專利名稱：全電動超高速注塑成型pvt在線測控方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種超高速注塑成型測控方法，屬于高分子材料成型加工領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
針對航天航空、生物醫(yī)學(xué)工程和消費電子等領(lǐng)域?qū)ψ⑺艹尚椭破诽岢隽?“超輕、超薄、超精密”的迫切要求，常規(guī)注塑成型已無法滿足成型要求，超高速注塑成型被廣泛用于導(dǎo)光板、微流控芯片等薄壁精密注塑制品的生產(chǎn)。超高速注塑成型要求注塑成型設(shè)備能提供超高的注射速度以及較高的注射壓力，塑化質(zhì)量穩(wěn)定，控制精度高及可控范圍廣。此外要求注塑機在整個成型過程中表現(xiàn)穩(wěn)定。一般來說，超高速注塑成型在極短時間內(nèi)實現(xiàn)螺桿提速，注射速度達到SOOmm/sec或以上，是普通注射速度的十幾倍。超高速注塑成型制品壁厚可達0. Imm以下，流動長度/壁厚之比高達400:1，而且制品精度要求很高，只有配合精密注塑成型設(shè)備及工藝才能滿足成型要求。超高速注塑成型過程中，聚合物熔體由注射螺桿以800mm / sec以上的推進速度注射到模具型腔內(nèi)，薄壁結(jié)構(gòu)使得塑料制品在超過120°C /s以上的極高溫度梯度冷卻定型，期間聚合物經(jīng)歷壓力驟變、超高剪切和超高溫度梯度等復(fù)雜劇烈的變化。此外，由于有機高分子材料的黏彈特性，螺桿高速推進時所產(chǎn)生的熔體高壓首先是對螺桿前部的高溫熔體實施高度壓縮，高速推進的螺桿所傳遞的動能絕大部分都被轉(zhuǎn)化為熔體內(nèi)部勢能。根據(jù)材料PVT特性曲線可知，熔體外部壓力由塑化時背壓壓力瞬間升高至230MPa高壓時，熔體可壓縮比率可達10%。因此，超高速注塑成型有別于常規(guī)注塑成型，成型過程需要嚴(yán)格的工藝控制。但是，無論聚合物材料所經(jīng)歷的這些變化過程如何復(fù)雜和激烈，聚合物的比容積V與加工過程中熔體的P、溫度T之間始終遵循與材料對應(yīng)的PVT特性關(guān)系，即V=f (P，T)，這是材料的基本屬性，也是模塑成型制品精度控制的科學(xué)基礎(chǔ)。目前，國內(nèi)外對于聚合物PVT關(guān)系特性的研究主要集中在測試技術(shù)及其應(yīng)用方面。常規(guī)PVT測試原理主要包括柱塞-套筒加壓和封閉液體加壓兩種。其中，以其為代表的測試設(shè)備分別為德國的SW0-PVT100測試儀和美國Gnomix公司的PVT測試儀。然而，這些聚合物材料測試都需要在特定條件下進行，雖然能得到聚合物材料的PVT關(guān)系，但對于成型加工，尤其是類似超高速注塑成型的極端加工條件，常規(guī)PVT測試方法無法為成型提供準(zhǔn)確的指導(dǎo)數(shù)據(jù)。要獲得對加工過程具有精確指導(dǎo)意義的聚合物材料PVT關(guān)系特性，必須建立與實際成型過程一致的測試條件。專利200710063461. 3公開了一種在線測試聚合物壓力-比容-溫度關(guān)系的方法及裝置。該測試裝置測得的PVT關(guān)系能更真實地反映實際注塑成型工藝條件下的PVT關(guān)系。此外，可以用在線測試的聚合物PVT關(guān)系來指導(dǎo)制定聚合物制品的注塑成型工藝參數(shù)或用于制品的模具設(shè)計和CAE分析。如今的測試方法和裝置雖能創(chuàng)造與普通注塑成型一致的測試條件，但是與超高速注塑成型過程中所產(chǎn)生的加工條件相比仍存在較大差別，由此獲得的PVT特性測試結(jié)果無、法準(zhǔn)確描述和指導(dǎo)實際成型加工過程。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明通過在線檢測超高速注塑過程中聚合物的PVT關(guān)系特性，依靠全電動超高速注塑機的高精度控制系統(tǒng)以及高響應(yīng)執(zhí)行機構(gòu)，以超高速注塑成型聚合物PVT關(guān)系特性為指導(dǎo)，實現(xiàn)超高速注塑成型的精密控制。本發(fā)明的目的在于解決超高速注塑成型過程中因聚合物熔體發(fā)生劇烈變化而造成的成型缺陷，為此提供一種高控制精度、高性價比的全電動超高速注塑成型PVT在線測控方法。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案全電動超高速注塑成型在線PVT測控方法，在全電動注塑機的噴嘴上及模具型腔上安裝有高精度溫度傳感器、高精度壓力傳感器，在全電動注塑機的塑化裝置安裝有高精度位移傳感器，由這些傳感器測得的信號經(jīng) 過放大后傳給PVT動態(tài)參數(shù)采集系統(tǒng)，PVT動態(tài)參數(shù)采集系統(tǒng)通過PVT控制系統(tǒng)對塑化裝置中機筒的溫度及控制螺桿轉(zhuǎn)動和移動的伺服驅(qū)動系統(tǒng)進行控制；高精度溫度傳感器分別布置于注塑模具內(nèi)和機筒內(nèi)，由布置在模具型腔內(nèi)的高精度溫度傳感器測得熔體的溫度，由布置在機筒內(nèi)的高精度溫度傳感器測得螺桿頭部熔體的溫度；高精度壓力傳感器分別布置于注塑模具內(nèi)和機筒內(nèi)，由布置在模具型腔內(nèi)的高精度壓力傳感器測得熔體的壓力，由布置在機筒內(nèi)的高精度壓力傳感器測得螺桿頭部熔體的壓力；高精度位移傳感器放置在注射裝置螺桿末端，測量螺桿末端的位移量；PVT動態(tài)參數(shù)采集系統(tǒng)把傳感器采集的模擬信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號，并根據(jù)PVT狀態(tài)方程描繪出注塑成型過程中聚合物熔體PVT變化曲線；PVT控制系統(tǒng)根據(jù)動態(tài)參數(shù)采集系統(tǒng)提供的PVT數(shù)據(jù)進行“PVT關(guān)系”的邏輯運算，根據(jù)超高速注塑成型的成型工藝要求，對全電動超高速注塑機伺服驅(qū)動系統(tǒng)發(fā)出動作指令，實現(xiàn)基于PVT關(guān)系的超高速注塑成型在線控制，指導(dǎo)“超輕、超薄、超精密”塑料制品的成型。本發(fā)明的全電動超高速注塑成型PVT在線測控方法的基本原理是以機筒內(nèi)塑化計量后的熔體為對象，將注射前高度壓縮的熔體熱力學(xué)狀態(tài)(Po，T0, V0)作為控制起始點，注塑成型后機筒內(nèi)熔體熱力學(xué)狀態(tài)(PdT1J1)作為控制結(jié)束點。此時，熔體已進入模具內(nèi)完成制品成型過程，其壓力Pm和溫度Tm可視為已知量(制品脫模時壓力和溫度)，決定成型制品質(zhì)量的比容積\則成為最終控制目標(biāo)。壓力P、溫度T可直接由熔體實際參數(shù)反映，比容積V則通過螺桿位置間接控制。通過溫度、壓力及螺桿位置監(jiān)控信號反饋給PVT控制系統(tǒng)進行“PVT關(guān)系”的邏輯運算，計算結(jié)果通過全電動注塑機伺服驅(qū)動系統(tǒng)對成型過程壓力(Po, P1)和螺桿位置V1)進行精確調(diào)控，從而達到控制制品的比容積Vm的目的，實現(xiàn)制品的精密注塑成型的在線測控。本發(fā)明的全電動超高速注塑成型PVT在線測控方法，高精度溫度、壓力以及位移傳感器具有快速響應(yīng)性，能在極短時間內(nèi)檢測到溫度、壓力以及位移的變化信號。通過在線檢測超高速注塑成型過程中聚合物熔體PVT關(guān)系，獲得實時聚合物熔體PVT數(shù)據(jù)。本發(fā)明的PVT控制系統(tǒng)，以PVT動態(tài)參數(shù)采集系統(tǒng)采集的溫度、壓力及螺桿位置信號為控制對象，以聚合物材料的PVT關(guān)系為控制基礎(chǔ)，以成型制品的最終質(zhì)量為控制目的，通過全電動超高速注塑機的伺服驅(qū)動系統(tǒng)完成注塑成型參數(shù)的設(shè)定并實行動態(tài)調(diào)整。如熔體溫度、注射速度、注射壓力、模具溫度等關(guān)鍵成型參數(shù)。本發(fā)明的全電動超高速注塑成型PVT在線測控方法，聚合物熔體的溫度及壓力測控點也可以是多個，通過PVT動態(tài)參數(shù)采集系統(tǒng)采集溫度及壓力信號，通過PVT控制系統(tǒng)實現(xiàn)超高速注塑成型的精密控制。本發(fā)明一種全電動超高速注塑成型PVT在線測控方法，與現(xiàn)有技術(shù)相比，通過監(jiān)控成型過程中聚合物PVT的變化關(guān)系，解決了超高速注塑成型中壓力驟變、高剪切以及高溫度梯度等復(fù)雜加工條件所引起的聚合物玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變、結(jié)晶和取向等變化對成型制品質(zhì)量的不確定影響，并提供了一種高控制精度、高性價比的超高速注塑成型精密控制方法。


圖I是本發(fā)明全電動超高速注塑成型PVT在線測控方法的測試方案示意圖。圖2是本發(fā)明全電動超高速注塑成型PVT在線測控方法控制原理示意圖。上圖表示塑化結(jié)束時熔體和螺桿的位置，中圖表示高速壓縮初始時噴嘴內(nèi)熔體的狀態(tài)，下圖是完成注射是模具內(nèi)和噴嘴內(nèi)熔體的壓力-比容-和溫度。圖3是本發(fā)明全電動超高速注塑成型PVT在線測控方法控制方案示意框圖。圖中1_注塑模具，2-模具高精度溫度傳感器，3-模具高精度壓力傳感器，4-機筒高精度溫度傳感器，5-機筒高精度壓力傳感器，6-機筒，7-注射系統(tǒng)，8-注射螺桿，9-位移傳感器，10-機架
具體實施例方式如圖I所示，本發(fā)明全電動超高速注塑成型PVT在線測控方法的測試方案，主要由注塑模具1，注射系統(tǒng)7和機架10組成；模具高精度溫度傳感器2和模具高精度壓力傳感器3安裝在注塑模具I的型腔內(nèi)，檢測型腔內(nèi)的溫度和壓力；機筒高精度溫度傳感器4和機筒高精度傳感器5安裝于機筒6前端，檢測機筒頭部熔體的溫度和壓力；位移傳感器9設(shè)置在注射螺桿8末端，檢測螺桿位置。如圖2所示，本發(fā)明全電動超高速注塑成型PVT在線測控方法控制原理是以機筒內(nèi)塑化計量后的熔體為對象，將注射前高度壓縮的熔體熱力學(xué)狀態(tài)(Pc^Uci)作為控制起始點，注塑成型后機筒內(nèi)熔體熱力學(xué)狀態(tài)(PuTdV1)作為控制結(jié)束點。當(dāng)塑化結(jié)束時，螺桿頭部儲存了高溫熔體。當(dāng)注射信號發(fā)出時，由于聚合物的黏彈特性以及伺服系統(tǒng)的高響應(yīng)特性，螺桿迅速向前注射，螺桿頭部聚合物熔體瞬間高速壓縮，此刻界定熔體熱力學(xué)狀態(tài)(Po, T0, V0)。此后，熔體高壓釋放并伴隨螺桿注射進入模具內(nèi)完成制品成型過程，其壓力Pm和溫度Tm可視為已知量(制品脫模時壓力和溫度)，決定成型制品質(zhì)量的比容積\則成為最終控制目標(biāo)。壓力P、溫度T可直接由熔體實際參數(shù)反映，比容積V則通過螺桿位置間接控制。通過溫度、壓力及螺桿位置監(jiān)控信號反饋給PVT控制系統(tǒng)進行“PVT關(guān)系”的邏輯運算，計算結(jié)果通過全電動注塑機伺服驅(qū)動系統(tǒng)對成型過程壓力(Po，P1)和螺桿位置(V。，V1)進行精確調(diào)控，從而達到控制制品的比容積Vm的目的，實現(xiàn)薄壁制品的精密注塑成型。如圖3所示，型腔以及機筒內(nèi)的溫度、壓力傳感器以及位移傳感器檢測到的信號通過放大器處理以后，輸入到PVT動態(tài)參數(shù)采集系統(tǒng)中，PVT動態(tài)參數(shù)采集系統(tǒng)將采集所得的溫度、壓力以及位移數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇VT控制系統(tǒng)中。PVT控制系統(tǒng)根據(jù)聚合物成型的PVT關(guān)系特性以及成型工藝的要求，通過伺服系統(tǒng)對塑化電機以及注射電機進行控制，通過發(fā)熱圈對機筒熔體溫度進行控制。
PVT控制系統(tǒng)，根據(jù)超高速注塑成型的要求，根據(jù)制品成型工藝的需要，以聚合物PVT關(guān)系特性為控制基礎(chǔ)，對比PVT動態(tài)參數(shù)采集系統(tǒng)采集的溫度、壓力及螺桿位置信號以成型要求的偏差，通過全電動超高速注塑機的伺服驅(qū)動系統(tǒng)實現(xiàn)熔體溫度、注射速度、注射壓力、模具溫度等關(guān)鍵成型參數(shù)的精密控制，最終實現(xiàn)薄壁制品精密成型的目的，該過程用于保證注射和保壓過程的精度控制。

溫度、壓力的測控點也可以是多個，通過PVT動態(tài)參數(shù)采集系統(tǒng)采集溫度及壓力信號，通過PVT控制系統(tǒng)實現(xiàn)超高速注塑成型的精密控制。多點測控可以提升溫度、壓力的檢測精度，有利于提高全電動超高速注塑成型PVT在線控制的精度，但成本會相應(yīng)提高。
權(quán)利要求
1.全電動超高速注塑成型PVT在線測控方法，在全電動注塑機的噴嘴上及模具型腔上安裝有高精度溫度傳感器、高精度壓力傳感器，在全電動注塑機的塑化裝置安裝有高精度位移傳感器，由這些傳感器測得的信號經(jīng)過放大后傳給PVT動態(tài)參數(shù)采集系統(tǒng)，PVT動態(tài)參數(shù)采集系統(tǒng)把傳感器采集的模擬信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號，并根據(jù)PVT狀態(tài)方程描繪出注塑成型過程中聚合物熔體PVT變化曲線；PVT控制系統(tǒng)根據(jù)動態(tài)參數(shù)采集系統(tǒng)提供的PVT數(shù)據(jù)進行“PVT關(guān)系”的邏輯運算，根據(jù)超高速注塑成型的成型工藝要求，對全電動超高速注塑機伺服驅(qū)動系統(tǒng)發(fā)出動作指令，實現(xiàn)基于PVT關(guān)系的超高速注塑成型在線控制，其特征在于以機筒內(nèi)塑化計量后的熔體為對象，將注射前高度壓縮的熔體熱力學(xué)狀態(tài)(Pc^Uci)作為控制起始點，注塑成型后機筒內(nèi)熔體熱力學(xué)狀態(tài)(PdT1J1)作為控制結(jié)束點，熔體已進入模具內(nèi)完成制品成型過程，其壓力Pm和溫度Tm可視為已知量，決定成型制品質(zhì)量的比容積Vm則成為最終控制目標(biāo)，通過溫度、壓力及螺桿位置監(jiān)控信號反饋給PVT控制系統(tǒng)進行“PVT關(guān)系”的邏輯運算，計算結(jié)果通過全電動注塑機伺服驅(qū)動系統(tǒng)對成型過程壓力(Po，P1)和螺桿位置V1)進行精確調(diào)控，從而達到控制制品的比容積Vm的目的，實現(xiàn)制品的精密注塑成型的在線測控。
全文摘要
本發(fā)明是一種全電動超高速注塑成型PVT在線測控方法。以機筒內(nèi)塑化計量后的熔體為對象，將注射前高度壓縮的熔體熱力學(xué)狀態(tài)(P0,T0,V0)作為控制起始點，注塑成型后機筒內(nèi)熔體熱力學(xué)狀態(tài)(P1,T1,V1)作為控制結(jié)束點。通過在線檢測超高速注塑過程中聚合物的PVT關(guān)系特性，依靠全電動超高速注塑機的高精度控制系統(tǒng)以及高響應(yīng)執(zhí)行機構(gòu)，以超高速注塑成型聚合物PVT關(guān)系特性為指導(dǎo)，實現(xiàn)超高速注塑成型的精密控制。本發(fā)明提出了一種高控制精度、高性價比的全電動超高速注塑成型PVT在線測控方法。
文檔編號B29C45/78GK102642286SQ20121015483
公開日2012年8月22日 申請日期2012年5月17日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月17日
發(fā)明者丁玉梅, 何雪濤, 楊衛(wèi)民, 謝鵬程, 郭小龍 申請人:北京化工大學(xué)