淺析壓塑成型過程測控實驗系統(tǒng)的結構和運轉狀態(tài)

摘 要:

針對大連理工大學材料成型及控制工程專業(yè)對數(shù)字化制造領域的人才培養(yǎng)目標，利用位移、壓力、溫度等傳感器采集材料成型過程參數(shù)，通過 PLC 進行信號轉換和輸出控制，實現(xiàn)了壓塑成型過程測控實驗系統(tǒng)的設計。基于此實驗系統(tǒng)，分析了覆膜砂壓塑成型過程中速度、壓力、時間和溫度對其抗拉強度的影響。該系統(tǒng)將檢測與控制原理引入材料成型實驗，加深了學生對材料成型過程檢測與控制概念的理解。

    材料成型及控制工程是機械工程與材料科學與工程的交叉學科，也是數(shù)字化制造和智能制造技術( 如 3D 打印) 的主要學科。該學科培養(yǎng)能在機械制造、模具制造、快速成形制造等領域從事科學研究、應用開發(fā)、工藝與設備的設計、生產及經(jīng)營管理等工作的高級工程技術人才和管理人才。

    隨著傳統(tǒng)制造業(yè)不斷吸收機械、電子、信息、材料及現(xiàn)代管理等方面的最新成果，當今制造技術正在向自動化、集成化和智能化發(fā)展。其中，基于檢測和控制的自動化技術在先進裝備制造業(yè)領域的應用越來越廣泛，可以很大程度地降低勞動成本，并顯著提高產品質量。因此，大連理工大學材料成型及控制工程專業(yè)作為全國工程教育認證專業(yè)、國家級特色專業(yè)、遼寧省本科示范性專業(yè)，針對本專業(yè)對該領域的人才培養(yǎng)目標，開設了材料成型過程檢測與控制應用型綜合實驗課程體系，包括基礎實驗和擴展及創(chuàng)新實驗兩部分。本文是為優(yōu)秀本科生和部分碩士研究生研發(fā)的擴展和創(chuàng)新實驗課程內容，該課程將檢測與控制原理引入覆膜砂壓塑成型過程，利用位移、壓力、溫度等傳感器采集成型過程參數(shù)，通過 PLC 進行信號轉換和輸出，實現(xiàn)了壓塑成型過程的計算機實時檢測與控制。該實驗系統(tǒng)集成了模具設計、電路設計、PLC 程序設計、實驗方案設計于一身，針對典型壓塑成型過程，實現(xiàn)了機電一體化測控集成應用技術的實訓，加深學生對材料成型過程檢測與控制原理和應用的理解。

    1 系統(tǒng)整體設計
    壓塑成型過程測控實驗系統(tǒng)的整體設計如圖 1所示，包括軟件系統(tǒng)設計和硬件系統(tǒng)設計。軟件系統(tǒng)由 PLC 編程軟件 PLC_Config 和萬能試驗機控制軟件 Smart Test 組成，利用 PLC_Config 編譯溫度測控程序，利用 Smart Test 實現(xiàn)對速度、壓力的檢測與控制。硬件系統(tǒng)包括成型模塊、檢測模塊和控制模塊。成型模塊由萬能試驗機通過控制過程參數(shù)實現(xiàn)模具內的壓塑成型。檢測模塊負責采集各類傳感器產生的電信號，并將電信號轉換為對應的物理量值。控制模塊與檢測模塊實時通訊，根據(jù)采集的參數(shù)控制輸出。

    2 模具設計
    覆膜砂是指在造型前砂粒表面覆有一層固體樹脂膜的型砂或芯砂，主要采用優(yōu)質天然石英砂為原砂，熱塑性酚醛樹脂，烏洛托品及增強劑為輔料。如圖 2 所示，覆膜砂受熱時包裹在砂粒表面的樹脂熔融，在烏洛托品分解出的亞甲基的作用下，熔融的樹脂由線性結構迅速轉變成不熔的體型結構，從而使覆膜砂固化成型。

    非金屬材料受迫成型方式主要有三種，包括注射成型、擠出成型和壓塑成型。其中，壓塑成型是將成型材料放置在密閉的模具中，通過簡單的加熱和加壓實現(xiàn)固化成型的方法。這種技術中模型不易形變，性能均勻，無需澆注系統(tǒng)，與本次選用的覆膜砂材料相匹配，因此根據(jù)壓塑成型的特點設計模具。如圖 3 所示，該模具結構簡單、脫模方便、成本低、加工難度低、節(jié)省材料且有利于溫度控制。

    3 檢測與控制模塊設計
    該實驗系統(tǒng)中需要檢測的參數(shù)有速度、壓力和溫度。速度可由位移間接計算得出，先由增量式編碼器檢測出位移值，并計算出位移變化率，即擠壓速度。壓力的檢測采用壓力傳感器，并通過變送器將電信號轉換為模擬量信號。溫度的檢測采用 K 型熱電偶，其測溫范圍寬、精度高、響應時間快，使用方便［9］。

    該實驗系統(tǒng)中需要控制的參數(shù)同上，其中速度與壓力的控制可通過 Smart Test 軟件界面設定，通過設定脈沖輸出頻率控制速度，通過比較實際壓力與設定壓力的關系控制運動狀態(tài)。該系統(tǒng)的溫度控制較簡單，因此采用開關控制策略，通過固態(tài)繼電器實現(xiàn)直流控制交流的加熱方案。程序如圖 4 所示，其中 VD20 表示當前傳感器所測的溫度值; ＞Ｒ 和＜ Ｒ 為比較指令，作用是比較指令上下兩個實數(shù)的大小，并根據(jù)比較結果控制能流狀態(tài); Ｒ 指令為復位指令，作用時實現(xiàn)復位功能; S 指令為置位指令，作用時實現(xiàn)置位功能。

    該實驗系統(tǒng)的主控器采用大連理工計算機控制工程有限公司的 MAC 系列控制器，該控制器可以進行程序開發(fā)、數(shù)據(jù)監(jiān)控等操作。整個控制系統(tǒng)使用簡單、物理輸入輸出點數(shù)配置靈活，適用于各種工業(yè)控制場合和教學場合。

    4 實驗系統(tǒng)在覆膜砂成型過程中的應用
    結合“材料成型過程檢測與控制”課程，利用該系統(tǒng)設計了“覆膜砂壓塑成型性能規(guī)律研究”實驗，旨在提高學生對材料成型過程檢測與控制的原理與方法的認識。如圖 5 所示，本實驗以萬能試驗機為載體，覆膜砂為原材料，對速度、壓力、時間和溫度進行變量控制，探究各參數(shù)對其抗拉強度的影響。

    4．1 實驗內容
    本實驗檢測和控制的主要參數(shù)有四個，分別為
速度、壓力、時間和溫度。結合具體的實驗過程，以
上四個 參 數(shù) 的 基 礎 值 分 別 取 為: 基 礎 速 度 5mm / min、基 礎 壓 力 5KN、基 礎 時 間 30min、基 礎 溫 度100℃。實驗過程中，針對以上四個參數(shù)，采用單變
量變化，設計不同的工藝組合，完成覆膜砂“8”字形
標準試樣的壓塑成型，并采用型砂抗拉強度檢測儀
檢測各條件下試樣的抗拉強度，分析工藝條件變化
對壓塑成形件力學性能的影響。

     4．2 實驗步驟
    (1) 打開電腦和 PLC 電源。通過 PLC_Config打開編寫的 PLC 程序，并掃描控制器上線。打開Smart Test 軟件并接通萬能試驗機電源。
    (2) 加熱模具，待溫度達到基礎溫度值后，將覆膜砂放入模具中，同時設定壓力和時間為基礎值，利 用 Smart Test 軟 件 設 定 速 度 ( 1、5、10、15、20mm / min) ，分別完成 5 個試樣的壓塑成型。
    (3) 類似步驟( 2) ，分別設定壓力為( 1、2、3、4、 5KN) ，每組完成 5 個試樣的壓塑成型。
    (4) 類上，分別設定壓塑時間為( 15、30、45、60、 75min) ，每組完成 5 個試樣的壓塑成型。
    (5) 修改模具的給定溫度為( 100、125、150、 175、200℃ ) ，每組完成 5 個試樣的壓塑成型。
    (6) 樣品制備完成后，利用型砂抗拉強度檢測儀，測量并記錄各試樣的抗拉強度并保存數(shù)據(jù)，之后將萬能試驗機歸位。
    (7) 待全部實驗完成后，先關閉萬能試驗機主電源，后關閉 Smart Test 和 PLC_Config 軟件。

    4．3 實驗結果分析
   如圖 6、圖 7 所示，隨著速度和壓力的變化，樣品的抗拉強度變化不大且無明顯趨勢，因此在其變化區(qū)間內對覆膜砂抗拉強度幾乎無影響。

    如圖 8 所示，隨著時間的增大，樣品抗拉強度雖然變化很小，但在 75min 以內基本上呈遞增趨勢，這是因為固化時間越長，樹脂的固化效果越好。

    如圖 9 所示，隨著溫度的升高，樣品的抗拉強度逐漸變大，在 175℃ 時達到最大，之后開始變小，可見在 100℃ ～200℃區(qū)間存在峰值。強度升高階段是因為隨著溫度的升高樹脂的固化程度逐漸變大，強度下降是因為溫度過高會使固化的樹脂分解和炭化，同時發(fā)氣量的增大也使樣品內部產生空洞［1 0］。

    綜上所述，溫度對覆膜砂抗拉強度的影響最大，時間的影響較小，速度和壓力幾乎無影響。

    5 結語
    (1) 根據(jù)檢測與控制的基本原理，針對材料成型過程，利用位移、壓力、溫度等傳感器，可編程控制器，繼電器，萬能試驗機和成型模具，實現(xiàn)了壓塑成型過程測控實驗系統(tǒng)的設計。
    (2) 以覆膜砂為成型材料，以其壓塑成型過程中的速度、壓力、時間和溫度為參數(shù)，開展了壓塑成型過程測控實驗系統(tǒng)的應用。通過對比實驗數(shù)據(jù)，得出了溫度和時間是影響樣品強度的主要因素。
    (3) 壓塑成型過程測控實驗系統(tǒng)集成了模具設計、電路設計、PLC 程序設計、實驗方案設計于一身，針對典型壓塑成型過程，實現(xiàn)了機電一體化測控集成應用技術的實訓，加深學生對材料成型過程檢測與控制原理和應用的理解，為數(shù)字化制造領域的人才培養(yǎng)提供了平臺。