专利名称：塑料注射工艺参数的确定方法及注塑机的制作方法
技术领域：
本发明涉及塑料注射成型领域，特别涉及一种塑料注射工艺参数的确定方法，具体地说通过收集、整理塑料注射生产中的生产实例，基于实例推理的方法来确定塑料注射的工艺参数。
背景技术：
塑料具有密度小、重量轻、绝缘性能好、介电损耗低、化学稳定性高以及耐磨性好等特点，被广泛应用于工业、农业、建筑、包装、国防和日常生活等各个领域，其增长率已跃居四大工业材料(塑料、钢铁、木材和水泥)之首，是世界上增长最快的工业之一，在全世界按照体积和重量计算的消耗量已经超过了钢。
塑料的注射成型具有生产周期快、生产效率高、能成型形状复杂、尺寸精确或带嵌件的制品以及易于实现自动化等特点，因此，注射成型成为塑料的主要加工方法之一，用此方法加工的塑料占到了塑料加工总重量的32％，在塑料制品生产行业中占有非常重要的地位。
注射成型的工艺参数在塑料生产中非常重要，直接影响到产品质量、成本和生产周期。而注塑工艺参数的确定却又十分复杂，其与注塑机、塑料性能、模具等因素密切相关。传统的注塑工艺参数的确定方法主要是尝试法(又称试错法)，即依据相关人员有限的经验确定工艺参数后不断进行试模后评定，最终确定合适的注塑工艺参数。但是，在实际生产中，由于塑料材料的性能千差万别，制品和模具的结构千变万化，注塑机的工艺参数复杂繁多，仅凭有限的经验难以对这些因素作全面的考虑和处理；而且相关人员的经验的积累无法跟上塑料材料的发展和制品复杂程度及精度要求的提高，因此这种方法要反复试模，从而导致工艺参数确定时间长、生产间隙大、成型循环周期长、废品率高、产品质量不理想、生产不稳定、注射机利用率低。同时，这种确定方法必需有经验的相关人员，而由于此类人员的严重不足，制约了塑料注射行业的发展。
随着全球市场竞争日趋激烈，要求尽可能减少成型工艺设置时间、缩短塑料产品生产周期、提高制品质量、促使注射机生产能力的最大化。因此，急需快速、准确的确定塑料注射的工艺参数，用新的注塑工艺参数确定方法来代替传统的“试错法”。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的上述缺陷而提供塑料注射工艺参数的确定方法及注塑机，以达到快速正确确定塑料注射工艺参数的目的。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为一种塑料注射工艺参数的确定方法，以大量的注塑实例为基础建立实例数据库，根据目标实例的塑料注射条件，利用实例推理的方法，在实例数据库中搜索和目标实例最相近的实例，得到相近的塑料注射工艺参数，并通过实例吸取和修正该相近实例的工艺参数，从而确定目标实例的工艺参数。
人们为了解决一个新问题，一般总是自然而然的先从记忆中找到一个与新问题相似的旧问题，再把旧问题中的有关信息和知识运用到新问题的求解中，也就是基于实例的推理方法。同样，在注塑生产中，各个生产实例本身都凝结了工艺师的生产经验，因此，可通过整理的生产实例进行推理，确定合理的注塑工艺参数，这就是本发明的依据所在。
具体地说，本发明所述的塑料注射工艺参数确定方法，其整体流程框图如图1所示。首先导入制品的CAD造型文件(STL文件)，并输入注射用塑料牌号和注塑机型号。根据浇口设置的位置，通过该CAD文件计算出型腔几何数据，包括流动长度、平均厚度、型腔复杂度、型腔体积等。根据型腔几何特征、塑料物性在实例库中搜索和当前注射过程相似度最高的实例(相似实例)，并取出实例的各个工艺参数，对相似实例的工艺参数进行修正，然后通过注塑机控制器通讯接口将各工艺参数上传到注塑机控制器中。再进行试模，如果试模成功，则将当前的注塑过程作为生产实例保存在计算机存储器上的实例库中，使实例库不断的丰富、扩充，作为以后实例推理的基础。
上述实例库中的实例由其塑料注射条件和相应的工艺参数的结构对其进行描述。这是由于实例注射条件与注塑的工艺参数间有必然的内在关系，由实例的注射条件便可确定注塑生产所需的工艺参数。
上述实例的塑料注射条件为由下面三个方面描述塑料种类、模具型腔几何特征、注塑机型号，其中，所述的模具型腔几何特征包括流动长度、平均厚度、型腔复杂度、型腔体积。这是由于注塑工艺参数与这几个因数密切相关，不同的塑料具有不同的流变性能，模具型腔特征对工艺参数也具有决定性的影响，不同型号的注塑机从工艺参数机器值(机器参数)到真实工艺参数转换(理论参数)的系数不一样。
上述实例的工艺参数包括以下方面注射参数、保压参数、冷却参数和塑化参数，喷嘴加热温度、喷嘴保温温度等。这是由于在塑料注射过程中，这些参数对注塑件质量的影响最大，是最主要的工艺参数，也是工艺人员在调模过程中最难确定、最需要确定的工艺参数。
由此实例数据的组织形式详见表1。
表1、实例数据库组织形式
上述实例库存放在计算机存储器上，这样随时可以调用。
作为目标实例，能够确定注塑制品的造型、塑料种类及注塑机型号。根据注塑制品的造型文件，计算出所需的型腔几何特征数据，即流动长度、平均厚度、型腔体积，并根据经验确定型腔复杂度。
然后确定当前目标实例和实例库中各个实例的相似度。相似度采用如下式子计算s=f(0)×Σi=14(Wi×f(i))Σi=14Wi---(1)]]>其中，f(i)为各个特征数据的影响因子，包含材料因子、厚度因子、流动长度因子、型腔体积因子和型腔复杂度因子等，Wi为各个影响因子的权值各个影响因子采用下列各式进行计算材料因子f(0) 其中，材料因子即为塑料材料的相似性，包括粘度的相似性、收缩率的相似性和热扩散系数的相似性，(i)(i＝1、2、3)分别为材料的流动相似度因子、保压相似度因子和冷却相似度因子， vi(i＝1、2、3)分别为各个因子的权值；η(obj)，η(src)分别为目标实例和相似实例塑料材料的粘度，可采用Cross粘度模型计算η=η0(T,P)1+(η0γ/τ*)1-n,]]>η0(T,P)=BeTb/TeβP,]]>τ`为材料常数，n为非牛顿指数，η0为零剪切粘度，B，Tb，β均为材料常数；s(obj)，s(src)分别为目标实例和相似实例材料的收缩率；α(obj)，α(src)分别为目标实例和相似实例材料的热扩散系数，上述材料的物性参数从塑料材料库中读取。
厚度因子f(1)f(1)=1-|thick(obj)-thick(src)|thick(obj)---(3)]]>流动长度因子f(2)f(2)=1-|fiowLen(obj)-fiowLen(src)|fiowLen(obj)---(4)]]>型腔体积因子f(3)f(3)=1-|volume(obj)-volume(src)|volume(obj)---(5)]]>型腔复杂度因子f(4)f(4)=1-|c(obj)-c(src)|c(obj)---(6)]]>
其中，thick(obj)、flowlen(obj)、volume(obj)、c(obj)分别为目标实例的平均厚度、流动长度、型腔体积、型腔复杂度，thick(src)、flowle(src)、volume(src)、c(src)分别为相似实例对应的各个特征数据。
实例检索根据相似度值得到符合规定条件值的实例，并从实例库中确定和目标实例最相似的实例。相似度值越大，工艺参数确定的效果越好，相似度值越低，工艺参数确定的效果越差，因此，最相似实例的相似度必须满足一定的大小，一般取值0.85，才是合理的，此时数据库中的相似实例的一部分工艺参数可以用来作为目标实例的工艺参数，否则，就是不合理的，数据库中的工艺参数都不能作为目标实例的工艺参数。
确定相似的实例后，从实例取出相应的工艺参数。由于实例中保存的工艺参数大小是注塑机控制器面板上设置的机器参数数值(简称机器参数)，其中的各种压力、速度也就是液压油路中的压力、速度百分比值，而不是螺杆前端的真实压力和速度值(称为理论参数)，也就是说，部分工艺参数是由机器参数直接控制的，部分是由机器参数间接控制的，对于直接控制的工艺参数，机器设置值即为理论值，与注塑机型号无关，对于间接控制的工艺参数，机器设置值与理论值之间存在转换关系，不同型号的注塑机具有不同的转换系数。因此，在根据相似实例确定目标实例中的压力和速度参数值时需要考虑到相似实例和目标实例使用的注塑机型号的不同。
由机器参数直接控制的工艺参数有料筒加热温度、料筒保温温度、保压时间、注射时间、冷却时间、垫料长度、后松退位移等，由机器参数间接控制的工艺参数有注射压力、注射速度、保压压力、背压、螺杆旋转速度等。
对于间接控制的工艺参数，需要将机器参数转换成理论参数，以便于目标实例工艺参数的借用。各间接控制的工艺参数转换公式分别如下注射压力pinj(src)=pmax(src)×pinj-oil(src)Ppanel(src)max]]>或 注射速度vinj(src)=vmax(src)0.25πD(src)2×vinj-oil(src)vpanel(src)max---(8)]]>保压压力phld(src)=pmax(src)×phld-oil(src)ppanel(src)max]]>或 背压pback(src)=pmax(src)×pback-oil(src)Ppanel(src)max]]>或
螺杆旋转线速度vscrew(src)=ωsrc×D(src)2---(11)]]>其中，pinj(src)、vinj(src)、phld(src)、pback(src)分别表示理论上的注射压力、保压压力、背压，pinj-oil(src)、phld-oil(src)、pback-oil(src)分别表示注射压力、保压压力、背压的机器参数值，亦即油路中的压力值；pmax(src)为注塑机的最大注射压力，ppanel(src)max、vpanel(src)max分别为注塑机控制器面板上能设置的油路最大压力、速度值，A注射油缸(src)为注射油缸总的截面积，Ascrew(src)为螺杆截面积，D(src)为螺杆直径，vscrew(src)为螺杆转动线速度，以上各变量均为相似实例中所使用的机器对应的值(下标统一为(src))。
实例参数吸取搜索到最相似实例后，需要从此实例中确定目标实例的工艺参数。参数吸取的原则是目标实例的料筒加热温度、料筒保温温度、注射速度、注射压力、保压压力、保压时间、冷却时间、垫料长度、后松退位移、螺杆旋转线速度参考相似实例中对应参数的数值取值。其中，由机器参数直接控制的部分工艺参数加热温度、保温温度、保压时间、冷却时间、垫料长度、后松退位移直接取相似实例中的相应数值，由机器参数间接控制的工艺参数注射速度、注射压力、保压压力、螺杆旋转线速度取经过上述公式转换之后的理论值，其他未提及的工艺参数在后续的工艺参数修正中通过修正确定。参数的吸取可用下列式子明确表达T(obj)＝T(src)；T(obj)′＝T(src)′；thld(obj)＝thld(src)；tcool(obj)＝tcool(src)；ΔLspare(obj)＝ΔLspare(src)；Δx(obj)＝Δx(src)；pinj(obj)＝pinj(src)；vinj(obj)＝vinj(src)；phld(obj)＝phld(src)；pback(obj)＝pback(src)；vscrew(obj)＝vscrew(src)； (12)其中，T(obj)、T(obj)′、thld(obj)、tcool(obj)、ΔLspare(obj)、Δx(obj)、pinj(obj)、vinj(obj)、phld(obj)、pback(obj)、vscrew(obj)分别为目标实例的料筒加热温度、保温温度、保压时间、冷却时间、垫料长度、后松退位移和注射压力、注射速度、保压压力、背压、螺杆转速(线速度)的理论值，T(src))、T(src)′、thld(src)、tcool(src)、Lspare(src)、Δx(src)、pinj(src)、vinj(src)、phld(src)、pback(src)、vscrew(src)分别为相似实例中对应的工艺参数理论值。
实例修正确定参数吸取中未确定的工艺参数，包括注射时间、注射起点位置、注射终点位置、塑化终点位置。利用目标实例和相似实例注射体积之间的差异，修正的方法如下注射时间tinj(obj)=V(obj)vinj(obj)---(13)]]>塑化终点位置Y(obj)=ΔLspare(src)+V(obj)0.25πD(obj)2---(14)]]>注射起点位置x0(obj)=ΔLspare(src)+V(obj)0.25πD(obj)2+Δx(src)---(15)]]>注射终点位置x1(obj)=x0(obj)-0.95V(obj)0.25πD(obj)2---(16)]]>其中，V(obj)、tinj(obj)、Y(obj)、x0(obj)、x1(obj)分别为目标实例注射体积、注射时间、塑化终点位置、注射起点位置、注射终点位置。其他变量符号定义与前述同。
目标实例工艺转换再将取得的下述理论值在目标实例所使用的注塑机上转换成机器参数值，即控制器面板上设置的值，转换的公式如下注射压力pinj-oil(obj)=ppanel(obj)max×pinj(obj)pmax(onj)]]>或 注射速度vinj-oil(obj)=0.25D(obj)2vpanel(onj)maxvmax(obj)vinj(obj)---(18)]]>保压压力phld-oil(obj)=ppanel(obj)mac×phld(obj)pmax(obj)]]>或 背压pback-oil(obj)=Ppanel(obj)max×pback(obj)pmax(obj)]]>或 螺杆转速ω(obj)=2×vscrew(obj)D(obj)---(21)]]>其中，各个变量的含义与前述公式中对应的各个变量的含义相同，各个变量是目标实例中所使用的注塑机对应的值。
这样最终确定了目标实例在注塑机控制器面板上的上述生产工艺参数，然后通过注塑机控制器的标准TCP/IP通讯接口将工艺参数上传到控制器中，用以进行注射成型。
上述目标实例注射成型后如果注塑件质量无缺陷，则将目标实例保存到实例库中，丰富实例库的内容，作为以后实例推理的基础。
本发明还提供了一种注塑机，其包括注塑机主机、存贮器、工艺参数处理器和控制器，所述的存储器存储实例库、塑料物性库和注塑机库，所述的工艺参数处理器通过上述方法确定工艺参数，并将工艺参数传输给控制器。
与现有技术相比，本发明的优点在于用实例推理方法，能够快速、准确地得到特定注塑条件下的塑料注射的工艺参数，从而缩短塑料产品生产周期、提高制品质量、促使注射机生产能力的最大化。
图1是塑料注射工艺参数确定方法流程整体框图具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
如图1所示，先建立三个数据库实例库、塑料库、注塑机库，作为本方法的基础。
实例库按照如表1所示组织结构收集、整理塑料注射生产实例，保存在计算机存储器上。
塑料库，收录不同牌号塑料的粘度、收缩率、热扩散系数等物性参数，存放在计算机存储器上，作为实例相似度计算中材料相似度计算的基础。
注塑机库，将注射实例中使用的注塑机性能参数整理存放在数据库中，保存在计算机存储器上，作为将相似实例工艺参数转换成目标实例工艺参数的基础。
再根据目标例的注塑件CAD造型文件计算型腔几何特征注塑件CAD造型文件为STL文件，确定注塑件平均壁厚(也就是型腔的平均壁厚)、注射体积，根据工艺人员经验确定型腔的复杂程度和根据浇口设置的位置，确定型腔内的流动长度，从而确定目标实例的特征数据。
然后实例检索遍历实例库中的每一个实例，求实例库中的实例和目标实例的相似度大小，找出和目标实例最相似的相似实例。相似度的计算采用式(1)来进行，其先从塑料材料库中读取目标实例材料物性参数和相似实例中使用的塑料材料物性参数，计算材料相似度f(0)，再分别利用式(2)-(5)计算厚度因子、流长因子、体积因子、复杂度因子，再用式(1)计算总的相似度。
然后实例参数吸取由相似度值确定最相似实例，从实例库中取出最相似实例的工艺参数，并从注塑机数据库中读取实例使用的注塑机性能数据，利用式(7)-(11)将相似实例的工艺参数(机器参数)转换为理论参数。通过式(12)所示的一组等式，确定目标实例的部分工艺参数的理论值。
进行实例修正通过式(13)(14)(15)(16)确定目标实例的注射时间、塑化终点位置、注射起点位置和注射终点位置。
目标实例工艺参数转换再从注塑机数据库中读取目标实例所使用的注塑机的性能参数，利用式(17)-(21)将确定的目标实例工艺参数的理论值转换为注塑机控制器面板上的设置值。从而，就完成了整个计算过程，确定了在目标实例所使用的注塑机的工艺参数。
再将上述工艺参数通过注塑机控制器提供的标准TCP/IP网络通讯接口上传到控制器中。
注塑机进行试模，如果得到的制品符合要求，则试模成功，将本次注射的特征和工艺参数保存到实例库存中。
权利要求
1.塑料注射工艺参数的确定方法，其特征在于以大量的注塑实例为基础建立实例数据库，根据目标实例的塑料注射条件，利用实例推理的方法，在实例数据库中搜索和目标实例最相近的实例，得到相近的塑料注射工艺参数，并通过实例吸取和实例修正该相近实例的工艺参数，从而确定目标实例的工艺参数。
2.按权利要求1所述的塑料注射工艺参数的确定方法，其特征在于所述的实例数据库的注塑实例包括二部分，一部分为实例特征，另一部分为工艺参数；所述的实例特征由下面三个方面描述塑料种类、模具型腔几何特征、注塑机型号，其中，模具型腔几何特征包括流动长度、平均厚度、型腔复杂度、型腔体积；所述的工艺参数为料筒加热温度、料筒保温温度、注射参数、保压参数、冷却参数和塑化参数；所述的目标实例的塑料注射条件为实例特征，并由以下方法确定导入目标实例制品的CAD造型文件，根据浇口设置的位置，通过该造型CAD文件计算出型腔几何数据，包括流动长度、平均厚度、型腔体积，根据经验确定型腔复杂度；所述的和目标实例最相近实例是指相似度为大于等于规定值的实例，相似度由式s=f(0)×Σi=14(Wi×f(i))Σi=14Wi]]>计算，塑料的相似度数据由塑料物性库中得到；所述的实例吸取为由机器参数直接控制的工艺参数加热温度、保温温度、保压时间、后松退位移直接取最相似实例中的相应数值，其他由机器参数间接控制的工艺参数注射压力、注射速度、保压压力、背压、螺杆旋转速度，将机器参数转换成理论值，所需的注塑机参数由注塑机库中得到；所述的实例修正是指确定参数吸取中未确定的工艺参数，包括注射时间、注射起点位置、注射终点位置、塑化终点位置。
3.按权利要求2所述的塑料注射工艺参数的确定方法，其特征在于所述的CAD文件为STL文件。
4.按权利要求1或2或3所述的塑料注射工艺参数的确定方法，其特征在于所述的目标实例的工艺参数经目标实例工艺转换成注塑机工艺参数。
5.按权利要求1-4所述的任一塑料注射工艺参数的确定方法，其特征在于所述的相似度值确定值为0.85。
6.按权利要求1-5所述的任一塑料注射工艺参数的确定方法，其特征在于所述的计算和推理均在计算机上处理，所述的塑料物性库、注塑机库、实例库储存在计算机的存储器上。
7.按权利要求1-6所述的任一塑料注射工艺参数的确定方法，其特征在于将确定的工艺参数通过注塑机控制器的通讯接口上传到控制器中。
8.一种注塑机，其特征在于其包括注塑机主机、存贮器、工艺参数处理器和控制器，所述的存储器存储实例库、塑料物性库和注塑机库，所述的工艺参数处理器通过上述塑料注射工艺参数的确定方法确定工艺参数，并将工艺参数传输给控制器。
全文摘要
塑料注射工艺参数的设置方法，以大量的注塑实例为基础建立实例数据库，根据目标实例的塑料注射条件，利用实例推理的方法，在实例数据库中搜索和目标实例最相近的实例，得到相近的塑料注射工艺参数，并通过实例吸取和修正该工艺参数，从而确定目标实例的工艺参数。还提供了一种注塑机，其包括注塑机主机、存贮器、工艺参数处理器和控制器，所述的存储器存储实例库、塑料物性库和注塑机库，所述的工艺参数处理器通过上述方法确定工艺参数，并将工艺参数传输给控制器。本发明的优点在于用实例推理方法，能够快速、准确地得到特定注塑条件下的塑料注射的工艺参数，从而提高缩短塑料产品生产周期、提高制品质量、促使注射机生产能力的最大化。
文档编号B29C45/00GK1752984SQ20051006114
公开日2006年3月29日 申请日期2005年10月18日 优先权日2005年10月18日
发明者周华民, 夏善海, 李德群, 许国旗, 冯伟, 宋祖勇 申请人:宁波海太高科机械有限公司, 华中科技大学, 宁波海太机械制造有限公司