模内传感器的延伸应用与创新

摘要：塑料模腔压力监测及控制技术一直被行业所关注，近年来随着5G的应用，模具内传感器得到了较好地延伸应用与创新。本文介绍了前期模具内传感器应用情况，讲述了国内开发的模内状态传感器系统情况、模内状态传感器系统原理和一些实际应用方面案例，明确了溶体状态曲线、模具温度曲线应用是模内状态传感器系统的精华，掌握了基准曲线与实际曲线的对比，更好地指导注塑工艺，减少废品，提高效益。

关键词：注塑模具   模内传感器   模内状态传感器系统    注塑缺陷   提质增效  

1 引言

塑料模腔压力监测及控制技术已经有50多年的历史，在欧美、日本等发达国家已得到广泛应用^[1]。上世纪80年代初期，北京化工学院潘碧莲，刘长雄报道了用熔体压力传感器测定模腔压力的方法。采用圆盒形箔式应变片，在BZC600Ⅱ型标准加力器和YJD—1型静态电阻应变仪上进行标定和测试，从标定数据来看，大多数的线性误差在1%以下，其滞后值在10以下，均可满足塑料加工中熔体压力测定的精度^[2]。此后传感器广泛用于模内测温度和压力等，进行注塑工艺控制，通过传感器曲线来优化工艺参数，取得较好地应用。近年来，得力于5G的应用场景开展，给模内传感器发展带来创新与更多应用范围，为促进注塑智能化建设贡献了应有智慧。

2   传感器在模内应用情况

2.1 前期传感器在模内应用情况

   在我国，前期传感器在模内应用，主要测试模内压力和温度为主。压力传感器，是工业中最为常用的一种传感器。一般普通压力传感器的输出为模拟信号，模拟信号是指信息参数在给定范围内表现为连续的信号。或在一段连续的时间间隔内，其代表信息的特征量可以在任意瞬间呈现为任意数值的信号。而我们通常使用的压力传感器，主要是利用压电效应制造而成的，这样的传感器也称为压电传感器^[3]。压力传感器可被安装在注塑机的喷嘴、热流道系统、冷流道系统和模具的模腔内，它能够测量出塑料在注模、充模、保压和冷却过程中从注塑机的喷嘴到模腔之间某处的塑料压力。本文所述以安装在模腔内为主。这种经采集的压力数据可以成为针对模具与材料的通用工艺参数，即数据可以在不同的注塑机上（使用相同的模具）指导生产^[4]。

温度传感器，是指能感受温度并转换成可用输出信号的传感器。温度传感器是温度测量仪表的核心部分，品种繁多^[5]。目前，温度传感器单独应用在模腔较少，一般以压力传感器为主，兼有温度传感器，采用压力/温度一体化传感器较多（本文介绍的是一体化传感器）。传感器由直接式和间接式两种，根据实际情况选用。直接式传感器直接装在模具内传感器与熔体直接接触，测量精度非常高，测控模腔压力或者温度，通过传感器曲线来优化工艺参数^[6]。如图1所示，传感器安装位置与数量。

应用压力传感器利用模腔压力提供熔体在注射阶段、压缩阶段和保压阶段的精确信息如图2所示。

图2完整周期的模腔压力曲线有6个节点，划分为若干阶段，每个阶段曲线形态能直观反映其对应时间节点的注塑成型特点。

节点1~2塑料溶体接触到传感器，传感器开始测量到数据；

节点2~3溶体为填充阶段，模腔压力不断增大；

节点3~4为保压阶段，模腔压力增速增大，并得到最大值；

节点4~5为凝固阶段，节点5为浇口凝固处；

节点5~6浇口凝固后，模腔内的溶体继续凝固，模腔压力急剧下降，最终趋向压力为0。

人们在实际操作中，可以依据得到的模腔压力曲线与标准模腔压力曲线对比，迅速对工艺参数进行修整，达到提高注塑件成型质量的目的^[7]。利用模腔压力曲线调整保压压力与调整保压时间，利用模腔压力曲线调整V-P切换点等等，为生产现场提供一条科学解决问题的途径^[8]。

2.2   模内状态传感器系统

   近些年来，注塑智能控制系统用于注塑机的操作系统改进，促进注塑机向人工智能操作方向迈进。注塑智能控制技术（主要解决了注塑机的智能化），已有了一定的使用氛围，在使用过程中也得到了发展和提高。随着5G技术的发展，注塑智能控制技术的发展，离不开模具内部的控制改进，我们在原有的模内传感器应用基础上，再进行一定的智能升级与创新。

2.2.1   模内状态传感器系统原理

模内状态传感器是国内某一研究院研发的注塑可视化工具，具备注塑品质智能分拣、注塑参数快速设定、缩减成型周期、模流分析验证、监控模温等功能，对于因材料变化引起的品质变异有独到的作用^[9]。其如图3所示：

   传感器安装在模仁，需要与塑胶直接接触，会在表面留下类似印记（类似顶针印），尺寸为直径8mm的圆，安装位置要求是平面（一般选择浇口及流动末端安装）。在模腔安装模内传感器，输出溶体状态信息经技术处理后的数据和曲线，分析模内传感器曲线，得出注塑全过程溶体状态变化。注塑机不需要改造，只是需要接开模、注射、溶胶、合模四个信号点（I/O信号），目前还不支持电动注塑机。与注塑智能过程控制系统兼容使用，提高产品质量，减少报废，缩短加工周期，提高效益。

   模内状态传感器系统基本组成，由传感器探头、信号放大器、I/O采集控制模块和传感器系统终端组成。传感器探头安装在模仁，并与信号放大器连接，采集模内状态传感器信息，通过串口通讯传输到传感器系统终端；I/O采集控制模块与注塑机控制器电器连接，采集注塑机开合模、注塑、溶胶等信号，通过Ether Cat 传输到传感器系统终端。系统终端对传感器和控制器所采集的数据进行处理，模内传感器可以同步输出模具温度、溶体状态两种信号和相应处理好的数据^[10]（如图4所示），还有其他要素分析数据（如图3所示）。

  模具温度曲线纵坐标为模具温度，横坐标为时间。溶体状态曲线纵坐标为传感器电容电量^[11]，横坐标为时间。通过设定好产品模具与溶体曲线，与实时的模具与溶体曲线进行对比与分析，解决模具与注塑过程中的质量问题。溶体流动数据是系统处理好的具体数据，适用性强。

2.2.2   模内状态传感器创新应用

模具温度曲线应用：利用一体化传感器中温度传感器测试模仁区域温度，通过对多个区域模温起始值与峰值所形成的差值对比，分析模具各区域热量分布及冷却系统效率，起到较好地注塑成型管理，涉及到模具冷却、成型周期以及环境温度变化等环节。

溶体状态曲线应用：利用一体化传感器中压力传感器测试注塑过程中溶体变化情况，通过对多节点处溶体的起始值与峰值所形成的电容量差值对比，分析出各节点处注塑出现问题与产品缺陷，寻找相应的整改措施，减少产品报废，节约生产成本。曲线应用基本操作，调出品质良好塑件，将对应的曲线设定为基准曲线，设定峰值变化区间，其现场工艺参数运行在区间内。

（1）控制塑件重量与质量：建立电容峰值与塑件重量数据库等关系，进一步设定电容标准峰值及可波动区间，监控和预测塑件重量，可以判定缺胶、收缩、嵌件施放情况等。也可以按塑件质量要求，进行系统设定，可以监控塑件外表面的气泡，流痕、熔接痕，困气、烧焦等缺陷，可进行不良品自动分拣，对连续产生不良品时能自动停机，减少检验人员，避免批量报废。这可用于无人操作，对自动化注塑中塑件品质进行监控。

（2）成型参数优化设定：寻找浇口固化时间，以增加保压时间，当保压时间增加曲线峰值不再变化时，即为浇口固化节点，为合理设置保压时间，做到防止塑件收缩又不超重；同样逐步增加冷却时间，了解曲线变化可记录凝固时间点，良好的冷却时间可保证塑件冷却充分而影响成型周期。浇口固化时间和冷却时间以往都是通过工艺人员的经验来设置，现在有了较好地设置依据，对缩短成型周期，提高从事效益有着很好地帮助。

（3）精准V/P切换：V/P切换（注射时转换为保压时是以时间或者位置来决定的，一般设定保压位置是储料位置的5%左右^[12]）是注塑中的重要环节。注塑机本身的精度会影响V/P切换精度，更精确的V/P切换能最大限度保证注塑溶体体积的一致性，模内传感器实时数字化V/P切换指导注塑机生产，使得V/P切换位置精准设置。

（4）防粘模报警：塑件粘模与脱模，在开模段状态传感器曲线完全不一样，监控脱模段曲线变化，判定塑件是否完全脱离模具，如有粘模输出报警及注塑机停机指令，这用于无人操作，在自动化生产中保护模具。

（5）科学注塑数据化：主要用于多腔塑件溶体流动平衡，对比多型腔溶体到底时间，寻找出溶体流动不平衡差异值，可以应用模流分析输出改善流动平衡改模方案，这对改善塑件熔接痕有一定的支持。避免应用复杂的称重法来分析多腔塑件溶体流动平衡^[13]。

（6）注塑变化成型参数快速设定：不设置保压（保压清零），增加注塑速度，使溶体到达点与基准曲线一致；调整V/P切换位置，使V/P切换点与基准曲线一致；增加保压时间，使保压曲线与基准曲线一致；利用此法还可以设定其他参数，使现场工艺参数尽量靠近基准曲线参数上，这样的模内传感器使得注塑可视化，调机操作变得简单化，这对工艺员的经验要求降低，缩短以往的试机试模的时间。

（7）案例分享：某公司生产电风扇外罩，材料ABS，模具经过调整后，经常有注塑缺料情况，如图5所示。以往设置专职检验产品全检，每天2班有2人，还应缺料缺陷导致用户整机不良返工数量约100台；采用模内传感器系统后，节约检验人员2人/天，减少品质不良品现象，模内传感器系统投入两个月不到即回收投资。

3 结束语

    模内状态传感器系统是以5G和注塑智能化为引领，在原有模内传感器应用基础上进行了创新与智能化升级，较好地拓展了模内传感器的延伸应用，指导注塑工艺数字化、智能化。模内状态传感器系统应用溶体和模温曲线，是改善塑件质量的重要依据。通过基准曲线与实际曲线的对比，给不良品自动分拣、科学注塑数据化、注塑工艺优化、注塑工艺移植、精准V/P切换等带来诸多方便，减少报废产品，节约生产成本，这些都是注塑的关键之处。随着模内状态传感器与塑件机器视觉检验融合在一起，将会给塑件检测带来了更多地可视化管理，其目的就是降低报废率，提高效益，推动模塑一体化发展。

参考文献

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[2]明.用熔体压力传感器测定模腔压力[J].   工程塑料应用，1984，12（02）：35.

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[4]压力传感器在注塑模具中的应用EB/OL[].[2006-04-11].   http://www.c-cnc.com/yule/article.asp?id=4262&page=1#

[5]温度传感器[EB/OL].[2022-04-01].   https://baike.so.com/doc/5336332-5571771.html

[6]陶永亮.传感器在注塑模具中的应用[J].    上海塑料，2011（03）：22-26.    

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[8]陈金伟，徐百平.模腔压力曲线在注塑工艺参数优化中的应用[J].   工程塑料应用，2010,38（3）:28-31.

[9]何天一 ,莫胜勇,姚科,等.基于点电极的注塑模具内熔体状态感知系统及其检测方法[P]. 中国： CN201510762903.8，2016.02.17.

[10]莫胜勇，姚科，高福荣.一种注塑过程在线质量检测方法[P].   中国： CN201510765515.5，2017-10-31.

[11]莫胜勇，姚科，高福荣.一种电容测量系统[P]. 中国： CN201520890546.9，2016-04-27.  

[12]注塑机VP切换位置？[EB/OL].[2021-08-11]. https://wenda.so.com/q/1638202746216366?src=140&q=vp切换位置什么意思

[13]陶永亮,闫烨.基于称重法对多腔进料平衡的调整[J].工程塑料应用， 2012，40(03):62-65.

陶永亮，男，1956年出生。教授级高级工程师，从事高分子材料应用与模塑成型工艺方面工作。