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注塑机的设计毕业论文
摘要
塑料成型机（简称注塑机），是集机、电、液于一体的典型系统，因具有能一次成型复杂制品、后加工量少、加工的塑料种类多等优点，目前已成为塑料成型加工的主要设备。
传统中小型注塑机电气部分大多采用继电器控制，随着电子技术的不断进步与发展，其缺点越来越显著的表现出来，其主要表现为线路复杂，继电器动作慢、寿命短，系统控制精度差，故障率高，维修难度大等。
针对上述问题，此次毕业设计采用PLC控制系统对注塑机控制系统进行控制。
通过FXGP-WIN-E编程以各种电气保护和传感信号作为输入，各动作工序作为输出。
提高了系统的控制精度，可靠性好，且易于检修。
本文介绍了注塑机的机件结构和控制要求,其次分析了注塑机的工作原理和工艺流程，最后给出了PLC控制系统的硬件组成和软件设计方法。
关键词:
注塑机;PLC;步进控制;FXGP-WIN-E
Abstract
Plasticmoldingmachine（injectionmoldingmachineforshort）,isamechanical,electricalandfluidinonetypicalsystem,becauseofthecomplexitycanbeamoldingproducts,lessprocessing,andprocessingvarioustypesofplastics,etc.,hasbecometheplasticmoldingprocessmajorequipment.Traditionalsmallandmedium-sizedelectricinjectionmoldingmachineusedrelaystocontrolthemostpart,withtheadvancesinelectronictechnologyanddevelopment,itsbecomingmoreandmoreobviousshortcomingsoftheshow,themainlineperformanceforthecomplex,slowrelay,shortlifeexpectancy,thesystemcontrolpooraccuracy,thehighfailurerate,maintenance,etc.isverydifficult.
Inresponsetotheseproblems,thegraduatedesignofthecontrolsystemofinjectionmoldingmachinecontrolsystemusingPLCcontrol.Throughtheprogrammingtoavarietyofelectricalprotectionandsensorsignalsasinput,processestheoutputoftheaction.Toimprovethecontrolofthesystemaccuracy,reliability,andeasymaintenance.
Thispaperintroducestheworkingprincipleofinjectionmoldingmachine,ananalysisofthetraditionalshortcomingsoftherelaycontrolsystem,andfinallygivenitsPLCcontrolsystemhardwareandsoftwaredesign.
Keywords:
injectionmoldingmachine；PLC；temperaturetest；steppingcontrol;FXGP-WIN-E
第1章绪论
1.1注塑机的发展史
它是将热塑性塑料或热固性料利用塑料成型模具制成各种形状的塑料制品的主要成型设备。
注塑机能加热塑料，对熔融塑料施加高压，使其射出而充满模具型腔。
最初的注射成型机是借助金属压铸机的原理设计的，主要用来加工纤维硝酸酯和蜡酸纤维一类的塑料。
直到1932年，德国佛兰兹·布劳恩工厂生产出自动柱塞式卧式注塑机。
随着塑料工业的发展，注塑成型工艺和注塑机构也不断改进和发展。
塑料注塑机已经成为制造塑料制品的主要手段之一，且发展成为最有前景的机器之一。
实际上，塑料制品的目标，塑料注塑机是实现的一种手段。
1948年，注射机塑化装置开始使用螺杆至1959年第一台往复螺杆式注射成型机问世。
这是注塑成型工艺技术上的一次突破。
推动了注射成型加工的广泛应用。
据统计，全世界塑料产量的30%用于注射成型。
注塑机的年产量占整个塑料成型机械产量达50%，个别国家竟达70%-80%。
注塑机是目前塑料成型设备制造中增长最快，产量最多应用最广的机种之一。
注射成型的特点如下：
可一次成型外形复杂，尺寸精确，表面光洁的塑料制作；能成型带有金属嵌件，使之有良好的装配性能和互换性，有利于塑料的应用，标准化，系统化；注塑成型的模具可快速更换，以便制造适应市场需求的产品；特别适宜工程塑料及特种塑料的成型，获得有特殊性能，特殊用途的制品；自动化程度较高，正产率高，智慧化程度高，可实现“无人化”管理。
目前在国民经济带各个部门中都广泛使用着各式各样的塑料制品。
特别是办公机器、照相机、汽车、仪表仪器、机器制造、交通、通信、轻工、建筑业产品、日用品以及家用电器行业中的电视机、收录机、洗衣机、电冰箱和手表的壳体等零件，都已向塑料化发展。
近几年来，由于工程塑料硬件的强度和精度等得到很大的提高，因而各种工程塑料零件的使用范围在不断扩大。
预计今后随着微型电子计算机的普及和汽车的轻型化，塑料硬件的使用范围将会越来越广，塑料工业电生产量也将迅速增长，塑料的应用将覆盖国民经济所有部门，尤其在国防和尖端科学技术领域中有越来越重要的地位。
1.2课题的研究意义
随着经济全球化的蔓延，中国市场经济环境越来越好。
中国塑料工业经过长期的发展,已形成门类较多、品种齐全的工业体系,同钢材、水泥、木材等产业并驾齐驱成为基础材料产业。
21世纪以来，塑料作为一种新型材料，中国塑料工业在很多领域取得了令世人瞩目的成就，实现了历史性的跨越。
作为轻工行业支柱产业之一的塑料行业，近几年增长速度一直保持在10%以上，在保持较快发展速度的同时，经济效益也有新的提高。
塑料制品行业规模以上企业产值总额在轻工19个主要行业中位居第三，实现产品销售率97.8%，高于轻工行业平均水平。
从合成树脂、塑料机械和塑料制品生产来看，都显示了中国塑料工业强劲的发展势头。
注塑机是注塑成型的主设备，注塑机的技术参数和性能与塑料性质和注塑成型工艺有着密切的关系。
注塑成型设备的进一步完善和发展必将推动注塑成型技术的进步，为注塑制品的开发和应用创造条件。
在大型注塑的技术发展方面，合模系统采用全液压式或液压-机械式，即曲轴连杆型式，两者在市场上均有竞争能力。
但不论哪种形式的注，其发方向都必须向低能耗、低噪音、锁模力容易控制、运行平稳、安全可靠和便于维修方向发展。
近年来，中小型注塑机的技术发展非常迅速，就工艺参数而言，塑化能力、注射压力等都有很大提高。
有的发展成超高系列，其注射压力已451Mpa（4600kgf/cm），在这种设备上模腔压力可到98Mpa（1000kgf/cm），使注塑制品的次品率几乎为零，可注塑0.1－0.2mm厚的薄件制品。
90年代的注塑机正向节能、精密成型、超精密成型、低噪音和高级自动化方向发展。
所谓节能是指注塑机要节省泵的动力，节约电力。
精密成型是指生产制品尺寸精度的范围在0.01－0.001mm，超精密成型是在0.001－0.0001mm，低噪音是指注机能在平稳无撞击和无振动下工作，按规定在距离机器1m左右的地方挥发油的噪音应低于70分贝。
高级自动化是指注塑机能远距离操作或无线操作，保证制品的精度、注塑工艺条件的稳定性。
另外，微处理机在注塑机上的是注塑机的自动控制方面最重要的发展。
注射成型工艺对各种塑料的加工具有良好的适应性，生产能力较高，并易于实现自动化。
在塑料工业迅速发展的今天，注塑机不论在数量上或品种上都占有重要地位，其生产总数占整个塑料成型设备的20%－30%，从而成为目前塑料机械中增长最快，生产数量最多的机种之一。
1.3课题的研究内容
注塑机是将粒状或粉状塑料加入机筒内，并通过螺杆的旋转和机筒外壁加热使塑料成为熔融状态，然后机器进行合模和注射座前移，使喷嘴贴紧模具的浇口道，接着向注射缸通人压力油，使螺杆向前推进，从而以很高的压力和较快的速度将熔料注入温度较低的闭合模具内，经过一定时间和压力保持（又称保压）、冷却，使其固化成型，便可开模取出制品，从而得到所需的成品。
其加工过程是一个按照预定顺序周期性的动作。
在加工周期中各程序段根据工艺要求的不同控制相应的电磁铁，有电磁铁控制相应的油泵阀门执行相应的操作。
前一程序结束转到后程序由限位开关或时间控制。
第2章PLC的简介
2.1PLC的基本结构
1、中央处理单元（CPU）:
中央处理单元（CPU）是PLC的控制核心。
它按照PLC系统程序赋予的功能：
a.接收并存储从用户程序和数据；b.检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。
2、存储器:
可编程序控制器的存储器分为系统程序存储器和用户程序存储器。
存放系统软件（包括监控程序、模块化应用功能子程序、命令解释程序、故障诊断程序及其各种管理程序）的存储器称为系统程序存储器；存放用户程序（用户程序存和数据）的存储器称为用户程序存储器，所以又分为用户存储器和数据存储器两部分。
3．输入接口电路:
输入输出信号有开关量、模拟量、数字量三种，在我们实际涉及到的信号当中，开关量最普遍。
4．输出接口电路：
可编程序控制器的输出有：
继电器输出（M）、晶体管输出（T）、晶闸管输出（SSR）三种输出形式。
5．电源:
PLC的电源在整个系统中起着十分重要得作用。
如果没有一个良好的、可靠得电源系统是无法正常工作的，因此PLC的制造商对电源的设计和制造也十分重视。
一般交流电压波动在+10%（+15%）范围内，可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去。
如FX1S额定电压AC100V—240V，而电压允许范围在AC85V—264V之间。
允许瞬时停电在10ms以下，能继续工作。
一般小型PLC的电源输出分为两部分：
一部分供PLC内部电路工作；一部分向外提供给现场传感器等的工作电源。
2.2PLC的工作原理
PLC则是采用循环扫描的工作方式。
一个扫描周期主要可分为两个模式,分别是RNU模式和STOP模式,共五个工作阶段。
1内部处理阶段：
内部处理阶段，复位WDT（监控定时器），检查硬件、程序存储器，正常则顺序执行用户程序，不正常则转到错误处理程序。
2通信处理阶段：
通信处理阶段，PLC与别的带微处理器的智能装置通信，响应编程器键入的命令，更新编程器的显示内容。
3输入刷新阶段：
在输入刷新阶段，CPU扫描全部输入端口，读取其状态并写入输入状态寄存器。
完成输入端刷新工作后，将关闭输入端口，转入程序执行阶段。
在程序执行期间即使输入端状态发生变化，输入状态寄存器的内容也不会改变，而这些变化必须等到下一工作周期的输入刷新阶段才能被读入。
4程序执行阶段：
在程序执行阶段，根据用户输入的控制程序，从第一条开始逐步执行，并将相应的逻辑运算结果存入对应的内部辅助寄存器和输出状态寄存器。
当最后一条控制程序执行完毕后，即转入输入刷新阶段。
5输出刷新阶段：
当所有指令执行完毕后，将输出状态寄存器中的内容，依次送到输出锁存电路（输出映像寄存器），并通过一定输出方式输出，驱动外部相应执行元件工作，这才形成PLC的实际输出。
2.3三菱FX2N系列PLC介绍
三菱FX2N系列PLC是由日本的三菱公司生产的一种小型化、高速、高性能的小型的PLC。
其基本单元可以根据控制规模的大小外加扩展单元、扩展模块及特殊功能单元构成叠装式的控制系统。
三菱FX2N系列PLC软组件主要有八大类，分别为输入继电器[X]、输出继电器[Y]、辅助继电器[M]、状态继电器[S]、定时器[T]、计数器[C]、数据寄存器[D]、变址寄存器[V、Z]其中输入继电器[X]、输出继电器[Y]是八进制的，其他的为十进制。
三菱FX2N系列PLC的基本指令有27种，步进指令有2种，应用指令有128种共298个。
三菱FX2N系列PLC的编程语言主要有梯形图和指令表两种。
指令表是由指令集合而成，且和梯形图有严格的对应关系。
梯形图是用图形符号及图形符号间的相互关系来表达控制思想的一种图形程序，而指令表是图形符号和他们之间关联的语句表述。
第3章注塑机控制系统总体设计方案
3.1注塑机系统的基本组成和基本工作原理
注塑机示意图如下：
图3-1注塑机的结构示意图
它主要由注射部分、合模部分、液压系统、控制系统等部分组成。
注塑机的工作原理与打针用的注射器相似,它是借助螺杆（或柱塞）的推力,将已经塑化好的熔融状态（即粘流态）的塑料注射入闭合好的膜腔内,经固化定型后取得制品的工艺过程。
注射成型是一个循环的过程，每一周期主要包括：
定量加料——熔融塑化——施压注射——充模冷却——去模取件。
取出塑件后又再闭模，进行下一个循环。
3.1.1注射部分
它的主要作用是使塑料塑化成熔融状态，并以足够的压力和速度将一定的熔料注到模腔内。
因此注射装置应具有塑化良好，计量准确的性能，并且在注射时对熔料能提供压力和速度。
注射装置一般由塑化部件（溶胶筒、螺缸、喷嘴等）、料斗、计量装置、螺杆传动装载及注射油缸和射移油缸等组成。
3.1.2合模部分
它是保证成型模具可靠地闭合和实现模具启闭动作，并顶出制品，即成型制品的工作部件。
因为在注射时，进入模控中的熔料还具有一定的压力，这就要求合模装置给予模具以足够的合紧力，以防止在熔料的压力下模具被打开，从而导致制品溢边或使制品精度下降。
合模装置主要由模板、拉杆（哥林柱）、合模机构（如机铰）、制品顶出装置和安全门、调模装置组成。
3.1.3液压系统
注射成型机是由塑料熔融、模子闭合、注射入模、压力保持、制品固化、闭模取出主品等工序所组成的连续生产过程，液压和电气则是为了保证注射成型机按工艺过程预定的要求（压力、速度、温度、时间及位置）和动作程序，准确无误的进行工作而设置的动力和控制系统、液压部分重要有动力油泵、比例压力阀（控制压力变化）、比例流量阀（控制速度变化）、方向阀、管路、油箱等。
3.1.4控制系统
控制系统控制注塑周期的顺序及维持过程温度、时间、压力及速度于设定值。
电气部分主要由动力、动作程序和加热等控制所组成。
3.2注塑机系统控制原理
本设计控制系统主要由液压马达、液压阀、电磁继电器、温度传感器、接近开关、光栅开关、三相异步电机、各种开关、监控显示装置（触摸屏）和PLC控制器及其特许功能模块等组成。
注塑机开始工作时，监控装置（触摸屏）首先根据本次生产任务进行各种初始化（温度设定、计件值清零、保压时间设定等），然后PLC控制器按一定时序发出控制信号控制液压传动机构的电磁阀和交流调功器的启动，交流调功器以全功率输出给加热负载，并让温度迅速稳定在设定值，此后液压传动机构将开始生产的动作步序。
注塑机控制系统的工艺流程图如图3-2所示。
图3-2注塑机工艺流程图
3.3注塑机控制系统的控制要求
注塑机一般分为手动、自动两种工作模式。
手动模式时按下相应的功能按钮时，能完成相应的操作，此模式一般为调试模具及维修时使用；自动模式时，只需按下启动按钮，注塑机就能按照调定的速度和压力将相应的动作进行到底，此模式一般多用在生产阶段，工作流程如下：
起始位置→合模→整进→注射→保压延时→预塑→整退→启模→顶出→起始位置。
3.3.1模具的开启与闭合
合模时：
电磁铁得电后，合模油缸油路接通，在油压的推动下模具闭合。
开模时：
电磁铁失电后，开模油缸油路接通，在油压的推动下模具打开。
3.3.2注射座的整进与整退
注射座整进时：
电磁铁得电后，注射座在油压的推动下前进到位，注射座射进完成接近开关工作。
注射座整退时：
电磁铁失电后，注射座退回到原始位置，注射座射退完成接近开关工作。
3.3.3注料杆的射进
注塑电磁铁得电后，注料杆在油压的推动下，把料筒内的融好的原料快速压入模具，挤压完成后并保持一段时间（保压），使模具内的塑料不会回流。
3.3.4预塑液压马达的动作
预塑电磁阀得电，预塑液压马达开始工作，带动注塑螺杠旋转，使原料不断的向前输送，螺杠则在压力的作用下后退并计量，当后退到一定位置时，限位开关动作，预塑完成。
3.3.5顶杠的顶出与复位
顶出电磁阀得电后，顶杠在油压的推动下将模具内的产品顶出。
3.3.6保模时间
高温原材料挤入模具后，需要在模具中冷却一段时间，让其基本成型后才能打开模具，这一段时间为保模时间。
由于产品的大小和原材料的性质的不同，不同产品的保模时间有所不同，这就要求保模时间长短可以调整。
3.3.7注塑料筒温度
注塑机的料筒温度是注塑机的一个重要参数。
原料进入到料筒后，在加热器与注塑杠剪切能共同作用下塑化，如果温度控制不好，将导致原料塑化不良。
注塑机在生产的过程中要求料筒的温度随着产品和原材料的不同，可以对温度作出调整（一般不超过400℃）。
第4章注塑机控制系统的硬件设计
4.1输入输出点的继电器属性
第三章中介绍了注塑机的主要动作和工艺流程，据此可作出PLC输入输出继电器属性表。
下表为输入点继电器属性表。
表4.1输入点继电器属性表
序号
名称
属性
代号
1
抽芯出
位置开关
SQ1
2
抽芯入
位置开关
SQ2
3
快开模
位置开关
SQ3
4
慢开模
位置开关
SQ4
5
开模止
位置开关
SQ5
6
关安全门
位置开关
SQ6
7
低压锁模
位置开关
SQ7
8
高压锁模
位置开关
SQ8
9
锁模终止
位置开关
SQ9
10
一级射胶
位置开关
SQ10
11
二级射胶
位置开关
SQ11
12
三级射胶
位置开关
SQ12
13
溶胶终止
位置开关
SQ13
14
顶针终止
位置开关
SQ14
15
退针终止
位置开关
SQ15
16
倒索终止
位置开关
SQ16
17
溶胶
手动按钮
SB1
18
射台前进
手动按钮
SB2
19
射台后退
手动按钮
SB3
20
顶针
手动按钮
SB4
21
退针
手动按扭
SB5
22
倒索
手动按钮
SB6
23
射胶
手动按钮
SB7
24
锁模
手动按钮
SB8
25
开模
手动按钮
SB9
26
特快
手动按钮
SB10
27
调模向前
手动按钮
SB11
28
调模向后
手动按钮
SB12
下表为输出点继电器属性表。
表4.2输出点继电器属性表
序号
名称
属性
代号
1
快速锁模电磁阀
电磁阀
KA1
2
开模电磁阀
电磁阀
KA2
3
射台前进电磁阀
电磁阀
KA3
4
射台后退电磁阀
电磁阀
KA4
5
射胶电磁阀
电磁阀
KA5
6
二级射胶电磁阀
电磁阀
KA6
7
三级射胶电磁阀
电磁阀
KA7
8
溶胶电磁阀
电磁阀
KA8
9
顶针电磁阀
电磁阀
KA9
10
退针电磁阀
电磁阀
KA10
11
特快电磁阀
电磁阀
KA11
12
倒索电磁阀
电磁阀
KA12
13
高压锁模电磁阀
电磁阀
KA13
14
低压锁模电磁阀
电磁阀
KA14
15
抽芯出电磁阀
电磁阀
KA15
16
抽芯入电磁阀
电磁阀
KA16
17
快速开模电磁阀
电磁阀
KA17
18
慢速开模电磁阀
电磁阀
KA18
19
调模向前电磁阀
电磁阀
KA19
20
调模向后电磁阀
电磁阀
KA20
21
报警灯
灯泡
HL
4.2PLC机型的选择
随着PLC控制的普及与应用，PLC产品的种类和型号越来越多，而且功能也日趋完善。
近年来，从美国、日本、德国等国家引进的PLC产品及国内厂家组装或自行开发的产品已有几十个系列。
其中三菱公司FX系列PLC聚集了整体式和模块式PLC的优点，其基本单元、扩展单元和扩展模块的高度与宽度相同，它们的相互连接不用基板，仅用扁平电缆连接，紧密拼装后组成一个整齐的长方体。
其体积小，很适于在机电一体化产品中使用。
FX2N系列的PLC为目前市场上的主流产品，能完成绝大多数工业控制要求。
上市多年之后，价格有所下降，性价比较高。
FX2N系列PLC有以下技术特点：
（1）FX2N系列PLC采用一体化箱体结构，其基本单元将CPU、存储器、输入/输出接口及电源等都集成在一个模块内，结构紧凑，体积小巧，成本低，安装方便。
（2）FX2N系列PLC是FX系列中功能最强、运行速度最快的PLC，基本指令执行时间高达0.08us，超过了许多大、中型PLC。
（3）FX2N的用户存储器容量可扩展到16KB，其I/O点数最大可扩展到256点。
（4）FX2N有多种特殊功能模块，如模拟量输入/输出模块、高速计数器模块、脉冲输出模块、位置控制模块、RS-232C/RS-422/RS-485串行通信模块或功能扩展板、模拟定时器扩展板等。
（5）FX2N有3000多点辅助继电器、1000点状态继电器、200多点定时器、200点16位加计数器、35点32位加/减计数器、8000多点16位数据寄存器、128点跳步指针及15点中断指针。
（6）FX2N有128种功能指令，具有中断输入处理、修改输入滤波器常数、数学运算、浮点数运算、数据检索、数据排序、PID运算、开平方、三角函数运算、脉冲输出、脉宽调制、串行数据传送、校验码及比较触电等功能指令。
（7）FX2N还有矩阵输入、十键输入、十六键输入、数字开关、方向开关及7段显示器扫描显示等指令。
基于以上优点，本论文采用FX2N系列的PLC。
根据注塑机对PLC控制系统的要求，确定了系统所需的输入、输出设备，统计出所需的输入信号的点数为28个，输出信号的点数为21个。
故选择输入点为32、输出点为32的型号为FX2N-64MR的PLC。
4.3输入输出地址分配表
确定了PLC的型号后，便可分配PLC的输入/输出点的地址分配。
其中输入点地址分配如表4.3所示，输出点地址分配如表4.4所示。
表4.3输入点地址分配
序号
输入端点
设备名称
功能说明
1
X0
SQ1
抽芯出行程开关
2
X1
SQ2
抽芯入行程开关
3
X2
SQ3
快开模行程开关
4
X3
SQ4
慢开模行程开关
5
X4
SQ5
开模止行程开关
6
X5
SQ6
关安全门行程开关
7
X6
SQ7
低压锁模行程开关
8
X7
SQ8
高压锁模行程开关
9
X10
SQ9
锁模终止行程开关
10
X11
SQ10
一级射胶行程开关
11
X12
SQ11
二级射胶行程开关
12
X13
SQ12
三级射胶
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