10.3 模具智能化裝備技術(shù)的研究

模具是智能化注射成型全套解決方案中重要環(huán)節(jié)。

10.3.1 模具智能化與注塑智能化

智能化注塑成型加工技術(shù)參數(shù)來源于注塑模具的設(shè)計(jì)參數(shù)。智能化注塑成型加工不但要求模具制造者提供成型加工的技術(shù)參數(shù)：鎖模力、注射壓力、注射速度、注射質(zhì)量、熔融料溫度等等，而且要提供模具上智能化測(cè)量技術(shù)反映出這些技術(shù)參數(shù)，技術(shù)參數(shù)的信息如何提供給中央控制系統(tǒng)。注射設(shè)備中央控制系統(tǒng)以這些參數(shù)作為成型加工技術(shù)參數(shù)范本，再在實(shí)際成型加工過程中根據(jù)成型制品的質(zhì)量進(jìn)行分析、推理、決策，直至達(dá)到最佳的制品質(zhì)量。

注塑模具制造采用CAE技術(shù)才能得到仿真的注射成型加工技術(shù)參數(shù)。

10.3.2 模具智能化與視覺技術(shù)

視覺系統(tǒng)以其獨(dú)特的非接觸式檢測(cè)方式，確保模具的正常使用，達(dá)到設(shè)備的正常運(yùn)行。在一個(gè)完整的成型周期內(nèi)對(duì)所關(guān)心的模具型腔面進(jìn)行兩次拍照，即一檢和二檢：指的是在模具開模限的時(shí)候瞬間拍照檢測(cè)，確認(rèn)有無毛邊、缺陷，同時(shí)根據(jù)產(chǎn)品的缺陷與否可同時(shí)檢測(cè)模腔有無粘模，如果任何一種情況出現(xiàn)，便禁止頂針頂出。開模二次檢：指的是頂針頂完歸位，如果有使用機(jī)械手的話，同時(shí)機(jī)械手也已脫離監(jiān)控區(qū)域，這時(shí)瞬間拍照進(jìn)行二次檢，確認(rèn)模具區(qū)域有無粘?；虍愇餁埩簦€能幫助判斷鑲件、頂桿和滑塊的位置或狀態(tài)是否正常，如果任何一種情況出現(xiàn)，禁止合模。以上檢測(cè)中，如檢測(cè)到異常情況，視覺系統(tǒng)發(fā)信息給中央控制系統(tǒng)，中央控制系統(tǒng)接到信息后發(fā)出故障信息和停止注射運(yùn)行的指令。

國(guó)內(nèi)視覺技術(shù)在模具智能化上得到了應(yīng)用。廈門博視源科技有限公司自主研發(fā)的雙鏡頭模具監(jiān)視器具有8個(gè)功能：成型品粘定模檢測(cè)；用于插件放置檢測(cè)；用于頂針斷掉檢測(cè)；用于添充不足的檢測(cè)；用于毛邊的檢測(cè)；用于落下不良檢測(cè)；用于減少不要的頂出次數(shù)；用于生產(chǎn)線或組裝線。可根據(jù)生產(chǎn)的需要進(jìn)行監(jiān)測(cè)區(qū)域設(shè)定，對(duì)多型腔及特殊鑲件位置進(jìn)行監(jiān)測(cè)。通過觸摸屏控制設(shè)定參數(shù)畫面，自動(dòng)監(jiān)視模具開關(guān)模狀況。高速高清晰度數(shù)字相機(jī)，檢測(cè)精密，位置檢測(cè)可精確到0.05毫米，判定處理時(shí)間0.02秒?？舍槍?duì)不同模具存儲(chǔ)相應(yīng)文件，同時(shí)NG畫面可自動(dòng)存儲(chǔ)，有利于品質(zhì)追蹤。

Hekuma公司的醫(yī)學(xué)工程部門打造出一款醫(yī)療用吸頭生產(chǎn)設(shè)備，從模具高速移除注塑件、將成品件堆放到循環(huán)工件輸送系統(tǒng)中、使用一個(gè)攝像系統(tǒng)來完成質(zhì)量控制、分揀出檢測(cè)不合格的工件、從緩沖區(qū)填補(bǔ)空白、用檢查的合格品填補(bǔ)組合架、在架子上打印日期和批號(hào)以及堆垛并用可撕的保護(hù)膜給填滿的架子打包。

10.3.3 模具智能化清潔技術(shù)

智能化模具是智能化注塑成型加工的重要組成部分。智能化模具對(duì)模溫、熔融料模內(nèi)流動(dòng)性能等具有感知、分析、決策和控制功能，提高制品質(zhì)量和生產(chǎn)效率，更加節(jié)材節(jié)能的綠色化成型加工。模具清潔目的是徹底清除灰塵、氣蝕殘?jiān)湍＞咄繉印⒛ノg以及腐蝕的表面、殘留德礦物質(zhì)和潤(rùn)滑劑等，直至對(duì)氣孔周邊的清潔處理。高效、安全、快速的環(huán)保清潔技術(shù)是精密模具清潔的發(fā)展方向，超聲波、干冰、等離子等清潔技術(shù)都是環(huán)保清潔技術(shù)。智能化模具清潔技術(shù)就是運(yùn)用視覺技術(shù)，一經(jīng)發(fā)現(xiàn)模具異常，立即發(fā)信息給中央控制系統(tǒng)，中央控制系統(tǒng)接到模具信息后，立即指令設(shè)備停止運(yùn)行，并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)清潔模具或發(fā)出人工清潔模具的信息。

10.3.4 動(dòng)態(tài)感應(yīng)模具加熱平衡技術(shù)

RocTool的動(dòng)態(tài)感應(yīng)模具加熱平衡技術(shù)，使得采用激光技術(shù)在模具表面實(shí)現(xiàn)的微細(xì)結(jié)構(gòu)能夠得到高精度的復(fù)制，而所有這些都在一次注射加工中完成。這種由激光構(gòu)造的模具鑲件擁有含各種效果及精密結(jié)構(gòu)（高光、全息圖）的特殊表面。在Fakuma 2015展會(huì)中，克勞斯瑪菲以電子箱蓋為例，采用DMH（動(dòng)態(tài)模具加熱）技術(shù)的CX 160-750注塑機(jī)上演示了采用其與合作伙伴RocTool共同提供的這種感應(yīng)DMH工藝是如何在一次注射加工中開發(fā)出具有優(yōu)質(zhì)表面的部件，同時(shí)還省略了額外的模內(nèi)裝飾步驟，如預(yù)成型、沖孔和喂送等。

10.3.4 透氣鋼模具

    注塑模在塑料填充過程中出現(xiàn)的氣體一般是通過設(shè)置排氣系統(tǒng)（主要采用排氣槽方式）排除；在脫模時(shí)，某些大型模件要設(shè)置引氣系統(tǒng)才能順利脫模。如果用透氣模具鋼則可以將此種多孔金屬安裝在模腔壁上的適當(dāng)位置，使氣體直接從金屬體中穿透，而不需專門設(shè)置排氣、引氣系統(tǒng)，使塑料模具同樣具有良好的排氣和吸氣功能。綠色性能主要表現(xiàn)在： 1）降低注塑壓力，減少成型和保壓時(shí)間； 2.）提高模具分型面的緊合度，提高頂桿和鑲件的配合性能，無需利用分型面或其他排氣系統(tǒng)，避免廢邊的產(chǎn)生； 3.)可使由于澆口偏位、壁厚不勻/壁薄產(chǎn)品等難成型問題得到解決和緩解。

10.4 PID智能化控制技術(shù)的新常態(tài)創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)

經(jīng)典的PID控制都建立在被控對(duì)象精確模型(傳遞函數(shù)和狀態(tài)方程)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)智能化控制系統(tǒng)，建立其數(shù)學(xué)模型比較困難，有時(shí)甚至是不可能的，明顯呈現(xiàn)出控制性能的不足，也就無法實(shí)現(xiàn)期望的自動(dòng)控制。在計(jì)算機(jī)技術(shù)的充分應(yīng)用的前提下，在經(jīng)典PID控制的基礎(chǔ)上，把自矯正技術(shù)、模糊控制、專家控制、智能控制等用于PID，微分信號(hào)產(chǎn)生的質(zhì)量更高，打破了經(jīng)典PID控制系統(tǒng)的局限性，實(shí)現(xiàn)PID智能化控制的科學(xué)發(fā)展。

實(shí)時(shí)性是PID智能化控制的主要技術(shù)性能指標(biāo)，包括兩個(gè)內(nèi)容：穩(wěn)態(tài)精度，即穩(wěn)態(tài)值與期望值之差。

快速、精確的運(yùn)動(dòng)控制和高效的“實(shí)時(shí)”質(zhì)量檢驗(yàn)需要使用龐大且功能強(qiáng)大的控制系統(tǒng)和高速數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)。設(shè)備的復(fù)雜程度高，意味著它們會(huì)有很多的系統(tǒng)接口。PLC技術(shù)很難滿足此類要求，若要在一個(gè)傳統(tǒng)的PLC架構(gòu)中實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，不僅需要花費(fèi)巨額成本，而且還會(huì)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的性能產(chǎn)生不利影響。Hekuma公司開發(fā)的Beckhoff開放的自動(dòng)化技術(shù)，在和超高速EtherCAT通信系統(tǒng)配套使用，實(shí)現(xiàn)了最大偏差僅為0.005mm的軸向控制。 

10.4.1  實(shí)時(shí)性溫度控制的模糊變系數(shù)PID互聯(lián)算法

模糊控制運(yùn)用模糊集合論模擬操作人員的操作和決策，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，相對(duì)于傳統(tǒng)的PID控制具有更好的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)性能,控制精度也大為提高。。傳統(tǒng)的PID控制器依賴被控對(duì)象精確的數(shù)學(xué)模型,當(dāng)應(yīng)用于復(fù)雜的、非線性、大遲滯的塑化擠出加熱系統(tǒng)時(shí)難以達(dá)到良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

將模糊控制和PID控制相結(jié)合為互聯(lián)算法，采用以模糊控制方式在線調(diào)整PID參數(shù)的控制算法，能使模糊控制器根據(jù)工藝生產(chǎn)實(shí)際情況實(shí)時(shí)自動(dòng)調(diào)整比例系數(shù)、積分系數(shù)和微分系數(shù)，以達(dá)到調(diào)節(jié)和控制作用的實(shí)時(shí)性最優(yōu)。PID參數(shù)調(diào)節(jié)則由模糊控制器根據(jù)偏差和偏差變化率進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整，同時(shí)把模糊自整定控制器的模糊部分按比例系數(shù)、積分系數(shù)、微分系數(shù)，分成 3部分，分別由相應(yīng)的子推理器來實(shí)現(xiàn)。模糊變系數(shù)PID的過渡過程時(shí)間、最大偏差，余差等調(diào)節(jié)等動(dòng)態(tài)和靜態(tài)特性指標(biāo)均明顯優(yōu)于PID控制，具有較好的自適應(yīng)能力和魯棒性，其超調(diào)量精度為0.30C，穩(wěn)態(tài)精度≤ 10C，過渡過程的動(dòng)、靜態(tài)性能優(yōu)良。

10.4.2提高溫度動(dòng)態(tài)波動(dòng)精度的統(tǒng)計(jì)過程控制系統(tǒng)（Statistician Process Control）

這是一種基于預(yù)先預(yù)測(cè)過程發(fā)展趨勢(shì)的先進(jìn)控制方法，可比常規(guī)的邏輯程序控制方法的控制精度提高80％以上。采用SPC控制系統(tǒng)，可以將擠出溫度的波動(dòng)控制在± 1℃以內(nèi)。

10.4.3 多回路PID溫度控制智能系統(tǒng)

多個(gè)獨(dú)立的閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，在一個(gè)采樣周期內(nèi), 溫度傳感器（熱電偶）將檢測(cè)到的料筒與機(jī)頭溫度信號(hào)PV，與設(shè)定值SV 進(jìn)行比較，得到偏差e = SV—PV。結(jié)合所給的P、I、D 參數(shù)和溫度控制策略進(jìn)行PID運(yùn)算得出控制輸出值，經(jīng)過脈寬調(diào)制，最后得到繼電器在一個(gè)采樣周期中的導(dǎo)通時(shí)間。通過控制繼電器在一個(gè)采樣周期中的導(dǎo)通時(shí)間即可控制加熱器的加熱時(shí)間，從而達(dá)到精確控制溫度的目的。各個(gè)回路獨(dú)立工作，互不干擾，具有極高的穩(wěn)定性和可靠性。

佛山市皓科控制技術(shù)有限公司研發(fā)生產(chǎn)的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的四回路PID溫度控制智能模塊，針對(duì)純滯后、大慣性對(duì)象而開發(fā)的模糊自適應(yīng)PID控制算法，各回路均帶有獨(dú)立的加熱、冷卻開關(guān)量輸出，只需配置4個(gè)模塊。各模塊可獨(dú)立的控制對(duì)應(yīng)回路的溫度值，CPU只需通過現(xiàn)場(chǎng)總線就可以輕松的控制各回路的啟閉及獲取各回路的當(dāng)前溫度、設(shè)定溫度值。四回路PID溫度控制智能模塊具有1500V電氣隔離的24VDC輸入接口、四路獨(dú)立隔離的熱電偶輸入、四組獨(dú)立隔離的晶體管或繼電器開關(guān)量輸出、支持MODBUS/RTU協(xié)議的RS485隔離通訊口等優(yōu)秀的電氣性能。通過與支持MODBUS現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議的上位機(jī)連接最大可擴(kuò)展從機(jī)128個(gè)，即實(shí)現(xiàn)512個(gè)溫區(qū)的控制，溫度超調(diào)量小于3℃，靜態(tài)誤差小于±1℃。

10.4.4 伺服控制的非線性PID算法

電液伺服系統(tǒng)在高端注塑機(jī)中得到廣泛應(yīng)用，如何提高其控制性能，一直是長(zhǎng)期研究的課題。常規(guī)都采用經(jīng)典的PID控制，往往達(dá)不到理想的控制性能要求。

經(jīng)典的PID控制采用“線性組合”形式產(chǎn)生的控制量，常引起快速性和超調(diào)量及準(zhǔn)確性之間的矛盾，比如可能會(huì)引起控制回路自激震蕩，也會(huì)引起瞬態(tài)互調(diào)的失真，使被控對(duì)象出現(xiàn)損害的幾率更高，達(dá)不到制品壁厚的設(shè)定技術(shù)要求。

非線性PID的設(shè)計(jì)是在經(jīng)典PID基礎(chǔ)之上，使用一種新的非線性機(jī)構(gòu)—非線性跟蹤／微分器來產(chǎn)生控制新的基本要素，并利用這些新的要素的“非線性組合”方式來改進(jìn)經(jīng)典PID調(diào)節(jié)器，在經(jīng)典PID控制器的線性區(qū)間使用非線性組合，使其適應(yīng)性和魯棒性得以大幅度提高，有效地克服了電液伺服系統(tǒng)存在的大慣性、滯后性的缺陷，提高系統(tǒng)魯棒性能及自適應(yīng)性能，對(duì)傳統(tǒng)PID控制器的比例、積分、微分系數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，保證在誤差較大時(shí)能夠快速收斂，提高了跟蹤能力，精確地實(shí)時(shí)達(dá)到型坯壁厚的控制要求。控制系統(tǒng)定義每個(gè)任務(wù)的優(yōu)先級(jí)和循環(huán)時(shí)間，實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)，循環(huán)時(shí)間最短可達(dá)1ms，使整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性得到了優(yōu)化；實(shí)現(xiàn)多通道的串口通訊功能；實(shí)時(shí)地顯示設(shè)備狀態(tài)、操作指示、參數(shù)設(shè)定、動(dòng)作流程、統(tǒng)計(jì)資料、警報(bào)信息及簡(jiǎn)易報(bào)表等內(nèi)容；配以觸摸屏，各種參數(shù)的設(shè)定、按鈕開關(guān)的運(yùn)用、控制曲線的顯示以及報(bào)警信息等都可由該觸摸屏來完成，觸摸屏上設(shè)定各種函數(shù)曲線，為壁厚圖形的編輯提供了十分有利的工作平臺(tái)；PLC控制器在接收到人機(jī)界面設(shè)定的曲線數(shù)據(jù)和參數(shù)信息后，控制伺服閥，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)并達(dá)到預(yù)設(shè)的口模間隙。

非線性PID控制系統(tǒng)存在著快速性與穩(wěn)定性之間的矛盾，在未來的發(fā)展道路上，設(shè)計(jì)一些基于偏差的比例、積分和微分的非線性控制模塊，并由這些模塊以合適的方式組合出控制律是一個(gè)需要解決的課題。

10.4.5 伺服交流電機(jī)的回推非線性PID復(fù)合控制[17]

伺服交流電機(jī)(PMSM)控制結(jié)構(gòu)一般由電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)共同組成的三環(huán)串級(jí)結(jié)構(gòu)。其控制策略一般電流環(huán)采用滯環(huán)控制方式，速度環(huán)采用PI控制規(guī)律，以保證進(jìn)行穩(wěn)定的速度控制。位置環(huán)通常采用比例控制規(guī)律來保證位置控制的高精度和良好的跟蹤性能。但是由于其速度環(huán)和電流環(huán)的非線性耦合等因素的影響，系統(tǒng)的快速性和抗干擾能力及對(duì)系統(tǒng)參數(shù)攝動(dòng)的魯棒性都不夠理想。回推算法采用反向遞推的設(shè)計(jì)原則，把狀態(tài)坐標(biāo)的變化、不確定參數(shù)的自適應(yīng)調(diào)節(jié)函數(shù)和已知Lyapunov函數(shù)的虛擬控制系統(tǒng)的鎮(zhèn)定函數(shù)等聯(lián)系起來，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的全局調(diào)節(jié)或跟蹤。在大誤差下利用回推控制進(jìn)行調(diào)節(jié)，使系統(tǒng)全局漸近穩(wěn)定，同時(shí)防止出現(xiàn)溢出現(xiàn)象；誤差較小時(shí)則利用非線性PID的自調(diào)整能力；誤差設(shè)定值以外的情況，通過回推算法使得系統(tǒng)誤差快速收斂到設(shè)定值以內(nèi)，提高了跟蹤能力，保證了非線性PID的調(diào)節(jié)作用。通過非線性PID的自調(diào)整能力，調(diào)節(jié)控制參數(shù)，以適應(yīng)系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間中系統(tǒng)位置的變化，減少了控制效果對(duì)人為因素的依賴，使電機(jī)達(dá)到比較理想的位置響應(yīng)實(shí)時(shí)性能。

10.4.6 專業(yè)化伺服驅(qū)動(dòng)器

貝加萊第二代伺服驅(qū)動(dòng)器ACOPOS multi有超強(qiáng)過載能力，能達(dá)到極高的鎖模力和注塑壓力：內(nèi)嵌高性能DSP處理器，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜運(yùn)動(dòng)控制：可驅(qū)動(dòng)扭矩電機(jī)，簡(jiǎn)化了注塑機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，同時(shí)提高重復(fù)性和耐用性：具有能量再生功能，可降低能量消耗；符合IEC61 508安全標(biāo)準(zhǔn)的SIL3，整個(gè)系統(tǒng)是Safty PLC、Safty I/O、Safty Drive及Safty Bus安全自動(dòng)化技術(shù)方案。 

日精公司NEX系列全電動(dòng)注塑機(jī)采用自行開發(fā)的Tact控制系統(tǒng)，系統(tǒng)中包含保壓壓力、合模壓力以及模內(nèi)工藝控制等標(biāo)準(zhǔn)控制程序，系統(tǒng)掃描時(shí)間為0.1ms，可使注射壓力波動(dòng)降低50%,空運(yùn)轉(zhuǎn)周期比以前減幅35%。,注射速度提升40%，從而實(shí)現(xiàn)了高精度、穩(wěn)定成形，提高了工藝控制、V-P切換控制的應(yīng)答性能、再現(xiàn)性能, 發(fā)揮高速成形的威力。

B&R 的ENDURA Ⅱ伺服控制器，通訊總線響應(yīng)速度達(dá)到1000Mbps，是其他品牌伺服控制器（50 Mbps）的20 倍，極大提高了運(yùn)行的重復(fù)性精度和定位精度。FANUC公司安裝有最新高速微處理器的CNC 310is-MODEL A系列，采樣周期高達(dá)1/16000s的高速控制和最新的伺服技術(shù)，實(shí)現(xiàn)精密注塑中要求的高精度位置、速度、壓力控制，加速度恒定控制，在中低速的射出速度下，以與最高速度相同的斜度啟動(dòng)射出速度，可有效地預(yù)防樹脂的燒焦和空氣卷入，在難以進(jìn)行高速射出設(shè)定的精密和微距連接器之類的注塑件的穩(wěn)定注塑方面發(fā)揮威力。日精公司的tact的全新控制系統(tǒng)，與Elject ES系列相比，具有更優(yōu)的動(dòng)態(tài)反映特性和可重復(fù)性，注塑速度提高40%。成型的精度高出50%，從鎖模到頂出制品的時(shí)間可縮短35%。

10.4.7 專業(yè)化控制軟件

專用控制軟件是know-how的封裝容器，它使得那些制造商對(duì)于工藝的深度封裝起來，不易被復(fù)制，而這些構(gòu)成了機(jī)器的競(jìng)爭(zhēng)力的核心。

東芝機(jī)械制造有限公司EC—SX智能化全電動(dòng)注塑機(jī)，采用了東芝機(jī)械最新型的處理控制器，能夠更精確地控制注塑機(jī)，而運(yùn)算速度提高 了40%。自行研發(fā)的智能化DST控制軟件用于控制注射 和合模過程，可保持加工穩(wěn)定性，保證每個(gè)部件的重量偏 差維持在非常低的水平，在使用再生料進(jìn)行加工的情況 下其優(yōu)勢(shì)特別明顯。東芝機(jī)械制造有限公司為防止智能化DST控制軟件外泄，DST控制軟件僅限在日本國(guó)內(nèi)使用。

控制軟件自主化，不但有利于保護(hù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)，更有利于適應(yīng)市場(chǎng)多變的特點(diǎn)。寧波偉立機(jī)器人科技有限公司機(jī)械手的智能化軟件實(shí)現(xiàn)自主化，不但實(shí)現(xiàn)了我國(guó)注塑機(jī)機(jī)械手達(dá)到國(guó)際水平，而且處于國(guó)際同行的有力競(jìng)爭(zhēng)地位。