吳清榮，蔣鼎

(海天塑機集團有限公司 技術四科，浙江 寧波 315821)

近年來各行各業(yè)對塑料制品精度要求越來越高，特別在精密儀器、電子儀表、通信工程及汽車工業(yè)等行業(yè)更是如此[1]。影響塑料制品精度的因素有很多，包括模具和注塑機兩方面，而對注塑機來說前提是注射重復精度需達到一定標準。常規(guī)注射精度通常無法滿足高精度制品，目前注塑工業(yè)中大多采用比例閥或伺服閥控制技術來提高注射精度，但閥控技術成本較大且對機器油液清潔度要求較高[2]。

本文根據閉環(huán)控制的特點，提出了將注射位置閉環(huán)技術與海天注塑機技術相結合，給有要求注射精度的塑料制品提供了一個性價比非常高的解決方案。位置閉環(huán)技術是一種智能運動控制技術，它將位置檢測裝置反饋的移動部件位置與設定位置進行比較，將兩者差值進行變換成速度信號去控制伺服電機向著消除偏差方向運動以達到位置控制要求。注塑機注射位置閉環(huán)是一種革新的精密控制技術，它能滿足高精度注射控制需求且較低成本要求。

1 系統總體構成

注射位置閉環(huán)控制系統由指令給定、信號傳輸、信號處理、被控對象、檢測反饋等幾部分構成，系統框圖如圖1所示[3]。

圖1 注射位置閉環(huán)控制系統框圖

指令給定是由上位機完成，即注塑機的電腦控制器，它是整個注塑機的“大腦”[4]，通常指令都從控制器的面板中進行輸入；信號傳輸主要是通過 CAN總線進行；信號處理主要是通過變頻器完成，進行位置閉環(huán)算法的實現；本文被控對象是指注射位置，即螺桿位置；檢測反饋裝置為高精度 CANopen 位移傳感器、旋轉變壓器及壓力傳感器等，負責檢測注塑機的變量，CANopen 位移傳感器（重復精度與分辨率必須高）用于檢測注射位置，旋變用于檢測電機轉速，壓力傳感器用于壓力反饋。

2 注射位置閉環(huán)技術

在注塑工業(yè)發(fā)展過程中，閉環(huán)控制的應用越來越多，通常閉環(huán)技術有硬件裝置和軟件算法兩種[5]。硬件閉環(huán)控制需用專門的閉環(huán)控制器來實現對目標變量的閉環(huán)控制，通常需配置比例閥或伺服閥等閥控技術。軟件閉環(huán)是借助輔助檢測反饋裝置來檢測需要被控對象的變量，并利用軟件編程控制算法來實現閉環(huán)控制，本文注射位置閉環(huán)控制便是利用位置閉環(huán)算法來控制螺桿位置。

2.1 注射位置閉環(huán)原理

注射位置閉環(huán)系統工作原理圖如圖2所示，整個系統由電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)（壓力環(huán)）組成，它與傳統注塑機不同的是增加了位置環(huán)。常規(guī)注塑機只是將電子尺信號傳輸到上位機中進行顯示查看，并不會去進行位置閉環(huán)的調整，嚴格來說常規(guī)注塑機的伺服控制系統它只是一個半閉環(huán)系統，如圖3是常規(guī)注塑機的伺服控制系統，它只是通過編碼器反饋電機轉速，對于負載位置卻無法有效地進行閉環(huán)控制。本文將負載位置通過高精度 CANopen 位移傳感器發(fā)送到CAN 總線上，上位機與變頻器都可通過 CAN 總線讀取負載位置，變頻器獲取位置信息后通過內部閉環(huán)算法并結合上位機流量指令綜合判斷出所需電機轉速，從而控制注射位置，提高注射重復精度。

圖2 注射位置閉環(huán)系統原理圖

圖3 常規(guī)注塑機的控制原理圖

2.2 注射位置閉環(huán)算法

2.2.1 位置閉環(huán)算法處理信息

注射位置閉環(huán)算法應用 CANopen 協議進行數據交互，具體如下：

（1）上位機發(fā)送數據至變頻器

上位機通過 PDO（過程數據對象）方式來發(fā)送壓力指令、流量指令和油溫信息至 CAN 總線上，通過SDO（服務數據對象）方式發(fā)送設定位置信息至 CAN總線上。

（2）變頻器數據接收與發(fā)送

變頻器通過 PDO 方式從 CAN 總線上讀取位移傳感器發(fā)送過來的實時位置信息以及發(fā)送結束位置閉環(huán)指令至 CAN 總線上。

2.2.2 位置閉環(huán)算法實現流程

（1）機器上電后，變頻器首先會啟動高精度CANopen 位移傳感器，位移傳感器會每間隔 1 ms 把當前負載位置發(fā)送到 CAN 總線上。

（2）變頻器會檢測目前機器運行狀態(tài)，是否有注射、儲料或者射退等指令，當檢測到以上指令后便會啟動位置閉環(huán)算法并從 CAN 總線上一直讀取螺桿的實時位置信息。

（3）在整個注射動作期間，算法都會去通過 PDO方式一直讀取上位機發(fā)過來的油溫信息，當檢測到油溫變化時便會調取閉環(huán)算法內部的溫度補償算法來彌補溫度給油液黏度帶來的變化而引起的位置定位精度變化；當油溫超過算法內部設定溫度時便會退出閉環(huán)算法并給出報警提示，這時就需要對油溫進行冷卻或者機器本身需配置油溫冷卻裝置。

（4）在整個注射動作期間，變頻器會將壓力傳感器反饋的壓力與設定最大壓力進行比較，如果壓力達到最大壓力時便會停止位置閉環(huán)算法，啟動壓力環(huán)來控制，從而可以保護機器結構，防止壓力過高帶來的破壞。

（5）當注射位置到達設定位置時，變頻器便停止位置閉環(huán)算法，然后通過 SDO方式發(fā)送位置閉環(huán)算法結束信號。

在整個閉環(huán)控制中，對精度影響較大的因素有溫度和位移傳感器精度。測試發(fā)現當油溫超過 45°，常規(guī)注射的重復精度變化較大，因此本文在位置閉環(huán)算法內增加了溫度動態(tài)補償算法用于彌補油液黏度變化而引起的重復精度變化；位移傳感器精度決定了反饋讀取精度，當位移傳感器精度較低時，那么反饋到算法中的變化也就越大，出現較大偏差時才會調整算法或者調用補償算法，所以一個穩(wěn)定且擁有高分辨率的位移傳感器更有利于實現位置閉環(huán)算法的控制效果。

3 實驗數據對比分析

本文測試采用空載和加載分別驗證位置閉環(huán)算法效果。在空載全自動持續(xù)測試中，當溫度達到 50°時，常規(guī)注射重復精度已在 0.1 mm以上，而采用位置閉環(huán)算法的重復精度可控制在0.1 mm內，基本達到微米級的控制效果。如圖4是空載測試其中一段波形，從波形可以看出波谷為注射到底，而波峰是射退到底，波形數據顯示重復精度在0.1 mm內。

對于空載測試來說，加載或許更能驗證位置閉環(huán)效果，因為加載后料筒內部有熔體壓力會迫使螺桿向后退，這點在常規(guī)注塑機上會比較明顯。在測試中壓力表顯示負載 80 kg，當持續(xù)測試溫度達到 50℃時，常規(guī)注射重復精度已在 0.3 mm以上，而采用位置閉環(huán)算法的重復精度可控制在0.4 mm內，如圖5是位置閉環(huán)加載測試其中一段波形，圖6常規(guī)加載測試其中一段波形，對比可發(fā)現常規(guī)加載注射到底后一直在回退，重復精度很差。測試結果表明位置閉環(huán)算法顯著提升了注射重復精度，更能滿足高精度塑料制品的成型需求。

圖4 位置閉環(huán)空載測試波形

圖5 位置閉環(huán)加載測試波形

圖6 常規(guī)注射加載測試波形

4 結論

隨著工業(yè)自動化的不斷發(fā)展，未來無人注塑車間會逐步增多，對注塑機的重復穩(wěn)定精度要求會越來越高，而位置閉環(huán)控制技術憑其卓越的優(yōu)越性可提高機器的位置精度，因此將位置閉環(huán)控制技術應用在注塑機的各個運動部件也就能夠生產出高品質的塑料制品。本文所介紹的注射位置閉環(huán)控制技術是一種提升注射的重復精度，可有效提升每次射出時的射出量的重復精度，特別對于克重較輕的精密電子零件，可精確控制制品的重量。注射位置閉環(huán)技術在各注射閉環(huán)控制中有一定的先天優(yōu)勢，但是目前面對各種干擾還需要進行進一步的研究開發(fā)，相信位置閉環(huán)控制技術會具有較好的市場前瞻性。