塑料中空成型機(jī)是塑料機(jī)械的主導(dǎo)產(chǎn)品之一，盡管其研制在我國起步較晚，但經(jīng)過近30年的發(fā)展，國產(chǎn)機(jī)已基本能夠滿足各種普通塑料中空制品的成型需求。其中，由秦川機(jī)械發(fā)展股份有限公司(以下簡稱“秦川公司”)自行研發(fā)的中空成型機(jī)系列在中國市場的占有率達(dá)80%以上。隨著包裝行業(yè)和汽車工業(yè)的快速發(fā)展，塑料中空容器及中空成型制品的應(yīng)用越來越廣泛，其結(jié)構(gòu)也趨于多樣化。對中空容器的擠出吹塑而言，型坯壁厚控制是最關(guān)鍵的技術(shù)之一，同時(shí)也是中空成型機(jī)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)所在。秦川公司通過技術(shù)攻關(guān)，成功設(shè)計(jì)出了壁厚控制系統(tǒng)。經(jīng)過多家用戶的生產(chǎn)實(shí)踐證明，該系統(tǒng)無論在操作還是控制方面都優(yōu)于當(dāng)前進(jìn)口產(chǎn)品，在市場上獲得了很大的成功。

型坯壁厚控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

隨著中空吹塑制品的幾何形狀日趨復(fù)雜，對于以最小的原材料消耗獲得所需壁厚分布且結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的制件而言，良好的預(yù)成型坯設(shè)計(jì)顯得尤為重要。因此，在型坯成型階段，可根據(jù)各部分在型坯吹脹時(shí)的吹脹比，進(jìn)行型坯的壁厚分布調(diào)節(jié)。同時(shí)，考慮型坯形成時(shí)發(fā)生的擠出膨脹、下垂及回彈等變化，編輯出合理的型坯厚度分布曲線，進(jìn)而調(diào)節(jié)電液伺服系統(tǒng)，使內(nèi)模和外模間的口模間隙隨型坯位置的變化而變化，由此吹脹成型厚薄均勻的制品。制品耐沖擊力實(shí)驗(yàn)表明，壁厚均勻使得制品在強(qiáng)度上有了很大的提高;同時(shí)也節(jié)省了原料，縮短了成品的冷卻時(shí)間，并降低了次品率，大大提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

型坯壁厚控制系統(tǒng)主要由顯示裝置及控制和電液伺服(比例伺服閥和伺服油源)系統(tǒng)組成，其工作原理如圖1所示。

圖1 型坯壁厚控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.壁厚控制系統(tǒng)的控制原理

64點(diǎn)軸向壁厚控制器(AWDS)，是秦川公司塑料中空成型機(jī)的核心技術(shù)之一，對整機(jī)性能起著決定性的影響。近幾年，經(jīng)過不斷優(yōu)化壁厚控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，增加徑向型坯控制器(PWDS)、軟件程序結(jié)構(gòu)、動(dòng)作程序、控制算法和數(shù)學(xué)模型，從而研制出了軸向壁厚控制器與徑向壁厚控制器聯(lián)合作用的壁厚控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)已成功應(yīng)用于生產(chǎn)中，處于國內(nèi)領(lǐng)先水平。

PLC和觸摸屏的控制系統(tǒng)是秦川公司塑料中空成型機(jī)的設(shè)計(jì)特色之一。利用觸摸屏(即人機(jī)界面)調(diào)整型坯厚度曲線和相關(guān)的工藝參數(shù)，使得PLC控制器在接收到人機(jī)界面設(shè)定的曲線數(shù)據(jù)和參數(shù)信息后，控制伺服比例閥，以達(dá)到預(yù)定的口模間隙。整個(gè)過程要求控制系統(tǒng)以毫秒級響應(yīng)，這意味著不僅硬件的運(yùn)算速度要高，同時(shí)在軟件和數(shù)字控制理論方面要有新的突破，這樣才能滿足型坯壁厚控制系統(tǒng)響應(yīng)快速、控制精確以及穩(wěn)定可靠的要求。

對于PLC和觸摸屏的控制系統(tǒng)，秦川公司采用了實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)，因而可定義每個(gè)任務(wù)的優(yōu)先級和循環(huán)時(shí)間，且循環(huán)時(shí)間最短可達(dá)1ms，使整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性得到了優(yōu)化。其中，PWS3261-TFT觸摸式工業(yè)級人機(jī)界面由臺灣臺達(dá)電子公司生產(chǎn)，該觸摸屏是一種集顯示器和觸摸開關(guān)于一體的可編程序顯示面板，具有結(jié)構(gòu)緊湊、連接方便且操作直觀簡潔等特點(diǎn)。它具備多通道的串口通訊功能，能夠?qū)崟r(shí)地顯示設(shè)備狀態(tài)、操作指示、參數(shù)設(shè)定、動(dòng)作流程、統(tǒng)計(jì)資料、警報(bào)信息及簡易報(bào)表等內(nèi)容。在塑料電氣控制系統(tǒng)中，各種參數(shù)的設(shè)定、按鈕開關(guān)的運(yùn)用、壁厚控制曲線的顯示以及報(bào)警信息等都可由該觸摸屏來完成。同時(shí)，還可以在該觸摸屏上設(shè)定各種函數(shù)曲線，為壁厚圖形的編輯提供了十分有利的工作平臺。

此外，秦川公司還采用了日本OMRON生產(chǎn)的CJIG-CPU43H型可編程控制器。該產(chǎn)品具有豐富的運(yùn)算指令、順序指令、數(shù)據(jù)處理指令和實(shí)現(xiàn)指令的高速處理功能，并且可靠性高，適應(yīng)性強(qiáng)，能夠在各種復(fù)雜惡劣的環(huán)境中應(yīng)用。在塑料機(jī)械的電氣控制中，該控制器能夠很好地實(shí)現(xiàn)對動(dòng)作的精確控制、模擬量的轉(zhuǎn)換運(yùn)算、數(shù)據(jù)的處理和I/O信號的處理等功能。

2.電液伺服系統(tǒng)

電液伺服系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)有很多，其中最突出的是響應(yīng)速度高、輸出功率大和控制精確性高，而這些恰恰是型坯壁厚控制系統(tǒng)的基本要求。在電液伺服系統(tǒng)中，伺服閥是最重要的元件之一，是實(shí)現(xiàn)電液轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它直接影響到伺服系統(tǒng)的響應(yīng)速度和穩(wěn)定性。在電液伺服系統(tǒng)中，秦川公司采用了CSDY3型射流電液伺服閥。該閥的信號改變從0到100%，響應(yīng)時(shí)間≤10ms，響應(yīng)極其快速，精度也很高，但對油質(zhì)的要求也很高。電液伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 電液伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

型坯壁厚控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

型坯壁厚控制系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)分兩部分：人機(jī)界面軟件設(shè)計(jì)和PLC軟件設(shè)計(jì)。

1.人機(jī)界面軟件設(shè)計(jì)

人機(jī)界面軟件的設(shè)計(jì)所采用的算法主要是插值法，即對于指定函數(shù)f(x)，只要知道它在某區(qū)間中若干點(diǎn)的函數(shù)值，以此做出適當(dāng)?shù)奶囟ê瘮?shù)，使其在這些點(diǎn)上取已知值，并在此區(qū)間內(nèi)其他點(diǎn)上用這個(gè)特定函數(shù)所取的值作為函數(shù)f(x)的近似值。若該特定函數(shù)為多項(xiàng)式，則稱“插值多項(xiàng)式”。一般，根據(jù)插值多項(xiàng)式的類別來辨別其插值算法。在進(jìn)口的吹塑機(jī)中，有幾種不同的壁厚控制圖形軟件，比較典型的如美國moog的30點(diǎn)、100點(diǎn)和200點(diǎn)，它們分別采用了線性插值、差商插值法和樣條插值法。

壁厚控制要求壁厚圖形各設(shè)定點(diǎn)間要連續(xù)可導(dǎo)，否則，對于軸向壁厚分布系統(tǒng)(AWDS)，在型坯上將出現(xiàn)環(huán)紋，而對徑向壁厚分布系統(tǒng)(PWDS)，將在型坯上出現(xiàn)軸向條紋。線性插值算法簡單明了，對于兩點(diǎn)之間的擬和非常容易，計(jì)算量也很小。但是，由于該算法沒有考慮區(qū)間端點(diǎn)之間的圓滑過渡，基本上每點(diǎn)都要調(diào)整。因此，點(diǎn)數(shù)較少的壁厚圖形可用此算法，而當(dāng)區(qū)間較多時(shí)，操作就較為繁瑣，此算法就不太適用了。比較而言，樣條插值法盡管保證了所有設(shè)定點(diǎn)之間的連續(xù)可導(dǎo)性，但由于所有設(shè)定點(diǎn)都能圓滑過渡，當(dāng)某點(diǎn)調(diào)整拉伸超過一定程度時(shí)，不僅此點(diǎn)附近的曲線發(fā)生變化，連離它較遠(yuǎn)的曲線也會隨之變化。這就違反了設(shè)計(jì)的初衷，使原來調(diào)整好的壁厚曲線區(qū)域因發(fā)生變形而作廢，操作者調(diào)整曲線的效率就會大大降低。

線性插值、差商插值法和樣條插值法都無法完整地滿足壁厚圖形的要求。秦川公司的壁厚控制系統(tǒng)在考慮到圓滑過渡和相互不影響的情況下，提出了采用B樣條和貝塞爾曲線結(jié)合的插值法，這樣既能滿足曲線端點(diǎn)圓滑過渡的要求，又能克服樣條插值法中因某點(diǎn)拉伸幅度過大而導(dǎo)致遠(yuǎn)處曲線變形的缺點(diǎn)。即使通過很少的控制點(diǎn)，也能畫出理想的30~300點(diǎn)的任何壁厚曲線，而且操作較為方便。用此算法獲得的壁厚曲線操作具有以下特點(diǎn)：

(1)兩設(shè)定點(diǎn)間用曲線擬和;

(2)存在每點(diǎn)拉伸和區(qū)域曲線微調(diào)兩種方式;

(3)重量有3種方式調(diào)節(jié)：整體調(diào)節(jié)、高端方式和低端方式;

(4)壁厚圖形隨調(diào)節(jié)范圍變化而放大縮小，易于調(diào)節(jié)和觀察;

(5)每點(diǎn)可設(shè)定標(biāo)記輸出，并且在界面上顯示;

(6)壁厚圖形修改有確認(rèn)環(huán)節(jié)，可以避免誤操作。

壁厚圖形界面如圖3所示。

圖3 型坯壁厚曲線畫面

2.PLC控制軟件

PID 控制是最早發(fā)展起來的控制策略之一，因?yàn)樗�所涉及的設(shè)計(jì)算法和控制結(jié)構(gòu)都很簡單，且十分適用于工程應(yīng)用背景。此外，PID控制方案并不要求精確的受控對象的數(shù)學(xué)模型，且采用PID控制效果一般都比較令人滿意，所以PID控制的應(yīng)用比較廣泛。

標(biāo)準(zhǔn)的PID控制器模型為：

式中U(t)為進(jìn)入控制對象的控制變量，e(t)為誤差信號。

將式(1)離散化得到：

令，k=kp/T1

電液伺服系統(tǒng)的典型特征是低阻尼和時(shí)變性、非線性，有較大慣性和滯后性，很難得到一個(gè)好的數(shù)學(xué)模型。常規(guī)的線性PID算法在較大慣性和滯后性下，其積分項(xiàng)往往會導(dǎo)致較大的超調(diào)和較長時(shí)間的波動(dòng)。在線性比例項(xiàng)作用下，系統(tǒng)的魯棒性(robustness)較差，很難達(dá)到快速準(zhǔn)確響應(yīng)的要求。因此，在對控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試時(shí)，對PLC數(shù)字控制器引入了智能非線性PID控制方法。

智能非線性PID是在傳統(tǒng)PID控制的基礎(chǔ)上，改造kpe(k)+ki∑e(j)T，使之成為關(guān)于e(k)的非線性函數(shù)f(e(k))∑e(j)，再加上一個(gè)可調(diào)增益kp。智能非線性PID示意圖如圖4所示。

圖4 智能非線性PID示意圖

圖4中，Continuous為連續(xù)式壁厚控制設(shè)定，Accumulator為儲料式壁厚控制設(shè)定。Co為濾波常數(shù)，為PID控制器D部分所用，Act 是伺服油缸線性位移傳感器的反饋，經(jīng)濾波進(jìn)入PID控制器中。PID控制器掃描周期為2ms，Io掃描也同時(shí)刷新完成輸出。智能非線性PID系統(tǒng)的影響能力強(qiáng)，魯棒性好，而且有一定的自適應(yīng)性，有效地克服了電液伺服的大慣性和滯后性，準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)了儲料缸式或連續(xù)式吹塑機(jī)型坯壁厚30~300點(diǎn)的壁厚控制要求。

軸向控制器和徑向控制器的組合將仍是未來型坯壁厚控制系統(tǒng)的發(fā)展方向，而且將要求更高的控制精度。目前，國內(nèi)塑料中空成型機(jī)壁厚控制系統(tǒng)的研制，除需要不斷采用更加先進(jìn)的控制手段，在技術(shù)水平上與國際發(fā)展保持同步外，還需要加快在其生產(chǎn)制造規(guī)模化和專業(yè)化方面的發(fā)展。這樣，國內(nèi)型坯壁厚控制系統(tǒng)才能夠作為一個(gè)獨(dú)立的產(chǎn)品，早日打入國際市場。