真空成型機(jī)中的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　真空成型機(jī)是利用熱成型工藝制造冰箱內(nèi)膽的大型塑料加工機(jī)械，是冰箱制造企業(yè)的主力設(shè)備之一。由于長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)塑料加工機(jī)械的設(shè)計(jì)水平有限，不能在高端成型機(jī)領(lǐng)域滿足國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的需要，這部分空缺主要由國(guó)外的品牌來(lái)填充。在過(guò)去的十幾年間，我國(guó)從國(guó)外引進(jìn)了大批技術(shù)上比較先進(jìn)和成熟的成型機(jī)，這部分設(shè)備為我國(guó)過(guò)去十幾年來(lái)經(jīng)濟(jì)的飛速的發(fā)展做出了很大的貢獻(xiàn)。但隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)水平的提高和經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，越來(lái)越多的人開始意識(shí)到發(fā)展我國(guó)機(jī)械制造業(yè)的重要性。

　　真空成型機(jī)包括上料、預(yù)熱、加熱、成型，四個(gè)工位。其中，預(yù)熱和加熱工位屬于成型機(jī)的加熱部分，用來(lái)對(duì)熱塑性塑料進(jìn)行加熱，使其軟化到一定程度，是片材在成型過(guò)程中的一道重要工序。我們之所以說(shuō)這道工序十分重要，一是因?yàn)槠牡能浕Ч诤艽蟪潭壬蠜Q定了片材最后的成型質(zhì)量，如果在加熱過(guò)程中，溫度沒(méi)有控制好，就會(huì)使得片材在成型時(shí)達(dá)不到預(yù)期的效果，導(dǎo)致廢品，增加次品率;二是在熱成型過(guò)程中，加熱階段的能量消耗高達(dá)總能量需求的80%，能源成本高，出于成本節(jié)約或者能耗評(píng)估的需要，我們也要對(duì)加熱部分系統(tǒng)的工作過(guò)程有一個(gè)清楚的認(rèn)識(shí);三是將片材加熱到成型溫度所需的時(shí)間，一般約為整個(gè)成型工作周期的50%-80%，如何縮短加熱時(shí)間有其重要的意義。

　　第二章 溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　在片材的整個(gè)成型過(guò)程中，加熱部分對(duì)片材溫度的控制是一個(gè)十分重要的工序，也是我們的重點(diǎn)要研究的內(nèi)容之一。下面將具體介紹一下片材的溫度控制在本系統(tǒng)中的應(yīng)用。

　　2.1 加熱器及SSR驅(qū)動(dòng)

　　片材的加熱方法并沒(méi)有嚴(yán)格的限制，可以是熱板的傳導(dǎo);也可以是紅外線的輻射。供給熱板熱量的方法有油、煤氣、電、過(guò)熱水、蒸汽等多種。當(dāng)使用煤氣或油作熱能源時(shí)，煤氣通常以可控方式燃燒，和電力成本對(duì)比，用煤氣作為熱源比較低廉，但是溫度控制很困難，遠(yuǎn)沒(méi)有電熱系統(tǒng)控制精確，而且燃燒還會(huì)產(chǎn)生二氧化碳，設(shè)備需要適當(dāng)?shù)耐L(fēng)、廢氣排除和排放系統(tǒng)，在用過(guò)熱水和蒸汽作熱源時(shí)，也存在類似的問(wèn)題;電力是最廣泛使用的加熱能源，雖然電力比較昂貴，但是電力比較容易取得，且控制性能很強(qiáng)，使得電加熱技術(shù)成為熱成型過(guò)程使用最多且最適宜的技術(shù)。

　　輻射加熱是用加熱器產(chǎn)生的輻射熱來(lái)加熱材料的，其輻射能來(lái)自光譜的紅外線段電磁波，由于塑料材料對(duì)一些遠(yuǎn)紅外線波長(zhǎng)的波有強(qiáng)烈的吸收作用，加熱效率高，而且可控性好，所以現(xiàn)代化成型機(jī)大都采用遠(yuǎn)紅外加熱裝置。如圖1所示，為淺野四工位真空成型機(jī)加熱器所用的快速金屬加熱瓦，它采用AC27V電壓供電，當(dāng)通電時(shí)，高電阻金屬絲(鎳-鉻合金絲)產(chǎn)生輝光紅熱，并產(chǎn)生輻射能對(duì)片材進(jìn)行加熱，斷電后，冷卻速度也快，熱慣性小，使用壽命長(zhǎng)。加熱瓦加熱的片材厚度最大4. 0mm，為增進(jìn)加熱效率，提高生產(chǎn)效率，在對(duì)片材加熱時(shí)，采用了兩面加熱的方法，也就是在片材上下各用一套加熱器。在兩面加熱時(shí)，因?yàn)闊峥諝馐窍蛏仙模€可防止片材在加熱時(shí)過(guò)分下垂(片材過(guò)分下垂接觸加熱器會(huì)引起火災(zāi))。

　　對(duì)片材進(jìn)行加熱，是真空成型工藝中十分重要的環(huán)節(jié)，直接關(guān)系到內(nèi)膽成型質(zhì)量的好壞。由于片材各部分的加熱程度要求各異.因此對(duì)加熱溫度的控制比較復(fù)雜和特殊，這就要求我們能根據(jù)系統(tǒng)要求實(shí)時(shí)控制加熱器的功率大小，以達(dá)到在對(duì)片材進(jìn)行加熱時(shí)，將片材的不同區(qū)域控制在不同溫度的目的。在本系統(tǒng)中，加熱部分每一塊加熱瓦由一個(gè)固態(tài)繼電器(SSR型號(hào)：OMRON，G3PA-220B)來(lái)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)控制SSR的通斷來(lái)給加熱瓦供電，通過(guò)控制SSR的通斷時(shí)間比(也即PWM脈寬調(diào)制)來(lái)調(diào)節(jié)每一塊加熱瓦的功率，這種控制方式不會(huì)像可控硅相位控制那樣產(chǎn)生諧波，不會(huì)造成對(duì)電源的污染，可以使加熱器對(duì)溫度的控制能夠精確到每一塊加熱瓦上，特別適用于像這種具有較大規(guī)模數(shù)量SSR的控制，而且能產(chǎn)生很不錯(cuò)的生產(chǎn)效果。

　　2.2 溫度控制原理

　　根據(jù)我們的研究，真空成型機(jī)最終成品的生產(chǎn)質(zhì)量主要取決于兩個(gè)方面，一是加熱部分對(duì)片材的溫度控制;二是在成型工位對(duì)片材的成型處理。其中，尤以對(duì)片材的溫度控制難點(diǎn)最大，這是因?yàn)槠脑谧詈蟪尚蜁r(shí)，對(duì)片材各部分區(qū)域的溫度和拉伸要求是不一樣的，待加熱完成后，片材中間部位由于重力作用產(chǎn)生一定程度的下垂，從形狀和外觀上看，片材應(yīng)具有碗狀結(jié)構(gòu)的完美曲線，而且整個(gè)成型機(jī)的能量損耗和成品的生產(chǎn)時(shí)間很大程度上也取決于加熱部分的處理。可以這么說(shuō)，加熱部分是真空成型機(jī)的核心所在，是成型機(jī)工藝中最為關(guān)鍵的一環(huán)，它直接體現(xiàn)出了一臺(tái)成型機(jī)的控制水平。同樣，我們?cè)趯?duì)這臺(tái)型號(hào)比較老的成型機(jī)進(jìn)行改造時(shí)，對(duì)加熱部分的溫度控制也是一個(gè)不容回避的問(wèn)題。

　　2.2.1 原系統(tǒng)的溫度控制

　　1. 原系統(tǒng)溫度控制原理

　　原系統(tǒng)也通過(guò)控制加熱瓦在每個(gè)控制周期(T)的通電時(shí)間來(lái)控制每一塊加熱瓦的發(fā)熱功率，從而達(dá)到控制整個(gè)加熱器溫度的目的。它設(shè)定了加熱器在加熱狀態(tài)下總的百分比(α)和保溫狀態(tài)下(β)總的百分比(α>β)，除此以外，還設(shè)定了每個(gè)加熱瓦的加熱系數(shù)(δ)，以達(dá)到將片材不同部位控制在不同溫度的要求。系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測(cè)片材的溫度，當(dāng)片材溫度小于設(shè)定值時(shí)，加熱器處于加熱狀態(tài)，此時(shí)每個(gè)加熱瓦的通電時(shí)間t = T·α·δ，此時(shí)，由于α較大，使得加熱瓦通電時(shí)間較長(zhǎng)，片材溫度上升快;當(dāng)片材溫度到達(dá)設(shè)定值后，加熱器進(jìn)入保溫狀態(tài)，此時(shí)，每個(gè)加熱瓦的通電時(shí)間t = T·β·δ，此時(shí)，由于β較小，使加熱瓦通電時(shí)間相對(duì)變少，加熱器的熱量?jī)H夠短時(shí)間內(nèi)保持片材溫度，而不能再繼續(xù)加熱，待成型部位動(dòng)作完成后，停止加熱，進(jìn)行下一工序。

　　加熱百分比α和保溫百分比β是對(duì)加熱器所有加熱瓦來(lái)說(shuō)的，當(dāng)它們?cè)谧龀稣{(diào)整后，所有加熱瓦的通電時(shí)間都會(huì)相應(yīng)地做出調(diào)整，我們可以將這兩個(gè)參數(shù)認(rèn)為是加熱器溫度調(diào)整的粗調(diào);而每個(gè)加熱瓦的百分比δ的變化會(huì)導(dǎo)致各個(gè)加熱瓦之間通電時(shí)間長(zhǎng)短的不同，進(jìn)而使片材各部分達(dá)到不同的加熱程度，我們可以把參數(shù)δ認(rèn)為是對(duì)加熱器溫度的細(xì)調(diào)。

　　2. 原系統(tǒng)溫度控制的不足

　　系統(tǒng)中存在兩個(gè)被控對(duì)象：加熱器和片材，系統(tǒng)的反饋回路只對(duì)片材的溫度進(jìn)行了反饋。當(dāng)回路的前向通道上有干擾串入時(shí)，如加熱器電網(wǎng)電壓波動(dòng)，加熱器加熱瓦電阻絲缺損等，根據(jù)抑制定理，雖然閉環(huán)系統(tǒng)對(duì)這些干擾有抑制能力，但這種抑制作用必須要等待干擾最終作用在了片材上后才能體現(xiàn)出來(lái)，時(shí)間滯后較大，這就造成了片材溫度的誤差或波動(dòng)，從而不能達(dá)到理想的控制效果。此外，在系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行中，控制周期(2s)是不可調(diào)的，控制略顯粗糙，而且由于繼電器的繼電器特性，加熱瓦對(duì)片材的加熱并不是連續(xù)進(jìn)行的，這就造成了片材溫度圍繞設(shè)定值的上下波動(dòng)，雖然這種波動(dòng)是不可避免的，但我們可以通過(guò)采取一些措施來(lái)盡量減小這種波動(dòng)，使得片材在達(dá)到設(shè)定值后的溫度響應(yīng)曲線近似是一條直線。

　　2.2.2 改造后系統(tǒng)的溫度控制

　　經(jīng)過(guò)上節(jié)我們的分析可以看出，原控制系統(tǒng)在加熱部分的溫度控制上，還存在一些不足，這些不足包括功能上的，也包括系統(tǒng)穩(wěn)定性上的等等，這就為我們新系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提出了問(wèn)題，實(shí)際上，我們新系統(tǒng)重點(diǎn)要做的就是針對(duì)這些問(wèn)題，提出一套可行的解決方案。下面我將介紹一下我們改造后的系統(tǒng)對(duì)加熱部分片材溫度的控制情況。