一种独立完成注射功能PET 瓶胚注塑成型机的研究

易恒光

(广州一道注塑机械股份有限公司，广东 广州 510640)

1 背景技术

现在，普通PET 注塑机在正常工作时遭遇突然停电时，在注射时、合模时、开模时、保压冷却时机器会停止工作，再次重新启用时会有许多准备工作。不仅如此，异常停电还会使电气和信息部件缩短寿命。由于PET 瓶胚模具具备多浇口、多型芯、多流道、型芯粗大的特点，倘若在保压冷却、塑化、注射时停止工作，会给工人后期的准备工作造成许多麻烦，共3 点要点。尤其是大型PET 瓶胚模具，型芯的数量最多、顶出力要求最大，给停电调整工作带来的麻烦也最大。调整的工作分为以下3 种，参考图1、图2、图3。

图1 PET 瓶胚型芯（例）

图2 PET 瓶胚型芯动模（例）

图3 PET 瓶胚（例）

（1）手动调整肘杆、模板、模具位置。

此类情况一般发生在注塑机合模、保压、开模时，重新进行注塑工作要让动模板复位并触发自动化，并且要腾好位置能进行废料去除的工作。

（2）手动敲除粘在型芯上的瓶胚，去除主分流道废料。

由于停电时间不能保证多少，一般有效的方法是尽快人工去除。人工速度慢、力小、易损坏，加上瓶胚冷却一段时间后会紧紧粘在型芯上，比刚冷却固化时粘力更大，工作效果更差，并且会容易造成相关模具的磨损、表面损坏、变形损坏或裂纹损坏，缩短寿命。

（3）严重时不得不拆开动模板、模具或肘杆系统。

此类情况一般是前2 种不起效或效率极低时发生。拆开后经过一段修整工作再重新装上后调试，非常耗时和耗力，还更容易造成相关零件的磨损、表面损坏、变形损坏或裂纹损坏，缩短寿命。

2 效果概要

效果概要先写供电正常运作下的主要内容，然后在此基础上添加停电应急系统正常运行和停电应急系统补充运行的主要内容进行说明。

2.1 供电正常运作下主要内容

以不带停电应急系统的塑化注射一级式PET 瓶胚注塑机（带回收机械手）为例。在整个正常运行过程中，参与的主要运动部件有：蓄能器、开合模油阀、注射保压油阀、顶出油阀、运动控制器、相关传感器、油箱、油泵电机、塑化电机（或塑化油马达阀）、回收机器手系统、转换油阀。

正常运行简要过程如图4 所示。

图4

2.2 停电应急系统正常运行的主要内容

假设在该系统加入了停电应急系统，主要比正常运行时多了1 个UPS 部件。

在遇到塑化、注射、保压冷却、开模、合模、顶出、运送时停电，都会先具备这样的一个机制。UPS 在监测到外电源正常下除关机指令外处于待机同时自动充电，一旦停电，通过反馈信息到“外电源无”和“运动控制器开机中”，UPS 迅速供电，UPS 代外电源供电。而后UPS发信号给运动控制器，运动控制器启用停电应急方案，发出警告信号。方案随不同情况不同，共3 种。过程参考图5。

图5

2.2.1 在塑化、开模、合模时的停电方案

在运动控制器调节下，全部部件继续工作。

待一次塑化、注射、保压结束后，转换油阀复位，待控制器收到转换油阀复位的信息后，调节注射油阀、塑化电机（或塑化油马达阀）待机实行不再工作指令。然后开模，开模至动模板走完开模行程，此时机器手系统开始工作，顶出阀在机械手到达预定位置后开始工作，将瓶胚顶出后复位，待机实行不再工作指令。而后机械手运送瓶胚至原位经传感器发给运动控制器，在控制器调节下，开合模油阀待机实行不再工作指令。同时运动控制器发信号给油泵电机，油泵逐步停机，蓄能器开始减压至0，油箱回油。

待蓄能器压力为0 并将信号反馈给控制器，最后在运动控制器调节下，其他还在工作、待机的非传感器非UPS 系统复位停机，待收到传感器发来的各非传感器非UPS 系统停机信号后控制器发出指令，传感器停机，接着运动控制器发出最后的停机指令给UPS 后停机，后UPS也停机。过程参考图6。

图6

2.2.2 在注射时的停电方案

在运动控制器调节下，全部部件继续工作。

待一次注射、保压结束后，转换油阀复位，待控制器收到转换油阀复位的信息后，调节注射油阀、塑化电机（油马达阀）待机实行不再工作指令。然后开模，开模至动模板走完开模行程，此时机器手系统开始工作，顶出阀在机械手到达预定位置后开始工作，将瓶胚顶出后复位，待机实行不再工作指令。而后机械手运送瓶胚至原位经传感器发给运动控制器，在控制器调节下，开合模油阀待机实行不再工作指令。同时运动控制器发信号给油泵电机，油泵逐步停机，蓄能器开始减压至0，回油到油箱。

待蓄能器压力为0 并将信号反馈给控制器，最后在运动控制器调节下，其他还在工作、待机的非传感器非UPS 系统复位停机，待收到传感器发来的各非传感器非UPS 系统停机信号后控制器发出指令，传感器停机，接着运动控制器发出最后的停机指令给UPS 后停机，后UPS也停机。过程参考图7。

图7

2.2.3 在保压冷却时的停电方案

在运动控制器调节下，全部部件继续工作。

待一次保压结束后，转换油阀复位，待控制器收到转换油阀复位的信息后，调节注射油阀、塑化电机（油马达阀）待机实行不再工作指令。然后开模，开模至动模板走完开模行程，此时机器手系统开始工作，顶出阀在机械手到达预定位置后开始工作，将瓶胚顶出后复位，待机实行不再工作指令。而后机械手运送瓶胚至原位经传感器发给运动控制器，在控制器调节下，开合模油阀待机实行不再工作指令。运动控制器发信号给油泵电机，油泵逐步停机，蓄能器开始减压至0，回油到油箱。

待蓄能器压力为0 并将信号反馈给控制器，最后在运动控制器调节下，其他还在工作、待机的非传感器非UPS 系统复位停机，待收到传感器发来的各非传感器非UPS 系统停机信号后控制器发出指令，传感器停机，接着运动控制器发出最后的停机指令给UPS 后停机，后UPS也停机。过程参考图8。

图8

2.3 停电应急系统补充运行的主要内容

UPS、停电传感器、电容等也会有故障的时候，在这些时候停电的话，正常的应急方案不起作用，这时需要补充方案。在无法全部部件开机的情况下实现局部开机，实现系统最低效果，尽可能为准备工作带来方便。只限于开合模运动、运动控制器、顶出运动、注射保压运动、塑化电机运动（油马达阀运动）、机械手系统运动、转换阀运动、回油运动相关必要的部件，非必要和其他不启动。

当上述情况发生后，都会先有这样的一个机制。UPS通过反馈信息到“外电源无”和“运动控制器关机”，先自动给控制器开机，等控制器开机成功后发送补充方案启动的信号。而后运动控制器开始执行补充方案，先检测停电系统正常运行方案无法启动的原因。倘若是零件损坏问题，发出零件损坏信号，等待人工处理；倘若是零件一时失灵问题，就开始标准流程。标准流程共3种情况。参考图9。

图9

2.3.1 根据信息确定在塑化、开模、合模停电时

在运动控制器调节下，开合模运动、顶出运动、注射保压运动、塑化电机（塑化油马达阀）运动、机械手系统运动、回油运动、传感器相关必要部件启动待机，其他不启动。

启动的部件继续工作，待一次塑化、注射、保压结束后，转换油阀复位，待控制器收到转换油阀复位的信息后，调节注射油阀、塑化电机（油马达阀）待机实行不再工作指令。然后开模，开模至动模板走完开模行程，此时机器手系统开始工作，顶出阀在机械手到达预定位置后开始工作，将瓶胚顶出后复位，待机实行不再工作指令。而后机械手运送瓶胚至原位经传感器发给运动控制器，在控制器调节下，开合模油阀待机实行不再工作指令。同时在运动控制器调解下，蓄能器开始减压至0，油箱回油。

待蓄能器压力为0 并将信号反馈给控制器，最后在运动控制器调节下，其他还在工作、待机的非传感器非UPS 系统复位停机，待收到传感器发来的各非传感器非UPS 系统停机信号后控制器发出指令，传感器停机，接着运动控制器发出最后的停机指令给UPS 后停机，后UPS也停机。参考图10。

图10

2.3.2 根据信息确定在注射时停电时

在运动控制器调节下，开合模运1 动、顶出运动、注射保压运动、机械手系统运动、回油运动、传感器相关必要部件启动待机，其他不启动。

启动的部件继续工作，待一次注射、保压结束后，转换油阀复位，待控制器收到转换油阀复位的信息后，调节注射油阀待机实行不再工作指令。然后开模，开模至动模板走完开模行程，此时机器手系统开始工作，顶出阀在机械手到达预定位置后开始工作，将瓶胚顶出后复位，待机实行不再工作指令。而后机械手运送瓶胚至原位经传感器发给运动控制器，在控制器调节下，开合模油阀待机实行不再工作指令。同时在运动控制器调节下，蓄能器开始减压至0，回油到油箱。

待蓄能器压力为0 并将信号反馈给控制器，最后在运动控制器调节下，其他还在工作、待机的非传感器非UPS 系统复位停机，待收到传感器发来的各非传感器非UPS 系统停机信号后控制器发出指令，传感器停机，接着运动控制器发出最后的停机指令给UPS 后停机，后UPS也停机。参考图11。

图11

2.3.3 根据信息确定在保压时停电时

在运动控制器调节下，开合模运动、顶出运动、注射保压运动、机械手系统运动、回油运动、传感器相关必要部件启动待机，其他不启动。

启动的部件继续工作，待一次保压结束后，转换油阀复位，待控制器收到转换油阀复位的信息后，调节注射油阀、塑化电机（油马达阀）待机实行不再工作指令。然后开模，开模至动模板走完开模行程，此时机器手系统开始工作，顶出阀在机械手到达预定位置后开始工作，将瓶胚顶出后复位，待机实行不再工作指令。而后机械手运送瓶胚至原位经传感器发给运动控制器，在控制器调节下，开合模油阀待机实行不再工作指令。同时在运动控制器调解下，蓄能器开始减压至0，回油到油箱。

待蓄能器压力为0 并将信号反馈给控制器，最后在运动控制器调节下，其他还在工作、待机的非传感器非UPS 系统复位停机，待收到传感器发来的各非传感器非UPS 系统停机信号后控制器发出指令，传感器停机，接着运动控制器发出最后的停机指令给UPS 后停机，后UPS也停机。参考图12。

图12

3 实施方案概要

以下是在没有停电应急系统的PET 瓶胚注塑机的基础上进行改造，主要8 点要点。

3.1 新增1 套大容量智能型UPS

（1）至少能存储供机器全部部件正常运行2 个周期的能量，以及足够的电压、电流、频率，在不启动电源时自动充电。

①设UPS 可正常存储的最小能量为W，机器正常进行注塑的1 周期运行时间为t，电池工作电压为U（标准件参数），U1为电池内电阻（标准件参数），U2X为UPS常供电部分用电压，U3X为选择供电部分运行正常状态下工作用电压，I 为UPS 电池供电时的额定电流（标准件参数），I2X为UPS 常供电部分工作用电流，I3X为选择供电部分运行正常状态下用最大工作电流。（x 指不同的部件序号，k 为UPS 常供电部件数，p 为UPS 选择供电部件数）则可求：

②设UPS 的电池容量为Ah（标准件参数），再根据以上参数，可求：

（2）该UPS 有常供电、选择供电这2 个基本功能，由内部的信息系统直接调节。参考图13、图14、图15和图16。

图13

图14

图15

图16

（3）具备一定的智能信息功能。有一定的处理能力，有手动和自动模式，除能控制内部的元件运行外，还能和外部的信息系统互动，接受和发送指令。既有一定的调节性，又具备被调节性。外部的信息系统，如停电传感器、运动控制器、编码器、反馈型电容，参考图13 和图14。

3.2 新增1 个大容量反馈型电容

（1）能维持断电后一定时间内的机器正常运行，可正常储存的能量足以使自动型UPS 在收到外电源无的信号后启动代替外电源。假设自动型UPS 通过停电传感器检测到外电源无并启动代替外电源时间为3s，那么电容能维持的时间至少要6s。电容和UPS 关系如图14所示。

设电容最大工作容量为C（标准件参数），可正常储存的最大能量为，为电容工作电压（标准件参数），为UPS 启动时间，为电容的工作电流，结合3.1 中的参数，可求：

（2）具备反馈信息功能。如能反馈电量、电压多少，运动控制器或UPS 能辨识，以协助方案的运行。参考图14。

3.3 进行程序修改

3.3.1 主机制编程

依据前述效果概要对已有主机能程序上配合各新控制元件运行在运动控制器和智能UPS 上进行改造性编程。

3.3.2 开关机程序注意

由于新增了停电应急系统，机器在正常开关机时需更改机制适应，主要3 个要点。

（1）正常开机时由运动控制器先接通外电源开机，然后由运动控制器发指令给UPS 开机，也可在控制器开机后再手动UPS 开机，以防程序混乱。

（2）运动控制器在进行正常关机程序时，UPS 在运动控制器发送关机命令后关机，不可以切断外电源之后才关机，以防程序混乱。外电源继电器应该和UPS 有感应关系，等待UPS 关机之后外电源继电器才感应断电，切断与外电源的连接。参考图15。

（3）倘若在机器执行停电应急方案关机时外电源恢复到可接通状态下，应该等待停电应急方案执行完毕，机器完全关机后，再接通外电源重新开机，以防程序混乱。

3.4 电子元件增加

配合智能型UPS，增加或换替相应的电子元器件，如停电传感器、编码器、通电传感器、各类多位传感器等。

（1）停电传感器能够在电路从有到无电流的瞬间发送停电信号，都由UPS 独立供电。参考图13、图14 和图15。

（2）编码器属于辅助作用，用于构建UPS 等新部件和旧部件之间的信息联系。参考图13。

（3）通电传感器能够在电路从无到有电流的瞬间发送通电信号，都由UPS 独立供电。参考图17。

图17

（4）各类多位传感器替换对应原来的少位传感器，能够提供更多的机器状态信息给运动控制器，以更准确判断机器的停电时运动状态，能使运动控制器更好把握停电应急方案的运行。参考图13。

3.5 新增所要的电气辅件

（1）需配置停电继电器。

由UPS 独立供电，停电继电器在非关机状态下外电源切断下瞬间切换电路，连接起UPS、电容、零线电路，断路电容和外电源+，使电容和UPS 成为电源。UPS 关机后断电复位，等待下一次工作。参考图16。

（2）需配置防倒流继电器。

由UPS 独立供电，并且与UPS 成感应关系，当UPS开始作为替代电源时断路电容和工作部件+，防止电容逆向充电。UPS 关机后复位，等待下一次工作，参考图16。

（3）需配置静电消除器。

由于UPS 属于电池，内含能量属于超大功率级别，会在不开机时自然放电，产生对人身体有害静电，同时也会对机器本身的薄弱零件产生危害，特用消除器进行静电净化。

（4）此外有保险装置、逆变器、整流器、变压器、稳压器等。

3.6 实现补充方案时所需增加更多蓄能器来保留能量，编为紧急蓄能器组

紧急蓄能器组的功能是在油泵伺服电机无电源时或供能不足时接入常用油路，以维持足够的油压，在正常方案下油泵功率不足或补充方案启动下油泵停机时能发挥作用，平时的液压保持工作主要由油泵电机进行，常用蓄能器组为辅助。

（1）紧急蓄能器组应该具备比常用蓄能器组提供足够流量功能的特点，可有效保证基本功能实现。

在此时，油泵因转速不足或逐步停下，其保持液压的任务会主要落在蓄能器上。因而其容量至少能保证油泵电机停电后液压在正常运行2 周期内不影响局部运行油压工作部件运行需求，带有蓄能计，能反馈能量已蓄能多少。

①设紧急蓄能器组工作容量为a，开合模油缸（一般1 个）一个方向运动工作容量为b，顶出油缸（全部）一个方向运动工作容量为c，假如有辅助顶出油缸（全部）的话其一个方向运动工作容量设为，注射油缸（全部）工作一个方向运动工作容量为d，转换油缸（一般1 个）一个方向运动工作容量为e。倘若还使用了塑化油马达或机械手油马达，那么塑化油马达（一般1 个）一个方向运动工作流量为f，机械手油马达（一般1 个）一个方向运动工作流量为g，工作系数为θ，θ 大于1。流量单位为。

所需工作容量计算如下：

知道工作容量a 后，就可选取紧急蓄能器的额定工作容量x（标准件参数）和个数y 了，同时设为蓄能器的额定压力（标准件参数），油压为F。x 和a 的关系：

②设PET 模具一个模腔保压时轴向压力为r，模腔数为m，各油缸工作行程为Sx（x 指不同油缸），模具流道和融液摩擦力为β，肘杆系统在开合模油缸轴向外力转化系数为ε（负载力转化为油缸力），则可求：

③设冷却后的单个塑件和型芯之间的粘着力在顶出油缸轴向上投影为z，应用上述参数，可求：

C2类比。

④设熔融状态下的PET 材料和螺杆材料的单位面积摩擦力为Fo，融液和各螺槽的接触面积为Nx（x 指螺槽序号），h 指螺槽数，螺杆和料筒的单位面积摩擦力为γ，接触面积为n，油马达工作力为Fy（标准件参数），油马达每走一圈的流量为Y（标准件参数），Sf 为油马达转动圈数。则可求：

⑤设机械手油马达转子外负载重力为G，机械手油马达转子和定子的摩擦系数为δ，油马达工作力为Fx（标准件参数），油马达每走一圈的流量为X（标准件参数），Sg 为油马达转动圈数。可求：

⑥设转换阀芯材料与熔融状态下的PET 材料单位摩擦力为F1，轴向最大接触面积为u，阀芯和阀的最大摩擦力为λ，可求：

（2）由于具备比常用组更高容量，紧急蓄能器组应该独有一套控制模块，该模块至少包括蓄能控制阀、工作控制阀、停电传感器、运动控制器。处理模块为运动控制器，蓄能控制阀、工作控制阀为调节模块，停电传感器为反馈模块。该模块具有手动或自动控制接入模式。

自动模式下，调节模块和反馈模块独立由UPS 供电，紧急蓄能器组的调节模块能接受运动控制器调节，能通过传感器反馈状态给运动控制器，能执行断电模式、供能不足模式和蓄能模式3 种模式：

①断电模式启动时：配置停电传感器感应工作功能，具备一检测到油泵电机断电就由运动控制器调节工作控制阀使紧急蓄能器组基本油路接入，此时蓄能控制阀关。当机器执行关机程序时工作阀复位。在关机程序执行时可由控制器调节不执行指令。参考图16。

②供能不足模式启动时：在应急方案启动下运动控制器从相关传感器分析得知油泵功能不足时可调节紧急蓄能器组基本油路的接入，此时蓄能控制阀关。当机器执行关机程序时工作阀复位。参考图16。

③蓄能模式下：紧急蓄能器组应该在正常工作间不接入时独立蓄能，配合停电传感器，运动控制器通过调节蓄能控制阀开进行，此时工作控制阀关。参考图16。

手动模式属于辅助模式，在调试、维修或自动模式无法运行下起作用。

3.7 实现补充方案时需增加机器手制动器的附加机器人装置

防止突然停电造成伺服电机（油马达）惯性受损。该装置至少由电动制停器、通电传感器和停电继电器3部分构成。该装置独自控制运行。

（1）该装置的电动制停器，仅受内置的停电继电器控制，由UPS 独立供电，需具备快速逐步的制停效果，比如摩擦阻尼制停。参考图17、图18。

图18 回收机械手（例）

（2）该装置需配置停电继电器实现控制，由UPS 独立供电，一旦感应到机械手系统的伺服电机停电，停电继电器就瞬间通路UPS 和制停器，在停电后短时间内制停正在运动的机械手，减少伺服电机（油马达）的损伤。在感应到通电后或UPS 关机后继电器复位，制停器也复位。参考图17。

（3）该装置具备反馈工作状态功能，需配置1 个通电传感器，由UPS 独立供电，与运动控制器相配置。运动控制器能根据制停器工作状态确定对机械手的指令，比如确定装置复位后运动控制器才开动机械手运动。参考图17。

（4）PET 瓶胚用的回收机械手一般至少有一轴直线运动和一轴旋转运动，所以该制动器至少需2 种。参考图18，黑色部分为驱动装置，可为伺服电机或油马达。

3.8 改造原机架或安装座。

依据新装置的尺寸结构适当改造机架或安装座，供新部件装上。

4 系统益弊

4.1 系统适用性

通过实现方案的概要说明，可以预估该系统所要的费用占未改造的机器比值为15%左右。这费用倘若换算成人工费、因故障和寿命造成的零件费、销售迟滞费，还是乐观的，但需要发挥作用的次数足够才能有所价值。

所以从经济价值来看，该系统在经常停电的环境下，或非经常停电环境下带大型PET 模具的注塑机，或非经常停电环境下带复杂结构的PET 型芯模具的小型注塑机才能发挥正价值。

4.2 系统运行局限性

该系统设计目的主要实现调整工作对机器损伤最小、速度最快、耗力最低。由于毕竟是系统停电时候的应急反应，不可能说一点对机器的损害都没有，并且停机方案中有时脱出的PET 瓶胚不合格率会大大增加。无论什么非电池工作机器，都应避免外电源在工作中突然停电。

倘若是正常运行下的系统应急方案，如果UPS 功率、电压、电流、频率足够，那么停机前的最后一批产品合格率能和未停电时一样。但由于有时UPS 不一定能达到外电源的功率，这种情况下不得不以低功率运行的部件导致系统各种运行不足，固然会对机器的PET 瓶胚产品合格率造成一定影响。有时还会对机器的某些部件造成损害，比如塑化电机或发热装置功率不足导致在限定时间内塑化不完全就进行注射，会对料筒壁和喷嘴道造成压力，加快磨损。

在补充方案运行下时，局部部件启动工作完成塑化注射保压，这些PET 瓶胚产品的不合格率会达100%。另外对机器部件的损伤会比正常方案下功率不足产生的还要大，比如在塑化时其发热装置不运作，由于补充方案是在机器已停机几秒后才启动，热量会有一定的流失。尽管可能有余热，还是很难保证熔融温度，会使塑化更不完全，对机器的磨损也更大。