帶溫度補償的改進型注塑機鎖模力傳感器設計與實現*

鄧俊文，顏幸堯*，胡美君，陳潘布衣，聶德明

(1.中國計量大學計量測試工程學院，浙江 杭州 310018；2.杭州職業技術學院友嘉智能制造學院，浙江 杭州 310018)

影響注塑制品質量的常見因素主要有注射速度、v/p 切換點、保壓壓力和時間、模具溫度、鎖模力設定值等[1-3]。其中鎖模力對注塑制品質量具有較為明顯的影響，合理設置鎖模力對注塑制品質量和機器合模單元以及模具的壽命具有重要的影響[4]。若鎖模力偏差過大，不僅會損害模具，影響產品質量，甚至還會出現傷人等安全事故；若能精準實時監控鎖模力，不僅能有效控制制品質量，還對于更換生產模具后進行試模調模起一定指導作用[5]，且能夠對比歷史鎖模力數據分析拉桿是否存在疲勞斷裂[6]。臺灣Huang 教授團隊[7]通過分析模具在注射成型時鎖模力變化情況，判斷生產制品的質量，并提出獲取合適鎖模力搜索方法；日本長沼恒雄與橋本浩一學者[8]對注塑機鎖模力歷史數據進行分析，判斷注塑機是否出現異常。

目前注塑機鎖模力的感知方法主要有以下幾種:

①粘貼式，將應變片通過粘貼方式直接安裝在拉桿上[9]；②形變片式傳感器，傳感器用螺絲壓裝在尾板上(需要銑配合平面)；③壓力變送裝置，通過檢測液壓缸的推力來推算鎖模力值[5]；④柱塞式傳感器，傳感器安裝至拉桿(哥林柱)內部[10]；⑤拉桿式傳感器，在拉桿靠近頭板安裝檢測桿，通過檢測桿內部彈簧伸長的距離進行鎖模力檢測[11]；⑥磁附式傳感器，磁附式傳感器是通過磁力吸附在拉桿上，其應變片安裝在兩個磁鐵之間的不銹鋼箔下[12-14]；⑦螺紋固定式傳感器，原理與磁附式相類似，只是以螺紋緊固的預緊力替代了磁力[15]；⑧箍型傳感器，通過抱箍或鋼帶將傳感器固定在拉桿上；⑨超聲直探頭，利用聲彈性效應，通過超聲波傳播時間測量拉桿的受力值[16-17]。

以上傳感器，除了磁附式傳感器、箍型傳感器方式外，其余方式均由于自身的一些限制而沒有被廣泛用于實際生產的實時檢測中。

我國在注塑機行業已經擁有很大的設備規模，但與國外相比，在技術上和精度上還存在著不足，一些高端設備，比如注塑機鎖模力傳感器，依然需要進口[12]。本文在參考國外同類產品的基礎上，對其進行改進，設計了一款雙側全橋，帶溫度補償的鎖模力傳感器，并對其進行實際上機測試。

1 鎖模力傳感器檢測原理

1.1 注塑機鎖模力的來源

鎖模力是為了防止模具不被型腔內熔體壓力頂開所能施加的夾緊力，又稱為合模力[18]；注塑機鎖模力是衡量機器加工塑件能力的指標[4]；鎖模力的產生取決于兩個條件:一是通過合模機構傳遞產生推力；二是合模系統產生彈性變形力[19]。

拉桿(哥林柱)是注塑機合模力的承載零件，作用是連接定、動模板和機架，也是較容易發生斷裂失效的零件[20]。當鎖模油缸的左腔接壓力油路、右腔接回油路時，就使拉桿產生一定的預拉力，所有拉桿所受拉力的合力與鎖模力大小相等，方向相反[21]，因此只需要測定所有拉桿的拉力值即可計算出鎖模力值。

1.2 注塑機拉桿受力仿真分析

通過分析鎖模力的來源可知，測定四根注塑機拉桿(哥林柱)的應力值，即可獲知鎖模力值；由于四根拉桿在注塑生產前需要進行調模過程，使得四根拉桿受力值盡可能相同，偏心模具需小于8%，因此，只需對其中一根拉桿進行受力分析即可。使用Soildworks 軟件進行靜應力仿真，仿真設置拉桿長度為1 500 mm，拉桿直徑為110 mm，材質為GCr15 合金鋼，設置拉應力值為1 050 kN，對其應力與合位移進行仿真分析，仿真結果見圖1。

圖1 應力分布圖和合位移分布圖

從圖1(a)應力分布圖可以得出，注塑機拉桿除了固定的定模板的一小部分區域外，整體受力分布很均勻，在距定模板121 mm 與1 500 mm 時其應力值都為1.105×108N/m2，因此鎖模力傳感器安裝至距離定模板1.5 倍拉桿直徑的距離之外，即可保證傳感器感知正確的鎖模力信號。從圖1(b)中得知，注塑機拉桿在1 050 kN 的拉力下，合位移為0.787 9 mm，合位移量是設計信號調理電路的重要參數。

2 改進型鎖模力傳感器結構設計

2.1 改進型傳感器結構設計

2.1.1 溫度變化對傳感器的影響

注塑機在注塑生產過程中，螺桿會將熔融態的聚合物注射至生產模具中，導致合模腔室內溫度上升，待聚合物填滿模具后，螺桿會停止注射，等待聚合物冷卻成型。模具安裝在模板上，模板與拉桿直接連接，因此模具的溫度不可避免地傳遞到拉桿上，固定在拉桿上的傳感器的溫度也隨著變化。應變片的電阻阻值受溫度的影響較大，一般應變片溫度系數Tc＝20×10-6/℃，標稱電阻取R＝350 Ω，取應變片標定時的溫度與工作時的溫度差ΔT＝20 ℃，根據公式:

得出單個應變片阻值在溫差20 ℃時電阻變化量ΔRT＝0.14 Ω，在單橋電路下其電阻變化量ΔRT＝0.42 Ω，半橋電路下電阻變化量ΔRT＝0.28 Ω，該溫漂值已經影響了拉桿應力的檢測精度。

2.1.2 應變片檢測電路

測量應變片的形變量通常使用電橋電路，電橋電路分為單臂電橋、雙臂(對臂)電橋以及全橋電橋；單臂電橋使用一個受力敏感應變片，雙臂電橋使用兩片受力敏感應變片，全橋電橋使用四片受力敏感應變片。

本文設計的鎖模力傳感器具有溫度補償功能，并且在電路結構上使用了類全橋電路，而且可消除彎矩的影響，全橋電路輸出電壓量比半橋電路提高一倍[21]。

2.1.3 改進型傳感器結構

鎖模力傳感器由鋁合金底座、彈性橡膠、溫度補償應變片、受力敏感應變片以及PCB 電路轉接板組成。鋁合金底座為注塑機拉桿的安裝扣具；彈性橡膠將敏感應變片緊緊依附在哥林柱的表面，從而能夠正確感知哥林柱的形變值；PCB 電路板為連接應變片電路以及傳感器信號線焊接口；受力敏感應變片安裝方向與拉桿在受力時產生變形的方向一致，使得敏感應變片能充分感知拉桿在受力時的應變值，若安裝方向錯誤，傳感器將無法正確地檢測出拉桿的應變值；溫度補償應變片安裝至底座頂層兩側處，如圖2(a)所示。

圖2 改進型鎖模力傳感器爆炸圖和不同視角圖

傳感器頂層的中間部分為U 型圓弧結構，嵌有硅膠彈性體，突出于表面，敏感應變片安裝于彈性體的表面之上，因此將鎖模力傳感器安裝至拉桿上時，底座的U 型兩側邊線緊壓在拉桿之上，此時，敏感應變片緊貼在拉桿之上，隨著拉桿的變形而變形，而兩側的溫度補償片由于沒有跟拉桿直接接觸，因此不會感知拉桿應力值，只起到溫度補償作用。圖2(b)為傳感器不同視角圖。

2.2 信號調理電路設計

信號調理電路將鎖模力傳感器檢測到的注塑機拉桿應力值轉化為微控制器能分辨的模擬量，鎖模力處于空載與滿載時(對應最小鎖模力與最大鎖模力)經微處理器采集轉換得到的數字量差值越大，AD 有效碼數就越多，分辨率就越高。

本文設計的信號調理電路由電橋電路，放大電路和濾波電路組成，設計的信號調理電路如圖3(a)所示，圖3(a)只展示了一路注塑機拉桿檢測調理電路，另外三路檢測電路使用同樣結構電路。

圖3 類全橋信號調理電路和鎖模力檢測控制板

電橋電路使用本文設計的鎖模力傳感器，分為上全橋與下全橋；上全橋中左上元件(S1)與右下元件(S2)為受力敏感片，右上(S3)與左下(S4)元件為溫度補償片，在受力敏感片受力時，其輸出電壓值Vs1＋＞Vs1-；下全橋中右上元件(S5)與左下元件(S6)為受力敏感片，左上(S7)與右下(S8)元件為溫度補償片，敏感片受力時，其輸出電壓值Vs2-＜Vs2＋；上全橋與下全橋的差分電路組成一個類全橋電路，其輸出分別為:

A1、A2為各自全橋差分電路的放大倍數，類全橋電路通過一個同相比例放大電路進行上全橋與下全橋信號量疊加，其輸出為:

式中:A3為同相比例放大器的放大倍數。電路上使用的運算放大器器件必須有較高的CMRR(共模抑制比)以及PSRR(電源抑制比)，以此減小共模信號干擾和因電源不穩定導致運放輸出不穩定情況，提高信號采集的穩定度；雙電源運放器件可以采用OP07 系列，單電源器件可以采用TP1271 系列。圖3(b)為配套本文傳感器設計的鎖模力檢測控制板。

3 實驗測試與數據分析

3.1 設備介紹

本文實驗數據采集于溫州市至上重工有限公司生產的KS286 注塑機，KS286 有多種拉桿長度和拉桿直徑的型號，本文使用的注塑機的拉桿(哥林柱)直徑為110 mm、長度為1 500 mm，設計最大鎖模力為4 200 kN，分解到四根拉桿上為1 050 kN。圖4為本文設計的鎖模力傳感器安裝至拉桿上。

圖4 本文設計的鎖模力傳感器安裝至拉桿上(另外三路未展示)

3.2 全橋與半橋實驗數據分析比較

使用KS286 注塑機進行全橋和半橋電路測試，不斷調整壓力值(鎖模力)，記錄當前鎖模力檢測電路的測試結果；使用一元線性回歸方程對全橋抱箍、半橋抱箍和半橋扎帶方式進行數據點擬合，擬合結果見圖5，回歸方程效果與精度對比見表1。

從圖5 四個傳感器通道的數據可以得出，使用全橋抱箍與半橋抱箍固定方式測得數據的線性度好，而半橋扎帶的固定方式線性度很差；由于使用了類全橋放大電路，因此全橋抱箍方式測得的ADC 有效碼數比半橋電路的要高一倍，全橋抱箍的有效碼數至少有2 100 個碼，半橋抱箍的有效碼數為700～950之間，半橋扎帶的有效碼數為400～700 之間；這表明本文設計的傳感器有效分辨率高。

從表1 可以看出，使用一元線性回歸方程擬合數據時，四個通道的全橋抱箍方式SSE 誤差平方和、R2決定系數和RMSE 均方根誤差最大值為分別為SSE＝350.039、R2＝0.999 7 和RMSE＝4.409 8；半橋抱箍的最小值分別為SSE＝1741、R2＝0.998 9 和RMSE＝8.115 2；半橋扎帶最小值分別為SSE＝3.034×105、R2＝0.855 9 和RMSE＝94.468 8；這表明全橋抱箍的固定方式其回歸擬合的效果最好。

對全橋抱箍、半橋抱箍和半橋扎帶方式采集的數據進行歸一化處理，將圖5 的ADC 值轉化為(0～10)V 電壓量輸出，繪制的壓力值(鎖模力)與DAC電壓曲線見圖6。

圖6 全橋抱箍、半橋抱箍與半橋扎帶固定方式DAC 歸一化與壓力值對比散點圖

對圖6 四個通道的曲線進行觀察可以得到，采用全橋抱箍方式和半橋抱箍方式的線性度要好，半橋扎帶的線性度最差，因此在對注塑機拉桿進行鎖模力傳感器安裝時，應選用抱箍的方式進行安裝；對比全橋和半橋抱箍方式的數據曲線，進一步得出，采用全橋電路作為應力檢測，其檢測的精度與線性度是優于半橋電路的，因此在對精度要求高的場合下，應采用全橋電路作為前端檢測電路。

4 鎖模力傳感器性能評估

4.1 相對誤差與絕對誤差

某量值的測得值與真值之差為絕對誤差，絕對誤差可以評定其測量精度的高低，但量值的真值是一個理想的概念，一般是不知道的，因此在實際測量中，常用被測量的實際值來代替真值[22]，即:

絕對誤差與被測量的真值之比值稱為相對誤差，在實際測量中，常用被測量的實際值來代替真值[22]；相對誤差同樣可以評定其測量精度的高低，并且適用于不同的被測量以及不同的物理量，相對誤差公式為:

表2 展示了四個通道下鎖模力的計算值、絕對誤差和相對誤差對比。

表2 分段折線擬合得到的鎖模力測量結果 單位:kN

從表2 得出，設定的鎖模力與計算的鎖模力擬合度很高，四個通道在1 059 kN、768 kN、848 kN 和742 kN 時絕對誤差分別為-15 kN，23 kN，25 kN 和-15 kN，最大絕對誤差為25 kN；四個通道在329 kN、453 kN、768 kN 和535 kN 時相對誤差分別為-3.343%，3.753%，3.255%和-2.430%，最大相對誤差為3.753%。

4.2 鎖模力重復性精度

重復性精度是衡量精密注塑成型加工過程最為重要的一個技術指標，指的是在相同條件下對同一被測量物進行多次重復性測量，通過分析處理重復性數據得知一致性的過程，是表示測量結果中重復誤差的程度，是一個基于統計過程的概念[2，23-24]。鎖模力重復性精度公式為[25]:

式中:δFk為設定壓力值Fk時對應的鎖模力重復精度，無量綱；n為測試次數，Fi為在Fk下進行i次測試得到的壓力值樣本，單位為kN；為在設定值Fk時多次測量的算術平均值，單位為kN。測得的壓力值與真實值相比，波動越大，表示鎖模力的重復精度就越差。通過調整注塑機處于不同的鎖模力，記錄四個通道當前鎖模力電路測量結果，重復測試9 次，計算所得鎖模力重復性精度見表3。

表3 鎖模力重復性精度

從表3 可以得到，四個通道在329 kN、489 kN、535 kN 和593 kN 時重復性精度分別為1.702%、1.962%、2.430%和1.572%；重復性精度最大值δFk＝2.430%，優于鎖模力傳感器重復性設計要求的δ＜5%，這表明本文設計的鎖模力傳感器在不同壓力載荷下，鎖模力重復性精度好。

5 結論

本文對傳統鎖模力傳感器進行結構性改進并進行實驗驗證，在單個傳感器探頭上集成兩片受力敏感應變片組成單側半橋，由兩個傳感器組成雙側全橋，從而提高了信號的信噪比以及信號強度，每個傳感器都使用兩片不受力的溫度補償應變片用于消除注塑機于注塑生產過程中因溫度變化引起的溫度漂移。

實驗結果表明:本文設計的改進型鎖模力傳感器線性度好，使用一元線性回歸方程擬合得出的R2決定系數均大于等于0.999 7；在對比鎖模力設定值與測量值的實驗統計得出四個通道絕對誤差的最大值為25 kN、相對誤差的最大值為3.753%，鎖模力重復性精度最大值為2.430%，這說明本文設計的傳感器可以相對準確地反映當前注塑機拉桿的鎖模力，在注塑機鎖模力檢測領域內具有重要的應用價值。