CN1239034A - 注塑机螺杆驱动的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明可以用于一种注塑机，该注塑机由一个带有用于驱动螺杆转动的伺服电机的注射装置和一个用于控制伺服电机的控制器组成。控制器中存有一个预先设定的转速值N，在计量过程中作为螺杆转速的预置值。控制器驱动螺杆以加速度A1转动，直至螺杆转速达到转速值N_k(其中N_k< N)。在此之后，控制器控制螺杆以加速度A2转动，直至达到转速值N。加速度A2的值大于加速度A1的值。

Description

注塑机螺杆驱动的控制方法

本发明涉及一种注塑机，特别是关于计量或布料过程中螺杆驱动方法的改进。

近些年来，由伺服电机取代液压执行机构的电机驱动注塑机得到了日益广泛的应用。以下概述了这种伺服电机驱动的注射装置的操作过程。

在增塑/计量过程中，螺杆转动伺服电机带动螺杆转动。螺杆位于一个加热压筒当中。一种树脂通过一个料斗注入到加热压筒中螺杆的后部。转动的螺杆使树脂融化并向前推进，这样一定量的树脂就被送到加热压筒的嘴部。在此期间，螺杆受到封闭在压筒嘴部的熔融树脂的后推作用力而向后被推动。

一个注射轴直接联结在螺杆的末端。注射轴通过一个轴承可转动地支承在一个压力板上。支承在压力板上的注射伺服电机沿轴向驱动注射轴。通过一个滚珠丝杠，随着伺服电机的运动，压力板沿着导向杆进退运动。通过测力传感器测得上述熔融树脂后推力，并且这种后推力可以通过一个控制环路加以控制，如以下将要详细描述的。

然后，在一个填充过程中，注射伺服电机带动压力板前进。螺杆的嘴部起一个柱塞作用，把熔融树脂填充到一个模具之中。

在填充过程结束时，熔融树脂充满模具腔体空间。在这一点上，螺杆的向前运动控制模式从速度控制模式转换到压力控制模式。这种转换称为V(velocity)-P(pressure)转换。

在V-P转换之后，模具腔体中的树脂在预定的压力下冷却。这一过程称为保持过程。在这一个保持过程中，树脂的压力在反馈环路中得到控制，也就是上面提到的后推力控制。

然后，在保持过程结束后，注射装置又返回到上面提到的增塑/计量过程。另一方面，在增塑/计量过程的同时，夹紧装置从模具中退出一个固体产品。退模过程包括，打开模具，使用退模机构从模具中退出固体产品，然后合上模具以便象先前那样向模具中充入树脂。

如以下将详细介绍的，在计量过程中螺杆的转速被确定为，在计量开始时螺杆的转速最高，随着计量过程的进行这一转速逐步降低。特别是，从计量过程开始直至转速达到一个预定值N的过程中，有必要采用一个线性函数或二次函数降低螺杆的初始(启动)转速。根据这一点，启动操作应慢下来直至达到预定转速值N。这样就延长了到达预定转速值N所需要得时间，因而延长了注塑周期。

此外，在计量过程中，螺杆的转速应根据冲程，也就是考虑到树脂驻留时间时螺杆的位置而不断调整。根据这样几个值来确定转速既麻烦又繁琐，因为每当螺杆的直径变化时都必需进行这种调整。

因此，本发明的一个目的是提供一种控制螺杆驱动的方法，使用这种方法可以在无需延长时间的情况下达到以下效果，在计量过程开始时降低螺杆的初始转速直至达到预定转速值N。

本发明的另一目的是提供一种控制螺杆驱动的方法，其中可以在计量过程中很容易地设置螺杆的转速。

本发明可以用于一种包括一个带有一个驱动螺杆转动的驱动单元的注射装置和一个控制驱动单元的控制器的注塑机。

根据本发明的第一方面，转速N是在控制器中预先设定的，在计量过程中螺杆以转速N转动。控制器以一个低加速度A1驱动螺杆，直至螺杆的转速达到一个值N_k(其中N_k＜N)。在此之后，控制器以加速度A2控制螺杆转动，直至螺杆的转速达到值N，加速度A2大于加速度A1。转速N_k是通过其相对于转速N的一预定的比例K来确定的。

此外，本发明也适用于一种注塑机，该注塑机包括一个具有一个用于驱动螺杆转动的第一单元的注射装置；一个用于驱动螺杆通过注射轴沿轴向运动的第二驱动单元；一个用来探测螺杆位置的位置探测器；一个可以根据位置探测器提供的探测位置指示值控制第一驱动单元的控制器。

根据本发明的第二方面，可以分别预先设定计量过程的起始转速Ns和结束转速Ne。在自始至终的整个计量过程中，控制器根据转速值Ns和Ne以及位置探测器提供的位置指示值对螺杆的转速进行内插和控制。

参照附图可以更为全面地理解本发明，其中：

图1是一种带有一个由伺服电机驱动的注射装置的电机驱动注塑机的示意图；

图2A和2B是显示图1中螺杆结构的示意图；

图3A和3B图示的是在计量过程中一种常规的电机驱动的注塑机中的螺杆所受到的后推力和螺杆的转速；

图4是一种计量过程中螺杆转速的图解，它说明了如何根据本发明的第一种实施例控制螺杆的驱动；

图5是一种计量过程中螺杆转速的图解，它说明了如何根据本发明的第二种实施例控制螺杆的驱动。

图1描述了一种带有一个由伺服电机驱动的注射装置的电机驱动注塑机的结构，它可以有助于理解本发明。通过一个滚珠丝杠和一个螺母之间的配合将伺服电机的转动转换为直线运动，使注射装置带动螺杆转动。

在图1中，注射伺服电机11的转动被传递到滚珠丝杠12上。螺母13固定在压力板14上，以便压力板14随着滚珠丝杠12的转动而前进后退。压力板14可以沿固定在机座(未示出)上的导向杆15和16运动。压力板14的前后运动经过轴承17、测力传感器18和注射轴19传递到螺杆20上。螺杆20位于加热压筒21之中，可以转动和沿轴向运动。对应于螺杆20的末端的加热压筒21上，带有一个用于加入树脂的料斗22。螺杆转动伺服电机24的转动经过偶合件23传递到注射轴19上，偶合件23可以由比如说皮带和皮带轮组成。换句话说，螺杆20的转动是由于螺杆转动伺服电机24带动注射轴19转动的结果。

在增塑/计量过程中，当螺杆20在加热压筒21中转动着后退时，熔融树脂保存在加热压筒21中的螺杆20头部，也就是嘴部21-1。然后，通过在加热主体21中使螺杆20前进，螺杆20前端的熔融树脂被注入模具，加压成型。作用在树脂上的力，可以通过测力传感器18以反作用力的形式测得，这种反作用力称为压力。所测得的压力经测力传感器放大器2 5放大，然后输送到控制器26中。

位置探测器27安装在压力板14中，用来探测螺杆20的运动量。从位置探测器27得到的探测信号经过放大器28放大，然后输入到控制器26中。控制器26根据上述过程中操作者所设置的每个值，向伺服放大器29和30输出一个电流(扭矩)命令。伺服放大器29通过控制伺服电机11的驱动电流，来控制伺服电机11的输出扭矩。伺服放大器30通过控制螺杆转动伺服电机24的驱动电流，来控制螺杆转动伺服电机24的转速。注射伺服电机11和螺杆转动伺服电机24分别带有用来探测转速的编码器31和32。编码器31和32所测得的转速输入到控制器26中。尤其是，由编码器32测得的转速用于确定螺杆20的转速。

应该指出的是，图1中所示的是一种简化结构，以方便说明。在日本专利公开号9-174626中，描述了这种注射装置的一种具体结构的实例。

参照图2A和2B，对螺杆20进行了详细描述。在图2A中，螺杆20由四段组成：送料段20-1、压缩段20-2、计量段20-3以及头部段20-4。送料段20-1用于向前输送来自料斗22(图1)的固态的或部分熔融状态的树脂。在送料段20-1，树脂的温度被加热到熔点附近。鉴于这一点，送料段20-1一般作成沿长度方向直径大致不变的杆状零件20’(图2B)，其外表面上开有螺旋槽。

树脂颗粒从送料段20-1到压缩段20-2的过程中是彼此分离的。因此，压缩段20-2中，熔融树脂的体积大约是其融化前体积的一半。压缩段20-2用来减小树脂通过所需要的空间，以便适应体积的减小。可以通过把杆状零件20’上相应于压缩段20-2的螺旋槽作浅来达到这一目的。压缩段20-2压缩了熔融树脂，增强了由摩擦力所产生的发热效应，并增强了树脂作用于加热压筒21中的空气、湿气以及混杂在空气中的易挥发性气体的压力，这些气体在树脂通过料斗22时混入了树脂。通过以上描述可以明显的看出，加热压筒21中的树脂在压缩段20-2中的压力最高。

杆状零件20’在相应于计量段20-3的区域的直径最大。杆状零件20’上的计量段20-3的螺旋槽最浅。树脂在计量段20-3受到的剪切力最大，并且由于内部发热效应被加热到一个均匀的温度。然后，一定量的树脂被向前输入到加热压筒21的管嘴一侧。

熔融状态的树脂从计量段20-3向管嘴的输送是通过头部段20-4中的单向阀环20-5来实现的。在计量过程期间，单向阀环20-5位于图中靠近左侧的位置。在这种状态下，熔融树脂可以通过计量段20-3输送到管嘴一侧。

在计量过程结束后，由于压力差的作用，单向阀环20-5移动到图中的右侧位置。这样，就防止了熔融树脂从管嘴向计量段20-3的回流。头部段20-4一般与杆状零件20’是相互分离的。头部段20-4的根部带有阳螺纹。杆状零件20’的一端带有阴螺纹。通过头部段20-4上的阳螺纹与杆状零件20’上的阴螺纹相互配合，头部段20-4与杆状零件20’组装在一起。根据这一点，头部段20-4的根部的直径比杆状零件20’的直径要小得多。

现在参照图3A和3B，来说明如何确定计量过程中螺杆的转速。图3A表示了计量位置，也就是螺杆位置与螺杆所受到的后推力之间的关系。另一方面，图3B表示计量位置相对于螺杆转速之间的关系。图3A和3B组成了一个四阶段设置操作的实例。

在四个设置阶段中，前三个阶段主要用于树脂温度的均匀化。在这前三个阶段，树脂在加热压筒21的前半部分在高温度、高螺杆转速、低后推力下计量。在计量过程中，树脂的驻留时间增加了。转速的降低是逐步进行的，以便在后推力增加的同时，由于树脂受到剪切力而产生的发热量也增加。第四阶段，也就是最后一个阶段，用于调整填充过程开始时计量值的精度。更具体地说，转速和后推力都被调整到很低的值，以防止螺杆在短于计量完成点2至3毫米处产生超程，也防止了树脂的回流。

通过上述论述可以看出，在计量过程中，螺杆20的转速在计量开始时最高，随后便逐渐降低。因此，在螺杆20开始转动时，其上面的头部段20-4受到很大的载荷。这样大的载荷会损坏头部段20-4上的螺纹部分。

单向阀环20-5几乎与加热压筒21内表面相互接触。由于这个原因，在螺杆20开始转动时，螺杆20并不会随着计量的开始而运动。这就意味着由于螺杆20的转动，在单向阀环20-5和加热压筒21的内表面之间产生摩擦力，进而产生热量，结果产生局部加热效应。这种热量会对树脂产生不利影响。考虑到这一点，在计量过程开始时，采用一个线性的或二次的函数来缓慢启动螺杆，直至达到一个预定的转速值N。然而，这需要一个缓慢的启动操作，直至转速达到预定值N。这延长了到达转速值N所需的时间，因而延长了注塑周期。还有，计量过程中螺杆的转速要由在一个冲程中螺杆20的位置，即考虑树脂的驻留时间时的位置来确定。根据这样几个值来确定转速既麻烦又繁琐，因为每当螺杆20的直径变化时都必需进行这种调整。

参照图4，介绍了一种本发明的第一种实施例的螺杆驱动的控制方法。如图1中所描述的那样，这种方法可以用于伺服电机驱动的电机驱动注射装置。然而，根据图1所示用于注射装置的这种实施例所采用的控制螺杆驱动的方法，通过控制器26所达到的运行控制与常规的注射装置中所获得的运行控制是有区别的。以下的描述参照了图1、图2A、图2B以及图4。

要根据该实施例实施控制螺杆驱动的方法，操作者必需在控制器26中设置一个N值(转速)，它表示计量过程开始时螺杆20的转速。控制器26以一个较为缓慢的加速度A1控制螺杆20的转动，直至螺杆20的转速达到一个值(转速)N_k。转速N_k是通过其相对于转速N的特定比例K来确定的。在螺杆的转速到达转速N_k后，控制器26以加速度A2控制螺杆的转动，直至螺杆20的转速达到N值。加速度A2的值要大于加速度A1的值。此外，比率K的确定，要保证相应的转速N_k不会引起作用于螺杆20的头部段20-4上的突变载荷，这种载荷有可能导致损坏。

尤其是，该实施例中的控制器26通过使用预定的转速值N计算从计量过程开始到达到转速值N_k的时间间隔T1。控制器26控制螺杆转动伺服电机24，以确保在时间间隔T1的范围内螺杆20以加速度A1转动。然后，控制器26计算从转速值N_k到达转速值N之间所需的时间间隔T2。一旦螺杆20的转速值达到N_k，控制器26转而控制螺杆转动伺服电机24，以确保在算得的时间间隔T2内螺杆20以加速度A2转动。

螺杆的启动转动是逐渐建立的，因而头部段20-4不会受到显著的载荷。这相当于在启动运行期间获得了缓冲效果。在转速N_k上升到转速N期间，螺杆以加速度A2运转，A2比A1大得多。因此，到达转速N所需得的时间就不会过分延长。还有，在螺杆以加速度A2运转之前就已经在运动了。因此就不会发生由于单向阀环20-5与加热压筒21的内表面的摩擦发热而产生的局部加热现象。这就意味着可以避免由于局部加热现象对树脂造成的不利影响。

如上所述，根据本实施例，仅仅通过预先设置计量过程开始时的转速值N，就可以保证计量过程中螺杆以一种具有自动缓冲效果的方式启动，从而避免头部段的损坏和不利的局部加热效果。

参照图5，对本发明的第二种实施例的螺杆驱动的控制方法进行了描述。这种方法也可以用于如图1所述的那种伺服电机驱动的电机驱动注射装置。然而，把根据该实施例的螺杆驱动控制方法用于图1所示带有伺服电机的电机驱动注射装置，控制器26所产生的运行控制不同于那些常规注射装置的运行控制。以下描述参照了图1、图2A和图2B以及图5。

要根据该实施例实施螺杆驱动的控制的方法，操作者唯一要做的事情就是预先在控制器26中设置Ns和Ne,Ns和Ne分别表示计量过程开始和结束时螺杆的转速。根据预先设定的转速值Ns和Ne以及位置探测器27所测得的位置值，在整个计量过程中控制器26对螺杆20的转速进行插值处理。控制器26根据插值控制螺杆转速伺服电机24。更具体地说，控制器26根据所探测到的位置值，也就是螺杆的当前位置、预置转速值Ns和Ne以及计量过程开始和结束时螺杆的位置值Ss和Se，在整个计量过程中按图5中所示的实线对螺杆20的转速进行线性插值。计量过程开始时螺杆的位置值Ss对应于螺杆20达到转速值Ns时的位置。

如图5所示的情况下，假设当前螺杆的位置是X，螺杆的插值转速Y可以按以下公式得出：

Y=Ne+{(Ns-Ne)/(Se-Ss)}×(Se-X)

在螺杆的位置运动到计量过程的起点位置Ss和终点位置Se之间的某位置S1之前，控制器可以把Ns值作为螺杆的转速来处理，在螺杆位置到达S1之后，控制器进行插值控制操作，如图5中的虚线所示。位置S1可以按(Ss+Se)/2来计算，在图5中相当于行程的一半。在这种情况下，还和以前描述的插值方法一样，控制器26仍然是根据转速值Ns和Ne、位置中值(Ss+Se)/2和螺杆位置值Se对当前的螺杆位置X的螺杆的转速进行插值处理。转速达到Ns时的螺杆位置并不局限于中间位置。它可以是根据预定比例获得的任何其它位置。

在本实施例中，仅仅需要按以上描述的方式确定和设置计量过程开始和结束时螺杆的两个转速值。在必要的情况下，这可以很方便地进行设置和改变设置值的操作。

上面结合电机驱动注塑机描述了上述实施例，本发明也可以用于液压驱动的注塑机。

对本领域技术熟练人员可以有各种变化，但仍在本发明的宗旨和范围之内。本发明的范围由随后的权利要求书确定。

Claims (13)

1、一种注塑机螺杆驱动的控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

提供一种带有驱动螺杆转动的驱动源的注射装置和一个用于控制驱动源的控制器，其中在控制器中预先设定计量过程中螺杆的转速N；所述方法还包括以下步骤

第一，螺杆以第一加速度A1转动，直至螺杆转速达到一值N_k(其中N_k＜N)；

第二，使螺杆以第二加速度A2转动，直至螺杆转速达到转速值N，第二加速度A2大于第一加速度A1，转速值N_k由预先特定的相对于所述转速值N的比例K来确定。

2、如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一和第二转动步骤使用控制器控制驱动源。

3、如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括探测驱动源伺服电机转速的步骤，以便探测螺杆的转速。

4、如权利要求3所述的方法，其特征在于，还包括通过所述转速值N计算时间间隔T1的步骤，从计量过程开始直至达到转速值N_k计算所述时间间隔T1，在计算的时间间隔T1期间控制螺杆以第一加速度A1运转。

5、一种注塑机螺杆驱动的控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

提供一种带有带动螺杆转动的第一驱动源的注射装置；一个用于经注射轴使螺杆沿轴向移动的第二驱动源；一个用于探测螺杆位置的位置探测器；和一个根据位置探测器提供的探测位置指示值控制所述第一驱动源的控制器；

提供预先在控制器中设定的转速值Ns和Ne，并且分别作为所述螺杆在计量过程开始和结束时的转速；

根据转速值Ns和Ne以及来自所述位置探测器的探测位置指示值，在从开始到结束的整个计量过程中对螺杆的转速进行插值处理；

根据转速值Ns和Ne以及来自所述位置探测器的探测位置指示值，在从开始到结束的整个计量过程中对螺杆的转速进行控制。

6、如权利要求5所述的方法，其特征在于，控制螺杆转速的步骤包括对构成第一驱动源的伺服电机的转速的控制。

7、如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述的插值步骤包括在从开始到结束的整个计量过程中，根据位置探测值，分别使用转速值Ns和Ne、所述计量过程开始和结束时螺杆的位置值Ss和Se对螺杆的转速进行插值处理。

8、如权利要求7所述的方法，其特征在于，计量过程开始时螺杆的位置Ss对应于螺杆转速达到转速值Ns时的位置。

9、如权利要求6所述的方法，其特征在于，还包括在计量过程开始时螺杆位置Ss和计量过程结束时螺杆位置Se之间确定位置S1的步骤，位置S1是根据预定的比例在螺杆位置Ss和Se之间确定的，并且其中在螺杆从位置Ss到达S1之前，控制器把所述螺杆的转速控制在转速值Ns，当螺杆到达所述位置S1后，控制器执行插值处理。

10、如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述控制步骤根据线性控制函数控制转速。

11、如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述控制步骤以一种连续变化的方式控制转速。

12、如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述控制步骤根据线性控制函数在从计量过程的开始到结束之间控制转速。

13、如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述控制步骤根据线性控制函数在从计量过程的开始到结束之间以一种连续变化的方式控制转速。

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