and Measurement Engineering,China Jiliang University,Hangzhou Zhejiang 310018,China;2Fair Friend Institute of Intelligent Manufacturing,Hangzhou Vocational and Technical College,Hangzhou Zhejiang 310018,China)Abstract:Based on tension rod stress detection,an intelligent mold clam
3、ping force sensing system for injection molding machines is de-veloped The system mainly consists of a stress detection sensor module,a signal conditioning module,a mold clamping force data pro-cessing module,and some peripheral modules Tension rod stress sensors turn the tension stress of the rods
4、into electrical signals,whichthe signal conditioning module collects and processes A number of strategies are employed to fit the data in order to properly examineit The results reveal that the cubic polynomial function is more compatible with the original data distribution The 2of the fitting func-
5、tion of the four tie rod channels is greater than 992%,and the standard deviation is less than 24,suggesting a high degree of fit It canbe applied in the field of injection molding machine clamping force measurementKey words:mold clamping force;rod tension measurement;cubic polynomial;injection mold
6、ing machineEEACC:7220;7320Gdoi:103969/jissn10041699202302002注塑机锁模力智能感知系统的研制*颜幸尧1*,邓俊文1,胡美君2,陈潘布衣1,聂德明1(1中国计量大学计量测试工程学院,浙江 杭州 310018;2杭州职业技术学院友嘉智能制造学院,浙江 杭州 310018)摘要:本文研制了一种基于拉杆应力检测的注塑机锁模力智能感知系统。系统包含应力检测传感器、信号调理模块、锁模力数据处理模块等。拉杆应力传感器将检测到的拉杆内应力转换成电信号,经信号调理模块后,进行信号采集与处理。为了更好实现对数据的分析,采用多种方法对数据进行拟合,结果表明三
7、次多项式函数更符合原始数据分布,四根拉杆通道拟合函数的决定系数 2均在 992%以上,标准差均在 24 以下,拟合度较好,在注塑机锁模力监控领域内具有应用价值。关键词:锁模力;拉杆拉力测量;三次多项式;注塑机中图分类号:TQ3205+2;TP2121;TP23文献标识码:A文章编号:10041699(2023)02017408注塑机是一种将热固性塑料或者热塑性塑料熔融后,通过注射填充到特定模具型腔内制成各种形状塑料制品的高分子成型设备12。锁模力指的是合模单元对模具所施加的夹紧力,用于抵抗在注射阶段熔融态聚合物填充模具内部产生胀模力,是注射成型过程中非常重要的过程工艺参数34。锁模力的检测,可
8、以通过对注塑机曲肘、后模板和拉杆等部件的受力检测和分析得出3,但是前两种方法需要加工螺纹孔以便安装特制的检测器件,工艺要求较高,安装较为不便,通用性差且会对设备造成损伤;而通过检测拉杆的受力情况而得到锁模力的方法,无需加工螺纹孔,成本低,安装方便,通用性强,应用范围最广56。本系统采用拉杆锁模力检测法,通过测量每根拉杆的受力情况,进而在线得到锁模力的大小以及模具受力分布状况信息。合理的锁模力能不仅能保护注塑模具,延长模具使用寿命,而且还关系到注塑制品的质量。只有当四根拉杆载荷均匀,此时锁模力大小也均匀,才能保证制品的质量;若锁模力分布不均,即四根拉杆载荷不均,导致变形量不同,轻则影响注塑制品质
9、量,重则导致拉杆断裂破坏机器,损坏模具,造成生产事故78。因此,为了保证生产安全以及确保注塑制品的质量,需要对锁模力大小进行检测和调整。鉴于锁模力实时检测的重要意义,国内有很多学者和行业从业者,对锁模力感知系统在注塑上的应用在各种纬度展开了研究。广西科技大学的刘旭红和宋世柳团队9 在国内较早地提出每根拉杆各使用 4片应变片与 4 片温度补偿片组成全桥电路的构想与方法,其受力应变片每间隔 90 度直接粘贴在拉杆上,温度补偿片放置在不受力的试块上,不仅具有温度补偿作用,而且可消除弯矩的影响,全桥电路输出电压量比半桥电路提高一倍。广东高校高分子材料加工第 2 期颜幸尧,邓俊文等:注塑机锁模力智能感知
10、系统的研制工程技术开发中心的陈金伟团队10 将锁模力检测技术应用于注塑成型过程,实验结果发现,在保证产品质量的前提下,运用锁模力监控技术能够找到最佳工艺参数临界点。南京工业大学蔡国强团队11 在拉杆近头板处嵌入拉杆变形位置检测传感器,用于测量机铰式注塑机的锁模力,测量结果表明锁模力设定在500 kN 时检测到的实际锁模力偏差值最大,为123kN,在设定在 3500 kN 时实际锁模力偏差最小,为 10kN;最大满量程误差为2789%,最小满量程误差为0635%。台湾国立高雄第一科技大学的 HuangMing Shyan 教授团队12 在注塑机拉杆上安装德国Gefran 公司的拉杆应变传感器与美
11、国 IFM 公司的电感式传感器,进行锁模力测量,通过分析狗骨形状的模具在注射成型的锁模力信息,判断产品的生产质量,提出一种新的获取合适锁模力的搜索方法13。日本(株)的 Naganuma Tsuneo 团队开发了用于诊断注塑机异常的锁模力监控(CFM)系统,并通过两例检修事例表明通过监视锁模力的变化判断注塑机是否出现异常。目前国外在注塑机锁模力检测方面已经很成熟,不仅能提供成套的锁模力检测系统,而且还将锁模力检测应用于注塑机故障检测、注塑成品质量检测等,因此国内企业往往直接购买国外的成套锁模力检测产品,缺少自主研发锁模力检测系统的积极性,国内在注塑机锁模力检测研发方面几乎一片空白。浙江大学赵朋
12、教授团队12 对此有所研究,他们使用超声直探头对注塑机锁模力测量,测试结果与应变计方法对比发现,使用超声波测量锁模力方法有较好的准确性和重复性。采用超声波的方法测量注塑机锁模力虽不失为一种很好的方法上的尝试,但由于生产车间环境比较复杂,在超声波检测精度、稳定性以及重复性,以及成本和安装便捷性等方面,依然与传统基于应变片的锁模力检测传感器差距甚远,因此目前还只能停留在实验室阶段,无法大规模应用到生产车间中。随着国际大环境的巨变,不受制于人,急需研制我国具有独立自主知识产权的锁模力智能感知系统,在参考国外同类产品的基础上,本研究设计了基于拉杆应力检测的注塑机锁模力智能感知系统。1锁模力检测原理11
13、锁模力的来源在注塑制品成型周期中的锁模阶段,合模单元会不断维持动、定模合拢和打开,注塑机四根拉杆的受力情况也随不同阶段而改变6,图 1 为拉杆受力示意图。图 1注塑机拉杆受力示意图从图 1 中可以看出,当注塑机处于合模状态时,动模板往定模板方向运动,当模具开始接触时,产生合模力,合模完全合拢时即为锁模力;此时锁模力的大小与四根拉杆的拉力合力相等,方向相反1415。根据中华人民共和国机械行业标准(JB/T 72672004)16,塑料注射成型机 标准中规定:由液压系统的压力稳定在额定工作压力时,通过应力检测仪或传感器测量拉杆的最大应变量,根据胡克(Hooke)定律计算出当前额定工作压力下注塑机的
14、合模力9,17:F合=4i=1Fi=4i=1SEi(1)式中:Fi 代表第 i 根拉杆上所承受的轴向力,单位为牛顿(N),i=1,2,3,4;S 为拉杆横截面积;E 为拉杆材料的弹性模量;i为第 i 根拉杆上的应变量,i=1,2,3,4。将圆柱体横截面积公式代入式(1)中,有:F合=(1+2+3+4)D24E(2)式中:D 为拉杆直径,由此可见,锁模力即为 4 根拉杆受力之和,且通过对 4 根拉杆受力分布情况的分析,还能得到与拉杆垂直平面上模具的受力分布情况。但在实际测试中,因为拉杆材质的弹性模量与实际的弹性模量可能存在差异,可以使用泊松比进行修正。因此,在拉杆上安装锁模力传感器,便可实时监控
15、拉杆在受拉和受压情况下的细微形变量,然后通过桥式电路将其转化为微小的电压量,再经信号调理电路进行小信号放大与滤波处理。通过调整注塑机的锁模力,得到与当前拉杆形变量存在确定关系的电压量,经 AM 微控制器芯片内部信号采集和计算,即可获知锁模力和拉杆的受力情况。12拉杆受力及拉伸形变仿真使用 SolidWorks 软件对拉杆进行应力以及合位移仿真。注塑机有四根拉杆,在合模力均匀分布时,四根拉杆受力情况相同,因此此处只对一根拉杆进行仿真分析;拉杆柱子直径为 85 mm,长 度 为1 500 mm,单根施加拉力为 1 050 kN,材质为 GCr12合金钢,弹性模量为 211011N/m2,泊松比为
16、028。图 2 为仿真的应力分布图和合位移分布图结果。571传感技术学报chinatransducersseueducn第 36 卷图 2应力和合位移分布图由图 2(a)应力分布图可以看出,整根拉杆除了下方固定区域以外,整体受力很均匀,受力值为1927108N/m2,因此将应力传感器安装在距离定模板 12 倍的拉杆直径区域外时,即可确保传感器获得正确的应变信号。从图 2(b)合位移分布图得出拉杆的伸长量为 1320 mm,应变片电阻变化与拉杆伸缩量关系式为:=kLL(3)式中:为应变片电阻应变量,为应变片标称电阻值,L 为 1 050 kN 拉力下拉杆伸长量,L 为拉杆长度,k 为应变片与拉杆
17、的关系系数,无量纲,由于应变片紧贴拉杆,因此 k 取 1。此处当应变片阻值为 350 时,计算得 为 0308;而/值,是确定信号放大电路放大倍数的主要依据。图 4硬件结构框图2注塑机锁模力智能感知系统整体结构21具有温度补偿的改进型传感器在注塑机注射成型过程中,模具在大部分时间中,均处于高温状态,热量会通过底板传导到拉杆上,导致拉杆产生明显的温升。由于应变片紧紧贴合在拉杆上,因此拉杆的温升会导致应变片的温度产生较大幅度的变化,温漂带来的应变片阻值的变化不可忽略。取标定温度为室温 T1,恒为 25,拉杆温度 T2为 65,应变片温度系数 Tc为 20ppm/,则温漂带来的阻值变化为:T=(T2
18、T1)Tc(4)当应变片阻值取 350 时,应变片因温度变化产生了 T=028 的改变,相对于拉杆拉伸产生的电阻变化量 =0308,该温漂值严重影响锁模力检测的精度。国外的锁模力检测系统采用预热的方法来消除该温漂。在本研究中,在国外应力传感器的基础之上,对其进行了改进,增加了一片同型号应变片作为温度补偿片,该应变片和工作应变片组成一个半桥以消除温漂,但不参与应变信号的检测,图 3 为国外传感器和经改进后具有温度补偿功能的改进型传感器的结构爆炸图。图 3国外应力传感器和改进型应力传感器结构爆炸图22注塑机锁模力智能感知系统硬件结构图 4 为注塑机锁模力测量系统的硬件结构框图,包括四个通道的拉杆应
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