10.3 模具智能化裝備技術的研究

模具是智能化注射成型全套解決方案中重要環節。

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參數來源于注塑模具的設計參數。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參數：鎖模力、注射壓力、注射速度、注射質量、熔融料溫度等等，而且要提供模具上智能化測量技術反映出這些技術參數，技術參數的信息如何提供給中央控制系統。注射設備中央控制系統以這些參數作為成型加工技術參數范本，再在實際成型加工過程中根據成型制品的質量進行分析、推理、決策，直至達到最佳的制品質量。

注塑模具制造采用CAE技術才能得到仿真的注射成型加工技術參數。

10.3.2 模具智能化與視覺技術

視覺系統以其獨特的非接觸式檢測方式，確保模具的正常使用，達到設備的正常運行。在一個完整的成型周期內對所關心的模具型腔面進行兩次拍照，即一檢和二檢：指的是在模具開模限的時候瞬間拍照檢測，確認有無毛邊、缺陷，同時根據產品的缺陷與否可同時檢測模腔有無粘模，如果任何一種情況出現，便禁止頂針頂出。開模二次檢：指的是頂針頂完歸位，如果有使用機械手的話，同時機械手也已脫離監控區域，這時瞬間拍照進行二次檢，確認模具區域有無粘?；虍愇餁埩?，還能幫助判斷鑲件、頂桿和滑塊的位置或狀態是否正常，如果任何一種情況出現，禁止合模。以上檢測中，如檢測到異常情況，視覺系統發信息給中央控制系統，中央控制系統接到信息后發出故障信息和停止注射運行的指令。

國內視覺技術在模具智能化上得到了應用。廈門博視源科技有限公司自主研發的雙鏡頭模具監視器具有8個功能：成型品粘定模檢測；用于插件放置檢測；用于頂針斷掉檢測；用于添充不足的檢測；用于毛邊的檢測；用于落下不良檢測；用于減少不要的頂出次數；用于生產線或組裝線?？筛鶕a的需要進行監測區域設定，對多型腔及特殊鑲件位置進行監測。通過觸摸屏控制設定參數畫面，自動監視模具開關模狀況。高速高清晰度數字相機，檢測精密，位置檢測可精確到0.05毫米，判定處理時間0.02秒?？舍槍Σ煌＞叽鎯ο鄳募?，同時NG畫面可自動存儲，有利于品質追蹤。

Hekuma公司的醫學工程部門打造出一款醫療用吸頭生產設備，從模具高速移除注塑件、將成品件堆放到循環工件輸送系統中、使用一個攝像系統來完成質量控制、分揀出檢測不合格的工件、從緩沖區填補空白、用檢查的合格品填補組合架、在架子上打印日期和批號以及堆垛并用可撕的保護膜給填滿的架子打包。

10.3.3 模具智能化清潔技術

智能化模具是智能化注塑成型加工的重要組成部分。智能化模具對模溫、熔融料模內流動性能等具有感知、分析、決策和控制功能，提高制品質量和生產效率，更加節材節能的綠色化成型加工。模具清潔目的是徹底清除灰塵、氣蝕殘渣和模具涂層、磨蝕以及腐蝕的表面、殘留德礦物質和潤滑劑等，直至對氣孔周邊的清潔處理。高效、安全、快速的環保清潔技術是精密模具清潔的發展方向，超聲波、干冰、等離子等清潔技術都是環保清潔技術。智能化模具清潔技術就是運用視覺技術，一經發現模具異常，立即發信息給中央控制系統，中央控制系統接到模具信息后，立即指令設備停止運行，并實現自動清潔模具或發出人工清潔模具的信息。

10.3.4 動態感應模具加熱平衡技術

RocTool的動態感應模具加熱平衡技術，使得采用激光技術在模具表面實現的微細結構能夠得到高精度的復制，而所有這些都在一次注射加工中完成。這種由激光構造的模具鑲件擁有含各種效果及精密結構（高光、全息圖）的特殊表面。在Fakuma 2015展會中，克勞斯瑪菲以電子箱蓋為例，采用DMH（動態模具加熱）技術的CX 160-750注塑機上演示了采用其與合作伙伴RocTool共同提供的這種感應DMH工藝是如何在一次注射加工中開發出具有優質表面的部件，同時還省略了額外的模內裝飾步驟，如預成型、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的氣體一般是通過設置排氣系統（主要采用排氣槽方式）排除；在脫模時，某些大型模件要設置引氣系統才能順利脫模。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位置，使氣體直接從金屬體中穿透，而不需專門設置排氣、引氣系統，使塑料模具同樣具有良好的排氣和吸氣功能。綠色性能主要表現在： 1）降低注塑壓力，減少成型和保壓時間； 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，避免廢邊的產生； 3.)可使由于澆口偏位、壁厚不勻/壁薄產品等難成型問題得到解決和緩解。

10.4 PID智能化控制技術的新常態創新驅動

經典的PID控制都建立在被控對象精確模型(傳遞函數和狀態方程)的基礎上，實現智能化控制系統，建立其數學模型比較困難，有時甚至是不可能的，明顯呈現出控制性能的不足，也就無法實現期望的自動控制。在計算機技術的充分應用的前提下，在經典PID控制的基礎上，把自矯正技術、模糊控制、專家控制、智能控制等用于PID，微分信號產生的質量更高，打破了經典PID控制系統的局限性，實現PID智能化控制的科學發展。

實時性是PID智能化控制的主要技術性能指標，包括兩個內容：穩態精度，即穩態值與期望值之差。

快速、精確的運動控制和高效的“實時”質量檢驗需要使用龐大且功能強大的控制系統和高速數據通信系統。設備的復雜程度高，意味著它們會有很多的系統接口。PLC技術很難滿足此類要求，若要在一個傳統的PLC架構中實現這一點，不僅需要花費巨額成本，而且還會對系統運行的性能產生不利影響。Hekuma公司開發的Beckhoff開放的自動化技術，在和超高速EtherCAT通信系統配套使用，實現了最大偏差僅為0.005mm的軸向控制。 

10.4.1  實時性溫度控制的模糊變系數PID互聯算法

模糊控制運用模糊集合論模擬操作人員的操作和決策，從而實現自動控制，相對于傳統的PID控制具有更好的動態和靜態性能,控制精度也大為提高。。傳統的PID控制器依賴被控對象精確的數學模型,當應用于復雜的、非線性、大遲滯的塑化擠出加熱系統時難以達到良好的動態響應。

將模糊控制和PID控制相結合為互聯算法，采用以模糊控制方式在線調整PID參數的控制算法，能使模糊控制器根據工藝生產實際情況實時自動調整比例系數、積分系數和微分系數，以達到調節和控制作用的實時性最優。PID參數調節則由模糊控制器根據偏差和偏差變化率進行自動調整，同時把模糊自整定控制器的模糊部分按比例系數、積分系數、微分系數，分成 3部分，分別由相應的子推理器來實現。模糊變系數PID的過渡過程時間、最大偏差，余差等調節等動態和靜態特性指標均明顯優于PID控制，具有較好的自適應能力和魯棒性，其超調量精度為0.30C，穩態精度≤ 10C，過渡過程的動、靜態性能優良。

10.4.2提高溫度動態波動精度的統計過程控制系統（Statistician Process Control）

這是一種基于預先預測過程發展趨勢的先進控制方法，可比常規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，可以將擠出溫度的波動控制在± 1℃以內。

10.4.3 多回路PID溫度控制智能系統

多個獨立的閉環反饋控制系統，在一個采樣周期內, 溫度傳感器（熱電偶）將檢測到的料筒與機頭溫度信號PV，與設定值SV 進行比較，得到偏差e = SV—PV。結合所給的P、I、D 參數和溫度控制策略進行PID運算得出控制輸出值，經過脈寬調制，最后得到繼電器在一個采樣周期中的導通時間。通過控制繼電器在一個采樣周期中的導通時間即可控制加熱器的加熱時間，從而達到精確控制溫度的目的。各個回路獨立工作，互不干擾，具有極高的穩定性和可靠性。

佛山市皓科控制技術有限公司研發生產的具有自主知識產權的四回路PID溫度控制智能模塊，針對純滯后、大慣性對象而開發的模糊自適應PID控制算法，各回路均帶有獨立的加熱、冷卻開關量輸出，只需配置4個模塊。各模塊可獨立的控制對應回路的溫度值，CPU只需通過現場總線就可以輕松的控制各回路的啟閉及獲取各回路的當前溫度、設定溫度值。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、四路獨立隔離的熱電偶輸入、四組獨立隔離的晶體管或繼電器開關量輸出、支持MODBUS/RTU協議的RS485隔離通訊口等優秀的電氣性能。通過與支持MODBUS現場總線協議的上位機連接最大可擴展從機128個，即實現512個溫區的控制，溫度超調量小于3℃，靜態誤差小于±1℃。

10.4.4 伺服控制的非線性PID算法

電液伺服系統在高端注塑機中得到廣泛應用，如何提高其控制性能，一直是長期研究的課題。常規都采用經典的PID控制，往往達不到理想的控制性能要求。

經典的PID控制采用“線性組合”形式產生的控制量，常引起快速性和超調量及準確性之間的矛盾，比如可能會引起控制回路自激震蕩，也會引起瞬態互調的失真，使被控對象出現損害的幾率更高，達不到制品壁厚的設定技術要求。

非線性PID的設計是在經典PID基礎之上，使用一種新的非線性機構—非線性跟蹤／微分器來產生控制新的基本要素，并利用這些新的要素的“非線性組合”方式來改進經典PID調節器，在經典PID控制器的線性區間使用非線性組合，使其適應性和魯棒性得以大幅度提高，有效地克服了電液伺服系統存在的大慣性、滯后性的缺陷，提高系統魯棒性能及自適應性能，對傳統PID控制器的比例、積分、微分系數進行實時調整，保證在誤差較大時能夠快速收斂，提高了跟蹤能力，精確地實時達到型坯壁厚的控制要求?？刂葡到y定義每個任務的優先級和循環時間，實時多任務操作系統，循環時間最短可達1ms，使整個系統的實時性得到了優化；實現多通道的串口通訊功能；實時地顯示設備狀態、操作指示、參數設定、動作流程、統計資料、警報信息及簡易報表等內容；配以觸摸屏，各種參數的設定、按鈕開關的運用、控制曲線的顯示以及報警信息等都可由該觸摸屏來完成，觸摸屏上設定各種函數曲線，為壁厚圖形的編輯提供了十分有利的工作平臺；PLC控制器在接收到人機界面設定的曲線數據和參數信息后，控制伺服閥，實時調節并達到預設的口模間隙。

非線性PID控制系統存在著快速性與穩定性之間的矛盾，在未來的發展道路上，設計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需要解決的課題。

10.4.5 伺服交流電機的回推非線性PID復合控制[17]

伺服交流電機(PMSM)控制結構一般由電流環、速度環和位置環共同組成的三環串級結構。其控制策略一般電流環采用滯環控制方式，速度環采用PI控制規律，以保證進行穩定的速度控制。位置環通常采用比例控制規律來保證位置控制的高精度和良好的跟蹤性能。但是由于其速度環和電流環的非線性耦合等因素的影響，系統的快速性和抗干擾能力及對系統參數攝動的魯棒性都不夠理想?；赝扑惴ú捎梅聪蜻f推的設計原則，把狀態坐標的變化、不確定參數的自適應調節函數和已知Lyapunov函數的虛擬控制系統的鎮定函數等聯系起來，實現系統的全局調節或跟蹤。在大誤差下利用回推控制進行調節，使系統全局漸近穩定，同時防止出現溢出現象；誤差較小時則利用非線性PID的自調整能力；誤差設定值以外的情況，通過回推算法使得系統誤差快速收斂到設定值以內，提高了跟蹤能力，保證了非線性PID的調節作用。通過非線性PID的自調整能力，調節控制參數，以適應系統響應時間中系統位置的變化，減少了控制效果對人為因素的依賴，使電機達到比較理想的位置響應實時性能。

10.4.6 專業化伺服驅動器

貝加萊第二代伺服驅動器ACOPOS multi有超強過載能力，能達到極高的鎖模力和注塑壓力：內嵌高性能DSP處理器，可實現復雜運動控制：可驅動扭矩電機，簡化了注塑機的機械結構，同時提高重復性和耐用性：具有能量再生功能，可降低能量消耗；符合IEC61 508安全標準的SIL3，整個系統是Safty PLC、Safty I/O、Safty Drive及Safty Bus安全自動化技術方案。 

日精公司NEX系列全電動注塑機采用自行開發的Tact控制系統，系統中包含保壓壓力、合模壓力以及模內工藝控制等標準控制程序，系統掃描時間為0.1ms，可使注射壓力波動降低50%,空運轉周期比以前減幅35%。,注射速度提升40%，從而實現了高精度、穩定成形，提高了工藝控制、V-P切換控制的應答性能、再現性能, 發揮高速成形的威力。

B&R 的ENDURA Ⅱ伺服控制器，通訊總線響應速度達到1000Mbps，是其他品牌伺服控制器（50 Mbps）的20 倍，極大提高了運行的重復性精度和定位精度。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1/16000s的高速控制和最新的伺服技術，實現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射出速度，可有效地預防樹脂的燒焦和空氣卷入，在難以進行高速射出設定的精密和微距連接器之類的注塑件的穩定注塑方面發揮威力。日精公司的tact的全新控制系統，與Elject ES系列相比，具有更優的動態反映特性和可重復性，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間可縮短35%。

10.4.7 專業化控制軟件

專用控制軟件是know-how的封裝容器，它使得那些制造商對于工藝的深度封裝起來，不易被復制，而這些構成了機器的競爭力的核心。

東芝機械制造有限公司EC—SX智能化全電動注塑機，采用了東芝機械最新型的處理控制器，能夠更精確地控制注塑機，而運算速度提高 了40%。自行研發的智能化DST控制軟件用于控制注射 和合模過程，可保持加工穩定性，保證每個部件的重量偏 差維持在非常低的水平，在使用再生料進行加工的情況 下其優勢特別明顯。東芝機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內使用。

控制軟件自主化，不但有利于保護知識產權，更有利于適應市場多變的特點。寧波偉立機器人科技有限公司機械手的智能化軟件實現自主化，不但實現了我國注塑機機械手達到國際水平，而且處于國際同行的有力競爭地位。