CN104526945B - 复杂滚塑模具内部空气流场温度的控制装置和方法 - Google Patents

Abstract

一种复杂滚塑模具内部空气流场温度的控制装置，其特征是利用非接触式温度传感器，滚塑模具气体流道结构以及计算机等实现了滚塑模具内部空气流场温度的闭环控制，温度控制精确，大幅提高了滚塑储罐壁厚的均匀性。本发明装置包括非接触式温度传感器，计算机，床体，滚塑模具气体流道结构等，在对空气流场温度实施控制的同时提高了装置的自动化水平，且装置简单，操作方便，成本低廉。

Description

复杂滚塑模具内部空气流场温度的控制装置和方法

技术领域

本发明涉及一种滚塑模具内部空气流场温度的控制方法和装置，特指一种利用温度与气体流量传感器监测滚塑模具内部空气流场的温度，并利用计算机控制流量伺服阀调节内部循环气道的气体流量，进而控制空气流场温度的方法。

技术背景

滚塑成型是一种依靠模具内部熔融态材料的重力流动成型的工艺。模具内的高分子材料在复杂热与运动的作用下，逐渐均匀的融化并附着在模具内表面的型腔之上，形成和模具型腔相同的制品。温度是影响滚塑成型工艺的主要因素，在滚塑设备结构、模具结构和聚合物原材料一定的情况下，滚塑成型的温度参数对制品的质量有直接的影响，因此滚塑成型工艺中对温度的自动控制成为了滚塑行业内关心的焦点。滚塑工艺中的内部空气流场温度，一直是影响滚塑工艺的重要因素，滚塑工艺过程中不仅需要控制模具表面的温度精度，更重要的是控制模具内部的空气流场温度。滚塑模具内部为中空状，空间较大，内部空气由于模具的局部受热产生不均匀的温度场分布，从而诱发内部高分子材料相变过程的不均匀，最终使得产品性能下降，因此，稳定的空气流场温度对滚塑工艺和成型过程的控制有重要的意义。然而由于滚塑模具呈密闭状，且传统方法一般只能通过红外测温仪测得模具本身的温度，难以直接测试及控制滚塑模具内部空气流场的温度。

目前国内外通用的滚塑成型设备，较少配备温度实时监测装置和自动控温装置，而是通过人工按照生产经验，使用红外测温枪定点定时地测量模具表面的温度，然后根据测得的温度，手动调节燃气管道上燃气流量的大小，实现控制加热点温度进而控制模具表面温度的效果。然而，上述操作不仅安全性差，而且很难控制滚塑工艺过程中模具内外壁的温度和物料的温度变化。由于不能实时并精确的监测和调节成型工艺过程中的温度参数，目前存在滚塑成型效率低、能耗大，所加工出的制品质量精度不高的问题。

国外滚塑工艺研究起步较早，研究水平相对较高，如Shih-Jung Liu , Kwang HwaFu等人旨在探讨增强鳍片方式对滚塑成型的加热/冷却效率的影响。在实验室规模的单轴机对滚塑成型进行了实验，并能够测量在内部循环空气的温度，在模具整体表面扩展加上类似鳍片的造型，通过增加和改变表面积，进而增强和改变传热，以减少工艺周期所需时间。结果发现，带针片模具表面表现出最高的加热和冷却效率。在滚塑中使用针片，在相同的条件下可以得到更好的效,然而在其过程中忽略了模具内部空气流场的温度对滚塑产品的影响。

在国内已有的滚塑模具温度控制方法中，只涉及到模具自身温度场的控制方法。如专利CN201210154562.2涉及一种滚塑设备温度无线测试装置，其忽略了滚塑中模具内部空气流场的温度对滚塑工艺的影响。因此，本专利针对上述专利在滚塑工艺温度控制上的不足，提出了一种控制滚塑模具内部空气流场温度的方法。

在已有的滚塑工艺温度控制装置中，主要依靠各种不同功能的传感器来实现滚塑工艺中模具与相关加热点温度的测量。专利CN201220240143.6涉及一种滚塑工艺的自动控制系统：系统通过安装在模具上的温控传感器获得模具内部的温度，温控传感器的数据经过PLC系统控制滚塑机的点火装置及温度辅助系统，实现了滚塑机的参数自动控制，但是所用温控传感器同样存在无法测量模具内部空气流场温度的问题。内部气体的流动需要特殊的装置加以引导和控制，因此，本发明针对滚塑模具内部空气流场的温度控制提出了一种特殊的结构和装置。本发明适用于多种外部加热方式的滚塑工艺，可优化滚塑模具内部空气流场温度的均匀性，从而提升滚塑工艺的自动化水平和滚塑制品的质量。

通过对国内外文献进行检索，目前还没有发现能控制滚塑模具内部空气流场温度的装置及方法，本发明为首次提出该装置及方法。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中面临的滚塑模具内部温度场受热不均匀的问题，设计一种能控制滚塑模具内部空气流场温度的装置，同时提供一种相适应的方法。

本发明的技术方案之一是：

一种复杂滚塑模具内部空气流场温度的控制装置，其特征是它包括摇摆系统1，通过摇摆系统1控制床体2的上下摆动，通过床体2控制滚塑模具4的旋转，从而使得滚塑模具4上下摆动和左右旋转同时进行，滚塑模具4的加热通过点火装置3来实现，室温空气通过变频风机10经过进气管道9再经进气口流量阀6最后经与滚塑模具同步旋转的滚塑模具气体流道结构17进入滚塑模具4内部，滚塑模具4内部空气流场温度通过非接触式温度传感器5采集，然后传递给计算机11，经计算机11处理再反馈给变频风机10来调节进气量，如此循环反复，最终使其温度稳定在一定范围内；其中进气管道9与进气口流量阀6通过连接法兰8进行连接，滚塑模具气体流道结构17由气体分配端14、气体输送管18和旋转接头13组成，气体分配端14的进气端通过旋转接头13与进气管12相连，进气管12与进气口流量阀6相连，通过旋转接头12使得滚塑模具气体流道结构17能随滚塑模具一起转动而使得包括进气口流量阀6在内的送气机构不能随滚塑模具一起转动，气体分配端14的出气端与沿轴向方向伸入滚塑模具内的气体输送管18的进气口相连通，在每根气体输送管18均设有多个出气口16；在气体分配端14上连接有一端伸入滚塑模具中用于安装非接触式温度传感器5的安装支架15，非接触式温度传感器5的信号输出端与计算机11电气连接；在进气管道9上安装有进气口气体流量传感器7。

滚塑模具气体流道结构17随滚塑模具4一起左右旋转，并通过旋转接头13使得进气口流量阀6、连接法兰8与进气管道9不随滚塑模具气体流道结构一起旋转,但能随滚塑模具（4）同步摆动。

通过非接触式温度传感器5，采集滚塑模具4内部空气流场的温度值，并通过RS232接口传入计算机11，通过计算机11接受非接触式温度传感器5传入的温度数据，与目标温度比较，从而通过进气口气体流量传感器7和进气口流量阀6来调节进气口的气体流量，如此循环，直至其温度稳定在一定范围内。

所述的气体输送管18的数量至少为二根，它们以等间隔布置在滚塑模具的轴心线周围。

本发明的技术方案之二是：

一种复杂滚塑模具内部空气流场温度的控制方法，利用非接触式温度传感器5，滚塑模具气体流道结构以及计算机11等实现了滚塑模具内部空气流场温度的闭环控制，温度控制精确，大幅提高了滚塑储罐壁厚的均匀性，其特征在于它包括以下步骤：

（1）开启滚塑加工系统，加入高分子滚塑材料，并加热模具表面；

（2）滚塑模具4内部的非接触式温度传感器5和进气口气体流量传感器7连续不断地实时采集数据，分别传入计算机11中实时数据采集卡Ⅰ、Ⅱ中；

（3）数据采集卡采集的数据经过放大和A/D转换，通过RS232接口传输给计算机11，计算机11对温度数据进行处理，然后计算机11根据处理好的温度数据进行分析，分析结果在计算机11中以图线的形式显示出来；

（4）计算机11根据非接触式温度传感器5接收到的滚塑模具4内部空气流场的温度数据与设定的温度值进行比较并计算，得到温度的差值，随后通过计算机11控制进气口流量阀6，改变进气口的空气流速；

（5）进气口流量阀6与变频风机10接收到计算机11的信号后，使室温空气进入滚塑模具气体流道结构17，在滚塑模具气体流道结构17的作用下，使得模具内部的空气流场温度值不断发生改变，在计算机11连续实时接收调节过后的温度后，与设定的温度值进行再比对，得到温度的差值，随后再通过计算机11控制进气口流量阀6和变频风机10，改变进气口的空气流速，如此循环下去，直至采集的滚塑模具内部空气流场温度与目标温度的差值保持在一定的范围内。

本发明的技术方案之二是：

本发明的有益效果是：

(1)利用传感器、流量阀、变频风机、计算机等使滚塑模具内部空气流场温度稳定在一定范围，解决了传统内部流场温度参数无法控制的难题；

(2) 利用传感器传入的信息，通过计算机对流量阀与变频风机进行直接控制，响应速度快，精度高，自动化程度大大提高；

(3) 通过自动化装置控制滚塑模具内部空气流场的温度，从而提升了滚塑制品的产品质量，从而使得产品壁厚更加均匀。

附图说明

图1 本发明的滚塑模具内部空气流场温度的控制装置示意图。

图2 本发明的滚塑模具内部气体流动示意图。

图3 本发明的滚塑模具气体流道结构立体示意图。

图中：1为摇摆系统，2为床体，3为点火装置，4为滚塑模具，5为非接触式温度传感器，6为进气口流量阀，7为进气口气体流量传感器，8为连接法兰，9为进气管道，10为变频风机，11为计算机，12为进气口，13为旋转接头，14为气体分配端，15为安装支架 ，16为出气口。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

实施例一。

如图1-3所示。

本发明目的在于提供一种复杂滚塑工艺内部空气流场温度的控制方法和装置。例如成型100 m³聚乙烯储罐时，对其内部空气流场温度进行控制，结合图1、图2和图3，一种复杂滚塑工艺内部空气流场温度的控制方法包括以下步骤：

（1）开启滚塑加工系统，加入高分子滚塑材料，并加热滚塑模具4表面，使得滚塑模具4温度达到180℃左右；

（2）滚塑模具4内部的非接触式温度传感器5连续采集滚塑模具4内部流动空气的实时温度范围在20～180℃之间，传入计算机11中实时数据采集卡Ⅰ中；进气口气体流量传感器7连续采集进气口气体流量流速在0～30m/s之间，并将采集到的数据传入计算机11中实时数据采集卡Ⅱ中；

（3）数据经过放大和A/D转换，通过RS232接口传输给计算机11，计算机11对温度数据进行处理，然后计算机11根据处理好的温度数据进行分析，分析结果在计算机11中以图线的形式显示出来；

（4）计算机11根据非接触式温度传感器接5收到的滚塑模具4内部空气流场的温度数据与设定的温度值进行比较并计算，得到温度的差值，若差值在规定的范围内（0～5℃），不作调整，若不是，则通过计算机11控制进气口流量阀6和变频风机（三菱FR-450，容量64kw,电流9A）10，使室温空气进入滚塑模具4的气体流道结构，在滚塑模具的气体流道结构的作用下，使得滚塑模具4内部的空气流场温度值不断发生改变，计算机11连续实时接收调节过的滚塑模具4内部空气流场的温度，与设定的目标温度（170℃）再进行比对，再得到温度的差值，随后再通过计算机11控制进气口流量阀6和变频风机（三菱FR-450，容量64kw,电流9A），改变进气口的空气的气体流量（流速在0～30m/s之间）10，如此循环下去，直至采集的滚塑模具4内部空气流场的温度与目标温度（170℃）的差值保持在一定的范围内（0～5℃），直至100 m³聚乙烯储罐完成。

经过检测，在其他条件相同的情况下，通过控制滚塑模具内部空气流场温度得到的产品比没有控制内部空气流场温度得到的产品性能更好，滚塑储罐的壁厚更加均匀，而且这一系列过程都是经过自动化程序完成，不仅大大减少人工，而且精度更高，最终使得滚塑储罐的质量更好。

实施例二。

如图1、3所示。

一种复杂滚塑模具内部空气流场温度的控制装置，它包括摇摆系统1，通过摇摆系统1控制床体2的上下摆动，通过床体2控制滚塑模具4的旋转，从而使得滚塑模具4上下摆动和左右旋转同时进行，滚塑模具4的加热通过点火装置3来实现，室温空气通过变频风机10经过进气管道9再经进气口流量阀6最后经与滚塑模具同步旋转的滚塑模具气体流道结构17进入滚塑模具4内部，滚塑模具4内部空气流场温度通过非接触式温度传感器5采集，然后传递给计算机11，经计算机11处理再反馈给变频风机10来调节进气量，如此循环反复，最终使其温度稳定在一定范围内；其中进气管道9与进气口流量阀6通过连接法兰8进行连接，如图1所示。本实施例的滚塑模具气体流道结构17由气体分配端14、气体输送管18和旋转接头13组成，如图3所示，气体分配端14的进气端通过旋转接头13与进气管12相连，进气管12与进气口流量阀6相连，通过旋转接头13使得滚塑模具气体流道结构17能随滚塑模具一起转动而使得包括进气口流量阀6在内的送气机构不能随滚塑模具一起转动，但能随滚塑模具（4）同步摆动。气体分配端14的出气端与沿轴向方向伸入滚塑模具内的三根气体输送管18的进气口相连通，在每根气体输送管18均设有多个出气口16，三根气体输送管18沿滚塑模具中心线周围等距离分布；气体分配端14位于滚塑模具4的外部，在气体分配端14上还连接有一端伸入滚塑模具中用于安装非接触式温度传感器5的安装支架15，非接触式温度传感器5的信号输出端与计算机11电气连接；在进气管道9上安装有进气口气体流量传感器7。使用过程中滚塑模具气体流道结构17随滚塑模具4一起左右旋转，并通过旋转接头13使得进气口流量阀6、连接法兰8与进气管道9不随滚塑模具气体流道结构一起旋转,但能随滚塑模具（4）同步摆动。工作时通过非接触式温度传感器5，采集滚塑模具4内部空气流场的温度值，并通过RS232接口传入计算机11，通过计算机11接受非接触式温度传感器5传入的温度数据，与目标温度比较，从而通过进气口气体流量传感器7和进气口流量阀6来调节进气口的气体流量，如此循环，直至其温度稳定在一定范围内。

本发明未涉及部分与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (4)

1.一种复杂滚塑模具内部空气流场温度的控制装置，其特征是它包括摇摆系统（1），通过摇摆系统（1）控制床体（2）的上下摆动，通过床体（2）控制滚塑模具（4）的旋转，从而使得滚塑模具（4）上下摆动和左右旋转同时进行，滚塑模具（4）的加热通过点火装置（3）来实现，室温空气通过变频风机（10）经过进气管道（9）再经进气口流量阀（6）最后经与滚塑模具同步旋转的滚塑模具气体流道结构（17）进入滚塑模具（4）内部，滚塑模具（4）内部空气流场温度通过非接触式温度传感器（5）采集，然后传递给计算机（11），经计算机（11）处理再反馈给变频风机（10）来调节进气量，如此循环反复，最终使其温度稳定在一定范围内；其中进气管道（9）与进气口流量阀（6）通过连接法兰（8）进行连接，滚塑模具气体流道结构（17）由气体分配端（14）、气体输送管（18）和旋转接头（13）组成，气体分配端（14）的进气端通过旋转接头（13）与进气管（12）相连，进气管（12）与进气口流量阀(6)相连，通过旋转接头（13）使得滚塑模具气体流道结构（17）能随滚塑模具一起转动而使得包括进气口流量阀(6)在内的送气机构不能随滚塑模具一起转动，气体分配端（14）的出气端与沿轴向方向伸入滚塑模具内的气体输送管（18）的进气口相连通，在每根气体输送管（18）均设有多个出气口（16）；在气体分配端（14）上连接有一端伸入滚塑模具中用于安装非接触式温度传感器（5）的安装支架（15），非接触式温度传感器（5）的信号输出端与计算机（11）电气连接；在进气管道（9）上安装有进气口气体流量传感器（7）；通过非接触式温度传感器（5），采集滚塑模具（4）内部空气流场的温度值，并通过RS232接口传入计算机（11），通过计算机（11）接受非接触式温度传感器（5）传入的温度数据，与目标温度比较，从而通过进气口气体流量传感器（7）和进气口流量阀（6）来调节进气口的气体流量，如此循环，直至其温度稳定在一定范围内。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征是滚塑模具气体流道结构（17）随滚塑模具（4）一起左右旋转，并通过旋转接头（13）使得进气口流量阀（6）、连接法兰（8）与进气管道（9）不随滚塑模具气体流道结构一起旋转,但能实现随滚塑模具（4）同步摆动。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征是所述的气体输送管（18）的数量至少为二根，它们以等间隔布置在滚塑模具的轴心线周围。

4.一种利用权利要求1所述的装置实现复杂滚塑模具内部空气流场温度控制的方法，其特征在于包括以下步骤：

（1）开启滚塑加工系统，加入高分子滚塑材料，并加热模具表面；

（2）滚塑模具（4）内部的非接触式温度传感器(5)和进气口气体流量传感器(7)连续不断地实时采集数据，分别传入计算机(11)中实时数据采集卡Ⅰ、Ⅱ中；

（3）数据采集卡采集的数据经过放大和A/D转换，通过RS232接口传输给计算机(11)，计算机(11)对温度数据进行处理，然后计算机(11)根据处理好的温度数据进行分析，分析结果在计算机(11)中以图线的形式显示出来；

（4）计算机(11)根据非接触式温度传感器(5)接收到的滚塑模具(4)内部空气流场的温度数据与设定的温度值进行比较并计算，得到温度的差值，随后通过计算机(11)控制进气口流量阀(6)，改变进气口的空气流速；

（5）进气口流量阀(6)与变频风机(10)接收到计算机(11)的信号后，使室温空气进入滚塑模具气体流道结构（17），在滚塑模具气体流道结构（17）的作用下，使得模具内部的空气流场温度值不断发生改变，在计算机(11)连续实时接收调节过后的温度后，与设定的温度值进行再比对，得到温度的差值，随后再通过计算机(11)控制进气口流量阀(6)和变频风机(10)，改变进气口的空气流速，如此循环下去，直至采集的滚塑模具内部空气流场温度与目标温度的差值保持在一定的范围内。