模温机结构设计(26页).doc

-模温机结构设计-第 24 页安庆职业技术学院（2015）届毕业论文（设计）题目： 模温机结构设计 姓 名： 何二四 学 号： 6121434013 班 级： 机电四班 所在系别： 机电工程系 所在专业： 机电一体化 完成时间： 2015年3月20日 指导教师： 凌中水 安庆职业技术学院毕业论文（设计）任务书题目： 模温机结构设计 姓名： 何二四 学号： 6121434013 系别： 机电工程系 专业： 机电一体化 班级： 机电四班 指导教师： 凌中水 2014年11月15日（一）课题意义及内容 水箱或油箱、加热冷却系统、动力传输系统、液位控制系统以及温度传感器、注入口等器件组成。通常情况下，动力传输系统中的泵使热流体从装有内置加热器和冷却器的箱中到达模具，再从模具回到箱；温度传感器测量热流体的温度并把数据传送到控制部分的控制器；控制器调节热流体的温度，从而间接调节模具的温度。如果在生产中，模具的温度超过控制器的设定值，控制器就会打开电磁阀接通进水管，直到热流液的温度，即模具的温度回到设定值。如果模具温度低于设定值，控制器就会打开加热器。 2014年11月15日（二）目的要求 度的目的和模具温度对注塑件的影响注塑工艺中，控制模具温度的主要目的一是将模具加热到工作温度，二是保持模具温度恒定在工作温度。以上两点做的成功的话，可以把循环时间最优化，进而保证注塑件稳定的高质量。模具温度会影响表面质量，流动性，收缩率，注塑周期以及变形等几方面。 2014年11月15日（三）计划进度2015.03定稿打印、准备答辩 2015年3月17日（四）审批意见系（专业）负责人签字 年 月 日（五）指导老师签名 签名：年 月 日（六）注意事项1、本任务书一式三份，各系留存一份，交教务处一份，教研室一份；2、学生应在知道老师的指导下，根据本任务书要求制定具体的实施计划并按时完成任务。年 月 日安庆职业技术学院毕业论文（设计）指导记录册题目： 模温机结构设计 姓名： 何二四 学号： 6121434013 系别： 机电工程系 专业： 机电一体化 班级： 机电四班 指导教师： 凌中水 2014年11月15日（一）论文摘要：（学生填写） 析式模糊控制方法的基础上，剖析了系统存在较大超调的原因，进而引入跟踪受控对象瞬时状态的升温速率因子，并提出根据该因子在控温过程中从宏观上合理安排控制策略的分层控制方法，用以实现模温机的温度控制。实验数据表明该方法能有效抑制超调现象，从总体上优化系统的控制性能。 2014 年11 月15 日（二）参考书目：（学生填写） 1邓昭铭，张莹. 机械设计基础M. 北京：高等教育出版社，2000. 2彭文生，黄华梁. 机械设计教学指南M. 北京：高等教育出版社，2002. 3王兆义. 可编程控制器教程M. 北京：机械工业出版社，2001. 4陈立定. 电气控制与可编程序控制器的原理及应用M. 北京：机械工业出版社，2004. 5陈海魁. 机械制造工艺基础. 北京：中国劳动社会保障出版社，2000. 6李魁胜. 铸造工艺设计基础. 北京：机械工业出版社，2003. 7左建明. 液压与气压传动M. 北京：冶金工业出版社，2008. 8张巨香. 机械制造基础实习. 南京：南京大学出版社，2007. 2014年11月15日（三）论文提纲：（学生填写）模温机的发展状况高温水蒸汽通入模具型腔加热模具的模具温度控特点.模温机的工作原理控制系统控制系统原理水蒸气控制系统高温干空气控制系统高光模具模具温度控制机气阀控制系统新一代模温机模具温度控制机设计图 2014年11月15日（四）提纲修改意见：（指导教师填写）学生收到意见时间：学生收到意见签名：年 月 日（五）初稿修改意见：（指导教师填写）学生收到意见时间：学生收到意见签名：年 月 日（六）定稿意见：（指导教师填写）指导教师签名：年 月 日安庆职业技术学院（ 2015 ）届毕业设计题目： 模温机结构设计 姓 名： 何二四 学 号： 6121434013 班 级： 机电四班 所在系别： 机电工程系 所在专业： 机电一体化 完成时间： 2015年3月20号 指导教师： 凌中水 安庆职业技术学院毕业论文（设计）目录及正文题目： 模温机结构设计 姓名： 何二四 学号： 6121434013 系别： 机电工程系 专业： 机电一体化 班级： 机电四班 指导教师： 凌中水 2015年3月17日目 录第一章 绪论.11.1模温机的发展状况.11.2高温水蒸汽通入模具型腔加热模具的模具温度控特点.21.3模温机的工作原理.3第二章 控制系统.42.1控制系统原理.52.2水蒸气控制系统.62.3高温干空气控制系统.7高光模具模具温度控制机气阀控制系统.8第三章 新一代模温机.93.1 新一代模温机.103.2 未来模温机的研究方向.12附录 .13附录A模具温度控制机设计图.13附录B高光模温机电气设计图纸.16参考文献.21摘 要在借鉴解析式模糊控制方法的基础上，剖析了系统存在较大超调的原因，进而引入跟踪受控对象瞬时状态的升温速率因子，并提出根据该因子在控温过程中从宏观上合理安排控制策略的分层控制方法，用以实现模温机的温度控制。实验数据表明该方法能有效抑制超调现象，从总体上优化系统的控制性能。在注塑工业中，注塑机配备了专用的模具温度控制系。关键词： 模温机；模糊控制；温度控制；超调；升温速率。ABSTRACTOn the basis of analytic fuzzy control method, analyzes the system causeslarger overshoot, and then introduc the tracking heating rate factor of the instantaneous state of the controlled object, and put forward according to thefactor in temperature control process from the macro and reasonable arrangement of hierarchical control method of control strategy, in order to realize the temperature control of the mold temperature machine. The experimental data show that this method can effectively restrain the overshoot,optimizing the control performance of the system as a whole. Keyword: mould temperature control machine; fuzzy control; temperature control; overshoot;heating rate in the injection molding industry, injection molding machine is equipped with a special mold temperature control system.Keyword: mould temperature control machine; fuzzy control; temperature control; overshoot; heating rate.绪论模具温度控制机在高光注塑成型中具有着相当重要的位置，在国内外的高光注塑中大多使用了模温机，现有的模温机大多是采用蒸汽加热、电加热、高温油加热等，市场上主要有高温油传热的油温机、蒸汽传热的蒸汽模温机、电阻加热模具的模温机、高温高压水传热的水温机，这几种模温机都是利用热传导的方式将高光注塑所需要的热量传递到模具来完成高光注塑的。蒸汽通入模具型腔加热模具的模具温度控制机是在高光注塑中应用的又一新型设备。此设备利用高温水蒸汽通入模具型腔加热模具技术，该设备能够产生高温高压水蒸气与高温高压干空气，其首先将高温高压的蒸汽直接通入模具型腔对模具进行加热，当通入一段时间后利用高温干空气吹除模具型腔剩余的水分，最后使模具达到高光注塑所要求的温度。采用高温水蒸汽通入模具型腔加热模具的高光注塑技术所注塑的产品具有相当好的表面质量，因此在制造高光模具是可以降低模具模面的抛光加工工作量，从而节约模具加工成本，提高模具加工效率。采用此技术后，高光模具的模面的粗糙度达到Ra0.8即可，比起一般的高光注塑所需要的Ra0.012小很多，几乎与普通注塑模具的模面要求相当。第一章 蒸汽直接通入模腔的高光模温机模具温度控制机在高光注塑成型中具有着相当重要的位置，在国内外的高光注塑中大多使用了模温机，现有的模温机大多是采用蒸汽加热、电加热、高温油加热等，市场上主要有高温油传热的油温机、蒸汽传热的蒸汽模温机、电阻加热模具的模温机、高温高压水传热的水温机，这几种模温机都是利用热传导的方式将高光注塑所需要的热量传递到模具来完成高光注塑的。蒸汽通入模具型腔加热模具的模具温度控制机是在高光注塑中应用的又一新型设备。此设备利用高温水蒸汽通入模具型腔加热模具技术，该设备能够产生高温高压水蒸气与高温高压干空气，其首先将高温高压的蒸汽直接通入模具型腔对模具进行加热，当通入一段时间后利用高温干空气吹除模具型腔剩余的水分，最后使模具达到高光注塑所要求的温度。采用高温水蒸汽通入模具型腔加热模具的高光注塑技术所注塑的产品具有相当好的表面质量，因此在制造高光模具是可以降低模具模面的抛光加工工作量，从而节约模具加工成本，提高模具加工效率。采用此技术后，高光模具的模面的粗糙度达到Ra0.8即可，比起一般的高光注塑所需要的Ra0.012小很多，几乎与普通注塑模具的模面要求相当。高温水蒸汽通入模具型腔加热模具的模具温度控制机是利用自身产生的高温高压蒸汽以及高温高压干空气对模具进行加热与去除模腔残留水而达到高光注塑要求的模具温度控制设备，此设备由高温干空气发生器、水净化系统、高温蒸汽发生器、空气净化系统、控制系统和水蒸汽收集系统等构成，各系统关系与结构如下表.为了使高光注塑的效果更佳，高温蒸汽发生器与高温干空气发生的水与空气的来源都要经过精密的过滤，其中的自来水还要经过去离子作用，这样的目的是防止水与空气将自身的杂质带入到高光模具型腔的表面，也防止水中的钙等离子在高温时在模腔中形成影响高光注塑的杂质。模具温度控制机系统构成表。设备名称主要系统系统构件高温水蒸汽通入模具型腔加热模具的模具温度控制机高温干空气发生器电加热器高温蒸汽发生器电热蒸汽锅炉水净化系统离子水装置、杂质过滤器、油分离器空气净化系统杂质过滤器，空气净化器控制系统PLC、PID调节器水蒸汽收集系统水箱，增水泵，冷凝器，磁力泵其他高温空气电磁阀组、高温蒸汽电磁阀、常温空气电磁阀组、压力传感器、温度传感器等表1.1 模具温度控制机系统构成表 由于高温水蒸汽通入模具型腔加热模具的模具温度控制机只是对模具的模腔表面进行加热，加热位置大约是在模腔表面及以下1mm左右的，此种方式加热模具与冷却模具的速度相当快，大大地缩短了高光注塑周期，不仅提高了高光注塑效率，也大大降低了对电能的需求，降低注塑成本。与传统加热方式不同的是此种方式是对模腔的前后模面都进行了加热，当在进行注塑时，熔胶在模腔中的流动性好，溶胶的前锋温度高，这样可以注塑件的表面缺陷，大大提高高光注塑质量。1.3 工作原理如图为高温水蒸汽通入模具型腔加热模具的模具温度控制机的工作原理图，从b口接入自来水，经过装置15过滤与装置14去离子后，进入储水箱13，当高光注塑需要水蒸气时，在泵11的作用下，经过处理后的水从储水箱13进入锅炉9进行加热，达到高光注塑所设定的温度时，通过d口进入高光模具型腔。从a口接入压缩空气，再经过装置2过滤与装置1与3净化干燥后，进入储气罐5，然后通入高温空气发生器6进行加热，达到高光注塑温度时，由c口进入高光模具型腔。一般地将水蒸气通入模腔对模具进行加热，当加热到高光注塑需要的温度时，停止对模具进行加热，并通入高温干空气对模具型腔及相关水道中残留的水进行去除，进入注塑开始状态。通过plc对模具温度控制机进行加热与去水进行控制，根据不同高光注塑要求的不同，改变温度控制参数，对加热时间与去水时间进行准确的控制，使其达到不同高光注塑要求的温度，注塑出高表面质量的注塑件。此设备还可以通过增加冷却装置，将模具温度控制机中的加热模具后的水蒸气进行冷却，并通入废水箱，在进行过滤净化处理后，可重复使用，大大节约了水资源。如图所示为高温水蒸汽通入模具型腔加热模具的模具温度控制机的实物图。图 高温水蒸汽通入模具型腔加热模具的模具温度控制机结构图 在前面介绍了高光模具，在利用高温水蒸汽通入模具型腔加热模具的模具温度控制机的条件下，在常规结构的模具上开有进气(汽)口与出气(汽)口，用来将高温高压水蒸汽与高温干空气通入模腔，控制进出气(汽)通道的开合由气缸控制，实现高温蒸汽与高温干空气共用同一个进出口；在射嘴处也设有高温干空气进气口，用来吹除射嘴处残留的蒸汽凝结水，并用气缸控制开闭；在靠近射嘴处还开有一条冷却水通道，用来冷却射嘴被高温干空气加热一段的射嘴通道；对深横比较大的小腔如深10mm、直径1.5mm的定位柱等由于模面冷凝水较难吹除，在前模模芯上具有高温水蒸汽加热通道，其主要目的是加热部分模芯，也可作为冷却模芯之用。第二章 控制系统2.1 控制系统原理蒸汽直接通入模具型腔的模具温度控制机由PLC控制，与PLC控制相关的有人机界面、操作面板、限位开关、水蒸汽温度信号、干空气温度信号、驱动电机、驱动电磁阀、温度显示。以下是对各控制单元的解释，控制系统原理如图所示。图 控制系统结构框图操作面板取人机交互作用，可以显示蒸汽温度、干空气温度、锅炉与干空气加热器的压力等，并可以通过各种控制按钮与设置参数对设备进行控制；限位开关的作用是对模具的开合进行指示；干空气与水蒸气温度信号的作用是对高温干空气与锅炉的温度进行指示，并通过温度信号转换为压力信号，对其压力进行监控；驱动电磁阀包括高温电磁阀与普通电磁阀，高温电磁阀主要高温水电磁阀与高温干空气电磁阀，其作用是执行对型腔进行加热与去水的控制，普通电磁阀用于个支路协助温度控制。图2.2 设备运行模式示意图为了更方便地进行各种高光注塑试验，在此设备上设置了四种控制方式，包括：额定额定温度半自动运行模式和试验温度半自动运行模式，这四种模式通过在触摸屏中进行设置，对模具加热与去水的通入时间与顺心都有触摸屏进行设置，其关系如图，因此该设备调试方便，使用简单，具有很好的发展前景。2.2 水蒸气控制系统如图所示水蒸气控制系统的流程图,蒸汽发生器系统是一个全自动运作的系统。包括自动产生去离子纯净水、锅炉自动补水和锅炉自动加热。具体运作过程为：在储水水箱内设置液位控制器，以检测储水水箱内的水位。当储水水箱内的水图 水蒸气自动控制系统程序框图高于设定水位的上限时，去离子水净化器停止工作，当储水水箱内的水低于设定水位的下限时，补水增压泵停止工作。在锅炉内设置液位控制器，当锅炉内的水位低于设定水位的下限时，锅炉加热丝停止加热，同时补水增压泵开始工作，给锅炉补水。当锅炉内的水高于液位控制器设定的上限时，补水增压泵停止工作，锅炉加热丝开始加热。在锅炉内设置压力传感器，当锅炉内的水蒸汽的压力到达所设定压力的上限值时，锅炉电热丝停止加热，同时将水蒸汽温度信号输入可编程控制器（PLC）中。当锅炉内水蒸汽压力下降至压力传感器下限值时，锅炉电热丝再次启动加热。如此循环进行。图为水蒸气发生控制电路图。图 水蒸气控制系统电路图2.3 高温干空气控制系统图干空气发生器控制电路图，在这部分控制电路中，主要包括三个模块：温度检测、PID温度控制调节器和电力控制器。温度检测装置中可以选用热电偶，由于在加热过程中空气加热器内温度惯性很大，因此将热电偶安装在热干空气出口图干空气发生器控制电路图的位置，这样测量温度值比较确。PID温度控制调节器具有自整定和模拟量输出的功能，加热前，使用者只需要在温度控制器显示面板上设定好所要的加热度，PID温度控制器就可根据所设的温度值与热电偶的温度值对比，输出模拟信号（如电流），通过电力控制器对空气加热器内的电热丝进行加热。当空气加热器内的温度到达所设定的温度时，空气加热器内电热丝停止加热。同时，通过电气设置将干空气温度信号输出到可编程序控制器（PLC）内。如此循环工作。干空气控制系统方框图。干空气控制系统方框图2.4 高光模具模具温度控制机气阀控制系统为了高光注塑的温度控制的需要，通过对个电磁阀的控制实现对高光模具的加热时间与残留水的去除，从而实现对模具温度的控制，图为高光模具模具温度控制机气阀控制系统的示意图，高光模具加热机气阀需要达到如下控制要求，在模具合模后：(1). 打开水蒸汽阀1、水蒸汽阀2和水蒸汽阀3，此时模腔进气口1和水道进气口1，2打开进水蒸汽。两个小气缸动作（杆伸出）。模腔进气口1进水蒸汽的时间可以通过触摸屏上在线自行设定。(2). 一定时间后，水蒸汽阀2关闭，同时干空气阀1、干空气阀2和干空气阀3打开，模腔进气口2进干空气。两小气缸回原位（杆缩回）。(3). 1秒钟后，干空气阀4打开，模腔进气口1进干空气。模腔进干空气的时间可通过触摸屏上在线自行设定。(4). 一定时间后，干空气阀1、干空气阀2、干空气阀3和干空气阀4均关闭，模腔进气口1，2停止进气。同时两个小气缸动作（杆伸出）。(5). 1秒钟后，1大气缸、2大气缸动作（杆伸出），关闭进气口和排气口。同时旋转气缸动作（转90度),关闭模腔进气口2，打开注胶口。注塑机开始注塑。(6). 注塑完成后，开模，旋转气缸回原位（逆转90度），关闭注胶口，同时打开模腔进气口1大气缸和2大气缸回原位（杆缩回），两小气缸回原位（杆缩回）。(7). 等待合模，下一个注塑周期开始。 图 2.7 高光模具模具温度控制机气阀控制系统的示意图第三章 新一代模温机3.1 新一代模温机原理在高光注塑中，由于注塑件的形状大小各不相同，需要将模具加热到高光注塑所需温度的能量也各不相同，当需要对较大产品进行高光注塑时，旧的蒸汽直接通入模具型腔的模具温度控制机的功率有限，所产生的热量不能再短时间内将模具加热，因此不仅影响了注塑效率，也很浪费能源。为了能过适应对较大模具进行的高光注塑，也为了能够是产品更加优化，笔者设计并制造了新一代的高温水蒸汽通入模具型腔加热模具的模具温度控制，其工作原理与上一代模温机相似，控制系统也大同小异，此设备不仅能对较大型注塑件进行高光注塑，而且操作更加简单，空间布置更加合理紧凑。如图为新一代模具温度控制机设计图，图为新一代模具温度控制机实物图。图3.1 新一代模具温度控制机设计图此设备的高温蒸汽发生器同样采用电热蒸汽锅炉，其蒸汽压力8atm，温度180；高温干空气发生器采用电加热器，温度300，压力8atm，此设备已被广东联塑科技实业有限公司所使用。3.2 未来模温机的研究方向 由于第二代模具温度机仍不能买足超大注塑件的高光注塑，随着对大型注塑件的高光注塑的需要，需要更大量的高温蒸汽与高温干空气，前两代的高温高压蒸汽都是由小型锅炉产生，因此，为了满足对大量的蒸汽的需要，可以采取两种方法，一种是采用大型锅炉，以增大制气量，另一种是采用两个小型锅炉同时制蒸汽，以增大制气量，由于国家对大型锅炉的使用有着很严格手续与监控，在使用时较麻烦，因此我们打算在下一步时采用第二种方式，使用两个或多个锅炉同时制蒸汽，以满足对大型产品的高光注塑的需要。如图为双锅炉的模具温度控制机的设计图。图3.2 双锅炉的模具温度控制机设计图 高温水蒸汽通入模具型腔加热模具的模具温度控制机，经过3轮样机试制和大量注塑实验，在技术上已成熟，包括水质净化处理、空气净化处理、蒸汽压力与温度控制、干空气压力与温度控制、乏汽（与冷凝水）冷凝回收处理等关键技术、在设备整机的可靠性和寿命等方面均已达到小批量试产的前期阶段；在批量制造成本上，经过对多种类、多厂家生产的重要配件如高温电磁阀等产品经过两年不间断测试，已经能够控制整机成本在合理的价格上。为了进一步是此类模具温度控制机在价格与结构上更加合理，在下一步需要从以下几点研究出发：a) 开发单片机控制电路，进一步降低制造成本10-15%；b) 对已基本成熟的高温水蒸汽通入模具型腔加热模具的模具温度控制机，进行小批量试产，为中批试产和后续的大批量生产提供更为合理的产品设计定型方案、生产工艺、工装夹具、生产设备和人员配备、零部件供应渠道、质量控制以及质量检验标准；c) 开发大型注塑生产企业使用的高温水蒸汽通入模具型腔加热模具的加热及温度控制成型系统，将高温蒸汽的温度和压力分别提高到200和1.6MPa，将高温干空气的温度提高到400，进一步降低注塑周期，进一步减少能量消耗。Acknowledgements    My deepest gratitude goes first and foremost to Professor aaa , my supervisor, for her constant encouragement and guidance. She has walked me through all the stages of the writing of this thesis. Without her consistent and illuminating instruction, this thesis could not havereached its present form.    Second, I would like to express my heartfelt gratitude to Professor aaa, who led me into the world of translation. I am also greatly indebted to the professors and teachers at the Department of English: Professor dddd, Professor ssss, who have instructed and helped me a lot in the past two years.    Last my thanks would go to my beloved family for their loving considerations and great confidence in me all through these years. I also owe my sincere gratitude to my friends and my fellow classmates who gave me their help and time in listening to me and helping me work out my problems during the difficult course of the thesis.参考文献1邓昭铭，张莹. 机械设计基础M. 北京：高等教育出版社，2000.2彭文生，黄华梁. 机械设计教学指南M. 北京：高等教育出版社，2002.3王兆义. 可编程控制器教程M. 北京：机械工业出版社，2001.4陈立定. 电气控制与可编程序控制器的原理及应用M. 北京：机械工业出版社，2004.5陈海魁. 机械制造工艺基础. 北京：中国劳动社会保障出版社，2000.6李魁胜. 铸造工艺设计基础. 北京：机械工业出版社，2003.7左建明. 液压与气压传动M. 北京：冶金工业出版社，2008.8张巨香. 机械制造基础实习. 南京：南京大学出版社，2007.附录A模具温度控制机设计图附录B高光模温机电气设计图纸仪表显示控制电路图电器连接布置图一电器连接布置图二 电器连接布置图三可编程控制器控制电路二可编程控制器控制电路一 可编程控制器控制电路三 高光模具加热机主电路图 程序流程图参考文献1邓昭铭，张莹. 机械设计基础M. 北京：高等教育出版社，2000.2彭文生，黄华梁. 机械设计教学指南M. 北京：高等教育出版社，2002.3王兆义. 可编程控制器教程M. 北京：机械工业出版社，2001.4陈立定. 电气控制与可编程序控制器的原理及应用M. 北京：机械工业出版社，2004.5陈海魁. 机械制造工艺基础. 北京：中国劳动社会保障出版社，2000.6李魁胜. 铸造工艺设计基础. 北京：机械工业出版社，2003.7左建明. 液压与气压传动M. 北京：冶金工业出版社，2008.8张巨香. 机械制造基础实习. 南京：南京大学出版社，2007.安庆职业技术学院毕业设计成绩评定题目： 模温机结构设计 姓名： 何二四 学号： 6121434013 系别： 机电工程系 专业： 机电一体化 班级： 机电四班 指导教师： 凌中水 2014年 11月 15日毕业设计评语：评分等级：指导教师签名： 年 月 日系审核意见：系（专业）负责人签名：年 月 日