淺析壓塑成型過程測控實驗系統的結構和運轉狀態

摘 要:

針對大連理工大學材料成型及控制工程專業對數字化制造領域的人才培養目標，利用位移、壓力、溫度等傳感器采集材料成型過程參數，通過 PLC 進行信號轉換和輸出控制，實現了壓塑成型過程測控實驗系統的設計?；诖藢嶒炏到y，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、工藝與設備的設計、生產及經營管理等工作的高級工程技術人才和管理人才。

    隨著傳統制造業不斷吸收機械、電子、信息、材料及現代管理等方面的最新成果，當今制造技術正在向自動化、集成化和智能化發展。其中，基于檢測和控制的自動化技術在先進裝備制造業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作為全國工程教育認證專業、國家級特色專業、遼寧省本科示范性專業，針對本專業對該領域的人才培養目標，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新實驗兩部分。本文是為優秀本科生和部分碩士研究生研發的擴展和創新實驗課程內容，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，通過 PLC 進行信號轉換和輸出，實現了壓塑成型過程的計算機實時檢測與控制。該實驗系統集成了模具設計、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 系統整體設計
    壓塑成型過程測控實驗系統的整體設計如圖 1所示，包括軟件系統設計和硬件系統設計。軟件系統由 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 實現對速度、壓力的檢測與控制。硬件系統包括成型模塊、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實現模具內的壓塑成型。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，根據采集的參數控制輸出。

    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，與本次選用的覆膜砂材料相匹配，因此根據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
    該實驗系統中需要檢測的參數有速度、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］。

    該實驗系統中需要控制的參數同上，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。該系統的溫度控制較簡單，因此采用開關控制策略，通過固態繼電器實現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的大小，并根據比較結果控制能流狀態; Ｒ 指令為復位指令，作用時實現復位功能; S 指令為置位指令，作用時實現置位功能。

    該實驗系統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、數據監控等操作。整個控制系統使用簡單、物理輸入輸出點數配置靈活，適用于各種工業控制場合和教學場合。

    4 實驗系統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，利用該系統設計了“覆膜砂壓塑成型性能規律研究”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 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，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據，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，實現了壓塑成型過程測控實驗系統的設計。
    (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，開展了壓塑成型過程測控實驗系統的應用。通過對比實驗數據，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，為數字化制造領域的人才培養提供了平臺。