中空成型机型坯壁厚控制系统的设计

　　塑料中空成型机是塑料机械的主导产品之一，尽管其研制在我国起步较晚，但经过近30年的发展，国产机已基本能够满足各种普通塑料中空制品的成型需求。其中，由秦川机械发展股份有限公司（以下简称“秦川公司”）自行研发的中空成型机系列在中国市场的占有率达80%以上。随着包装行业和汽车工业的快速发展，塑料中空容器及中空成型制品的应用越来越广泛，其结构也趋于多样化。对中空容器的挤出吹塑而言，型坯壁厚控制是最关键的技术之一，同时也是中空成型机设计的难点所在。秦川公司通过技术攻关，成功设计出了壁厚控制系统。经过多家用户的生产实践证明，该系统无论在操作还是控制方面都优于当前进口产品，在市场上获得了很大的成功。

型坯壁厚控制系统结构

　　随着中空吹塑制品的几何形状日趋复杂，对于以最小的原材料消耗获得所需壁厚分布且结构稳定的制件而言，良好的预成型坯设计显得尤为重要。因此，在型坯成型阶段，可根据各部分在型坯吹胀时的吹胀比，进行型坯的壁厚分布调节。同时，考虑型坯形成时发生的挤出膨胀、下垂及回弹等变化，编辑出合理的型坯厚度分布曲线，进而调节电液伺服系统，使内模和外模间的口模间隙随型坯位置的变化而变化，由此吹胀成型厚薄均匀的制品。制品耐冲击力实验表明，壁厚均匀使得制品在强度上有了很大的提高；同时也节省了原料，缩短了成品的冷却时间，并降低了次品率，大大提高了生产效率和产品质量。

型坯壁厚控制系统主要由显示装置及控制和电液伺服（比例伺服阀和伺服油源）系统组成，其工作原理如图1所示。

图1 型坯壁厚控制系统结构图

1.壁厚控制系统的控制原理

　　64点轴向壁厚控制器（AWDS），是秦川公司塑料中空成型机的核心技术之一，对整机性能起着决定性的影响。近几年，经过不断优化壁厚控制系统的硬件结构，增加径向型坯控制器（PWDS）、软件程序结构、动作程序、控制算法和数学模型，从而研制出了轴向壁厚控制器与径向壁厚控制器联合作用的壁厚控制系统。该系统已成功应用于生产中，处于国内领先水平。

　　PLC和触摸屏的控制系统是秦川公司塑料中空成型机的设计特色之一。利用触摸屏（即人机界面）调整型坯厚度曲线和相关的工艺参数，使得PLC控制器在接收到人机界面设定的曲线数据和参数信息后，控制伺服比例阀，以达到预定的口模间隙。整个过程要求控制系统以毫秒级响应，这意味着不仅硬件的运算速度要高，同时在软件和数字控制理论方面要有新的突破，这样才能满足型坯壁厚控制系统响应快速、控制精确以及稳定可靠的要求。

　　对于PLC和触摸屏的控制系统，秦川公司采用了实时多任务操作系统，因而可定义每个任务的优先级和循环时间，且循环时间最短可达1ms，使整个系统的实时性得到了优化。其中，PWS3261-TFT触摸式工业级人机界面由台湾台达电子公司生产，该触摸屏是一种集显示器和触摸开关于一体的可编程序显示面板，具有结构紧凑、连接方便且操作直观简洁等特点。它具备多通道的串口通讯功能，能够实时地显示设备状态、操作指示、参数设定、动作流程、统计资料、警报信息及简易报表等内容。在塑料电气控制系统中，各种参数的设定、按钮开关的运用、壁厚控制曲线的显示以及报警信息等都可由该触摸屏来完成。同时，还可以在该触摸屏上设定各种函数曲线，为壁厚图形的编辑提供了十分有利的工作平台。

　　此外，秦川公司还采用了日本OMRON生产的CJIG-CPU43H型可编程控制器。该产品具有丰富的运算指令、顺序指令、数据处理指令和实现指令的高速处理功能，并且可靠性高，适应性强，能够在各种复杂恶劣的环境中应用。在塑料机械的电气控制中，该控制器能够很好地实现对动作的精确控制、模拟量的转换运算、数据的处理和I/O信号的处理等功能。

2.电液伺服系统

　　电液伺服系统的优点有很多，其中最突出的是响应速度高、输出功率大和控制精确性高，而这些恰恰是型坯壁厚控制系统的基本要求。在电液伺服系统中，伺服阀是最重要的元件之一，是实现电液转换的关键环节，它直接影响到伺服系统的响应速度和稳定性。在电液伺服系统中，秦川公司采用了CSDY3型射流电液伺服阀。该阀的信号改变从0到100%，响应时间≤10ms，响应极其快速，精度也很高，但对油质的要求也很高。电液伺服系统结构如图2所示。

　
图2 电液伺服系统结构图

型坯壁厚控制系统软件设计

型坯壁厚控制系统软件的设计分两部分：人机界面软件设计和PLC软件设计。

1.人机界面软件设计

　　人机界面软件的设计所采用的算法主要是插值法，即对于指定函数f(x)，只要知道它在某区间中若干点的函数值，以此做出适当的特定函数，使其在这些点上取已知值，并在此区间内其他点上用这个特定函数所取的值作为函数f(x)的近似值。若该特定函数为多项式，则称“插值多项式”。一般，根据插值多项式的类别来辨别其插值算法。在进口的吹塑机中，有几种不同的壁厚控制图形软件，比较典型的如美国moog的30点、100点和200点，它们分别采用了线性插值、差商插值法和样条插值法。

　　壁厚控制要求壁厚图形各设定点间要连续可导，否则，对于轴向壁厚分布系统（AWDS），在型坯上将出现环纹，而对径向壁厚分布系统（PWDS），将在型坯上出现轴向条纹。线性插值算法简单明了，对于两点之间的拟和非常容易，计算量也很小。但是，由于该算法没有考虑区间端点之间的圆滑过渡，基本上每点都要调整。因此，点数较少的壁厚图形可用此算法，而当区间较多时，操作就较为繁琐，此算法就不太适用了。比较而言，样条插值法尽管保证了所有设定点之间的连续可导性，但由于所有设定点都能圆滑过渡，当某点调整拉伸超过一定程度时，不仅此点附近的曲线发生变化，连离它较远的曲线也会随之变化。这就违反了设计的初衷，使原来调整好的壁厚曲线区域因发生变形而作废，操作者调整曲线的效率就会大大降低。

　　线性插值、差商插值法和样条插值法都无法完整地满足壁厚图形的要求。秦川公司的壁厚控制系统在考虑到圆滑过渡和相互不影响的情况下，提出了采用B样条和贝塞尔曲线结合的插值法，这样既能满足曲线端点圆滑过渡的要求，又能克服样条插值法中因某点拉伸幅度过大而导致远处曲线变形的缺点。即使通过很少的控制点，也能画出理想的30~300点的任何壁厚曲线，而且操作较为方便。用此算法获得的壁厚曲线操作具有以下特点：

（1）两设定点间用曲线拟和；
（2）存在每点拉伸和区域曲线微调两种方式；
（3）重量有3种方式调节：整体调节、高端方式和低端方式；
（4）壁厚图形随调节范围变化而放大缩小，易于调节和观察；
（5）每点可设定标记输出，并且在界面上显示；
（6）壁厚图形修改有确认环节，可以避免误操作。

壁厚图形界面如图3所示。

图3 型坯壁厚曲线画面

2.PLC控制软件

　　PID 控制是最早发展起来的控制策略之一，因为它所涉及的设计算法和控制结构都很简单，且十分适用于工程应用背景。此外，PID控制方案并不要求精确的受控对象的数学模型，且采用PID控制效果一般都比较令人满意，所以PID控制的应用比较广泛。

标准的PID控制器模型为：

式中U(t)为进入控制对象的控制变量，e(t)为误差信号。

将式（1）离散化得到：

令，k=kp/T1

　　电液伺服系统的典型特征是低阻尼和时变性、非线性，有较大惯性和滞后性，很难得到一个好的数学模型。常规的线性PID算法在较大惯性和滞后性下，其积分项往往会导致较大的超调和较长时间的波动。在线性比例项作用下，系统的鲁棒性（robustness）较差，很难达到快速准确响应的要求。因此，在对控制系统进行调试时，对PLC数字控制器引入了智能非线性PID控制方法。

智能非线性PID是在传统PID控制的基础上，改造kpe(k)+ki∑e(j)T，使之成为关于e(k)的非线性函数f(e(k))∑e(j)，再加上一个可调增益kp。智能非线性PID示意图如图4所示。

图4 智能非线性PID示意图

　　图4中，Continuous为连续式壁厚控制设定，Accumulator为储料式壁厚控制设定。Co为滤波常数，为PID控制器D部分所用，Act 是伺服油缸线性位移传感器的反馈，经滤波进入PID控制器中。PID控制器扫描周期为2ms，Io扫描也同时刷新完成输出。智能非线性PID系统的影响能力强，鲁棒性好，而且有一定的自适应性，有效地克服了电液伺服的大惯性和滞后性，准确地实现了储料缸式或连续式吹塑机型坯壁厚30~300点的壁厚控制要求。

　　轴向控制器和径向控制器的组合将仍是未来型坯壁厚控制系统的发展方向，而且将要求更高的控制精度。目前，国内塑料中空成型机壁厚控制系统的研制，除需要不断采用更加先进的控制手段，在技术水平上与国际发展保持同步外，还需要加快在其生产制造规模化和专业化方面的发展。这样，国内型坯壁厚控制系统才能够作为一个独立的产品，早日打入国际市场。

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