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1 绪 论

1.1 塑料工业及注塑机的发展

随着塑料工业的迅速发展，塑料由于具有轻巧、便于加工成型及抗腐蚀能力强、

优异的电气特性及化学稳定性、优良的吸震和消声隔离作用、能很好地与金属、玻璃、木材及其他材料相胶结等特点，从而成为继钢材、木材、水泥之后的四大支柱材料之一，塑料制品已经广泛应用于农业、建材、包装、机械电子、汽车、交通、家电、石油化工和国防等各个领域。1998年我国塑料制品的年产量约为1500万吨，仅次于美国，居世界第二位。根据中国塑料机械工业协会和机械工业塑料机械科技信息网连续十三年对塑机行业主要经济指标统计来看，我国塑料机械行业1987年总产值为2.1亿元，1998年为38亿元。十年多时间翻了近20倍，塑机工业的年增长率在7%以上，远远高于其他机械行业。塑料工业在我国有着非常广阔的发展前途。1995年我国塑料制品产品为999.4万吨，目前为1500万吨，人均消费量为10千克，远远低于世界人均22千克的水平，而目前一些发达国家和地区的塑料消费水平达50至100千克的水平，这说明我国塑料机械潜在市场很大。随着我国国民经济的持续发展、人民生活水平的不断提高和塑料应用领域的不断开拓，我国塑料工业有着非常广阔的发展前途。2000年我国塑料制品产量可达1600万吨，是1995年的1.61倍，年平均增长率约为10%。从塑料制品的市场分析来看，从2001年到2010年我国塑料制品产量以平均每年7%的速度增长。塑料材料的来源非常丰富，预计到2010年，以重量计算的塑料产量将超过钢的产量。

注塑机工业是一门新兴的行业，注塑机是对热塑性（或热固性）塑料进行加工熔融后，以高压、高速注射入模腔，进而固化成型，生产出塑料制品的机械设备。每年注塑机的产量占全部塑料加工机械的50%左右，全世界25~30%塑料制品出自于注射成型，成为塑料成型机械制造业中增长最快、产量最多的机种之一。

从50年代技术创新推出了螺杆式塑料注射成型机至今已有50多年的历史。目前在工程塑料业中，80％采用了注射成型。近年来由于汽车、建筑、家用电器、食品、医药等产业对注射制品日益增长的需要，推动了注射成型技术水平的发展和提高。我国塑料机械2000年销售额在70亿元人民币左右，以台数计约为8.5万台，其中40％左右是注射成型机。从美国、日本、德国、意大利、加拿大等主要生产国来看，注塑机的产量都在逐年增加，在塑料机械中占的比重最大。

80年代以来，CAD/CAE/CAPP/CAM计算机应用技术在注塑机制造业的广泛采用，促进了我国注塑机研发和制造水平的高速发展。以宁波海天公司为代表的一批国家级高新技术企业都相继引进美国UG.S和PTC公司的计算机辅助设计和分析等软件，实现了三维立体参数化建模，机构运动仿真，对主关原件分析，对高应力区的应力分布、应力峰值、危险区域等进行准确的分析计算，帮助设计人员迅速地了解、评估和修改设计方

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案，保证重要零件结构合理性的可靠性达到完美结合。为了保证高质量的设计输出到高质量的产品输出，旧的加工方式已经很难适应技术、质量竞争的要求。

国内公司进行了两项国际先进水平的重大技术装备研制，其一是注塑机的防护门、配电箱等扳金件表面喷塑流水线形成批量生产能力，其二是注塑机螺杆和机筒双金属喷涂工艺投入批量生产，使关键零部件已经形成了三个完整的系列，它们是以曲肘式锁模的HTW和HTFX系列，直压式锁模的HTK系列，伺服电机控制的HTD系列。基本参数由锁模力580kN到36000kN，注射重量由70g至51460g，处于国内的领先地位。

目前注塑机发展的另一个重要方面，是各种专用注塑机，如排气式注塑机、发泡注塑机、多色注塑机等等。以加拿大HUSKY公司为代表的瓶胚机、包装机，集中体现了高新技 术含量的特征。该公司推出的低压注塑成型技术，在锁模力只有传统技术三分之一时，仍可高质量的保证制品成型，使机器的体积和重量都大幅度降低，在节能和制品成本控制方面都具有重大意义。我们国内领先公司也积极研制了HTC系统的热固性材料的注塑机，HTP包装专用注塑机并出口到北美市场，HTE瓶胚专用注塑机，HTS双色成型注塑机，我们将会把这些研发进一步推向深入。

电动式注射成型机以其显著的节能特点将成为注塑机重要的发展方向。日本研制出世界上最快的注塑机：在2002年上海国际塑料机械展览会上，日本NISSEI公司展出一台ES200全电动注塑机，其速度快得使人难以置信，一个产品生产周期只须0.63s，合模时间0.1s，开模0.13s，注射0.05s，加料时间0.25s，整个周期全自动连续进行。这预示着注塑机将向电动、高速方向发展。

1.2 课题的提出

注塑机自本世纪30年代问世以来，主机结构及传动原理变化不大，但其控制却在不断更新和发展，国外以由手动操作的第一代产品发展成为基于微机闭环控制的第五代产品，自动化程度不断提高，国内直到50年代末才开始生产注塑机，由于采用了引进消化、吸收和逐步提高、国产化的方针，再加上钢材价格上涨，石化工业能够提供原料（包括工程塑料），便形成了“以塑代钢”、“以注塑代压延成型”的趋势。国内注塑机的发展速度异常快，但控制水平较低，档次不高，绝大多数仍基于继电器和可编程控制器，自动化程度较低，产品竞争能力不强。

近年来，随着注塑机在行业中的比重不断加大，其出口量已超过造纸机，成为我国轻工业系统最大宗的出口设备。但能源危机的出现，劳动力缺乏，加之对制品的要求越来越高，注塑机的节能高效、自动化程度高的性能已为用户所追求；同时，对于大中规模注塑工厂，甚至量少、品种多的小规模注塑车间，在保证制品质量的前提下，如何利用成熟的自动化设备，提高产品精度，降低废品、次品率，节约原材料和能源，来降低成本，增强市场竞争已引起人们的高度重视，采用先进的控制技术和管理手段已成为必

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然的趋势。

我国目前普通的技术含量低的塑料机械产品处于饱和过剩状态，而高精度、高效率、高技术含量的塑料机械还需大量的投入和开发，目前这部分产品基本依赖进口。

本课题就是在这样的背景下提出的，通过对前人技术的吸收、继承和发展，并实地考察了我国注塑机的技术情况，旨在开发一套既符合我国国情又具有一定市场竞争力的精密注塑机微机闭环多级控制系统。

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2 注塑机概论

2.1 注塑成型机的分类与应用

近十多年注塑成型机发展很快，类型不断增加，所以机器的分类也比较多。有的按塑化方式分为柱塞式和螺杆式；也有按机器的传动方式分为液压式、机器式；还有按操作方式分为自动、半自动、手动等。 2.1.1 按外形特征分类

这种分类方法，主要是根据注射和合模装置的排列方式进行分类。 （1）立式注塑成型机

立式机的注射装置与合模装置的轴线成一线排列。立式机的优点一般有：占地面积小，模具拆装方便，成型制品的嵌件易于安放。缺点有：制品顶出后需要用手或其它方法将制品取出；不易实现全自动化操作；因机身较高，机器的稳定性能较差，加料及机器维修不便。 （2）卧式注塑成型机

卧式机的注塑装置与合模装置的轴线成一线水平排列。同立式机相比，卧式机具有以下优点：机身低，利于操作和维修；机器因中心较低，故稳定；成型制品可利用其自重而自动落下，容易实现全自动化操作。所以卧式注射成型机应用广泛，是目前国内外注射成型机的最基本形式。 （3）角式注射成型机

角式注射成型机的注射装置和合模装置的轴线互相垂直排列。其优缺点介于立、卧两种注射成型机之间，特别适合于成型中心不允许有浇口痕迹的制品。 （4）多模注射成型机

多模注射成型机是一种多任务操作的特殊注射成型机。根据注射量和机器的用途，多模注射成型机也可将注射与合模装置进行多种多样的排列。 2.1.2 按机器加工能力分类

经常用来表示注射机加工能力的参数，有机器的注射量和合模力。而多数是用合模力或用注射量与合模力同时表示，分类情况如下表：

表2-1 注塑机的类型

类 合模力（吨力） 别 注射量（cm3）

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超小型 小型 中型 大型 超大型 <20～40 40～300 300～600 800～2000 >2000 <30 60～500 50～2000 >2000 2.1.3 按机器用途分类

注塑成型机的运用范围很广,为满足各种注射工艺的要求,现将机器设计成热塑性塑料通用型(也称普通型)、热固性、发泡型、排气型、高速型、多色、精密、鞋用、螺纹制品等类型。其中以热塑通用型系列、热固系列、低发泡系列、排气系列和高速系列最为普遍。

2.1.4 注射成型机的规格表示法

用来表示机器规格的主参数，有注射量和合模力。

我国注射成型机规格使用机器注射容量表示，即用机器的标准螺杆（常用普通型螺杆的80%理论注射容量为机器注射容量）。这种表示方法，并不能从注射容量的数值大小直接判断出两台机器的规格大小。因此，目前用得比较普遍的主要有合模力与注射容量表示法（即国际规格表示法）。

合模力与注射量表示法，即用机器合模力为分母，机器注射容量做分子的表示法。对于注射容量，为了对不同机器都有一个比较基准，特规定注射压力为1000公斤力/立方厘米的理论注射容量。例如国产XS-ZY125注射成型机，用国际规格表示为XS-ZY190/190[1]。

2.2 注塑机的基本组成及工作过程

2.2.1 注塑机的基本组成

一台通用型注塑机主要包括以下部件：合模装置、注射装置、液压传动系统和电器控制系统。

注射装置：其主要作用是使塑料均匀地塑化成熔融状态，并以足够的压力和速度将一定量的熔料注射入模腔内，因此，注射装置应具有塑化良好、计量准确的性能。

合模装置：主要作用是保证模具地闭合和实现启模动作，是成型制品的工作部分。注射时要求合模装置给模具以足够的合模力，防止制品发生飞边现象。

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液压传动和电器控制系统：注射成型是由塑料塑化、模具闭合、塑料注射入模腔、压力保持、制品固化成型、开模取出制品等工序组成的连续过程。液压和电器系统则是为了保证注塑机按工艺过程预定的要求（压力、速度、温度、时间）和动作顺序，准确无误地进行工作而设置的传动和控制系统。 2.2.2 注塑机工作过程

（1）闭模与合紧 注塑机的成型周期一般从模具闭合开始。模具首先低压快速进行闭合，当动模板与定模板快要接近时，合模的动力系统自动切换成低压、低速，在确认模具内无异物时，再切换成高压将模具合紧。

（2）注射装置前移和注射 在确认模具达到所要求的合紧程度后，注射装置前移，使喷嘴与模具贴合，便可以向注射油缸通入压力油，则与油缸活塞杆相接的螺杆以高压、高速将头部的熔料注入模腔，此时螺杆头部作用于熔料上的压力为注射压力。注射压力和速度，以及熔料与模具的温度，决定了塑料能否充满模腔。

（3）压力保持 注入模腔的熔料，由于低温模具的冷却作用会产生收缩，压力保持就是对熔料保持一定的压力进行补缩，使制品致密，此时螺杆作用于熔料上的压力称为保压压力。保压时，螺杆因补缩而有少量前移。制品冷却和预塑当保压进行到模腔注入的熔料失去从浇口回流的可能性时，保压压力即可卸去，使制品冷却定型，此时螺杆在液压马达的驱动下转动，来自料斗的粒状塑料借助旋转螺杆的输送作用，不断沿螺槽向前运动。塑料在运动的过程中，由于外部加热及螺杆剪切作用发生剧烈的内摩擦，温度均匀升高，最终逐步软化成为熔融粘流状态，并不断地被输送到料筒前端。由于螺杆头部熔料压力的作用，使螺杆后退，当退至计量值时，螺杆即停止转动，准备下一次注射。 （4）注射装置后退和开模顶出制品 制品冷却后，合模装置升模并自行顶落制品，整个工作循环周期如下图2-1所示。

图2-1 注塑机的循环周期

2.2.3 本机介绍

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本次设计的课题是60克微机控制注射成型机，为普通型注射成型机。合模装置采用五点直线排列的肘杆结构，其调模装置为齿轮轮调模。往复螺杆式注射装置，采用双导轨支承、注射座移动油缸为单缸、注射油缸为单缸；一线式液压马达预塑装置。液压部件中系统压力流量用比例阀控制。电器部分采用继电器、PLC和单片机三种控制方案实现，能实现手动、半自动和全自动控制。顶出、合模、注射动作为线移型位移传感器控制。床身部分为整体式床身，采用稀油润滑。主要规格和技术参数如下：

表2-2 注塑机主要规格和技术参数 注射装置 螺杆直径 螺杆长径比 理论容量 注射容量 注射速率 注射压力 塑化能力 螺杆转速 ㎝3 g g/s Mpa Kg/h rpm ㎜ 15 96 60 10 140 25 3～200 35 合模力 移模行程 拉杆内距 顶出杆数 顶出行程 合模装置 T ㎜ ㎜ PC ㎜ 50 180 190×300 1 50 其它部分 油泵压力 Mpa 电机功率 电热功率 机器重量 KW KW T 6.3 11 3.75 1．8 以下章节将详细介绍本机各个部分的设计细节。

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3 注射装置

3.1 注射装置简介

注射装置在注射成型机的工作过程中，主要实现塑化计量、注射和保压补缩三项功能。因此，在设计此装置时，应能满足下列基本要求：

（1）在规定的时间内，提供一定数量的，组分和温度均匀的熔料；

（2）根据塑料性能和制品结构情况，应有合适的速度和压力，将一定量的熔料注入模腔。

3.2 注射装置的型式

目前，在注射成型机上采用的注射装置，从原理上分主要有柱塞式和预塑式两大类。其中以预塑式特别是往复螺杆式使用为最多。现在介绍一下预塑式注射装置的型式及其工作原理。

对塑料的塑化和熔料注射分开进行的注射装置，统称预塑式注射装置。该装置在注射前先将已塑化的一定量的熔料存放到料筒前端（又称储料室），然后再由柱塞（或螺杆）将储存的熔料注入模腔。

本次设计的注塑机采用往复螺杆式，亦称螺杆一线式，这种型式的主要特点如下： （1）结构上的特点：由于螺杆是同时具有塑化和注射两个功能，所以螺杆不仅要回转塑化，同时还要往复注射。这就需要在螺杆设计以及连接结构上，加以特殊的考虑。

（2）塑料是依靠螺杆的剪切热和外加热的共同作用下，塑化成均匀的熔体。但在塑化时，因伴随着螺杆的轴向位移，故熔料温度形成的轴向温差较大，而且难以完全克服。可是，螺杆的塑化情况是可以方便地通过调整螺杆转速和背压得到调整。

常用的往复螺杆式一般具有如下优点：

（1）塑化能力大。这为发展高速和大型注射成型机提供了可能；

（2）塑化速率快、均化好。这为注射成型扩大了加工塑料的范围。目前绝大多数的热塑性塑料（包括热敏性塑料、填充塑料等）都可用来注射成型。除此，还可直接进行染色和粉状塑料的加工；

（3）注射时压力损失小，加之塑化时均化作用好。因此，在工艺上可以用较低的塑化温度和注射压力。

另外往复螺杆式还具有结构紧凑、熔料停滞分解现象少、清理料筒方便等优点。 事物都是一分为二的。往复螺杆式注射装置虽有很多优点，但结构比较复杂。例如要增加螺杆传动系统。由于液压技术的发展，出现了多种型式的低转速大扭矩液压马达，可供直接驱动螺杆使用。这样，使原结构大为简化。图3-1所示，是本次设计采用的布置形式。液压马达放置在注射油缸后面，螺杆、注射油缸、液压马达三者呈一线排列的

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形式。

图3-1 注射装置

3.3 注射装置的设计

在设计螺杆式注射装置时，一般要考虑下述几个问题：塑化部件的结构；螺杆传动与连接方式；注射和移动油缸的结构和布置；注射座往复运动和结构形式；注射座固定连接方式；螺杆的拆卸等。在这些问题中，塑化部件（料筒和螺杆）和螺杆的传动设计是主要的。因此，螺杆式注射装置的设计，主要是塑化部件和传动部件的设计。 3.3.1 螺杆式塑化部件

螺杆式塑化部件如图3-2所示，主要由螺杆、机筒（又称料筒）、喷嘴等组成。塑料在转动螺杆的连续推进过程中，实现物理状态的变化，最后呈熔融状态而被注入模腔。因此，塑化部件是完成均匀塑化、定量注射的核心部件[2]。

图3-2 螺杆式塑化部件 1——喷嘴 2——机筒 3——螺杆 螺杆式塑化部件一般具有如下特点：

（1）螺杆具有塑化和注射两种功能；

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（2）螺杆在塑化时，对制品不发生直接的联系，仅作预塑用； （3）塑料在塑化过程中，所经历的热历程要比挤出长；

（4）塑料在塑化和注射时，均要发生轴向位移，同时螺杆又处于时转时停的间歇式工作状态，因此形成了螺杆塑化过程的非稳定性。

螺杆结构如下所述： （1）螺杆型式

注射成型机在使用过程中，由于经常需要更换塑料品种，所拆换螺杆也就比较频繁。停机调换螺杆不仅劳动强度大，同时又会影响机器的生产。因此，设计一种适应性比较强的通用性螺杆既必要而且又是可能的。这样不仅使用中免于经常更换螺杆的麻烦，同时也会降低机器的成本。

通用型螺杆的分段如图3-3所示。它的结构特点是：压缩段的长度约3～5个螺距。这样的分段，既考虑到一些非结晶型塑料，经受不了突变螺杆在压缩段高的剪切作用；同时有注意到一些结晶型塑料未经足够的预热是不能软化熔融和难以压缩的特点。

图3-3 通用型螺杆

（2）螺杆头

为了防止注射时熔料回泄的螺杆头，采用止逆螺杆头。它的工作原理：当螺杆旋转塑化时，自螺槽出来的熔料，具有一定的压力，则将止逆环顶升。熔料经设计的通道进入螺杆前端的储料室。注射时，螺杆前移，当螺杆短部的锥台与止逆环右端锥面相遇时，便形成对熔料回泄的密封。并随储料室熔料压力的升高，密封愈加紧密，从而阻止熔料的回泄。

一个良好的止逆型螺杆头结构，应该是启闭灵活、注射时熔料回泄量及其在止逆环动作区域内发热量保持在最低程度。因此，需要注意以下几点：

（a）止逆环与料筒的配合要适合。过松易造成大的回泄，随之而产生高剪切流动和热解现象。反之，过紧又会影响到止逆动作的效果。其环隙一般取0.1～0.2毫米为宜，止逆环的宽度大约为止逆环直径的0.6～0.8 倍；

（b）螺杆头处的通流截面要适当。熔料的流通面积小，限流作用大，这会降低螺杆的塑化能力，同时熔料在滑环区也易发热，形成能量积聚，使工艺不易稳定；但是也不能过大，大了会使止逆动作迟缓，降低了止逆效果，从而影响到注出量的精度。止逆

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环的位移量大约取为螺杆均化段的螺槽深度；

（c）启闭灵活。在设计中采用滚动球式的结构，具有启闭灵活、升压快、使用寿命长等热点；

（d）止逆环是易于磨损的零件。因它容易更换，故硬度选择要低于料筒。 （3）螺杆参数

（a）螺杆直径（Ds）和行程（S）

往复螺杆式的螺杆直径，应从保证注射量和塑化能力这两个条件来确定。从满足注射量要求，而计算出的螺杆直径，一般也能满足对塑化能力的要求。因此，螺杆直径先由下式计算出后，再校核其塑化能力。

D s=

4V4V=3??s??k （ 3-1）

式中 V------机器注射量(厘米3)

?----注射系数，根据加工树脂的类型和螺杆结构而定，取值范围0.75～0.9 s------注射行程（厘米），s=kDs

k----螺杆行程与直径的比值，常取

3左右，最大可到5左右，视螺杆性能而定

已知机器注射量V=60厘米3，标称螺杆的注射压力p1=1400kgf/cm2,标称螺杆的塑化能力为25公斤/时（PS）。

标称螺杆直径：

因标称螺杆常用来加工PS或PE塑料，其形式为止逆结构的螺杆，故取注射系数为?=0.8；为适当提高螺杆强度，取k=2.75，代入后即得：

D s=34?604V=3=3.3㎝=33㎜ （3-2）

3.14?2.75?0.8??k将其圆整为35mm

螺杆行程：S= kDs=2.75×35=96.25mm (3-3) 将其圆整为100mm 所以S=100 mm 螺杆塑化能力校核：

若取标称螺杆的转速n=150r/min；均化段槽深h3=2㎜,螺距S= Ds=35mm（?=17°42′）；PS塑化温度230℃时，?=0.97克/厘米3；效率η=0.9，代入下式得：

G=?Dsh3sin?cos??? (3-4)

1222 =

1×3.142×3.52×150×0.2×0.304×0.953×0.9×0.97 2 =453g/min

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=27.49kg/h

计算结果表明其塑化能力符合要求。 （b）螺杆长径比（L/ Ds ）

L是螺杆螺纹部分的有效长度。螺杆长径比大，说明螺纹长度越长，直接影响到物料在螺槽中输送的热历程，影响吸收能量的能力。此能量分为两部分：一部分是料筒外面的加热圈传给的，另一部分是螺杆转动时产生的摩擦热和剪切热，由外部机械能转化。因此，L/Ds直接影响到物料的熔化效果和熔体质量。但是如果L/Ds太大，则传递扭矩加大，能量消耗增加。过去，L/Ds数值在16～18；现在，由于塑料品种增加，工程塑料增多，L/Ds已增加到19～23。

（c）加料段长度（L1）

加料段又称输送段或进料段。为提高输送能力，螺槽表面一定要光洁。L1的长度应保证物料有足够的输送能长度，一般L1=（8~9）Ds，本次设计加料段长度为：

L1=8Ds =8?35=280mm

（d）加料段的螺槽深度（h1）

h1深，则容纳物料多，提高了供料量，但会影响物料塑化效果以及螺杆根部的剪切强度。一般h1?（0.12~0.16） Ds 。本设计取h1=0.14 Ds =0.14ⅹ35=4.9mm

（e）熔融段螺纹长度（L3）

熔体在L3段的螺槽中得到进一步的均化；黏度均匀，组分均匀，分子量分布均匀，形成较好的熔体质量。L3长度有助于稳定熔体在螺槽中的波动，有稳定压力的作用，使物料以均匀的料量从螺杆头部挤出，所以又称计量段。一般L3=（4～5）ds。本设计取L3=4ds=4?35=140mm

（f）熔融段螺槽深度（h3）和螺杆压缩比（?）

均化段的螺槽深度是螺杆性能的重要参数之一，它是由加工塑料的比热、导热性、稳定性、粘度以及塑化时的压力等因素所定。h3小，螺槽浅，提高了塑料熔体的塑化效果，有利于熔体的均化。但h3过小会导致剪切速率过高，以及剪切热过大，引起大分子链的降解，影响熔体质量。反之，如果h3过大，由于在预塑时，螺杆背压产生的回流作用增强，会降低塑化能力。所以合适的h3应由压缩比?来决定： ??h1 (3-5) h3注射螺杆压缩比是指熔融段螺槽深度（h1）与均化段螺槽深度（h3）之比。压缩比大，会增强剪切效果，但回减弱塑化能力，压缩比取得小一些有利于提高塑化能力和增加对物料的适应性。通用螺杆可取2.3～2.6，本设计取?=2.4。所以均化段螺槽深度： h3?h14.9?2.0mm 2.4??(3-6)

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实际压缩比为??0.93h1=0.93×2.4=2.23。通常所说的压缩比大于实际压缩比。 h3（g）塑化段（压缩段）螺纹长度（L2）

物料在料筒中不断地受到压缩、剪切和混练作用，物料从L2段入点开始，熔池不断地加大，到出点处熔池已占满全螺槽，物料完成从玻璃态，经过高弹态向黏流态的转变，从固体床向熔体床的转变。L2长度会影响从固态到黏流态的转化历程，太短会来不及转化，固料堵塞在L2段的末段，形成很高的压力、扭矩或轴向力、太长也会增加螺杆的扭矩和不必要的能耗，一般L2=（6～8）Ds。

对于结晶型的塑料，物料熔点明显，熔融范围窄，所以L2可短些，L2=（3～4）Ds。 本设计取L2=3Ds=3×35=105mm。

（h）螺距（S）

螺距的大小影响螺旋角?，从而影响螺槽的输送效率，一般S≈Ds=35mm。 （i）螺棱宽度（e）

螺棱宽度影响螺槽的容料量、容体的漏流以及螺棱耐磨损程度，一般为（0.05～0.07）Ds。本设计取e=0.07Ds=0.07×35=2.5mm。

（j）螺棱推力圆角（R1）和背面圆角（R2）

螺棱推力圆角R1和背面圆角R2的大小影响螺槽的有效容积、物料的滞留情况以及螺棱根部的强度等，一般R2=e=2.5mm,R1=（0.3～0.5）R2,本设计取R1=0.4R2=0.4×2.5=1mm。

（k）螺杆的强度

注射螺杆处于比较恶劣的条件下工作，它不仅要承受注射时的高压，同时还要经受熔料的磨蚀作用和预热时的频繁负载启动。注射螺杆的磨损是相当严重的（特别是加工玻璃纤维增强材料），小直径螺杆疲劳断裂破坏也常有发生。这就要求选用耐磨蚀、高强度的材料。目前螺杆所用材料，大都为氮化钢（38CrMoAl）或其它合金钢材。为了提高耐磨能力和基体金属的性能，近来也有采用在螺杆表面喷涂碳化钛和对螺杆进行离子氮化处理等技术。螺杆表面硬度HRC65～70，氮化层深度可至0.8㎜，螺杆工作表面光洁度不低于?7。

根据螺杆最常见的破坏，是在加料段螺槽根径处发生断裂。则螺杆的强度条件为：

??????4??(?) （3-7）

2式中 压缩应力 ???剪应力 ??POD?(O)2po FSd1Mt WS

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材料许用应力 ?????yn

式中 Do——注射油缸直径（厘米）

d1——螺杆加料段螺纹的根径（厘米） Mt——螺杆扭矩（公斤力?厘米） Ws——加料段截面的抗扭模数（厘米3） ?y——螺杆材料的屈服极限（公斤力/厘米2） n——安全系数，一般取2.5～3

p0——预塑时油缸背压（公斤力/厘米2） P0——预塑时螺杆的轴向力（公斤力） Fs——加料段螺杆截面（厘米2） 3.3.2 机筒（料筒）

机筒是塑化部件的另一个重要零件。注射成型机的机筒，大多数采用整体式结构。材料用45号钢内表面赌铬，氮化钢（38CrMoAl）内表面经氮化处理或用合金钢衬套以及内孔浇铸x合金的双金属料筒。其表面硬度不应低于RC65，光洁度应在?7以下，在机筒设计时，一般需考虑塑料的加入与输送、加热与冷却、强度等问题[3]。 （1）加料口处的截面

注射成型机大多数使用的是自重加料。因此，在设计加料口处的截面形状时，应该尽可能增强对塑料的输送能力。目前在螺杆式塑化部件上普遍应用的加料口形式，有对称和偏置设置的加料口两种。本次设计中采用对称型加料口。

图3-4 对称型料口截面形式

（2）机筒的加热

在注射成型机上获得广泛应用的加热方式，是各种形式的（铸铝加热器、陶瓷加热

60克注射成型机注射机构设计 16

器、云母加热器）电阻加热。这是因为它具有体积小、制造与维修方便等优点。为使机筒达到符合工艺要求的温度分布，需要对机筒的加热进行分段控制。控制段以3～5DS为一段，温控精度一般不超过5℃，对热敏性塑料最好不大于2℃。在压缩段处的控制段，应配置较大的加热功率。

为了保持良好的加料和输送条件，以及防止机筒热量传递到传动部分，所以在加料口处设置冷却套（槽）却是必须的。

机筒的加热功率，除了要考虑满足塑料塑化时所需的热量外，还要保证有足够快的升温速度机器加热升温时间，对小型机器不超过半小时，大、中型机器约为1小时左右。否则，过长的升温时间，将会影响到机器的生产率。根据对升温时间的要求，加热功率计算方法主要有如下几种：

（a）按被加热体升温时间计算

如加热升温时间定为一小时，所需加热功率即可按下式计算

NH?GC(T2?T1) （3-8）

860?式中 NH——加热功率（千瓦）

C——被加热件的材料比热（千卡/公斤℃） G——被加热体的重量（公斤）

T1、T2——升温前和升温后的温度（℃） ?——效率，一般取为0.5

如升温时间为半小时，则应将上式计算结果加大一倍。

（b）按机筒表面积配置加热功率

NH=q?D0(l?2Di) （3-9） 式中

NH——加热功率（瓦） l——螺杆的螺纹长度（厘米） Di——机筒内径（厘米） D0——机筒外径（厘米）

q——单位表面积上所配置的加热功率，考虑到加热器的使用寿命，可取2.5～3瓦/厘米2，最大不超过4瓦/厘米2 （3）机筒的壁厚

影响机筒壁厚的因素是多方面的，除满足强度要求外，还要充分注意到本身结构及其对成型工艺条件所带来的影响。例如，过薄的机筒虽然温升快、重量轻，但因热容量小，故难于取得稳定的温度条件。反之，厚的机筒不仅结构笨重，升温慢，而且还会因热惯性大，导致温度在调节过程中，产生比较严重的滞后现象。因此，为了使机筒具有足够的热容量和合适的热惯性，根据经验一般取机筒外径（D0）和内径（Di）之比（K）

60克注射成型机注射机构设计 17

为2～2.5。

表3-1 部分机筒的K值

螺杆直径（毫米） 机筒壁厚（毫米） 比 值（K） 34 25 2.47 42 29 2.40 50 35 2.40 65 47.5 2.48 85 47 2.10 110 75 2.36 130 75 2.15 150 60 1.80 在初步确定机筒直径（D0?KDi）后，可根据机筒受力情况，按厚壁筒计算中的能量理论，校核其强度或计算壁厚

3K2机筒的总应力 ?r?p2????

K?1Di?机筒壁厚 ???2??????1??

????3p??式中 p——注射压力（公斤力/厘米2） ???——材料许用应力，

?t——材料在工作温度下的屈服极限（公斤力/厘米2） n——安全系数，一般取2.5～3

我们在这里计算机筒壁厚，螺杆直径Ds=35㎜（即Di=35㎜），注射压力p=1400公斤力/厘米2，机筒材料38CrMoAl（在300℃条件下工作，?t=5750公斤力/厘米2）机筒外径（取K=2.47）

35= 86.45㎜ D0?KDi=2.47×

将其圆整为90mm 机筒壁厚?=

D0?Di90?35==27.5mm

223?2.4723K22?2900机筒总应力 ?r?p2=1400?公斤力/ 厘米22.47?1K?1材料许用应力 ????因?????r，故安全。

?t5750?3480公斤力/厘米2 =

n1.65（4）机筒与螺杆的配合间隙

机筒与螺杆的间隙值时是设计的重要数据，间隙大了，将会使塑化能力下降和注射时熔料回泄量增加，反之，小了又会增加制造方面的困难和螺杆的功率消耗。根据实际使用情况，间隙值一般为0.002～0.005DS。 3.3.3 螺杆的传动装置

60克注射成型机注射机构设计 18

（1）螺杆传动装置的特点

螺杆传动装置是供给螺杆在预塑时所需要的动力和速度的工作部件。注射机螺杆传动装置一般具有如下特点：

（a）螺杆预塑是间歇式进行工作的，因此，启动频繁并带有负载；

（b）螺杆在转动时，出料仅供注射用，对制品无直接联系。而塑料的塑化状况，可以通过调整背压等途径进行调节。因此，对螺杆的转速要求并不十分严格；

（c）传动装置一般设置在注射座架上，工作时并随之往复运动。因此，传动装置要力求简单紧凑。 （2）螺杆的传动形式

目前在注射机螺杆上，愈来愈多地采用液压马达传动。其传动特性软、启动惯性小、不会超负荷工作，对螺杆能起到安全保护作用等。还有其体积比同规格的电动机小得多，传动装置容易实现体积小、重量轻、结构简单的要求（特别是对低速高扭矩直接驱动螺杆的方式）。从动力源的利用来说，由于目前绝大多数注射机的传动采用液压传动，当螺杆预塑时，机器正处在冷却定型阶段，此时油泵处于卸载状态。如用液压马达传动，可方便地得到和合理地使用动力源。液压马达能够在比较大的范围内，并且在螺杆转动过程中实现螺杆转速的无级调节。这点在控制熔料温度的调节系统中和要求精确计量而须对螺杆转速进行程序化设计时是不可缺少的。

本次设计采用一线式单缸驱动，螺杆直接由低速高扭矩液压马达驱动，油缸活塞和螺杆同轴转动。马达输出接一花键轴，再通过传动轴将动力传送给螺杆[4]。如下图3-5所示：

图3-5 螺杆传动装置

（3）螺杆转速和调速范围

螺杆的塑化能力与螺杆的转速成正比。在一般情况下螺杆的塑化能力随螺杆转速的增加而增加。但在较高转速条件下，其塑化能力的增加也非正比增加，有时却相反。这是由于螺杆加料处的摩擦条件在改变，甚至发生加料加不进的现象。此外，螺杆转速又关系到螺杆对塑料的剪切速率和熔料的轴向温差，故对热敏性塑料（PVC等）螺杆转速要低，而对热稳定性好、粘度低的塑料（PS、PE等）需要较高的转速。因此，对螺杆转速的确定，主要根据塑化能力、剪切均化等方面的要求来定。

60克注射成型机注射机构设计 19

根据目前使用情况，对于热敏性（或高粘度）的塑料，螺杆线速度一般在15～20米/分以下。在此我们选V杆=20米/分。在确定螺杆线速度后，可由下式计算出螺杆的转速

n?V （3-10） ?DS式中 n——螺杆最高转速（转/分）

V——允许螺杆的最大线速度（米/分） DS——螺杆直径（米）

n?20?200转/分

3.14?0.035为了在塑化时对不同的剪切作用和平衡注射循环周期中预塑工序的时间，而需要对螺杆转速进行调节。螺杆的调速范围有机器用途决定。 （4）螺杆传动特性及驱动功率的计算

（a）螺杆传动特性

螺杆传动系统的设计，除了转速应能满足使用要求外，另一个重要方面，是它的外特性应该满足负载特性的要求。对液压马达传动系统，一般根据负载最大扭矩来设计。因此，不会出现在高速时产生功率或扭矩不够的现象。因为塑化时的负载均包括在传动系统的外特性之中。

（b）螺杆驱动功率计算

目前注射螺杆常用的计算方法有比能法和经验计算发两种。这里我们采用比能计算法。

螺杆在塑化时所需要做的功，主要用在提高塑料温度即热能上，其次是输送物料所要作的功。如从能量之间的守恒关系，它们之间应符合

NH?NS?QCP(T2?T1)?Q?p?H （3-11） 式中 NH——外加热功率 NS——螺杆驱动功率 Q——螺杆塑化能力 Cp——塑料平均比热

T1、T2——塑料塑化前与塑化后的温度 ?p——塑化时压力增加值 H——能量损失

因注射螺杆塑化时的压力较低，式中因输送物料而需提高压力所做的功（Q?p），相对其它项要小得多。随着压力的增加，熔料焓的增加比较小。如把1公斤的熔料提高一个大气压力，耗能仅约为0.097瓦。如将机筒加热所提供的热量和输送物料所需的能量，合并于能量损失项H中考虑，并设定能量损失为30%，则将上式可简化成螺杆驱

60克注射成型机注射机构设计 20

动功率的近似表达式

NS?GCp(T1?T2)A? ?0.00166Cp(T2?T1)G?0.00166(h2?h1)G （3-12）

式中 NS——螺杆驱动功率（千瓦） Cp——塑料平均比热（千卡/公斤℃） A——单位换算系数，A=860千卡/千瓦?小时 ?——能量损失系数，??0.7 G——螺杆塑化能力（公斤/时） T1——塑化前塑料温度（℃） T2——塑化后塑料温度（℃）

h1——塑化前的塑料热焓（千瓦?时/公斤） h2——塑化后的塑料热焓（千瓦?时/公斤）

如塑料起始温度定为T1=20℃，则可将式（3-8）表示成

NS??H?G? （3-13）

式中 ?H—比能，即塑料起始温度为20℃，塑化1公斤塑料所需的能量（千瓦?时/

公斤）

G—螺杆塑化能力（公斤/时） ?—能量损失系数

计算螺杆驱动功率：螺杆直径DS=35㎜，其塑化能力G=25公斤/时，加工塑料：PS，塑料加工前温度T1=20℃，塑料加工后温度T2=200℃，根据加工温度（20～200℃）和加工塑料为PS，查表得比能?H=0.09千瓦?时/公斤，并取?=0.7代入下式得

NS??H?G0.09?25==3.85千瓦

0.7?3.3.4 喷嘴的设计

塑化后的熔融塑料，在螺杆的压力作用下，以相当高的剪切速度流经喷嘴而进入模腔。当熔料高速流经狭小口径的喷嘴时，将受到比较大的剪切作用，有部分压力经阻力损失而转变成热能，使熔料温度得到提高。同时，还有部分压力能将转变成速度能，使熔料高速射入模腔。在压力保持阶段，还需有少量的熔料经喷嘴向模内补缩。可见喷嘴设计是否完善，会影响到注射熔料的压力损失、剪切热的多少、补缩作用的大小和射程的远近。

（1）喷嘴结构形式

喷嘴形式主要塑料的特性和用途来定。对于粘度高、热稳定性差的硬聚氯乙烯适宜用流道阻力小，剪切作用小的较大口径的开式喷嘴；对低粘度结晶型塑料用带有加热的

60克注射成型机注射机构设计 21

锁闭型喷嘴为好。而对薄壁复杂形状的制品要用小直径远射程的喷嘴；反之，厚壁制品最好用较大直径的补缩性能好的喷嘴。

根据常用的喷嘴，基本上可将它分为开式喷嘴和锁闭喷嘴以及特殊用途的喷嘴三种类型。开式喷嘴结构简单、压力损失小、补缩作用大、不易产生滞料分解现象。因此，主要用来加工高粘度塑料，如硬聚氯乙烯、聚碳酸脂、有机玻璃、聚苯醚以及一些增强或填充塑料。由于这类喷嘴易于产生“垂延”现象（即预塑时熔料从喷嘴口流出）。“垂延”不仅使原料大量浪费，而且还会给工艺操作和实现机器自动化方面带来很多不便。为此，在一些机器上，设置了在螺杆预塑停止后，再作微小的轴向后移（后移量根据实际需要可进行调整），使喷嘴处的熔料压力获得解除，克服了因压力不平衡而引起的“垂延”现象。

喷嘴头部形状多数为球形，但也有平头。喷嘴头与模具的主浇套应有良好配合。喷嘴部分的加热，可按每平方厘米的表面积为2瓦配置加热器。喷嘴安装后的中心和模板定位圈孔对中，允差一般不朝过?0.15㎜。 （2）喷嘴的口径

喷嘴口径关系到熔料的压力损失、剪切发热及其补缩作用等。根据熔料流经喷嘴口径时的流率与压力之间的关系

q??p （3-14） K?aK?128(L1?4d) （3-15）

?d4式中 q——熔体流率 ?p——压力降 ?a——熔体表现粘度 K——口模常数 d——喷嘴口径

L1——喷嘴口径处的长度

熔体流经喷嘴时剪切率与流率的关系

r=

?32q （3-16） 3?d式中 r——剪切速率 q——熔体流率 d——喷嘴口径

从式（3-10）和式（3-12）可知，如熔料的流率（注射速率）不变，则塑料流经喷嘴口径处形成的压力降及剪切速率同口径三次方成反比。加工时，由于对不同塑料所允许施加的剪切速率不同，如对高粘度热敏性塑料施加的剪切速率要低于一般塑料。如根

?60克注射成型机注射机构设计 22

据塑料性能需保持一定的剪切速率，则注射速率与喷嘴直径三次方成比例。因此，喷嘴口径可参照下式进行计算

d?k13q （3-17）

式中 d——喷嘴口径

q——注射速率（厘米3/秒）

k1——有塑料性能决定的待定系数，对热敏性、高粘度塑料取0.65～0.80；对一般

性塑料约0.35～0.40 又因

?DS2S?kDS3? q? （3-18） 4?i4?i式中 S——注射行程 ?i——注射时间

k——注射行程与螺杆直径之比

由式（3-13）与（3-14）可知，喷嘴口径应与螺杆直径成比例，根据实际经验：对于高粘度塑料，喷嘴口径约为螺杆直径的1/10～1/15；而中、低粘度的塑料1/15～1/20。

该设计中喷嘴口径定为?2.5mm。如图3-6所示：

图3-6 喷嘴

3.3.5 注射座的设计

注射座是用来连接与固定塑化部件、注射油缸、移动油缸等的重要结构零件或组件，是注射装置的安装基准。一般说注射座比其它零件，形状要复杂，加工制造精度要求较高。因此，在设计时它的结构工艺性就显得十分重要[5]。 （1）注射座结构设计

此设计采用组装式结构，如图3-7所示

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图3-7 注射座的形式

（2）注射座的转动装置

在更换螺杆或杆修时，经常需要拆卸螺杆。由于机筒前端装有模板，给装拆螺杆带来不便。因此，在较多的机器上，将注射装置设计成可转动的结构，或从塑化装置后部拆卸螺杆。

小型机器的注射座可用人力搬转，较大的机器则需要单独设置传动装置（如液压油缸之类）搬转注射座。

（3）移动注射座的推力（拉力）

移动注射座一般采用液压缸。油缸的推力，除应能克服注射座在移动过程中的阻力外，还须保证注射座在注射时不会产生回退现象。一般说后者所需的力，远大于运动阻力。据有关资料推荐，为使注射座在注射时不后退，假设作用于主浇套上的熔料压力即为注射压力，则移动油缸的推力为：

P??4d02?p （3-19）

式中 P——移动油缸推力（公斤力） d0——主浇套直径（厘米） p——注射压力（公斤力/厘米2）

3.3.6 加料计量装置

螺杆式注射装置的加料计量装置只有料斗和螺杆行程计量控制两部分组成。螺杆的计量有螺杆预塑时的行程来度量的，因此对螺杆式只需控制好影响熔料密度的工艺条件（背压、塑化温度等）和行程，就可以实现高精度的计量。

60克注射成型机注射机构设计 24

4 合模装置

4.1 合模装置简介

合模部分位于机器床身的左侧，它由后模板、动模板、前模板、拉杆、顶出油缸等

组成。后模板上的合模油缸带动合模装置使动模板在四根拉杆上移动，完成合模和启模动作。在动模板的下侧床身上，装有可调节的导轨平台，用以减少动模板与拉杆之间的磨损。

本机采用的合模机构为五支点直排式肘杆机构-液压合模，它较之于一般的机械合模机构具有扩力比大、开合模速度快、刚性好、锁模性能可靠、运动特性优良等特点，尤其是肘杆距死点越近时，动模板移动速度越慢，因此可以达到冲击力小而压力大的效果。

自动调模装置由安装在后模板上的液压马达、调模齿圈和安装在拉杆上的调模齿轮组成，它可以根据要求使后模板向前或向后移动，以适应各种厚度的模具。模间距调节完毕后，根据不同的工艺要求调节锁模力。在设计时，对最大锁模力留有一定的安全余量，考虑到机器的使用寿命和安全生产，一般不易经常在锁模力最大的情况下工作，更不可将锁模力调到其允许的最大值之外。

合模时，高压油进入合模油缸使油缸活塞推动杆向前移动，在肘杆和牵连杆的作用下，推动动模板在四根拉杆上向前移动，从而完成合模动作。同样，当合模油缸在高压油的作用下向后移动，完成开模动作。 （1）设计中对合模装置的要求

合模装置是保证成型模具可靠的闭紧和实现启闭动作及顶出制品的部件，因此，合模装置性能的好坏，直接关系到成型制品的质量和数量。一个比较完整的合模装置，应满足在规定的注射量范围内，对力、速度、安装模具与取出制品时的空间位置这几方面的要求。同时，系统要有足够的合模力和系统刚性，保证模具在熔料的压力作用下，不产生溢料现象。

（2）合模机构对能耗的影响

目前由于注塑机在注射装置上普遍采用了螺杆，所以在注射参数接近的情况下，其能耗也是接近的。因此，合模装置在很大程度上决定着机器的总能耗。肘杆机构因具有力的放大作用，使用的油缸直径远小于液压式，其合模力又是以机构预变形来实现，即使卸去油泵压力，也能锁紧模具。 （3）机器机构与成本

肘杆式零件多，如肘杆、模板一类的零件，加工精度要求高，结构复杂，还需要单独设置调模和润滑系统。液压式虽然本身结构简单，但由于需要的液压系统和电器系统比较复杂，这样所形成的实际成本对中小型机器来说要高于肘杆式。

60克注射成型机注射机构设计 25

4.2 肘杆机构设计

肘杆机构的设计包括：机构草图的确定；根据一定的合模装置的基本参数进行肘杆机构的优化；根据肘杆各构件的受力和强度条件，设计各构件的截面尺寸。、

在设计肘杆机构时，经常希望机构在保证模板行程的要求的前提下，所占据的轴向位置尺寸要小；机构具有高的运动速度和平稳变速以及力的放大能力。而这些要求与机构的几何尺寸和位置有着密切关系。若机构允许，应尽可能地缩短中间杆长度和后连杆两孔间的距离，后连杆夹角通常取70°～90°，这样设计的肘杆系统具有比较合适的开模力和整个机构的外形尺寸，杆长比λ一般取0.75～0.85。采用五孔直排式。

由以往的设计经验及参考资料，初定肘杆机构运动图及其各项参数如图4-1所示：

图4-1肘杆机构运动简图

L1=135㎜，L2=165㎜，L3=58㎜，L4=70㎜，L5=116㎜ 肘杆机构的运动分析 （1）肘杆机构的运动行程：

Xcmax?L1cos?min?L2?L1?L2=300㎜

Xcmin?L1cos?max?L21??2sin2?max （2）肘杆机构力的放大能力：

??arcsin[e?LBDsin(???)]/LAB?arcsin[121?116sin(3.76??28.1?)]/70?58.6? M?Pm/Po?LBD?sin(?????)?cos?/[L1sin(???)?cos?] 从图所示几何关系可知：

2L1sin(???)?LCDsin??[L1cos??L2?(Lsin?)]sin? 212sin??L1sin?/L2 cos??L22?(L1sin?)/L2

2?(Lsin?))] 所以： M?LBD?sin(?????)/[L1sin(???)cos?(1?L1cos?/L221 ?LBDsin?(????)L1/[??(1??)c?os ] =116sin(3.76??28.1??58.6?)/[135×（1+0.818）cos58.6?（3.76°/57°）

60克注射成型机注射机构设计 26

=13.8 合模油缸推力的确定

对于以定的肘杆机构，在一定的油缸推力作用下，对肘杆机构进行预测，可出现以下三种情况：Pm?Pc、Pm?Pc、Pm?Pc三种工作状态。在生产上出现前两种情况而锁不紧模具时，可通过减少机构的预调量或提高油缸的推力等办法解决。总之，若要是肘杆机构产生所要求的合模力，机构必须有足够的移模力，克服其变形阻力。考虑到摩擦、制造与安装精度以及计算所带来的误差。因此，肘杆工作的正常条件是Pm?Pc。

机构在克服变形阻力最终实现合模力的过程中，油缸付出的动力大小将随机构放大能力的改变而改变。因此，既油缸所需推力在合紧模具的过程中是变化的，并且存在一个最大值。根据双曲轴放大倍数的计算公式以及机构变形力简便计算公式：

Pc?L1(1??)C?(?02??2) （4-1） 2L1(1??2)C?(?02??2) 并令Pm?Pc，可求得油缸推力P0?2以上计算是以角位移（α）表示的形量，因此计算过程比较复杂。所以可以用计算机进行处理，既进行程序优化设计，计算机程序如下：

图4-2 程序框图

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5 床身设计

床身的主要功能：支撑注射装置和合模装置。安装液压系统、冷却系统和电气系统。

5.1 床身总体布置

5.1.1 床身的布置

床身的布置常采用分离式和整体式两种。

分离式是指床身的各主要部分，如油箱、油路、电气箱等各部分都是各自独立成一体，相互之间无联系。整体式是电气箱移出床身外侧（或独为一体）。一般情况下，采用电气箱移出床身外侧居多，油路与油箱成为一体，或油箱铺设于床身最底层。本次设计采用整体式床身。 5.1.2 安全装置的确定

为保证人身安全和设备安全防止违章操作，在注射机安全门装置中常采用右行程开关和换向阀联合组成的电器——液压安全连锁机构。对于工作部件位置要求严格的地方，采用各种行程阀、行程开关以及限位开关。在不允许两个工作部件同时动作的地方应具有自动互锁，防止误动作，对于因油泵突然停止供油而引起事故的回路应增设蓄能器。

在通常情况下，安全门的开放状态时由床身外侧所安装的电动行程开关来实现的。

5.2床身上各部件设计

5.2.1 油箱的设计

油箱的用途是保证供给系统充分的油液，同时具有散热、沉淀油液中的杂质、分离油中的空气等作用。

油箱按布局分为整体式和分离式两种。总体式油箱结构紧凑，但散热不利，会降低加工设备的精度。分离式油箱是设置一个与加工设备分开的油箱，这是常用的一种油箱，它的上部设置有通气孔，使油箱油面与外界大气相通，油箱上保持零压。塑料机械、液压系统多采用分离式油箱。

油箱也有开式与密封式之分。开式油箱上部设置有通气孔，使油箱油面与外界相通；密封式完全密封，用小型空气压缩机，把压缩空气充入储气罐，经滤清、干燥、减压后通入油箱最高油面上。在油箱顶部装设安全阀，以保证油箱中压力不超过规定值，其调整压力常取0.07～0.15Pa。采用这种油箱能使油泵进口压力为正压，防止油泵产生空缺现象。塑料机械液压系统多采用开式油箱。

本次设计采用整体式、开式油箱。

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6 电器控制系统

本次设计的注塑机控制任务：1、注塑过程的顺序控制；2、料筒温度的温度控制。下面分别给予详细说明控制原理。

6.1 注塑过程的顺序控制

顺序控制的目的就是要完成上述介绍的工艺流程，让注塑机有条不紊地按照微机的命令工作。工艺流程中每个工序到位的检测是通过行程开关作为传感元件的，行程开关的状态（开、关）就代表每个工序是否到位；而检测出来的状态通过光耦输入给计算机，经过逻辑运算处理后，再输出控制信号去作用于具体的阀，开闭相应的某个阀就可以让注塑机实现相应的动作。

表6-1 电平变化表

接近开关 状态（A点） 微机输出（C点 A +5V 0 B 0 +5V C +5V 0 +12V 0 电磁阀（D）得电 D 0 E +24V 备注 微机读取接近开关的状态信息是反向的 电磁阀（D）失电 表6-2 行程开关的作用

1X 3X 4X 5X 7X 9X 位移传感器 说 明 安全作用，关上安全门才能闭模 模板闭紧，注射开始 切断D1电源，移模慢速 开模结束 预塑停止，进行冷却 注射完毕，开始保压 检测位移量 表6-3 注射工艺与电磁阀的对应关系

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电磁阀 注塑工艺 快速闭模 慢速闭模 注射 保压 预塑 慢速启模 快速启模 启模停止 注释 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8 D9 接近开关状态 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + 1X=1 4X=1 3X=1 9X=1 7X=0 4X=1 4X=0 5X=1 “+”电磁阀得电，“1”触点接通，“0”触点断开 顺序控制共用了六个接近开关，输出的控制点为九个电磁阀和一个比例流量阀及一个比例压力阀。接近开关和位移传感器的作用见表6-2。

从表6-3可看出，注塑机整个顺序控制的要求是：检测工序到位后，注塑机就应该打开相应的阀执行下一个工序，顺序控制是检测状态（接近开关）和输出状态（电磁阀）的过程[6]。

6.2 料筒温度的闭环控制

在注塑机中，料筒温度控制是十分重要的。如果温度过高，料筒中的塑料会发生分解而变质；如果温度过低会使塑料塑化不良，流动性变差，制品成型不好。

在注射过程中，料筒的温度是分段控制的，以便逐段加热，避免加热过分激烈，而引起塑料的粘度变化，发生填充不良现象。料筒温度分布状况如图6-4

图6-4 料筒温度分布

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图6-5 耦合系统

料筒外加热器采用分三段加热，每一段装一组加热线圈，有一相电源加热。在每段几何中心安装一个温度传感器检测温度，温度要求稳定在设定值附近，使偏差在?1℃范围内。

我们可以把料筒看作一个三输入三输出的耦合系统，系统如图6-5所示。其中第i段温度可用式(6-1)表示：

Ti(t)?3?hu(t) i=1,2,3 (6-1)

ijjj?1每一段的温度，不仅取决于本段的设定值，而且其它段的温度对它也有一定的影响。但是由于料筒一般采用定值控制，且误差范围不大，这种影响可近似看作定植，这样系统就可简化为三个独立的单输入单输出环节。每个单输入单输出环节的对象是由加热器、料筒和熔料组成的，其传递函数从理论上推导比较复杂，可采用测试法建立其数学模型，被控对象的阶跃响应曲线如图6-6所示。根据图示曲线，用一阶惯性环节家纯迟延来拟合，则被控对象的传递函数为：

G(s)?K??se （6-2） 1?Ts6.2.1 料筒温度控制方案

温变模块把由于温度变化而引起铂热电阻的变化转换成标准的点信号输出，单片机经采样电路得到该信号，然后进行A/D转换，采用PID算法求出控制量，计算机通过PWM输出控制信号，经驱动电路控制固态继电器（SSR）的直流端，通过调节给定周期中SSR的通断次数比，来控制加热线圈上的输出功率，从而达到控制温度的目的。由于采用SSR实现了强电（加热垫圈部分）与弱电（微机部分）的光电隔离，因此系统的抗干扰能力得以增强，工作可靠性好，简化了控制及辅助装置。

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图6-6 螺杆加热系统阶跃响应图

料筒温度闭环控制框图如图6-7所示

图6-7 温变闭环控制框图

（1）温度传感器：

热电阻传感器主要是利用温度变化时传感器电阻发生变化的原理测量温度，这种温度传感器在常温和较低温区范围内有比热电偶更高的灵敏度，常用于（-200——650℃ ）内的温度测量。

由于注塑机的温度范围一般在200℃～400℃之间，可采用应用最为广泛的铂热电阻测温，铂热电阻的测温范围-200℃～+500℃，它在氧化性介质或高温中有较好的物理和化学稳定性，因此，利用铂金属制作的铂电阻温度传感器有较高的精度，热电偶测温范围为-200℃～+1300℃（镍铬-镍硅），对注塑机的温度范围来说，铂电阻测温也比热电偶精度高。另一方面热电偶测温时还得需要温度冷端补偿，这会增加硬件系统和软件编程的难度。热热电阻测温就较方便。铂电阻的主要技术参数有：

（a）铂电阻温度与电阻的关系

在-200～0℃范围内，铂电阻的电阻值Rt与温度t的关系为式（6-3）

Rt?R0[1?At?Bt2?C(t?100℃）t3] （6-3）

在0～800℃范围内，Rt与t的关系为式（6-4）

Rt?R0(1?At?Bt) （6-4）

2式中 Rt——温度为t℃时的铂电阻的电阻值 R0——0℃时铂电阻的电阻值

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A、B、C分别为常数，其值为：

A=3.90802×10?3/℃ B=-5.802×10?7/℃ C=-4.27350×10?12/℃

满足上式的铂电阻，其温度系数为： ?=3.850×10?3/℃ （b）电阻值

铂电阻温度传感器的精度与铂丝的纯度有关，通常用电阻比R100/R0来衡量铂丝的纯度，其中R100和R0分别为铂电阻传感器在100℃和0℃的电阻值。IEC标准规定时的电阻值分别为两种：100?和10?，其中，优选值为R100/R0=1.3850。铂电阻在0℃

100?。0℃时电阻值为10?的铂电阻传感器一般用于600℃温度以上的测量。 （2）温变模块

温变模块的作用就是把非电量信号变换成电信号。该模块把由于温度变化而引起的铂热电阻的变化，转换成4—20mA的电流信号输出。再由I/V转换电路将电流信号转换成1～5V的电压信号，直接输入到单片机的A/D输入端。 （3） 固态继电器（SSR）

固态继电器（SSR）是一种电子开关，无触点工作，避免了负载电流频繁通过触点造成损坏，故使用寿命长，隔离性能好；输出端与外壳间高绝缘，输入端和输出端之间采用光电隔离耦合，避免了输出功率负载对输入逻辑电路产生影响。因此SSR既有微弱控制信号的传递和转换作用，同时又起光电隔离器件的作用，避免强弱信号的串扰，从而使控制装置工作可靠，抗干扰能力强。

温度控制输出由交流固态继电器完成，通过调节SSR在给定周期内，输出端导通与关断的次数比，来控制输出功率。当在SSR输入端加直流或脉冲信号时，输出端输出相对于输入端为导通或关断状态。 6.2.2 PID控制算法

尽管近些年来现代控制理论有了很大进展，并在实践中取得了一定的经济效益。但工业控制中最常见的数字控制器仍然是数字PID（比例-微分-积分）控制器。这是因为这种控制器结构简单、调整方便，更重要的是该控制器稳定性好、可靠性高、系统设计调整并不要求过多的受控对象的先验知识，具有较强的鲁棒性。所以PID控制算法在工业控制中仍然占有很大比重。

化工过程中温度控制要防止出现超调现象，已避免化合物发生聚变，简单地限制PID调节器的输出在规定的范围内，虽然能缓和积分饱和的影响，但并不能真正地消除系统的残差。为了防止出现积分饱和和超调现象，我们采用了PID算法的改进形式——增量式变速积分PID控制算法。

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（1）理想PID算法及其增量式

PID算法推导如下：

在模拟调节系统中PID控制算法的模拟表达式为：

u(t)?kp[e(t)?1de(t) ?e(t)dt?Td] （6-5）

Tidtu(t)——控制量；

e(t)——系统的控制偏差；

kp——比例增益，kp与?成倒数关系，即kp=1/?； Ti——积分时间；

为使程序实现PID控制，必须将微分方程式离散化为差分方程，为此可作如下近似：

t=kT (6-6)

?e(t)d?tk?j?0T(e ) j (6-7)

de(t)e(k)?e(k?1)? (6-8) dtT式中 T——采样周期。

为使算式简便便把e(kT)计为e(k)。

理想PID算式的表达式有三种形式，即位置式、增量式和速度式。增量式是计算机进行PID运算后输出的是调节阀的开度的增量（改变量），增量式PID控制的特点是不易产生积分失控，误差动作小。

将式（6-6）、（6-7）、（6-8）代入（6-5）可得差分方程

T u(k)?kp{e(k)?Ti?e(j)?j?0kj?0kTd [e(k)?e(k?1)]} （6-9）

Td或u(k)?kpe(k)?ki ?e(j)?k[e(k)?e(k?1)] （6-10）

式中 u(k)——t?kT时的控制量；

ki?kd?kpTTiT——积分系数； ——微分系数；

kpTD计算机进行PID运算后的输出增量为相邻量词采样时刻所计算的位置之差，即

?u(k)?u(k)?u(k?1) （6-11）

由式（6-10）可知

u(k?1)?kpe(k?1)?ki?e(j)?kd[e(k?1)?e(k?2)] （6-12）

j?0k?1

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由式（6-10）减去式（6-12）得

?u(k)?kp[e(k)?e(k?1)]?kie(k)?kd{[e(k)?e(k?1)]?[e(k?1)?e(k?2)]}

=kp?e(k)?kie(k)?kd[?e(k)??e(k?1)] （6-13） 式中?e(k)?e(k)?e(k?1)

式（6-13）就是理想PID控制算式的增量式，其输出?u(k)就是阀位的增量。增量式需保留现时以前三个时刻误差e(k),e(k?1),e(k?2)。 （2）变速积分PID算法

积分项对稳态精度起决定作用，通常通过增大积分时间系数Ti来提高稳态精度，但

Ti作用太强进行启动或阶跃输入值变化太大时，使超调量较大，甚至引起振荡。因此采用变速积分PID算法。

在理想的PID控制算法中，由于积分系数ki是一个常数，所以，在整个控制过程中，积分增量不变。而系统对积分项的要求是，系统偏差大时积分作用减弱以至全无，而在小偏差时则应加强，否则，积分系数取大了会产生饱和，取小了又不能消除静差。因此，根据系统的偏差大小改变积分的速度，这对于提高调节品质是有益的。

一般PID算法的改进形式变速积分PID算法其基本思想是设法改变积分项的累加速度，使其与偏差的大小相对应：偏差越大，积分越慢，反之则越快。

为此，设置一系数f[e(k)]，它是e(k)的函数，当e(k)增大时，f减小，反之增大。 变速积分PID的积分项表达式为

ui(k)?ki{ ?e(k)?f[e(k)]e(k)} （6-14）

j?0kf与偏差当前值e(k)的关系可以是高阶的或线性的，如设其为

?1????????e(k)?B??4?e(k)?Bf[e(K)]?????B?e(k)?A?B

A??0????????e(k)?A?B?f值在0～1区间内变化，当偏差大于所给分离区间A+B后，f=0,不在继续进行累加，即不在加当前值e(k)；当偏差e(k)小于B时，加当前值e(k)，即积分项变成了与一般PID积分项相同，积分动作达到最高速（全速）；而当偏差e(k)ui(k)?ki?e(j)，

j?0k在B与B+A之间时，则累加进的是部分当前值，其值在0～e(k)之间随e(k)的大小而变化，因此其积分速度在ki?e(j)ki与ki?e(j)之间。将式（6-14）代入式（6-10），可

j?0j?0k?1k得变速积分PID算法的完整形式如下：

u(k)?kpe(k)?ki{?e(j)?f[e(k)]e(k)}?kd[e(k)?e(k?1)] （6-15）

j?0k?1

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其算法流程图如图6-8所示

图6-8 变速积分PID算法流程图

由式（6-13）和式（6-14）可得到变速积分PID算法增量的表达式为

?u(k)?kp?e(k)?fkie(k)?kd[?e(k)??e(k?1)] （6-16）

变速积分PID算法具有如下一些优点：、 （a）完全消除了积分饱和现象；

（b）大大减小了超调量，可以很容易地使系统稳定；

（c）参数整定容易，各参数间的相互影响减小了，而且对A、B两参数要求不精确，可做一次性确定。

适应能力强，某些用普通PID控不理想的过程可采用此种算法。

式（6-16）是软件设计和编程的依据。 （3）脉宽调制（PWM）输出原理及特点

在一个采样周期T中，根据温度偏差离散值e(n)计算得到SSR导通与截止的比率，再经SSR来控制加热线圈的加热功率，对料筒加热段进行脉宽调制（PWM）输出，达到调节料筒温度的目的。输出功率与控制信号具有线性关系，因此只要改变每个采样周期T内，电源接通与切断的时间比，就能够达到调节输出功率的目的。该方式控制及辅助装置简单，对控制信号要求不高，而且容易实现。

PWM控制模块流程如图6-9所示

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图6-9 PWM控制模块原理图

根据香农（Shannon）采样定理给出了选择采样周期的上限，即T?为采样信号的上限角频率。

?，式中?max?max采样周期取为T=1s,触发导通周期tR?20ms。uj(n)为温度控制通道j在采样时刻n的控制量，Pj'为对应于温度控制通道j的料筒加热段的最大加热功率。Tj'为该加热段温度的设定值，Tj(t)为该加热段的实测温度。Rj为温度控制通道j在每个采样周期T中的触发脉冲次数，即SSR导通次数，Nj为温度控制通道j 的SSR在每个采样周期T中的截止次数

PID算法中，uj(n),Rj,Nj选用规则如下：（?取10℃） （a）Tj(t)???Tj'即ej(n)??，则采用全功率加热。 即uj(n)?Pj',ej(n)?ej(n?1)?ej(n?2)?0,Nj?0,Rj?50；

（b）Tj(t)?Tj'??,即ej(n)???uj(n?1)?0，取uj(n输出低电平，)?0则SSR断电截止，即ej(n)?ej(n?1)?ej(n?2)?0,Nj?50,Rj?0； （c）实测温度Tj(t)在?范围内，即???ej(n)???时

①采用PD控制：

若uj(n?1)?umax，取uj(n)?Pj'且ej(n)?0，则Nj?0，Rj?50； 若uj(n?1)?0，取uj(n)?0且ej(n)?0，则Nj?0，Rj?50； ②采用PID控制： 若umin?uj(n)?umax；

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或uj(n)?umin取uj(n)?0且ej(n)?0； 或uj(n)?umax，取uj(n)?Pj'且ej(n)?0；

则uj(k)?uj(k?1)?kp?e(k)?kie(k)?kd[?e(k)??e(k?1)]

uj(k)，Nj?50?Rj Rj?50?Pj（4）参数整定

实际调节PID控制算法时可采用工程整定法中的扩充临界比例度法（又称稳定边界法），它是基于纯比例控制系统临界振荡试验所得的数据：临界比例带?cr和临界振荡周期Tcr，利用齐格勒-尼科尔斯（Ziegle-Nichols）经验公式，求取调节器最佳参数值。其整定公式如下表6-10所示。

表6-10扩充临界比例度法参数整定计算公式 整定参数 ? 调节规律 P PI PID 2?cr 2.2?cr 1.67?cr Tj Td 0.85Tcr 0.50Tcr 0.125Tcr （a）置调节器积分时间Ti到最大值（Ti=∞），微分时间Td为零（Td=0），比例带δ置较大值，使控制系统投入运行。

（b）待系统稳定后，逐渐减小比例带，直到系统出现如图6-11所示的等幅振荡，即所谓临界振荡过程。记录下此时的比例带?cr（临界比例带），并计算两个波峰间的时间Tcr（临界振荡周期）。

（c）利用?cr和Tcr，按6-10给出的相应计算公式，求调节器整定参数δ、Ti、Td的数值。

图6-11 系统的临界振荡过程

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7 安全保护装置

本机为了保证机器的正常运行和安全生产，分别设有各级安全保护：

（1）安全保护门：在合模机构的两侧，装有为保证操作工人安全生产的安全门。当打开安全门时，其上的机构便能触动行程开关，使液压系统卸荷，从而保证模板不产生误动作，保护了操作者的安全。

（2）模具保护报警装置：在合模机构上设有合模保护报警装置，在合模过程中，如果有外来物件嵌在两模具的平面之间，则在规定的时间内合模动作不能结束，次时，电喇叭发出白净报警信号，同时，合模油缸卸荷，起到了保护模具的作用。

（3）温度报警装置：使用时，为了保证机器的正常运行，当油温超过了预定值55℃时，报警信号响起，提醒操作者注意检查冷却系统是否正常工作。

（4）预塑缺料报警装置：在预塑过程中，如遇缺料，则在规定的时间内螺杆不能退到预定的位置，电喇叭就发出信号，提醒操作者及时加料。

（5）螺杆冷启动保护装置：本机设有螺杆冷启动保护装置，以避免螺杆在冷料的情况下启动，从而损坏预塑部分的机械结构，它由时间继电器的延时来达到控制，可根据不同塑料的性能通过时间继电器来调整。

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8 机器的维修与保养

为了保证计算机能正常、平稳的工作，延长机器的使用寿命，应经常对机器进行维修、保养。

（1）机器应保持清洁。定时进行维修与检查，对磨损的零件及时予以修复与更换，以保证机器正常工作。

（2）停机休息时，应将各控制按钮拨在其相应停的位置，以免开机时突然动作。 （3）经常检查自动润滑系统，应使其油路畅通，油箱保持充满润滑油。 （4）每班工作前对各排自动润滑点加一次油，以减少各相对运动件的磨损，以利于机器的正常运行。

（5）应注意油泵电机的工作情况，其油温一般不超过55℃。 （6）应注意使用时勿使冷却水滴漏到油箱内。 （7）工作油压最高不超过140千克力/平方厘米。

（8）油箱中应保持一定的工作油，机器初次使用时应将油箱和滤油器清洗干净，注入的液压油应经过过滤。

（9）液压油应每隔半年清理、更换一次。

（10）为了减少合模机构的衬套在导柱上的磨损，应定期对其下的滚轮进行检查和调节。

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结 论

四个月的毕业设计即将结束，这段时间里我们以严谨、求实、科学、探索的态度设计了这台注塑机。这台注塑机在机械部分、液压传动部分、电器控制部分都有所改进，机械部分基本上采用了以前的经验，电器控制上采用远程控制，这些都提高了整机性能，简化了设计的结构尺寸。安全装置上，采用多级保险，增加了安全性，特别是控制部分，从逻辑及模拟量上加以控制使机器具有更高的自动化性能。整体结构上，达到了美观、简单、易操作等要求。

但由于设计者水平有限，难免有遗漏、错误之处，请大家给予指正。在本次设计中，我们学到了许多课本以外的东西，巩固了基础知识的学习，同学之间的相互探讨以及自己独立的思考使我受益匪浅。

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致 谢

毕业设计是我们大学阶段最后一个教学与实践相结合的环节，是对我们大学期间所学知识的一次综合检验，通过本次设计，可以使我们对所学知识进一步巩固与理解，对于我们以后的工作、学习都将起到巨大的促进作用。

本次毕业设计经过徐元昌、张航伟老师的精心指导，使得本次设计得以顺利进行，并取得预期的效果。在此次设计中也得到了图书馆和资料室的大力支持，在此致以衷心感谢！

本书着重对60克注塑机注射装置进行介绍，其余装置,如合模装置、床身装置、控制装置润滑部分的设计可参考其他同学的设计.

由于设计时间紧迫，设计者水平有限，设计中难免出现错误和不妥之处，真诚希望读者提出批评建议，加以指正。

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参 考 文 献

[1]北京化工学院，华南工业学院.塑料机械设计[M]轻工业出版社,1983. [2]濮良贵，纪名刚，机械设计[M].北京；高等教育出版社,2003：100-108. [3]联合编写组.机械设计手册[M].北京；机械工业出版社,1993.

[4]北京化工学院，华南工业学院.塑料机械液压传动[M]轻工业出版社,1983. [5]刘朝儒，彭福萌，高政一.机械制图[M].北京；高等教育出版社，2002：520-534. [6]张翠花.注塑机注射速度分级控制[D].咸阳；陕西科技大学,2003. [7]周开勤.机械零件手册[M].北京；高等教育出版社,2004：55,63,121.