微型注塑压力系统的模糊控制研究

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3.0 高德中 2024-11-19 6 4 1.79MB 68 页 15积分

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摘要

随着微米、纳米科学技术的发展，对塑料制品及设备的微型化需求越来越迫

切，精密要求也越来越高。由于微注塑成型技术的诸多优点，如今已广泛应用于

各种各样的精密零件的生产制造。然而在微注射成型技术的发展过程中，对微型

注塑机有许多特殊的要求，如精密的注射计量，快速的反应能力，高的注射压力

等。

在微型制品的注塑成型中，注射压力是决定注塑制品质量的关键因素之一，

通过有效的算法对注射压力进行合理的控制是十分重要的。注射过程具有非线性、

时变性、干扰和数学模型不确定性等特点，采用传统的控制方法（如 PID 控制）

不能建立精确的数学模型，难以达到理想的控制效果，可模糊迭代学习控制对此

却有独特的控制优势；此外，与液压注塑机相比，全电动注塑机结构简单，反应

迅速，在控制精度和可靠性方面都具有明显的优势。

综合以上因素考虑，在研究了大量国内外文献的基础上，本文对微型电动注

塑机的结构特点和注塑过程进行分析。做了如下一些工作并取得了一定的成果：

1. 对微型注塑机及微型注塑机注射成型压力控制系统的国内外发展现状进行

了系统的研究。

2. 在微型电动注塑机伺服控制系统的结构进行详细阐述的基础上，建立了微

型注塑机电动控制系统的数学模型，对闭环注射压力控制系统模型进行设计。

3. 设计了微型注塑机的模糊迭代压力控制器，运用到电动伺服系统中进行仿

真验证。

4. 以0.3g 的微型齿轮为例，运用到本文设计的微注射成型压力控制系统中进

行模拟仿真，并对其偏差进行了分析，在 0.2s 内，其最大处偏差大约 0.4MPa。与

传统的 PID 控制和一般的模糊控制相比，误差精度提高了约 8倍。

通过对建立的微型注塑压力控制系统的认真分析，证明该系统是可行的。与

传统的 PID 控制和一般的模糊控制方法相比，本文设计的模糊迭代控制策略是有

效的，能够达到微注塑成型的控制精度要求。具有较高理论的参考价值和一定的

适用意义。

关键词：微型注塑机压力控制模糊迭代 Matlab 仿真

ABSTRACT

With the development of Nanometer and Micron technology, the growing demand

of miniaturization of plastic and equipment and accuracy requirement are getting more

and more prominent. Because of the advantages of micro-injection molding, this

technology has been widely used in the manufacture of various precise parts. But during

the development of micro-injection molding technologies, the micro-injection machine

will be asked for many special requirements, such as the accuracy injection

measurement, rapid reactivity, great injection pressure and so on.

During the injection molding process, injection pressure is one of the most

important factors to control performance. So it is very important to control the injection

pressure through a useful way. As the injection process has the feature of non-line,

time-varying, interference, uncertainty of mathematical model etc. It can’t create a

precise mathematical model to achieve an ideal effect. If traditional control

method(such as PID control) is used, while fuzzy iterative learning controller(FILC)has

a particular strength for this; Furthermore comparing with the hydraulic injection

molding machine, the full electric injection molding machine owns a distinct superiority

in the respects of control precision and reliability, because of its simple structure and

rapid reaction.

Considered the facts above comprehensively and reviewed massive of domestic

and foreign literatures. In this paper, the structural traits and injection process of the

micro-electric injection molding machine have been firstly analyzed. Obtained some

following results:

(1) The micro-injection molding machine’s current situation of domestic and

overseas has been studied.

(2) Based on the clear explanation of the structure of the micro-electric injection

molding machine’s servo control system, its mathematic model has been built, and

closed-loop injection pressure control system has also been designed.

(3) Fuzzy iterative learning controller of injection pressure in the micro-injection

molding machine has been established and used in the electric servo system to be

simulated.

(4) Taking a micro gear about 0.3g as an example, it was used in the pressure

control system of the micro-injection molding machine for simulating and analyzing its

error. In 0.2s, the error accuracy is within 0.4MPa and has been improved around 8

times, compared with the traditional PID control and general fuzzy control.

With serious study of the micro-injection pressure control system, this control

system has been proven to be viable. Compared with the traditional PID controller and

fuzzy controller, the fuzzy iterative learning controller that has been designed in this

paper is available, it can meet with the controlled accuracy requirement of the micro

injection molding. This paper has a good theoretic reference value and certain practical

guiding meaning.

Keywords: Micro-injection molding machine, pressure control, Fuzzy

iterative learning, Matlab simulation

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论 ........................................................ 1

§1.1 研究背景和意义 ............................................... 1

§1.2 微型注塑机压力控制国内外现状 ................................. 2

§1.2.1 微型注塑机国内外发展现状 ................................. 2

§1.2.2 微型注塑机压力控制的研究现状 ............................. 5

§1.3 本文研究的内容 ............................................... 9

第二章微型注塑机伺服控制系统设计 ................................... 10

§2.1 微型电动注塑机概述 .......................................... 10

§2.1.1 电动注塑机总体结构及原理 ................................ 10

§2.1.2 微型注塑机的种类 ........................................ 15

§2.2 微注塑成型压力控制理论 ...................................... 16

§2.2.1 塑化压力控制 ............................................ 16

§2.2.2 注射压力与保压压力控制 .................................. 17

§2.3 微型注塑机的特点 ............................................ 18

§2.4 小结 ........................................................ 19

第三章伺服电机数学模型及压力控制系统设计 ........................... 20

§3.1 微型电动注塑机注射部分结构 .................................. 20

§3.2 永磁同步电机建模 ............................................ 21

§3.2.1 永磁同步电机三相交流坐标系下的数学模型 .................. 21

§3.2.2 永磁同步电机坐标变换原理 ................................ 22

§3.2.3

 



坐标系到 d-q 坐标系的变换 ............................ 24

§3.2.4 d-q 坐标系下数学模型 ..................................... 25

§3.3 PMSM 控制建模 ................................................26

§3.3.1 电流环的数学模型与设计 ................................... 26

§3.3.2 速度环的数学模型和设计 .................................. 27

§3.3 闭环压力控制的设计 .......................................... 28

§3.4 注射控制系统关键元件的选型及参数的确定 ...................... 29

§3.5 小结 ........................................................ 29

第四章微型注塑机模糊迭代压力控制器设计 ............................. 30

§4.1 引言 ........................................................ 30

§4.2 迭代学习控制算法 ............................................ 31

§4.2.1 迭代学习控制思想及特点 .................................. 31

§4.2.2 常规迭代学习算法 ........................................ 32

§4.2.3 迭代学习收敛性验证 ...................................... 33

§4.3 模糊控制算法 ................................................ 34

§4.3.1 模糊控制思想 ............................................ 34

§4.3.2 模糊控制器的特点 ........................................ 35

§4.3.3 模糊控制器设计 .......................................... 36

§4.4 模糊迭代学习控制的设计 ...................................... 42

§4.5 小结 ........................................................ 44

第五章微型注塑机压力系统仿真分析 ................................... 45

§5.1 仿真软件简介 ................................................ 45

§5.2 使用 MATLAB 图形界面建立模糊控制器 .......................... 46

§5.2.1 模糊控制器的建立 ........................................ 46

§5.2.2 模糊控制器的分析 ........................................ 48

§5.3 系统的性能仿真与优选 ........................................ 49

§5.3.1 系统仿真模型的建立 ...................................... 49

§5.3.2 PID 控制建模及仿真 ....................................... 50

§5.3.3 模糊控制器的建模及仿真 .................................. 52

§5.3.4 模糊迭代混合控制器的建模与仿真 .......................... 53

§5.4 微型齿轮注射压力控制 ........................................ 53

§5.4.1 模型的 PID 控制 .......................................... 54

§5.4.2 模型的模糊控制 .......................................... 55

§5.4.3 模型的模糊迭代控制 ...................................... 56

§5.5 小结 ........................................................ 57

第六章总结与展望 ................................................... 58

§6.1 总结 ........................................................ 58

§6.1.1 本文所做的工作 .......................................... 58

§6.1.2 取得的成果与创新点 ...................................... 59

§6.2 展望 ........................................................ 59

第一章绪论

§1.1 研究背景和意义

注塑成型是一种注射兼模塑的成型方法，简称注塑。而注塑成型中最重要的

注塑机是注塑过程的主要设备，是具有一次成型外型复杂、尺寸精确或带有金属

嵌件的质地致密的塑料制品的塑料成型设备，被广泛应用于国防、汽车、交通运

输、建材、包装、农业及文教卫生各个领域，极大地提高了人们的生活水平[1]。

随着微、纳米科学技术的发展，对微型注塑件及微型注塑件设备的微型化越

来越迫切，同时微型件的复杂程度与材料的多样性、加工精度、生产效率等方面

的要求也越来越高。一般的注射技术和传统的注塑机不能满足注塑制品的要求，

如在航空航天、生物与基因工程、医药工程、精密仪器、信息工程、军事、环境

工程、微光学器件、生物分析芯片等领域的微制件，需要微注塑技术及其相应的

设备才能够解决微制件成型结构尺寸小、精密要求高等难题；又因为高分子材料

的诸多优点使得微注塑技术、微注塑压缩技术、微热压技术等各种微成型技术的

迅速发展，其中以微注塑技术在高分子材料微成型领域中发展迅速，因而，机电

控制系统及相关的技术成为微型精密零件注塑成型技术的研究热点之一，而微注

射成型工艺过程参数的控制成为其必不可少的一部分。

微注塑成型工艺过程的控制涉及许多参数，通常包括：锁模力、塑料的塑化、

材料的准确计量、注射速度、注射压力、保压、模具温度及熔体温度，在对注射

成型的过程控制当中，只有控制一些可变参数，即注塑设备的性能参数，来保证

或提高制品的质量。而这些参数中最活跃的参数之一就是注射压力的控制。注射

压力是注射时为了克服熔料流经喷嘴、浇道和型腔等处的流动阻力，螺杆（或柱

塞）对塑料必须施加的压力。注射压力不仅是熔料充模的必要条件，同时也直接

影响到成型制品的质量。如注射压力对制品的尺寸精度和制品的应力都有影响，

当注射压力过大易产生飞边，同时过大的注射压力会影响机器的结构和传动部分

的设计和性能；过小会减小制品的致密度，造成收缩变形，甚至欠注现象。保压

压力是指充模后增密补缩保证的注射压力。熔体充满模腔后，为了补缩继续保持

熔体流动的注射压力，选择和调整保压压力对制品质量起着重要的影响，保压压

力设定合理，充模情况良好，而保压设定的不合理，如在切换时动作太慢，充模

时发生过分的充填现象。会出现模腔溢边，导致供料不足，使模内压力太低，制

品不踏实，发生凹陷，机械性能降低等现象。因此，对注射压力的要求，不仅数

值要足够，而且要稳定可靠。所以，对影响制品质量起着重要作用的注射压力的

微型注塑压力系统的模糊控制研究

控制有着重要的意义。本文主要是对注射压力控制系统进行研究。

§1.2 微型注塑机压力控制国内外现状

§1.2.1 微型注塑机国内外发展现状

[2--6]

为了能够生产这类具有实用价值的微小零件，许多新兴制造技术随之产生，

包括 LICA 技术(即将光刻、电铸和模铸相结合的一种综合性加工技术)、紫外线光

刻、电火花加工、微注射成型、精密磨削和精密切削等。但微结构零件生产面临

的问题是如何改善和优化工艺条件，降低加工成本，实现零件的高速、高效、高

精度、大批量生产。其中，始于 20 世纪 80 年代的微注射成型技术开创了精密微

细结构零件低成本、大批量生产的新途径，成为世界先进制造技术的研究热点之

一，是生产这类零件的主要技术。微注射成型技术的发展依赖于微型注塑机的发

展，虽然微型注塑机的研制发展历史并不长，但它是一个极具发展潜力的技术领

域，开展这领域的研究可以带动传统注射成型技术的发展。针对传统注塑机在注

塑领域中的局限性，进入二十世纪九十年代以后，美国、日本、欧洲和中国的一

些公司和科研结构合作开发了各种类型的微型注塑机。

微型注塑机的主要功能包括三个部分：塑化、计量和注射，通常与普通的注

塑机相比，微型注塑机主要体现在塑化和注射单元机构和各个部分的驱动方式上，

当前微型注塑机的塑化和注射单元机构有螺杆式、柱塞式、螺杆柱塞混合式及特

殊形式，驱动方式主要有全液压、全电动和电液复合式。以下是从国内外两个方

面来阐述微型注塑机的发展状况。

1. 国外

国外有众多公司都对微注射成型机进行研究。

日本东芝生产的微注塑机 EC5，锁模力为 50KN，螺杆直径 14mm，注射容量

5.9cm3，最大注射压力 204MPa ，最大注射速度为 150mm/s ；树研工业的

JMW-015S-5T，锁模力为 50KN，螺杆直径 16mm，注射容量 5cm3，最大注射压力

133MPa，最大注射速度为 490mm/s。都是采用全液压驱动系统、单杆式，塑化、

计量和注射过程由一组螺杆完成，构造简单，容易控制。但该设备对一次注射量

的控制精度不高。

日精树脂工业株式会社的 IIM7-DENKEY 型微型注塑机，锁模力为 70KN，螺

杆直径 14mm，注射容量 6.2cm3，最大注射压力 178.5MPa，该微型注塑机具有模

温控制系统，可提供冷热水进行模温控制。

FUNAC 公司的 S2000i15B，采用的是全电动控制系统，该微型注塑机锁模力

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摘要随着微米、纳米科学技术的发展，对塑料制品及设备的微型化需求越来越迫切，精密要求也越来越高。由于微注塑成型技术的诸多优点，如今已广泛应用于各种各样的精密零件的生产制造。然而在微注射成型技术的发展过程中，对微型注塑机有许多特殊的要求，如精密的注射计量，快速的反应能力，高的注射压力等。在微型制品的注塑成型中，注射压力是决定注塑制品质量的关键因素之一，通过有效的算法对注射压力进行合理的控制是十分重要的。注射过程具有非线性、时变性、干扰和数学模型不确定性等特点，采用传统的控制方法（如PID控制）不能建立精确的数学模型，难以达到理想的控制效果，可模糊迭代学习控制对此却有独特的控制优势；此外，与液压注塑...

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