CN1331625A - 控制注射成型的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及控制注射成型的方法和装置,具体而言该方法和装置用于确定从注射速率控制转换到填充压力控制的合适时间。本发明优先使用喷嘴压力的导数,并将其输入到模糊推理系统中。模糊推理系统利用上述规则和知识给出作为输出的合适的转换时间。最好在计算导数之前,对取样压力进行滤波处理。

Description

控制注射成型的方法和装置
发明领域
本发明涉及控制注射成型的方法和装置，尤其是但不仅仅是涉及热塑性注射成型。本发明涉及用于确定从注射充模阶段进入填充保压阶段的转换点。
背景
为了制造高品质的工件，注射成型依赖于对从注射速率控制到填充压力控制转换的时间的正确识别。过早转换会由于部分模腔在填充-保压阶段时注入物料而导致缺料或工件不均匀。另外，过晚转换导致模具溢料、工件中过大的内应力和顶出等问题。
现在的方法基于特定变量的测量来识别不同的判据，来确定从速率控制到填充压力控制转换的正确转换点。所使用的变量包括注射行程、注射充模时间、模腔压力、喷嘴压力、喷嘴压力导数或模腔压力导数。
前两个测量量是基于体积进行的。其精确度受到熔体通过单向环形阀泄漏的严重影响，同时也会由于熔体密度改变或熔体温度变化而变化。
如果判据建立在模腔压力或喷嘴压力基础上，那么当模腔压力或喷嘴压力的测量值达到预定值时，发生从注射速率控制到填充压力控制的转换。对于特定的模制条件，模腔压力表示填充程度。然而，安装测量模中压力的测量变换器会增加模具成本并在模制工件表面造成不必要的印痕。使用喷嘴压力提供对模腔中物料状态的不太直接的指示，但没有模腔压力测量仪器的安装问题。尽管这样，二者都会随着特定的模制条件如物料、模具几何因素、熔体温度和注射速率等而变化。
作为一种选择，已经提出喷嘴压力导数和模腔压力导数可以克服这些问题。当模腔接近完全填满时，可以预料压力会快速变化。基于模腔压力导数的判据要求测量这个压力，而这又导致在模具表面会留下印痕并增加模具成本。因此，优选基于喷嘴压力导数的判据。
所有这些测量也需要一个判据，进行测量值相对于预定阈值的比较。这个阈值的确定是成功工作的关键。选择过低的阈值导致过早的转换，而过高的阈值会导致过晚的转换以及潜在的模具溢料。
喷嘴或模腔导数依赖于模制条件如注射速率、熔体温度、物料和模具的几何因素。因此，每次模制条件变化时，要重新设定预定阈值。目前，这涉及大范围的尝试-修正过程。发明目的
本发明的一个目的是提供一种用于注射成型的方法和设备，能够在从前努力基础上改善从注射速率控制到填充压力控制转换的转换点的确定，至少避免现有技术中的一些问题。
发明概述
因此，本发明的第一个方面在于提供一种在注射成型过程中控制从注射速率控制转换到填充压力控制的转换点的方法，该方法包括步骤：
在离散间隔处检测喷嘴压力或模具的模腔压力；
计算在离散间隔处的压力差；
基于所述压力差计算至少一个输入，用于输入模糊推理系统；
应用来自所述模糊推理系统的知识信息，并输出一个值表示从注射速率控制到填充压力控制转换的合适时间。
因此，本发明的第二个方面在于提供一种控制注射成型的装置，以确定从注射速率控制到填充压力控制的转换点，该装置包括：
检测模具中模腔压力或喷嘴压力的检测器；
以离散间隔方式对所述压力取样的处理器；
计算所述压力的微分的处理器；
一个模糊推理系统，使用与所述压力的所述导数相关的输入，并且输出一个从注射速率控制转换到填充压力控制的转换时间的表征值。
附图说明
现在参照附图描述本发明，这些附图包括：
图1(a)表示喷嘴压力随不同熔体温度变化的曲线图；
图1(b)表示具有不同注射速率的喷嘴压力的曲线图；
图2表示压力导数随不同注射速率变化的曲线图；
图3表示在注射充模和填充保压期间的喷嘴压力变化的曲线图；
图4示意表示一般模糊推理系统的结构；
图5(a)表示滤波前的压力导数信号的曲线图；
图5(b)表示滤波后的图5(a)中的压力导数信号；
图6(a)、(b)和(c)分别表示输入1、2和模糊推理系统输出的成员函数；
图7表示按照本发明一个实施例的系统整体结构的示意图；
图8是优选实施例装置的示意图。
优选实施例
注射成型是一种制备各种塑料零件的广泛使用的技术。对这类塑料件的质量要求正在增加。
注射成型是包括三个阶段的循环过程。这三个阶段是注射充模阶段、填充-保压阶段和冷却阶段。
注射充模阶段允许聚合物熔体在压力作用下流动到模腔中。聚合物进入模腔的速率近似地由注射速率表示，这在决定模制件质量中具有重要作用。在本阶段，通常按闭合回路形式控制注射速率。
在注射充模结束时，由于模具接近填满时的熔体压缩而导致模腔中的压力迅速升高。在此时，必须停止控制注射速率并开始进行填充压力控制。在填充阶段，附加物料在压力作用下进入模腔来补偿伴随冷却和凝固导致的收缩，从而生产具有良好机械性能、尺寸稳定性和表面特性的零件。
注射成型的一个危险是模具的过填充所导致的模具溢料、工件中过大的残余应力和零件顶出等问题。
最后阶段是冷却，没有物料流进或流出模腔和浇口。
为制造具有良好和一致质量的零件，注射成型工艺必须在正确的时刻从注射速率控制转换为填充压力控制。理想情况下，就是模具完全填满的时刻。
过早转换会由于部分模腔在填充-保压阶段时注入物料而导致缺料或工件不均匀。过晚转换导致模具的过填充，使得出现模具溢料和顶出等问题。
控制系统基于一些变量的测量来确定从注射速率控制转换到填充压力控制的转换点(“V/P转换点”)。建议测量的判据包括注射行程、注射充模时间、模腔压力、喷嘴压力、喷嘴压力导数或模腔压力导数。
注射行程和注射充模时间是基于体积进行的。其精确度受到熔体通过单向环形阀泄漏的严重影响，同时也会受到由于熔体温度变化导致的熔体密度变化的影响。
对其次的两个判据，当模腔压力或喷嘴压力的测量值达到预定值时，必然发生转换。这对于特定的模制条件是一定的。物料、模具几何因素、熔体温度和注射速率的变化会要求不同的预定值来对应正确的转换点。
使用模腔压力的另一个困难是安装测量模具中压力的测量变换器会增加模具成本并在模制工件表面造成不必要的印痕。
测量喷嘴压力没有安装问题，但是它提供对模腔中物料状态的不太直接的指示。
参照图1，图1(a)表示在设定的注射速率下，喷嘴压力随不同熔体温度的变化。可以看到从160至233℃(的变化引起喷嘴压力很大的变化，使得难于预测预定值。类似地，在设定温度下，喷嘴压力随不同注射速率的变化表示在图1(b)。在注射速率为35mm/s～52mm/s的五个例子中，表示转换点的喷嘴压力阈值很不相同。
作为一种选择，使用喷嘴压力或模腔压力的导数作为判据。当模腔充满或几乎完全充满时，可以预期这些压力的快速变化。
参照图2，表示与图1(b)情况相同的不同注射速率条件下的喷嘴压力导数。仍然可以看到由于不同注射速度造成的差别，并且可以预期相对于其它模制条件如熔体温度、物料和熔体几何因素改变会存在类似的变化。因此，模制条件改变时，每次都要调整喷嘴压力导数阈值。这涉及耗费时间和浪费的大范围尝试-修正过程。
图3表示在注射充模和填充保压阶段时的喷嘴压力变化曲线。对照图1(a)和图1(b)，可以看到在模腔充满时出现压力的快速上升。因此，无论模制条件如何，我们都可以得出结论：即在模具接近填满的时候会发生明显的喷嘴压力增加，并要立即进行V/P转换。
本发明寻求提供一种方法和装置，进行比较喷嘴或模腔压力的相对变化，而不是压力或压力导数的绝对值。
在本发明的优选实施例中，本发明提供一种如图7所示的模糊推理系统2。在图4中示意性地表示出一个模糊推理系统，可以看到这里通过将输入与成员函数比较把清晰的输入转变成模糊输入。然后通过一个特定的T-范数运算组合获得针对每个规则的动作强度。组合所有规则的动作强度在决定产生单元5产生一个合适的结果。然后这个结果经过非模糊化处理，从集成的合适结果产生出一个清晰的输出。
通常这类模糊推理系统可以分为两类：Mamadani和Takagi-Sugeno。每种系统都可以实施这个具体的发明。
本发明的优选实施例寻求使用来自注射成型装置的至少一个与压力导数相关的输入，在本实施例中使用喷嘴压力。输入直接进入模糊推理系统，该系统提供一个用于确定从注射速率控制到填充压力控制转换的最佳时间的输出。
输入可以根据应用的模糊推理系统的不同而变化。在本优选例子中，喷嘴压力经处理来确定压力差，压力差的快速增加可用下述关系表示：dP(i＋1)＞dP(i)＞dP(i－1)，并且dP(i＋1)＝P(i＋1)－P(i)。在这个关系式中，P(i)是第i取样时刻的压力。
除提供一个同压力差相关联的输入之外，还输入一个附加变量表示喷嘴压力数据的早期趋势。这个附加变量帮助防止错误决定。在本优选例子中用作附加变量是变量max-avr。优选实施例的变量max-avr是过去的几个连续dP(i)平均值的最大值。模糊推理系统的系统输入被选择为：dP(i＋1)/dP(i)和dP(i＋1)/max-avr。模糊推理系统的输出为表示最佳V/P转换时间的单个输出值。
这些输入值的变化范围是基于数据分析的。对于第一输入值范围，发现为1.0～2.2。对于第二输入值范围，发现为1.5～3.5。
输出值范围设定为0～1，其中输出值接近0.5表示最佳转换点。输出值明显小于0.5，表示实行转换还太早。输出值明显大于0.5，表示转换太晚了。
对所有模糊推理系统，语言项设定为输入。这两个输入定义为小、中等、大。指定给输出的为“早、恰好、晚”。为简化这个具体的模糊推理系统，两个输入的成员函数，对语言项“大”和“小”选为三角形，而对语言项“中等”选为具有窄形状的高斯函数。输出的成员函数选择为三角形，其中交点在0.5。
所使用的规则库在下述表1中给出：
                                       表1
  输入1，2      小    中等      大
    小     早(1)    早(1)     早(1)
   中等     早(0.5)   恰好(1)    晚(0.5)
    大     早(0.5)  恰好(0.5)     晚(1)
括弧中的数值为每个规则的权重。
在本实例中，采用Mamadanis类型的FIS(模糊推理系统)。对于规则动作，模糊关系“Min”用于组合每一个规则的输入；对于组合，模糊关系“Max”用于组合每个规则的输出；并且“centre of area”’用于将系统输出值非模糊化为清晰值。
这个具体的模糊推理系统在机构内部由“C”程序发展而成，用于实时检测注射成型的合适的V/P转换。
由于在这个优选实例中使用压力微分(dp)，压力微分结果放大了来自测量变换器的噪声测量。dP曲线图如图5(a)所示。可以看出从这个含噪音的dP信号很难发现任何清晰的趋势。因此，优选实施例包括一个设计用来在求微分前消除压力信号中噪音的滤波器。最好使用低通道滤波器去掉高频噪音，并且滤波器具有最小的相位移动，使得V/P转换的检测不受影响。尽管可以使用各种类型的滤波器，优选实例使用第二级Chebyshev型I滤波器，它在通道中具有0.5dB的波动。由于具有小的相位滞后和结构简单，故选用这种滤波器。
当然，一些测量变换器已经包含良好的滤波器，不再需要单独的滤波器。
图5(b)表示使用本滤波器时的滤波后的dP信号。从本图发现，滤波信号更清楚并保留了原始信号的趋势。
为减少计算时间，最好在接近可能的转换点时，模糊推理系统才开始工作。为了简单起见，第一个注射循环可以容易地提供对注射行程的粗略估计，当注射行程达到估计行程的如50％时，启动模糊推理系统。这就允许减少计算需要。对第二循环和随后的循环，模糊推理系统只是注射行程达到前一个循环的整个注射行程的预定百分比才开始工作。百分比如80％就足够保证转换点不会滞后。尽管转换点会随模具温度增加和设定的模制序列中条件的改变而变化，但在连续的循环之间注射行程不会变化大于几个百分点。
如图7所示，注射行程可以作为清晰输入6输进模糊推理系统中，来确定何时启动FIS系统。
图8表示至少一个实施例的装置。可以看到，检测器9和滤波器10提供数据到处理器11、12中执行有关步骤。显然，处理器可包括一个或多个处理器，执行一个或多个步骤。其输出值可以直接输入到注射成型控制系统14中。实验结果
图1(a)和图1(b)的数据是取自没使用这里建议的V/P转换系统的注射成型实验。很明显转换进行的太晚。这些实验数据输入到按照优选实施例改进的V/P转换系统中。本系统能为各种情况预测出正确的转换点。这些转换时间表示在下述表2中。
                                      表2
    注射速率(mm/s)   52   50   48    39    35
 由FIS推荐的V/P(ms)   1320   1400   1480    1660    2170
    熔体温度(℃)   233   225   200    160
 由FIS推荐的V/P(ms)   1410   1450   1470    1530
使用汽车发动机前室(engine cup)的成型模具，成功地进行了实验来检验优选实施例。使用一个简单的矩形扇状浇口模腔替代以前的模具。发现按照优选实施例的系统能够在没有任何调整时自动产生合适的转换时间。使用箱式模具在不同的注射机上进行了其它实验。优选实施例也能在没任何调整时准确预测V/P转换点。
为分析一致性，制造了100个发动机前室件。发现使用优选实施例制造的零件的重量变化在标准差0.0147g范围内。零件的平均重量是33.5g。
这同使用原先V/P转换系统制造的100个零件比较，发现零件重量变化在标准差0.0716g范围内，明显大于优选实施例的情况。
因此，可以看到优选实施例使用模糊推理系统来分析与喷嘴压力导数相关的输入，能够准确预测V/P转换时间。

Claims (13)

1.一种控制注射成型和确定从注射速率控制转换到填充压力控制的转换点的方法，包括：
在离散间隔处检测喷嘴压力或模具中的模腔压力；
计算在离散间隔处的压力差；
基于所述压力差计算至少一个输入，用于输入模糊推理系统；
应用来自所述模糊推理系统的知识信息，并输出一个值表示从注射速率控制转换到填充压力控制的合适时间。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于向所述模糊推理系统提供一个第二输入，它作为代表压力数据早期趋势的输入。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于向所述模糊推理系统的所述输入包括至少一个第一输入dP(i＋1)/dP(i)或类似的在dP信号之间的比值，其中dP(i＋1)＝P(i＋1)－P(i)，而P(i)是在第i个取样时刻的压力。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于所述第二输入定义为dP(i＋1)/max-avr或类似的在dP与max-avr之间的比值，其中max-avr是一个表示压力数据早期趋势的附加变量。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于提供一个滤波器，在计算压力导数之前从压力信号中去除高频噪声。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述模糊推理系统具有一个表示注射行程的的输入，并且只有上述输入达到预定的百分比才开始工作。
7.一种控制注射成型以提供从注射速率控制转换到填充压力控制的转换时间的装置，包括：
检测模腔中压力或喷嘴压力的检测器；
在离散间隔处对所述压力取样的处理器；
计算所述压力的微分的处理器；
一个模糊推理系统，使用与所述压力的所述导数相关的输入，并且输出一个从注射速率控制转换到填充压力控制的转换时间的表征值。
8.如权利要求7所述的控制注射成型的装置，其特征在于提供一个滤波器在计算所述压力的微分之前去除高频噪声。
9.如权利要求7所述的控制注射成型的装置，其特征在于向所述模糊推理系统的所述输入包括至少一个第一输入dP(i＋1)/dP(i)或类似的在dP信号之间的比值，其中dP(i＋1)＝P(i＋1)-P(i)，而P(i)是在第i个取样时刻的压力。
10.如权利要求9所述的控制注射成型的装置，其特征在于所述第二输入定义为dP(i＋1)/max－avr或类似的在dP与max-avr之间的比值，其中max-avr是一个表示压力数据早期趋势的附加变量。
11.如权利要求10所述的控制注射成型的装置，其特征在于所述第一和第二输入在设定范围内赋予语言项“小、中等、大”。
12.一种确定注射成型过程中转换点或从注射速率控制转换到填充压力控制的方法，包括检测注射喷嘴压力和/或模腔压力，并比较这些压力的相对变化或所述压力导数的相对变化。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于所述相对变化的比较通过模糊推理系统来执行。
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