注塑機鎖模力感知儀的硬件設計

鄧俊文,顏幸堯,胡美君,何貴福,聶德明,黃興隆,陳潘布衣

(1.中國計量大學 計量測試工程學院,浙江 杭州 310018;2.杭州職業技術學院 友嘉智能制造學院,浙江 杭州 310018;3.至上重工有限公司,浙江 溫州 325600)

注塑機在注塑時,為減少注塑制品飛邊的產生,提升制品質量,需要保持模具間緊密接觸,為保持緊密接觸而對其施加的力,稱為鎖模力。注塑機鎖模力的性能直接影響注塑產品的質量[1-2],因此對鎖模力進行精度的測量與監控就變得非常有必要[3-4]。鎖模力由鎖模機構產生,并在拉桿上產生大小相等,方向相反的反作用力[5-7]。因此,要實時獲取注塑機鎖模力的大小,只需實時測量四根拉桿的受力大小即可。

目前在注塑機行業內有如下的鎖模力檢測方法

1)箍型和鋼帶式鎖模力傳感器。安裝方式為鐵箍或者鋼帶,成本低,安裝方便,不需要對注塑機設備進行加工或安裝固定機構,通用性強,幾乎能安裝在所有的圓柱形拉桿上,應用范圍最廣[6-8]。

2)桿式和平面式鎖模力傳感器。通過特制的機械結構,將其安裝在塑封機尾板、后模板表面,拉桿內部或曲肘等;缺點為傳感器安裝工藝要求高,通用性差且對設備造成損傷,需要定制專用的傳感器,故應用的較少[9-10]。

3)磁附式鎖模力傳感器。通過改進傳感器的固定方式,在探頭處加裝磁固定結構和應變檢測結構,檢測受力物體為拉桿;但傳感器體積較大,價格高,適合移動式檢測,一般只用作實驗檢測階段[11-12]。

4)超聲波傳感器。利用超聲波傳播特性進行測量注塑機的拉桿應力,需要安裝超聲直探頭和超聲卡,占用體積大,設備昂貴,加上生產車間環境復雜,干擾多,使得超聲波測量的精度和穩定性都不如傳統鎖模力檢測方法,技術不成熟,目前還停留在實驗室階段,尚無法廣泛應用于生產車間中[13-14]。

上述鎖模力檢測方法,大多是測量注塑機拉桿(哥林柱)的形變量來監測鎖模力;目前在注塑機鎖模力檢測領域內,做得最好的主要是德國Gefran公司、美國IFM公司以及瑞士Sensormate公司這三家公司。目前國內未見有產品面世。浙江大學趙朋教授團隊獨辟蹊徑,使用超聲波方法檢測注塑機鎖模力,但由于生產車間環境復雜,其超聲波檢測精度、重復性以及安裝的便捷性都不如傳統的應變片傳感器,因此該團隊的超聲波鎖模力檢測儀,還無法大規模應用于各生產車間中。綜上所述,由于國內尚未有商用產品上市,因此國內注塑機企業只能購買國外的鎖模力檢測儀,而注塑機在塑料加工機械領域占領著主導地位,社會保有量和生產量巨大,每年進口鎖模力監測儀需要消耗巨大的外匯。

由于應變片對應力檢測的技術相當成熟可靠,完成設計后,能以最快的速度投入實際應用,因此在參考國外鎖模力檢測儀的基礎上,我們設計了一款基于應變片的用于注塑機鎖模力檢測的感知儀。通過對拉桿應力的檢測,實時監測注塑機拉桿的拉力大小從而得到鎖模力,并將鎖模力以電壓量的形式輸出給注塑機控制系統,同時使用Wi-Fi模塊將鎖模力上傳至本地服務器。

1 拉桿應力檢測原理與電路設計

1.1 電阻式應變片傳感器檢測原理

電阻式應變傳感器由殼體、保護橡膠和電阻絲應變片組成。其中電阻絲在外力的作用下會發生機械形變,其電阻阻值會發生改變,這就是電阻應變效應。常用的應變片有絲式(繞線式)和箔式兩種。在安裝時通過鋼圈或者鐵箍將傳感器緊緊的綁在注塑機拉桿上,當注塑機進行合模時,合模單元會建立起鎖模力維持動、定模合攏,拉桿會受動模的壓力發生機械形變,由于應變片緊緊的固定在拉桿上,因此應變片會隨著拉桿的形變而發生形變[6],拉桿形變與電阻變化有如下關系：

(1)

式(1)中,R為應變片變形前的電阻阻值;ΔR為應變片變形前后的改變量;K為應變片靈敏度系數,與應變片材料有關,是衡量應變片的應變效應是否顯著的參數;L為應變片標定的長度;ΔL為應變片隨著被測物體變形前后的改變量;ε為被測物體表面沿著應變片軸線的應變量[15]。

電阻式應變片傳感器隨著拉桿的形變,會導致應變片阻值發生改變,通過測量應變片的變化值便可以推算出當前拉桿的形變大小[16],圖1為應變片構成的全橋差分放大電路。

圖1 由應變片組成全橋差分放大電路

R1,R2,R3,R4為四個橋臂,VP和VN分別為電橋供電正、負電壓;UBD為電橋輸出電壓,通過電路分析,可以得出B,D端的電壓為

(2)

當拉桿發生形變時,其對應拉桿的應變片會產生電阻增量,式(2)變為

(3)

式(3)中ΔR1,ΔR2,ΔR3,ΔR4,為對應電阻應變片所產生的變化量,將式(1)代入式(3)中,即可得到由應變片構成的全橋電路,其輸出為

(4)

式(4)中,ε1,ε2,ε3,ε4分別為電阻R1,R2,R3,R4對應應變片的應變值。若使用全橋電路測量四根拉桿應力變化,則需要16個電阻式應變片傳感器;為了降低成本,減少安裝與調試的難度,因此每根拉桿只使用2個傳感器,組成對臂電橋進行拉桿形變量的測量。

對臂電橋,即相對的兩個橋臂都為電阻應變片傳感器,即R1和R3為電阻應變片,R2和R4為固定電阻;或者R2和R4為電阻應變片,R1和R3為固定電阻,輸出分別為

或

(5)

1.2 注塑機鎖模力感知儀硬件設計框圖

注塑機鎖模力感知儀由電阻式應變片傳感器陣列、對臂半橋及運算放大器陣列、鎖模力電壓量輸出陣列、電源模塊和控制單元等組成,圖2展示了注塑機鎖模力感知儀的硬件框圖。

圖2 注塑機鎖模力感知儀的硬件框圖

1.3 對臂電橋運算放大電路設計

鎖模力感知儀的信號調理電路使用電阻式應變片構成的對臂電橋對注塑機拉桿進行形變量的監測;電橋中R1和R3為電阻應變片,標稱阻值為350 Ω;R2和R4為固定電阻,標稱阻值為350 Ω;電橋使用5 V供電,運算放大器使用OP07系列,并使用正、負12 V電源供電;UBD為對臂電橋輸出電壓,UO為運放輸出電壓,UO經一階無源低通濾波器后由ADC(模擬數字轉換)器件采集電壓。圖3為所設計的對臂電橋與放大電路。

圖3 對臂電橋與放大電路

(6)

對傳感器進行安裝測試,在設定鎖模力為2 860 kN時,發現安裝在拉桿上的應變片傳感器阻值增加了約0.21 Ω,使用Multisim軟件對電路進行仿真,圖4為應變片電阻變化與ADC采集端的電壓變化關系圖。

圖4 應變片電阻與ADC采集端電壓關系圖

從圖4分析得出,三條曲線都呈線性關系,并且放大倍率越大,其曲線變化越明顯;可以確定,設計運放整體的放大倍數為2 000倍時為最佳放大倍率,在應變片為350.21 Ω時其最大輸出電壓為3.029 V,處于微控制器ADC安全采樣電壓范圍之內。

1.4 電源模塊設計

PLC系統為注塑機鎖模力感知儀提供24 V直流電源,而運算放大器和鎖存器都需要±12 V電源供電;此外由電阻應變片傳感器組成的對臂電橋需要5 V電源供電,微控制器主控芯片需要3.3 V電源供電,設計的電源模塊電路為圖5。

圖5 電源模塊

1.5 鎖模力值輸出電路

1.5.1 鎖模力以電壓量輸出

微控制器采集對臂電橋運算放大器的輸出電壓,經過數字濾波與運算處理,將其轉化為(0～10)V電壓量輸出,由于主控芯片STM32F103R系列的DAC引腳數量不足,因此使用LF398鎖存器作為輸出通道的切換,同時將輸出的DAC電壓值通過同相比例放大器進行放大輸出,設計的電路圖為圖6。

圖6 單個通道的鎖存器與同相比例放大器電路圖

1.5.2 鎖模力通過Wi-Fi上傳至本地服務器

此外,微控制器將四組傳感器通道的電壓數據轉化為鎖模力,通過串口發送AT指令控制ESP8266-12F電路進行數據上傳至本地服務器,圖7為ESP8266-12F電路圖。

圖7 ESP8266-12F電路圖

2 實驗測試與結果

2.1 實驗使用的注塑機介紹

實驗使用的注塑機為溫州市至上重工有限公司生產的Supreme全自動塑料注射成型機,具體型號為KS286,表1為注塑機鎖模力相關的參數,圖8(a)為傳感器探頭安裝至哥林柱上,圖8(b)為設計的注塑機鎖模力感知儀電路板。

表1 KS286注塑機參數表(節選)

圖8 鎖模力探頭安裝示意圖與鎖模力感知儀

2.2 鎖模力與ADC采集電壓關系曲線的獲取

安裝電阻式應變片傳感器與測量控制板后,通過注塑機主控系統進行合?？刂?此時拉桿會因合模動作產生拉力,隨后調節鎖模力,記錄不同鎖模力下測量控制板所采集到的電橋運放輸出電壓;表2為設定的鎖模力數據與ADC采集電壓數據;圖9為鎖模力與ADC采樣電壓關系曲線。

表2 設定的鎖模力與ADC采集的電壓值

圖9 鎖模力與ADC采集電壓關系曲線

2.3 真實鎖模力與測量鎖模力驗證結果

以表2數據集作為鎖模力感知儀主控程序的數據擬合點,使用折線擬合方法,通過設定不同的鎖模力,驗證ADC采集電壓及與計算得到的鎖模力與真實鎖模力之間的關系,驗證結果詳見表3。

表3 真實鎖模力與計算鎖模力關系

從表3可以得到,計算的鎖模力與真實鎖模力擬合效果較好,最大絕對誤差出現在設定鎖模力為2 624 kN時,其絕對誤差為-67.182 kN;最大相對誤差出現在設定鎖模力162 kN時,其相對誤差為-3.648%,其誤差指標滿足注塑生產可接受的誤差范圍。

3 結 論

1)注塑機鎖模力的大小可通過對注塑機拉桿應力檢測來獲得。實驗表明,應變片傳感器在2 860 kN鎖模力下電阻增加了約0.21 Ω,因此無滑動依附在拉桿上的應變片可以準確的反映拉桿的應力變化。

2)根據應變片在最大鎖模力時增加的電阻阻值,設計了對臂電橋電路和運算放大電路,并對電路進行仿真分析,發現電路在放大倍數為2 000倍時其輸出效果最佳;最后,設定不同的鎖模力驗證了本系統的可行性,結果顯示計算的鎖模力與真實鎖模力的最大絕對誤差為-67.182 kN,最大相對誤差為-3.648%,其誤差滿足生產的要求,證明了該硬件設計的可行性。