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注塑机PLC控制系统设计

摘要：

注塑机控制系统是注塑机整机的一个重要组成部分，其性能优劣对整机至关重要。

本论文首先确定了注塑机控制系统的设计方案及思路，经过与单片机控制、微机控制、继电接触器控制等控制系统相比较，决定采用PLC来实现对注塑机各动作的控制。

确定了PLC输入和输出接口的属性，将注塑机的所有检测开关、限位开关、手动操作开关和主令开关等，进行确切地分类和编号，从而确定了I/O口的数量。

根据输入输出的数量、类型确定PLC的型号为FX2N-MR。

完成了注塑机主电路和控制电路等硬件电路的设计。

软件设计方面，根据注塑机各个动作制出注塑机的工艺流程图。

根据此工艺流程图，设计出注塑机的动作流程图，根据动作流程图写出注塑机的状态转移图，并依据状态转移图写出步进梯形图。

关键词：

注塑机，控制系统，状态转移图，步进梯形图

ThedesignofPLCcontrolsystemofinjectionmoldingmachine

Abstract：

Thecontrolsystemofinjectionmoldingmachineisanimportantpartofthewholemachine,theprosandconsoftheperformanceofthemachineisessential.Inthisthesis,Ideterminethedesignandideasofthecontrolsystemoftheinjectionmoldingmachinefirstly.Accordingtothecomparisonwiththesingle-chipcontrol,thecomputercontrolandtherelaycontactorcontrol,PLCischosentocontroltheactionoftheinjectionmoldingmachine.WhenthepropertiesofthePLCinputandoutputinterfaceisdetermined,Iclassifyandnumberthedetectionswitch,limitswitch,manuallyoperatedswitchandmasterswitchoftheinjectionmoldingmachineinordertodeterminethenumberofI/Oput.Basedonthenumberandtypesofinputandoutput,wecoulddeterminethemodelofthePLCistheFX2N-MR.Thenthedesignofthemaincircuitandthecontrolcircuitiscompleted.Accordingtoeachactionoftheinjectionmoldingmachine,theprocessflowdiagramisworkedout.Thentheactionflowdiagramoftheinjectionmoldingmachineiscompletedaccordingtotheprocessflowdiagram.Atlast,wecouldworkoutthestatetransitiondiagramaccordingtotheactionflowdiagram,andwritedownthestepladderinaccordancewiththestatetransitiondiagram.

Keywords:

theinjectionmoldingmachine,controlsystem,thestatetransitiondiagram,thestepladder

1绪论

1.1塑料机械行业概述

从20世纪50年代技术创新推出了螺杆式塑料注射成型机至今已有50多年的历史。

目前在工程塑料业中，80%的塑料制品采用了注射成型。

近年来汽车、建筑、家用电器、食品、医药等行业对注塑制品日益增长的需要，更推动了注射成型技术水平的发展和提高。

中国塑料机械2000年销售额在70亿元人民币左右，以台数记约为8.5万台，其中40%左右是注射成型机。

从美国、日本、德国、意大利等主要生产国来看，注塑机的产量都在逐年增加，在塑料机械中占的比重最大。

1.2国内外注塑机的研究现状及发展趋势

1.2.1国内外注塑机的研究现状

从注塑机问世起，锁模力在1000-5000kN、注射量在50-2000g的中小型注塑机占绝大多数。

到了20世纪70年代后期，由于工程塑料的发展，特别是在汽车、船舶、宇航、机械以及大型家用电器方面的广泛应用，使大型注塑机得到了迅速发展。

其中以美国最为明显，在1980年全美国约有140台10000kN以上锁模力的大型注塑机投入市场，到1985年增至500多台。

日本名机注塑机公司成功地制造了当今世界最大的注塑机，其锁模力达到120000kN，注射量达到92000g[1]。

20世纪80年代以来，CAD/CAE/CAPP/CAM计算机应用技术在注塑机制造业的广泛应用，促进了中国注塑机研发和制造水平的高速发展。

中国一批国家级高新技术企业都相继引进美国EDS公司的UGS软件和PTC公司的计算机辅助设计和分析等软件，实现了三维立体参数化建模，机构运动仿真，对关键零件分析，对高应力区的应力分布、应力峰值、危险区域等进行准备的分析计算，帮助设计人员迅速地了解、评估和修改设计方案，保证了重要零件的结构合理性和可靠性；实施了CIMS工程，实现了生产计划、物料、成本等计算机集成管理；引进IMAN系统，实现了产品技术数据的创建和跟踪，产品结构和版本，产品属性和关联数据的查询以及信息传递等计算机集成管理。

目前，国外注塑机控制系统系透过多个微处理器分工，融合先进的硬件及软件技术而成。

控制系统的设计，特别注重机器与操作者的沟通，使操作者更容易掌握及发挥机器的各项功能。

多种语言显示功能，突破了语言障碍。

此外，还配置了许多高级的控制功能。

例如，塑料注射模腔过程专家系统、智能识别模腔塑料注射保压点切换、自动设定注射压力参数和注射速度参数、智能调校锁模参数等。

例如，美国一家著名的注塑机公司CincinnatiMilacron，百余年来不论在机械制造技术、设计开发、研究发展方面，都走在世界前列，该公司制造的VISTA系列注塑机应用了航天工业的特殊技术材料、尖端控制系统及液压技术。

又例如美国穆格公司研制的PC28注塑机控制系统和MOOG2000注塑机电脑控制系统，具有工业控制机的所有功能，全套注塑机输入输出驱动和检测控制接口及注塑机控制程序软件。

香港华大机械设备有限公司生产的C2系列注塑机，在日本厂商配合下开发了CIMtrol电脑控制系统，该控制系统有较全面的注塑机电脑控制功能，使操作者能体现现代化注射成型工艺控制的优越性能。

与发达国家相比，中国的精密注塑机控制系统开发研究显得微乎其微。

在技术研究上投入的人力、物力较小，而这方面的技术研究涉及面广，牵涉机械设计、液压传动系统、计算机控制技术水平以及化工高分子塑料等学科的综合性研究。

中国塑料机械行业在应用高新技术、提高技术水平以及在推广应用机电一体化等方面，虽然已经取得了较大进展，并有部分企业已经开始采用微电脑控制，并且能够应用闭环控制技术，但西方发达国家应用这种技术已相当普遍，而且能够采用开环与闭环并用的控制技术，并将一些高性能注塑机控制系统取代传统的旧式继电器控制，因而大大提高了产品的精度、质量、稳定性和可靠性。

近年来中国的工程塑料应用发展得很快，而工程塑料制品的精度要求高于其他塑料制品。

例如生产一个仪表上用的小模数聚碳酸酯齿轮，要求各节点重复精度达到0.05mm以上，制品收缩率控制在1%以下。

因此除了对注塑机本身的加工精度要求苛刻外，精密可靠的控制系统、液压系统和精密元件也是精密注塑的关键所在。

1995-2010年这15年间，中国的汽车工业、原材料工业、电子工业、交通运输业以及包装工业等将大力发展，因而对大型、超大型注塑机的需求日益增多。

例如被列入中国支柱产业的汽车工业，不可能等到中国有了自行设计制造的高精度注塑机再进行汽车生产，故这些高精度注塑机只有依赖进口；再例如中国是一个木材资源相当贫乏的国家，建筑用的塑料门窗仅占门窗总量的1.2%左右，这和德国塑料窗已占其窗总量的50%左右相比，可以看出，中国塑料门窗的开发潜力是十分巨大的。

综上所述，中国精密注塑机和控制系统研究要根据自身的客观条件，如技术力量、资金等，开发新产品，加强高新技术的应用和提高控制技术水平，逐步缩小中国与其他发达国家的差距。

1.2.2注塑机的发展趋势

中国塑机产品每次参加塑机展览会，不论在规模上还是在技术上，都有不同程度的进步，一些产品正在逐步缩短与发达国家的差距，各别产品（如注塑机）处于世界领先水平。

因而在最近几届国际橡塑机械展览会上，受到国外友好客商的好评。

从中国塑料机械工业总体水平看，不论是管理水平、技术水平、产品品种、应用高新技术以及产品档次等方面，都与发达国家差距较大。

为缩小差距，避免将中国广阔的塑机市场拱手让给他人，以下几点应是中国塑料机械行业的长远发展方向。

（1）配合塑料加工行业，加速高新技术的应用。

（2）为提高中国塑料机械的控制水平和技术性能，应更加速应用微电脑技术和高精度元件。

（3）在模具设计和加工技术方面，更加速推广应用CAD/CAM/CAE技术，使中国的模具制造水平在不长的时间内，进入世界先进行列。

（4）塑机行业要进一步加强专业化分工。

（5）加强塑料机械企业自身的技术改造。

从目前的国际水平来看，注塑机的移模速度已从过去的20-30m/min提高到40-50m/min，高的甚至达到70m/min；注射速度从过去的100mm/s提高到现在的250mm/s，有的达到450mm/s。

日本制钢所研制的电动型注塑机达到900mm/s。

注射压力从过去的120-150Mpa提高到目前的180-250MPa。

日本的SN120P机已达到460MPa，它生产的制品收缩率几乎为零，制品公差可保证在0.02-0.03mm，壁厚可达到0.1-0.2mm。

节能方面，从过去的流量比例和压力比例控制发展到变量控制或定量控制。

变频调速系统、伺服控制技术的注塑机，其能耗仅为传统机器的30%。

注塑机的高效率主要体现在工作节拍快，制品周期短，普遍比过去提高24%以上。

高效注塑机的开模与预塑一般都是同步完成，开模过程中同时完成了抽芯和顶出。

日本展览会上最快的注塑机，其工作周期只有1s。

注塑机的控制技术历经了继电器、接触器控制及可编程控制器控制和专用计算机控制的发展过程。

自20世纪60年代末美国费洛思公司首先应用计算机控制技术开始，经过20世纪80年代以后的高速发展，它已经不再是简单的动作控制，而是包括熔体温度、注射压力、注射速度、保压时间、冷却过程及液压回路等各种参数的综合控制。

注塑机过去大多数采用开环控制，目前正在向闭环控制方向发展。

德国克劳斯马菲公司的PM控制系统，通过合模力、模腔压力和充模过程的控制，使制品质量的误差精确到0.15%。

注塑机发展的重要特点是向精密化、低噪音、高效率、节能和高度自动化方向发展，在控制系统设计方面，采用全闭环伺服电机为驱动的伺服液压执行阀，配合压力传感器和激光测量尺，做到压力和速度全闭环。

这就要求注塑机控制系统有较高的品质指标。

综上所述，现代注塑机的发展正朝着以下几个方向发展。

（1）采用数控和数显装置。

借助电子技术的快速发展，利用微处理器控制技术，对注塑数据的输入、循环程序的编程可以在控制面板显示器上直接输入，同时对设备锁模、注射等的位置、动态过程、输出的不同压力、速度进行监控、反馈，形成闭环控制。

（2）节能方面采用节能的泵源电路（功率匹配泵源电路、负载敏感回路等），采用高效节能的控制元件（插装阀、叠加阀、多功能阀、比例阀、伺服阀、数字阀等），采用变频调速装置对液压马达进行调速。

（3）低噪声，无污染（全自动注塑机）。

（4）实现自动化、无人化、低成本化。

为实现注塑自动化，除了采用机械手、输送带等，出现了自动换模系统，它对注塑机的要求：

①高性能的个人计算机（PC）系统；

②具有模具注塑程序记忆系统；

③稳定的机械结构；

④简洁及明朗的机体；

⑤足够的换模空间。

（5）除了普通的注塑机外，另外注塑机正向着两极方向发展：

①朝着高压、巨型注塑机方向发展。

注射量达170kg，锁模力可达万吨以上。

②朝着超小型精密注塑机方向发展。

注射量达0.01g，锁模力为5t。

精密注塑机精度可以达到：

质量偏差为0.002g，零件厚度偏差为0.001mm，注射时间偏差为0.01s，加料时间偏差为0.1s，计量位置偏差为0.015mm，开模位置精度偏差为0.005mm[2]。

2注塑机系统概述

2.1注塑机的组成

注塑机的具体组成部分有：

液压油路系统，合模系统，射台移动系统，加热冷却系统，润滑系统，电气控制系统，安全保护、监测系统以及供料等辅助系统。

2.1.1注塑机液压油路系统

注塑机的液压油路系统由油泵、油泵电机、滤油器、油箱、油管、油温冷却器、比例压力阀、比例流量阀、开关阀、液压马达等各种液压元件组成，还包括一些辅助元件和密封件。

注塑机系统设计采用了比例压力阀和比例流量阀，可实现压力和流量的多级控制，具有油路简单、效率高、系统稳定性良好、冲击少和噪声小等优点。

2.1.2注塑机合模系统

合模系统的作用是推动模具进行开合运动，使动模板作启闭模往返移动，锁紧模具的力要大于注射压力，使塑料制品没有飞边。

合模系统主要由四根拉杆和螺母把前后模板联接起来形成整体刚性框架。

动模板装在前、后模板之间，后模板上固定合模油缸；动模板在合模油缸的作用下以四根拉杆为导向做启闭模运动。

模具的动模装在动模板上而定模则装在前固定模板上。

当模具闭合后，在合模油缸压力作用下，产生额定合模力。

锁紧模具，防止模具注入高压熔融时模具的型腔张开。

当合模时，模具拉杆和前、后模板形成力的封闭系统达到平衡状态。

注塑过程合模动作包括：

关安全门、锁模、注射、保压、溶胶、冷却、抽胶、开模、顶出制品等。

在动模板的后侧装有液压及机械顶出装置。

动模板在开启模具时，可通过模具中的顶出机构，从模腔中顶出制品。

在动模板或定模板上还装有调模机构，以便在一定的范围内调节模具厚度。

在液压机械式合模机构中，还要通过调模机构来调试合模里的大小，以防止超载。

合模框架的前后侧设有安全罩、安全门以及液压、机械安全保护装置。

为了确保安全，一般都用液压装置和电气限位开关同安全门双重连锁，当只有安全门闭合时才能进行闭模动作。

2.1.3注塑机注射系统、射台移动系统

注塑机注射系统的作用是使物料塑化和熔融，并在高压和高速下将熔体注入模腔。

注射系统主要由塑化装置、螺杆驱动装置、计量装置、注射动作装置、注射座以及整体移动装置、行程限位装置以及加料斗装置等组成。

塑化装置又由螺杆和加热料筒组成，在螺杆头部装有防止熔体倒流的止逆环和各种剪切或混炼元件；螺杆驱动装置主要由减速装置、轴承支架、主轴套和螺杆驱动电机

图2.2液压油路系统

或液压马达组成。

预塑化时，动力通过主轴套和轴承支架上的减速装置带动螺杆旋转。

注射装置主要由注射油缸和活塞及喷嘴组成。

在注射时，油缸产生注射推力，通过主轴推动螺杆向头部熔体施加高压，使熔体通过喷嘴充入模腔。

注射座是一个可以在机身上移动的基座，塑化装置、注射装置以及计量装置和料斗都固定在注射座上。

注射座在油缸的作用下，可以做整体前进或后退，使喷嘴与模具接触或离开。

2.1.4注塑机电气控制系统

电气控制系统是注塑机的“中枢神经”，它控制着注塑机的各种程序及其动作；对时间、位置、压力、速度和转速等进行控制。

主要由计算机及接口电路、各种检测元件及液压驱动放大电路组成闭环调节系统。

2.1.5注塑机冷却系统

注塑机的冷却系统用来冷却液压油、料口以及模具。

它是一个封闭的循环系统，能将冷却水分配到几个独立的回路上去并能对其流量进行调节，通过检测水的温度，实行闭环调节。

2.1.6注塑机安全保护与监控系统

注塑机的安全装置主要用于保护人和机器的安全。

由安全门、行程阀、限位开关、光电检测元件等组成，实现电气、机械、液压的连锁保护。

检测系统主要对注塑机的油温、料温、系统超载以及工艺和设备故障进行监测，发现异常情况即进行指示或报警。

2.2注塑机的分类

近年来注塑机发展很快，类型日益增多，而分类方法很多。

绝大多数的注塑机都是由电动机驱动一个或一组液压泵，由液压泵及运行其中的压力油组成一套驱动系统，动作的产生由驱动器所担任，通常直线往复运动是由压力油推动油缸或活塞产生的，而旋转运动是由压力油推动液压马达所产生的。

2.2.1按注射单元形式分类

按注射单元形式可分为柱塞式和螺杆式两大类，目前大部分的注塑机都是螺杆式的。

（1）柱塞式注塑机。

该类注塑机是通过柱塞把塑料推向料筒前端的塑化室，依靠料筒外部的加热将塑料塑化成熔融状态，而后在柱塞的推挤作用下，注射到模具型腔中去。

（2）螺杆式注塑机。

塑料的熔融塑化和注射全部是由螺杆来进行的，螺杆式注塑机是目前应用最广泛的注塑机。

2.2.2按注塑机的外形分类

按注塑机的外形分类，主要是按照注塑和合模装置的方式来分类。

（1）立式注塑机。

立式注塑机的注塑系统和合模系统的轴线是竖直排列的。

其优点是：

占地面积小，模具比较小，拆装方便，在模具内易于安放金属嵌件实现嵌件注塑成型。

其缺点是：

机身高，注塑机稳定性差，制品顶出后无法自动脱落，难实现自动化生产，一般用于半自动化生产。

立式注塑机由专人操作，适用于成型多嵌件的塑料制品。

（2）卧式注塑机。

卧式注塑机的注塑系统和合模系统的轴线是水平排列的。

其优点是：

机身低，注塑机稳定性好，制品顶出后可以自动脱落，容易实现自动化生产。

其缺点是：

占地面积较大，模具拆装麻烦，安放嵌件不方便，所以如果大批量的嵌件注塑要根据每个不同的产品来改造注塑机，变成非标的专用注塑机。

卧式注塑机目前使用最广、产量最大，是国内外注塑机的最基本形式。

（3）角式注塑机。

角式注塑机的注塑系统和合模系统的轴线是互相垂直排列的。

注塑时塑料从模具的分型面注入，适用于中心部位不允许留有浇口痕迹的平面制品。

同时，可以利用注射系统留下的空位置来进行嵌件的移动，实现卧式注塑机的嵌件自动注塑。

（4）多工位注塑机。

多工位注塑机是一种多模操作的特殊注塑机。

2.2.3按注塑机加工能力分类

一台通用注塑机的加工能力主要由合模力和注塑量来决定。

合模力是由合模装置所产生的最大锁模力决定的，注射量是以注塑机最大理论注塑容量表示的。

根据注塑机的加工能力可以分为超小型、小型、中型、大型、超大型注塑机。

3注塑机控制系统的设计方案和思路

3.1注塑机控制系统设计的主要内容和工艺分析

主要内容：

本毕业设计以注塑机控制系统为设计背景，要求运用可编程控制器技术、自动检测和自动控制技术等，设计基于PLC的注塑机自动控制系统。

注塑机主要动作分为5个部分：

（1）闭模和合紧，注塑机的成型周期一般从模具开始闭合时起，模具首先以低压力快速进行合模，当动模板与定模板接近时，合模的动力系统应该切换成低压低速，在确定模腔内无异物存在时，再切换成高压而将模具合紧。

（2）注射装置前移和注射，在确认模具达到所要求的合紧力，注射装置前移，使喷嘴和模具贴合，当喷嘴与模具完成贴合后，便可向注射缸接入压力油。

与油缸活塞相接的螺杆，以高压高速将熔料注入模腔。

（3）压力保持，为了制得质量致密的制品，对注入模腔的熔料还需保持一定的压力进行补缩。

（4）制品冷却和预塑化，当保压进行到熔料将浇口封闭时，可去除压力使制品在模内冷却定型。

此时，螺杆在液压电机的驱动下转动，将来自料斗的粒状或粉状的胶料向前输送，并使其塑化。

（5）注射装置后退和开模顶出制品，螺杆塑化后，需要喷嘴撤离模具，即注射装置后退，模腔内的熔料经冷却定型后，合模装置即行开模，并自动顶出制品。

工艺分析：

注塑成型过程是将热塑性塑料或热固性塑料在加热机筒内经过加热、剪切、搅拌混合及挤压作用，使之均匀塑化（温度、组分均匀的熔融状态），塑化好的熔融物料在小孔径或控制封闭的喷嘴的阻挡作用下，集中在料筒的前端，然后借助于螺杆或柱塞施加的推力，经过喷嘴与模具的浇注系统进入闭合好的低温模腔内。

充满模腔的熔体在受压的作用下，经冷却（热塑性塑料）或加热（热固性塑料）固化成型，打开模具取出制品，在操作上完成一个成型周期，以后不断重复上述周期的生产过程。

按照习惯，把一个注塑成型工作循环称为注塑机的成型周期。

按时间先后顺序可以绘制成注塑机的工作过程循环图，又称注塑机工艺流程图。

如图3.1所示。

图3.1注塑机工艺流程图

3.2设计的思路和方案

3.2.1传统注塑机控制系统设计

传统的注塑机一般采用简单的开环控制，它是按预先设定的成型条件，用开路（无反馈回路）控制机器的动作。

在生产过程中，预先按工艺要求设定各个动作参数，例如合模压力、注射速度、循环时间、保压压力，温度等，由机器在生产过程中加以保持。

这种控制方式结构简单，价格低廉，但抗干扰能力差，控制温度与精度也比较低。

3.2.2目前注塑机常用的控制系统设计

目前，更多的注塑机采用的是半闭环控制或全闭环控制，即按照实时测量值与设定值的偏差进行比较控制。

闭环控制系统采用了负反馈回路，当注射速度、注射压力、模腔温度、模腔压力、熔体温度和液压油压力等在生产过程中因干扰出现偏差，机器则通过自适应控制系统对干扰引起的偏差进行自动补偿修正，这种控制方法抗干扰能力强，控制精度高。

3.2.3常用的注塑机控制系统设计的比较及确定

可以对注塑机实现控制的有PLC、单片机、继电接触器和微型计算机等。

PLC作为一种面向工业生产的应用型技术，与CAD/CAM、NC技术并成为现代工业的三大支柱技术，被越来越多的人所熟悉和应用。

PLC专为在工业现场应用而设计，采用可编程序的存储器，用以在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时/计数和算术运算等操作指令，并通过数字或模拟的输入、输出接口控制各种类型的机械或生产过程。

PLC是微处理技术与传统的继电接触控制技术相结合的产物，它克服了继电接触控制系统中机械触点的接线复杂、可靠性低、功耗高、通用性和灵活性差等缺点，充分利用了微处理器的优点，又照顾到现场电气操作维修人员的技能与习惯，特别是PLC的程序编程，不需要专门的计算机编程语言知识，而是采用了一套以继电器梯形图为基础的简单指令形式，使程序编制形象、直观、方便易学，调试与查错也都很方便。

用户在购买到所需的PLC后，只需按说明书的提示做少量的接线和简易的用户程序编制工作，就可以灵活方便地将PLC应用于生产实践[3]。

与单片机控制相比较，PLC控制的优点在于：

PLC采用的梯形图类似于继电器线路图，编程简单易学，易于为广大电气工程技术人员所接受；PLC更加适合于工业恶劣环境下使用，性能比较稳定，而单片机的工作环境要求更高一些。

采用PLC的控制系统较之继电接触器控制系统提高了一大步，其主要优点有以下几点：

（1）逻辑控制。

继电接触器控制是利用各电器件机械触电的串、并联组合成逻辑控制。

采用硬线连接，连线多而复杂，对今后的逻辑修改、增加功能很困难。

而PLC中逻辑控制是以程序的方式存储在内存当中，改变程序，便可改变