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K型热电偶

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压塑成型过程测控实验系统的设计与应用

来源:www.wqhhs.com作者:发表时间:2019-10-12

    摘 要: 针对大连理工大学材料成型及控制工程专业对数字化制造领域的人才培养目标,利用位移、压力、温度等传感器采集材料成型过程参数,通过 PLC 进行信号转换和输出控制,实现了压塑成型过程测控实验系统的设计。基于此实验系统,分析了覆膜砂压塑成型过程中速度、压力、时间和温度对其抗拉强度的影响。该系统将检测与控制原理引入材料成型实验,加深了学生对材料成型过程检测与控制概念的理解。

    材料成型及控制工程是机械工程与材料科学与工程的交叉学科,也是数字化制造和智能制造技术( 如 3D 打印) 的主要学科。该学科培养能在机械制造、模具制造、快速成形制造等领域从事科学研究、应用开发、工艺与设备的设计、生产及经营管理等工作的高级工程技术人才和管理人才。

    随着传统制造业不断吸收机械、电子、信息、材料及现代管理等方面的最新成果,当今制造技术正在向自动化、集成化和智能化发展。其中,基于检测和控制的自动化技术在先进装备制造业领域的应用越来越广泛,可以很大程度地降低劳动成本,并显著提高产品质量。因此,大连理工大学材料成型及控制工程专业作为全国工程教育认证专业、国家级特色专业、辽宁省本科示范性专业,针对本专业对该领域的人才培养目标,开设了材料成型过程检测与控制应用型综合实验课程体系,包括基础实验和扩展及创新实验两部分。本文是为优秀本科生和部分硕士研究生研发的扩展和创新实验课程内容,该课程将检测与控制原理引入覆膜砂压塑成型过程,利用位移、压力、温度等传感器采集成型过程参数,通过 PLC 进行信号转换和输出,实现了压塑成型过程的计算机实时检测与控制。该实验系统集成了模具设计、电路设计、PLC 程序设计、实验方案设计于一身,针对典型压塑成型过程,实现了机电一体化测控集成应用技术的实训,加深学生对材料成型过程检测与控制原理和应用的理解。

    1 系统整体设计
    压塑成型过程测控实验系统的整体设计如图 1所示,包括软件系统设计和硬件系统设计。软件系统由 PLC 编程软件 PLC_Config 和万能试验机控制软件 Smart Test 组成,利用 PLC_Config 编译温度测控程序,利用 Smart Test 实现对速度、压力的检测与控制。硬件系统包括成型模块、检测模块和控制模块。成型模块由万能试验机通过控制过程参数实现模具内的压塑成型。检测模块负责采集各类传感器产生的电信号,并将电信号转换为对应的物理量值。控制模块与检测模块实时通讯,根据采集的参数控制输出。

 

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    2 模具设计
    覆膜砂是指在造型前砂粒表面覆有一层固体树脂膜的型砂或芯砂,主要采用优质天然石英砂为原砂,热塑性酚醛树脂,乌洛托品及增强剂为辅料。如图 2 所示,覆膜砂受热时包裹在砂粒表面的树脂熔融,在乌洛托品分解出的亚甲基的作用下,熔融的树脂由线性结构迅速转变成不熔的体型结构,从而使覆膜砂固化成型。

    非金属材料受迫成型方式主要有三种,包括注射成型、挤出成型和压塑成型。其中,压塑成型是将成型材料放置在密闭的模具中,通过简单的加热和加压实现固化成型的方法。这种技术中模型不易形变,性能均匀,无需浇注系统,与本次选用的覆膜砂材料相匹配,因此根据压塑成型的特点设计模具。如图 3 所示,该模具结构简单、脱模方便、成本低、加工难度低、节省材料且有利于温度控制。

 

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    3 检测与控制模块设计
    该实验系统中需要检测的参数有速度、压力和温度。速度可由位移间接计算得出,先由增量式编码器检测出位移值,并计算出位移变化率,即挤压速度。压力的检测采用压力传感器,并通过变送器将电信号转换为模拟量信号。温度的检测采用 K 型热电偶,其测温范围宽、精度高、响应时间快,使用方便[9]。

    该实验系统中需要控制的参数同上,其中速度与压力的控制可通过 Smart Test 软件界面设定,通过设定脉冲输出频率控制速度,通过比较实际压力与设定压力的关系控制运动状态。该系统的温度控制较简单,因此采用开关控制策略,通过固态继电器实现直流控制交流的加热方案。程序如图 4 所示,其中 VD20 表示当前传感器所测的温度值; >R 和< R 为比较指令,作用是比较指令上下两个实数的大小,并根据比较结果控制能流状态; R 指令为复位指令,作用时实现复位功能; S 指令为置位指令,作用时实现置位功能。

 

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    该实验系统的主控器采用大连理工计算机控制工程有限公司的 MAC 系列控制器,该控制器可以进行程序开发、数据监控等操作。整个控制系统使用简单、物理输入输出点数配置灵活,适用于各种工业控制场合和教学场合。

    4 实验系统在覆膜砂成型过程中的应用
    结合“材料成型过程检测与控制”课程,利用该系统设计了“覆膜砂压塑成型性能规律研究”实验,旨在提高学生对材料成型过程检测与控制的原理与方法的认识。如图 5 所示,本实验以万能试验机为载体,覆膜砂为原材料,对速度、压力、时间和温度进行变量控制,探究各参数对其抗拉强度的影响。

 

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    4.1 实验内容
    本实验检测和控制的主要参数有四个,分别为
速度、压力、时间和温度。结合具体的实验过程,以
上四个 参 数 的 基 础 值 分 别 取 为: 基 础 速 度 5mm / min、基 础 压 力 5KN、基 础 时 间 30min、基 础 温 度100℃。实验过程中,针对以上四个参数,采用单变
量变化,设计不同的工艺组合,完成覆膜砂“8”字形
标准试样的压塑成型,并采用型砂抗拉强度检测仪
检测各条件下试样的抗拉强度,分析工艺条件变化
对压塑成形件力学性能的影响。

     4.2 实验步骤
    (1) 打开电脑和 PLC 电源。通过 PLC_Config打开编写的 PLC 程序,并扫描控制器上线。打开Smart Test 软件并接通万能试验机电源。
    (2) 加热模具,待温度达到基础温度值后,将覆膜砂放入模具中,同时设定压力和时间为基础值,利 用 Smart Test 软 件 设 定 速 度 ( 1、5、10、15、20mm / min) ,分别完成 5 个试样的压塑成型。
    (3) 类似步骤( 2) ,分别设定压力为( 1、2、3、4、 5KN) ,每组完成 5 个试样的压塑成型。
    (4) 类上,分别设定压塑时间为( 15、30、45、60、 75min) ,每组完成 5 个试样的压塑成型。
    (5) 修改模具的给定温度为( 100、125、150、 175、200℃ ) ,每组完成 5 个试样的压塑成型。
    (6) 样品制备完成后,利用型砂抗拉强度检测仪,测量并记录各试样的抗拉强度并保存数据,之后将万能试验机归位。
    (7) 待全部实验完成后,先关闭万能试验机主电源,后关闭 Smart Test 和 PLC_Config 软件。

    4.3 实验结果分析
   如图 6、图 7 所示,随着速度和压力的变化,样品的抗拉强度变化不大且无明显趋势,因此在其变化区间内对覆膜砂抗拉强度几乎无影响。

 

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    如图 8 所示,随着时间的增大,样品抗拉强度虽然变化很小,但在 75min 以内基本上呈递增趋势,这是因为固化时间越长,树脂的固化效果越好。

 

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    如图 9 所示,随着温度的升高,样品的抗拉强度逐渐变大,在 175℃ 时达到最大,之后开始变小,可见在 100℃ ~200℃区间存在峰值。强度升高阶段是因为随着温度的升高树脂的固化程度逐渐变大,强度下降是因为温度过高会使固化的树脂分解和炭化,同时发气量的增大也使样品内部产生空洞[1 0]。

 

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    综上所述,温度对覆膜砂抗拉强度的影响最大,时间的影响较小,速度和压力几乎无影响。

    5 结语
    (1) 根据检测与控制的基本原理,针对材料成型过程,利用位移、压力、温度等传感器,可编程控制器,继电器,万能试验机和成型模具,实现了压塑成型过程测控实验系统的设计。
    (2) 以覆膜砂为成型材料,以其压塑成型过程中的速度、压力、时间和温度为参数,开展了压塑成型过程测控实验系统的应用。通过对比实验数据,得出了温度和时间是影响样品强度的主要因素。
    (3) 压塑成型过程测控实验系统集成了模具设计、电路设计、PLC 程序设计、实验方案设计于一身,针对典型压塑成型过程,实现了机电一体化测控集成应用技术的实训,加深学生对材料成型过程检测与控制原理和应用的理解,为数字化制造领域的人才培养提供了平台。