淺析壓塑成型過(guò)程測(cè)控實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)

摘 要:

針對(duì)大連理工大學(xué)材料成型及控制工程專業(yè)對(duì)數(shù)字化制造領(lǐng)域的人才培養(yǎng)目標(biāo)，利用位移、壓力、溫度等傳感器采集材料成型過(guò)程參數(shù)，通過(guò) PLC 進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換和輸出控制，實(shí)現(xiàn)了壓塑成型過(guò)程測(cè)控實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)?；诖藢?shí)驗(yàn)系統(tǒng)，分析了覆膜砂壓塑成型過(guò)程中速度、壓力、時(shí)間和溫度對(duì)其抗拉強(qiáng)度的影響。該系統(tǒng)將檢測(cè)與控制原理引入材料成型實(shí)驗(yàn)，加深了學(xué)生對(duì)材料成型過(guò)程檢測(cè)與控制概念的理解。

    材料成型及控制工程是機(jī)械工程與材料科學(xué)與工程的交叉學(xué)科，也是數(shù)字化制造和智能制造技術(shù)( 如 3D 打印) 的主要學(xué)科。該學(xué)科培養(yǎng)能在機(jī)械制造、模具制造、快速成形制造等領(lǐng)域從事科學(xué)研究、應(yīng)用開(kāi)發(fā)、工藝與設(shè)備的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)及經(jīng)營(yíng)管理等工作的高級(jí)工程技術(shù)人才和管理人才。

    隨著傳統(tǒng)制造業(yè)不斷吸收機(jī)械、電子、信息、材料及現(xiàn)代管理等方面的最新成果，當(dāng)今制造技術(shù)正在向自動(dòng)化、集成化和智能化發(fā)展。其中，基于檢測(cè)和控制的自動(dòng)化技術(shù)在先進(jìn)裝備制造業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，可以很大程度地降低勞動(dòng)成本，并顯著提高產(chǎn)品質(zhì)量。因此，大連理工大學(xué)材料成型及控制工程專業(yè)作為全國(guó)工程教育認(rèn)證專業(yè)、國(guó)家級(jí)特色專業(yè)、遼寧省本科示范性專業(yè)，針對(duì)本專業(yè)對(duì)該領(lǐng)域的人才培養(yǎng)目標(biāo)，開(kāi)設(shè)了材料成型過(guò)程檢測(cè)與控制應(yīng)用型綜合實(shí)驗(yàn)課程體系，包括基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)和擴(kuò)展及創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)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(kuò)展和創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容，該課程將檢測(cè)與控制原理引入覆膜砂壓塑成型過(guò)程，利用位移、壓力、溫度等傳感器采集成型過(guò)程參數(shù)，通過(guò) PLC 進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換和輸出，實(shí)現(xiàn)了壓塑成型過(guò)程的計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)檢測(cè)與控制。該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)集成了模具設(shè)計(jì)、電路設(shè)計(jì)、PLC 程序設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)于一身，針對(duì)典型壓塑成型過(guò)程，實(shí)現(xiàn)了機(jī)電一體化測(cè)控集成應(yīng)用技術(shù)的實(shí)訓(xùn)，加深學(xué)生對(duì)材料成型過(guò)程檢測(cè)與控制原理和應(yīng)用的理解。

    1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)
    壓塑成型過(guò)程測(cè)控實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)如圖 1所示，包括軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)和硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)。軟件系統(tǒng)由 PLC 編程軟件 PLC_Config 和萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)控制軟件 Smart Test 組成，利用 PLC_Config 編譯溫度測(cè)控程序，利用 Smart Test 實(shí)現(xiàn)對(duì)速度、壓力的檢測(cè)與控制。硬件系統(tǒng)包括成型模塊、檢測(cè)模塊和控制模塊。成型模塊由萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)通過(guò)控制過(guò)程參數(shù)實(shí)現(xiàn)模具內(nèi)的壓塑成型。檢測(cè)模塊負(fù)責(zé)采集各類傳感器產(chǎn)生的電信號(hào)，并將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的物理量值?？刂颇K與檢測(cè)模塊實(shí)時(shí)通訊，根據(jù)采集的參數(shù)控制輸出。

    2 模具設(shè)計(jì)
    覆膜砂是指在造型前砂粒表面覆有一層固體樹(shù)脂膜的型砂或芯砂，主要采用優(yōu)質(zhì)天然石英砂為原砂，熱塑性酚醛樹(shù)脂，烏洛托品及增強(qiáng)劑為輔料。如圖 2 所示，覆膜砂受熱時(shí)包裹在砂粒表面的樹(shù)脂熔融，在烏洛托品分解出的亞甲基的作用下，熔融的樹(shù)脂由線性結(jié)構(gòu)迅速轉(zhuǎn)變成不熔的體型結(jié)構(gòu)，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(guò)簡(jiǎn)單的加熱和加壓實(shí)現(xiàn)固化成型的方法。這種技術(shù)中模型不易形變，性能均勻，無(wú)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(diǎn)設(shè)計(jì)模具。如圖 3 所示，該模具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(cè)與控制模塊設(shè)計(jì)
    該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中需要檢測(cè)的參數(shù)有速度、壓力和溫度。速度可由位移間接計(jì)算得出，先由增量式編碼器檢測(cè)出位移值，并計(jì)算出位移變化率，即擠壓速度。壓力的檢測(cè)采用壓力傳感器，并通過(guò)變送器將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬量信號(hào)。溫度的檢測(cè)采用 K 型熱電偶，其測(cè)溫范圍寬、精度高、響應(yīng)時(shí)間快，使用方便［9］。

    該實(shí)驗(yàn)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(guò) Smart Test 軟件界面設(shè)定，通過(guò)設(shè)定脈沖輸出頻率控制速度，通過(guò)比較實(shí)際壓力與設(shè)定壓力的關(guān)系控制運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。該系統(tǒng)的溫度控制較簡(jiǎn)單，因此采用開(kāi)關(guān)控制策略，通過(guò)固態(tài)繼電器實(shí)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(dāng)前傳感器所測(cè)的溫度值; ＞Ｒ 和＜ Ｒ 為比較指令，作用是比較指令上下兩個(gè)實(shí)數(shù)的大小，并根據(jù)比較結(jié)果控制能流狀態(tài); Ｒ 指令為復(fù)位指令，作用時(shí)實(shí)現(xiàn)復(fù)位功能; S 指令為置位指令，作用時(shí)實(shí)現(xiàn)置位功能。

    該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的主控器采用大連理工計(jì)算機(jī)控制工程有限公司的 MAC 系列控制器，該控制器可以進(jìn)行程序開(kāi)發(fā)、數(shù)據(jù)監(jiān)控等操作。整個(gè)控制系統(tǒng)使用簡(jiǎn)單、物理輸入輸出點(diǎn)數(shù)配置靈活，適用于各種工業(yè)控制場(chǎng)合和教學(xué)場(chǎng)合。

    4 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在覆膜砂成型過(guò)程中的應(yīng)用
    結(jié)合“材料成型過(guò)程檢測(cè)與控制”課程，利用該系統(tǒng)設(shè)計(jì)了“覆膜砂壓塑成型性能規(guī)律研究”實(shí)驗(yàn)，旨在提高學(xué)生對(duì)材料成型過(guò)程檢測(cè)與控制的原理與方法的認(rèn)識(shí)。如圖 5 所示，本實(shí)驗(yàn)以萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)為載體，覆膜砂為原材料，對(duì)速度、壓力、時(shí)間和溫度進(jìn)行變量控制，探究各參數(shù)對(duì)其抗拉強(qiáng)度的影響。

    4．1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容
    本實(shí)驗(yàn)檢測(cè)和控制的主要參數(shù)有四個(gè)，分別為
速度、壓力、時(shí)間和溫度。結(jié)合具體的實(shí)驗(yàn)過(guò)程，以
上四個(gè) 參 數(shù) 的 基 礎(chǔ) 值 分 別 取 為: 基 礎(chǔ) 速 度 5mm / min、基 礎(chǔ) 壓 力 5KN、基 礎(chǔ) 時(shí) 間 30min、基 礎(chǔ) 溫 度100℃。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，針對(duì)以上四個(gè)參數(shù)，采用單變
量變化，設(shè)計(jì)不同的工藝組合，完成覆膜砂“8”字形
標(biāo)準(zhǔn)試樣的壓塑成型，并采用型砂抗拉強(qiáng)度檢測(cè)儀
檢測(cè)各條件下試樣的抗拉強(qiáng)度，分析工藝條件變化
對(duì)壓塑成形件力學(xué)性能的影響。

     4．2 實(shí)驗(yàn)步驟
    (1) 打開(kāi)電腦和 PLC 電源。通過(guò) PLC_Config打開(kāi)編寫的 PLC 程序，并掃描控制器上線。打開(kāi)Smart Test 軟件并接通萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)電源。
    (2) 加熱模具，待溫度達(dá)到基礎(chǔ)溫度值后，將覆膜砂放入模具中，同時(shí)設(shè)定壓力和時(shí)間為基礎(chǔ)值，利 用 Smart Test 軟 件 設(shè) 定 速 度 ( 1、5、10、15、20mm / min) ，分別完成 5 個(gè)試樣的壓塑成型。
    (3) 類似步驟( 2) ，分別設(shè)定壓力為( 1、2、3、4、 5KN) ，每組完成 5 個(gè)試樣的壓塑成型。
    (4) 類上，分別設(shè)定壓塑時(shí)間為( 15、30、45、60、 75min) ，每組完成 5 個(gè)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(gè)試樣的壓塑成型。
    (6) 樣品制備完成后，利用型砂抗拉強(qiáng)度檢測(cè)儀，測(cè)量并記錄各試樣的抗拉強(qiáng)度并保存數(shù)據(jù)，之后將萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)歸位。
    (7) 待全部實(shí)驗(yàn)完成后，先關(guān)閉萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)主電源，后關(guān)閉 Smart Test 和 PLC_Config 軟件。

    4．3 實(shí)驗(yàn)結(jié)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(qiáng)度變化不大且無(wú)明顯趨勢(shì)，因此在其變化區(qū)間內(nèi)對(duì)覆膜砂抗拉強(qiáng)度幾乎無(wú)影響。

    如圖 8 所示，隨著時(shí)間的增大，樣品抗拉強(qiáng)度雖然變化很小，但在 75min 以內(nèi)基本上呈遞增趨勢(shì)，這是因?yàn)楣袒瘯r(shí)間越長(zhǎng)，樹(shù)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(qiáng)度逐漸變大，在 175℃ 時(shí)達(dá)到最大，之后開(kāi)始變小，可見(jiàn)在 100℃ ～200℃區(qū)間存在峰值。強(qiáng)度升高階段是因?yàn)殡S著溫度的升高樹(shù)脂的固化程度逐漸變大，強(qiáng)度下降是因?yàn)闇囟冗^(guò)高會(huì)使固化的樹(shù)脂分解和炭化，同時(shí)發(fā)氣量的增大也使樣品內(nèi)部產(chǎn)生空洞［1 0］。

    綜上所述，溫度對(duì)覆膜砂抗拉強(qiáng)度的影響最大，時(shí)間的影響較小，速度和壓力幾乎無(wú)影響。

    5 結(jié)語(yǔ)
    (1) 根據(jù)檢測(cè)與控制的基本原理，針對(duì)材料成型過(guò)程，利用位移、壓力、溫度等傳感器，可編程控制器，繼電器，萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)和成型模具，實(shí)現(xiàn)了壓塑成型過(guò)程測(cè)控實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。
    (2) 以覆膜砂為成型材料，以其壓塑成型過(guò)程中的速度、壓力、時(shí)間和溫度為參數(shù)，開(kāi)展了壓塑成型過(guò)程測(cè)控實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的應(yīng)用。通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出了溫度和時(shí)間是影響樣品強(qiáng)度的主要因素。
    (3) 壓塑成型過(guò)程測(cè)控實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)集成了模具設(shè)計(jì)、電路設(shè)計(jì)、PLC 程序設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)于一身，針對(duì)典型壓塑成型過(guò)程，實(shí)現(xiàn)了機(jī)電一體化測(cè)控集成應(yīng)用技術(shù)的實(shí)訓(xùn)，加深學(xué)生對(duì)材料成型過(guò)程檢測(cè)與控制原理和應(yīng)用的理解，為數(shù)字化制造領(lǐng)域的人才培養(yǎng)提供了平臺(tái)。