基于單片機的注塑成型機電液控制系統(tǒng)的設(shè)計

1、.基于單片機的注塑成型機電液控制系統(tǒng)的設(shè)計XX工程大學(xué)機電工程學(xué)院鄒云菲高曉丁【摘要】設(shè)計了基于單片機的注塑成型機電液控制系統(tǒng)。系統(tǒng)以AT89C52單片機為核心控制器、壓力傳感器、電液比例溢流閥、液壓系統(tǒng)構(gòu)成注塑成型機壓力閉環(huán)控制系統(tǒng)；控制系統(tǒng)引入增量式PID算法對注塑成型機進(jìn)行壓力閉環(huán)控制。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)控制性能快速、穩(wěn)定、可靠，能夠保證注塑產(chǎn)品的穩(wěn)定性?！娟P(guān)鍵詞】AT89C52單片機；注塑成型機；電液比例控制；PID算法熱塑性或熱固性塑料加工是目前工業(yè)生產(chǎn)中廣泛使用的加工方法。在注塑成型加工工藝中，注塑成型機注塑前合模壓力、注塑后注射壓力是保證注塑制件質(zhì)量的關(guān)鍵技術(shù)。如果注塑前合模壓

2、力不穩(wěn)定，轉(zhuǎn)速過慢，被注入模腔的塑料會從?？p中溢出；如果注塑后注射壓力不能穩(wěn)定的保持一定的時間，熔料不能完全的冷卻、固化定型，充滿模具型腔的塑料倒流，造成廢品。本文設(shè)計了以AT89C52單片機為核心處理器，由壓力傳感器、電液比例溢流閥、液壓控制系統(tǒng)構(gòu)成注塑成型機壓力閉環(huán)控制系統(tǒng)；系統(tǒng)采用 PID控制算法對注塑成型機壓力進(jìn)行控制，使注塑成型機注塑前合模壓力、注塑后注射壓力穩(wěn)定可靠，從而提高了注塑制件的產(chǎn)品質(zhì)量。1.系統(tǒng)總體方案設(shè)計注塑成型機電液控制系統(tǒng)主要由單片機系統(tǒng)、壓力傳感器、功率放大器、電液比例溢流閥、液壓系統(tǒng)組成。壓力傳感器實時檢測液壓系統(tǒng)輸出壓力的變化信號，并將檢測的信號傳送給單片機，

3、單片機對液壓系統(tǒng)輸出壓力信號進(jìn)行PID控制計算處理后，輸出的調(diào)節(jié)信號、經(jīng)功率放大器放大后、調(diào)節(jié)電液比例溢流閥動作、控制液壓系統(tǒng)輸出壓力。注塑成型機電液控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。單片機系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，由單片機最小系統(tǒng)、電源模塊、UART串行通信模塊、AD轉(zhuǎn)換模塊、DA轉(zhuǎn)化模塊、顯示模塊、鍵盤模塊七部分組成。(1)單片機最小系統(tǒng)主要由單片機和一定功能的外圍電路、時鐘電路和復(fù)位電路三部分組成。本設(shè)計選用AT89C52單片機作為本系統(tǒng)的核心器件，AT89C52片內(nèi)設(shè)計了8KB的可反復(fù)擦寫的程序存儲器和256字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲器，器件采用高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令

4、系統(tǒng)，片內(nèi)配置通用8位中央處理器(CPU)和Flash存儲單元。AT89C52單片機有40個引腳，32個外部雙向I/O端口，2個外中斷口，3個16位可編程定時/計數(shù)器，2個全雙工串行通信口，2個讀寫口線，1個數(shù)據(jù)指針DPTR。中斷系統(tǒng)是具有8個中斷源、6個中斷矢量、2個級優(yōu)先權(quán)的中斷結(jié)構(gòu)，全靜態(tài)操作：0HZ24HZ；低功耗工作模式有空閑模式和掉電模式。系統(tǒng)時鐘電路采用頻率為12MHz的晶振電路；系統(tǒng)復(fù)位電路設(shè)計中加入了過流保護功能。單片機系統(tǒng)及外圍器件均使用+5V電源。(2)UART串行通信模塊設(shè)計。PC機通過UART串行通信模塊與單片機之間進(jìn)行通信、下載程序。系統(tǒng)采用專用的RS232標(biāo)準(zhǔn)接口

5、轉(zhuǎn)換芯片MAX232芯片進(jìn)行AT89C52單片機與RS-232接口的電平轉(zhuǎn)換。MAX232芯片符合所有的RS-232C技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)；只需要單一+5V電源供電；片載電荷泵具有升壓、電壓極性反轉(zhuǎn)能力，能夠產(chǎn)生+10V和-10V電壓；功耗低，典型供電電流5mA；內(nèi)部集成2個RS-232C驅(qū)動器。(3)A/D轉(zhuǎn)換模塊選用TLC549芯片，將傳感器采集的模擬信號轉(zhuǎn)換為單片機能夠處理的數(shù)字信號。TLC549芯片是一種CMOS單通道8位逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，它采用串行方法傳輸數(shù)據(jù)。TLC549芯片的I/O時鐘輸入頻率最高可達(dá)1.1MHz，最高轉(zhuǎn)換頻率為40kHz，具有4MHz片內(nèi)系統(tǒng)時鐘和軟、硬件控制電路，轉(zhuǎn)

6、換時間最長17s，總失調(diào)誤差最大為±0.5LSB，典型功耗值為6mW。(4)系統(tǒng)D/A轉(zhuǎn)換模塊選用TLC5615D/A轉(zhuǎn)換芯片，將單片處理完的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號、控制電液比例溢流閥的動作。TLC5615芯片是具有高阻抗輸入和串行接口的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，并行輸入輸出的10位DAC寄存器，為10位DAC電路提供待轉(zhuǎn)換的二進(jìn)制數(shù)據(jù)、最大輸出電壓是基準(zhǔn)電壓值的兩倍，采用+5V電壓供電。芯片自帶上電復(fù)位功能，即把DAC寄存器復(fù)位至全零。TLC5615芯片的數(shù)字控制需要通過3根串行總線就可以完成10位數(shù)據(jù)的串行輸入，并且與CMOS電平完全兼容。(5)系統(tǒng)采用LCD1602液晶顯示器作為輸出器件。L

7、CD1602液晶顯示器內(nèi)置192種字符(160個5X7點陣字符和32個5X10點陣字符)；液晶顯示器還提供了顯示數(shù)據(jù)緩沖區(qū)DDRAM、字符發(fā)生器CGROM和字符發(fā)生器CGRAM，可以使用CGRAM來存儲自己定義的最多8個5X8點陣的圖形字符的字模數(shù)據(jù)；液晶顯示器工作電壓4.5-5.5V、工作電流2.0mA；液晶顯示器最佳工作電壓是5.0V；液晶顯示器字符尺寸為2.95X4.35（WXH）mm。(6)系統(tǒng)采用獨立鍵盤對系統(tǒng)操作、發(fā)送各種指令，獨立鍵盤電路配置靈活，軟件結(jié)構(gòu)簡單，各按鍵相互獨立，每個按鍵單獨占用一根I/O口線結(jié)構(gòu)，一根I/O口線上的按鍵工作狀態(tài)不會影響其他I/O口線的工作狀態(tài)，因此

8、，通過檢測輸入線的電平狀態(tài)就可以判斷出哪個按鍵按下了，可實時掌握系統(tǒng)的運行情況。2.液壓控制系統(tǒng)設(shè)計注塑成型機液壓系統(tǒng)的原理圖如圖3所示。系統(tǒng)工作流程為：按下啟動開關(guān)，液壓馬達(dá)1M開始旋轉(zhuǎn)，并經(jīng)由一組齒輪減速帶動螺桿旋轉(zhuǎn)，粒狀塑料由機筒和旋轉(zhuǎn)的螺桿經(jīng)一段時間(5S)后成為熔融狀態(tài)，此時液壓馬達(dá)停轉(zhuǎn)，螺桿停轉(zhuǎn)，雙作用液壓缸2A注入壓力油，并推動螺桿進(jìn)給，把熔融狀態(tài)的塑料注入模腔，當(dāng)壓下行程開關(guān)時，換用預(yù)設(shè)壓力更高的溢流閥接入回路，此時壓力油繼續(xù)注入，使液壓缸的壓力保持在高壓狀態(tài)，并可以持續(xù)一定的時間，當(dāng)液壓缸的壓力到達(dá)壓力開關(guān)預(yù)設(shè)的壓力(其應(yīng)小于溢流閥的調(diào)定壓力)時，液壓缸2A開始返回，壓下行程

9、開關(guān)后，液壓缸3A開始前進(jìn)運動，進(jìn)行脫模，壓下行程開關(guān)后開始回程合模，到此完成一次循環(huán)。注塑成型機的壓力控制系統(tǒng)由電液比例溢流閥、三位四通換向閥、液壓缸等組成。壓力傳感器檢測液壓缸的輸出壓力信號并反饋給單片機系統(tǒng)、單片機系統(tǒng)將反饋信號與設(shè)定的壓力信號進(jìn)行比較，獲得一個偏差值，該偏差值經(jīng)由PID控制器處理后、再進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換、功率放大，對電液比例溢流閥線圈電流進(jìn)行調(diào)整、控制閥芯動作、調(diào)節(jié)液壓缸輸出壓力。簡化后的注射壓力控制系統(tǒng)框圖如圖4所示。由圖4可以得到注塑成型機的注射系統(tǒng)壓力控制的閉環(huán)傳遞函數(shù)表達(dá)式：式中，比例放大環(huán)節(jié)；比例溢流閥二階振蕩環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)，;H(s)壓力傳感器的傳遞函數(shù)； K

10、u比例放大器增益，；Kf壓力傳感器增益，。3.PID控制器設(shè)計系統(tǒng)采用增量式PID算法對注塑成型機壓力變化進(jìn)行的實時控制。增量式PID控制算式為：式中，比例控制參數(shù)； 積分控制參數(shù)；微分控制參數(shù)；)為實時壓力檢測值與壓力設(shè)定值的差值；的初值為0。由式(2)可以看出，因為一般計算機控制系統(tǒng)的采樣周期是恒定的，所以只要確定了， ， 三個參數(shù)，使用前三次測量的偏差值，就可以求出所需控制增量。因為增量式PID控制算法中計算機輸出的為控制增量，所以受到誤操作的影響較小，而且計算中不需要累加，控制增量D )僅與最近k次的采樣值有關(guān)，所以較容易通過加權(quán)處理獲得較好的結(jié)果。本系統(tǒng)采用Ziegler-Nicho

11、ls方法，該方法是基于系統(tǒng)穩(wěn)定性分析的PID整定方法，在設(shè)計過程中無需考慮任何特性要求，整定方法簡單，控制效果理想。表1具體整定方法為：(1)先構(gòu)建系統(tǒng)的閉環(huán)控制回路；(2)再設(shè)置和的值為0，逐漸增加，直到在輸出得到一個持續(xù)的穩(wěn)定的振蕩；(3)記錄下振蕩時的P部分的臨界增益和振蕩周期，(4)代到表1中計算，的值，4.實驗4.1 控制系統(tǒng)仿真試驗根據(jù)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，用MATLAB軟件對系統(tǒng)進(jìn)行階躍時間響的仿真實驗。控制系統(tǒng)采用增量式PID算法對階躍時間響的圖形如圖5所示，可以看出，增量式PID控制的超調(diào)量比較小，響應(yīng)速度快、只需0.21毫秒就進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，控制效果明顯。4.2 FESTO電液比例控制試驗臺壓力變化的曲線在德國FESTO電液比例控制試驗臺上對注塑成型機壓力控制系統(tǒng)進(jìn)行模擬實驗。注塑機壓力變化的曲線如圖6所示。由圖6看出，系統(tǒng)工作時，完成一次循環(huán)周期，系統(tǒng)的流量是不斷變化的，執(zhí)行裝置工作壓力要求多、變化大，這主要是依靠行程開關(guān)切換電磁換向閥來實現(xiàn)的；當(dāng)注塑成型機注塑時其壓力出現(xiàn)波動，注塑完成后的保壓過程