技术领域
本发明涉及塑料挤出吹塑制品壁厚的控制技术，特别涉及一种挤出吹塑制品壁厚智能化控制系统及其控制方法。
背景技术：
塑料吹塑制品壁厚过大会导致制品超重和不必要的材料浪费，并降低生产效率；壁厚过小则会导致制品力学性能不能满足设计的要求。因此，需要对吹塑制品壁厚进行控制。目前，工业生产中采用在挤出吹塑机上安装型坯壁厚程序控制器的方法来实现对吹塑制品壁厚的控制。型坯壁厚程序控制器通过电液伺服系统使机头芯棒或口模上下移动以改变机头模口间隙大小，从而使吹塑制品壁厚分布满足要求。然而，该技术存在着两方面的不足。首先，很难设定合适的初始机头模口间隙曲线。操作人员只能依靠个人经验来设定一条相对合适的机头模口间隙曲线，然后，进行反复的调试来使得吹塑制品壁厚能够满足要求。这样操作繁琐而且耗时，在调试过程中需要消耗大量的原材料，随着制品复杂程度的提高，单单依靠操作人员的经验已经很难获得合理的的制品壁厚分布。其次，在实际的吹塑过程中不可避免地存在着各种内部参数变化和外部干扰，如电源电压、熔体温度、液压系统等的变化引起机头间隙的波动，导致制品实际壁厚与目标壁厚存在较大的偏差，结果造成产品废品率较高、质量不稳定的现象。
可采用超声波测量装置来检测吹塑制品的壁厚，具体是：首先在被检测的吹塑制品外表面涂上耦合剂，然后将超声波探头直接与该表面接触，通过获得超声波在吹塑制品壁内外两个表面的回波的时间差来计算其壁厚。超声波检测制品壁厚的方法一般应用于对吹塑制品进行操作，以剔除壁厚不合格的制品，其检测结果比较准确可靠，但目前并未见实时利用超声波检测制品的壁厚对其进行反馈控制的技术公开。
综上可知，现有的吹塑制品壁厚控制技术不能满足对制品壁厚进行快速、准确控制的技术要求。
技术实现要素：
本发明的目的在于克服现有吹塑制品壁厚控制技术的缺点，提供一种能优化控制参数，对制品壁厚进行智能控制，保证产品质量，使生产稳定、产品合格率高的挤出吹塑制品壁厚智能化控制系统。
本发明的另一目的在于提供一种利用上述挤出吹塑制品壁厚智能化控制系统实现的控制方法。
本发明的目的通过下述技术方案实现：一种挤出吹塑制品壁厚智能化控制系统，包括模内制品壁厚超声波在线检测模块、工控处理模块、模口间隙控制模块，所述模内制品壁厚超声波在线检测模块与工控处理模块相连接，所述工控处理模块与模口间隙控制模块相连接。
所述模内制品壁厚超声波在线检测模块包括超声波探头、超声波检测卡，所述超声波探头与超声波检测卡相连接。
所述超声波探头连接有超声波延迟线，超声波探头与超声波延迟线都安装在吹塑模具中。为了避免型坯的吹胀压力过大地作用于超声波探头端面上，在超声波延迟线上设置有螺纹，并通过螺纹连接到相应的检测位置上，这样吹胀压力只作用在延迟线上，有利于保证超声波检测的精度并能延长超声波探头的使用寿命。
所述超声波探头与超声波延迟线之间涂上耦合剂，安装时将超声波延迟线伸出模腔，并在超声波延迟线的周围钻一定数量的排气孔，以使型坯在吹胀压力的作用下贴紧超声波延迟线端面，实现两者的良好耦合。
所述工控处理模块包括工控机、可编程控制器、输出端口，所述可编程控制器通过输出端口与工控机相连接，所述工控机还通过输出端口与其它外接设备(如：显示器)相连接。
所述模口间隙控制模块包括型坯壁厚控制板、伺服阀和液压系统，所述型坯壁厚控制板与伺服阀相连接，所述伺服阀与液压系统相连接。
一种利用上述挤出吹塑制品壁厚智能化控制系统实现的控制方法，包括下述步骤：
(1)建立挤出吹塑制品壁厚优化的数学模型，进行求解得到最优机头模口间隙曲线。根据有限元分析方法的不同，可以直接得到最优的机头模口间隙曲线，也可以通过间接的方法得到最优的型坯壁厚分布曲线，再根据机头模口间隙与型坯壁厚关系函数得到最优的机头模口间隙曲线，而这种函数关系主要是通过实验获得。
(2)将步骤(1)中所得的最优机头模口间隙曲线作为初始值输入到工控处理模块，并由工控处理模块调节模口间隙控制模块，对机头模口间隙进行控制，进行第一次的吹塑操作。
(3)在吹塑过程中，模内制品壁厚超声波在线检测模块自动获得吹塑制品的壁厚，然后将所获的制品壁厚信息反馈到工控处理模块进行存储。
(4)分析检测的制品壁厚分布曲线与目标壁厚曲线的差异程度，并启动模糊迭代学习控制算法获得修正后的机头模口间隙曲线，把修正后的机头模口间隙曲线输入到工控处理模块和模口间隙控制模块，调节机头模口间隙进行下一次的吹塑操作，如此循环，直到所获的制品壁厚满足要求。
所述步骤(1)具体为：对一有特定壁厚要求的吹塑制品，根据其壁厚分布数据和相应的模具参数，采用有限元分析方法对制品的吹塑过程进行模拟，利用模拟结果建立型坯壁厚分布与优化目标函数值之间的神经网络模型，实现优化迭代过程中个体适应度值的实时求解，结合基于实数编码技术的并行遗传算法，建立挤出吹塑制品壁厚优化的数学模型，并对模型进行求解，得到最优的初始机头模口间隙曲线。
所述步骤(3)中，吹胀型坯并使其贴紧延迟线端面0.5～1s时开始检测相应位置的超声波回波时间。由于温度对超声波速度的影响较大，因此，采用各检测通道单独校正的方法，以制品冷却24h后的相应位置壁厚为准来校正各个通道的超声波速度，然后通过计算获得各个通道的制品壁厚。
所述步骤(4)中，所谓模糊迭代学习控制的方法是在迭代学习控制的基础上，增加一个模糊控制环节。建立模糊控制规则的主要思路如下：如果壁厚误差是正的，并且有增大的趋势，那么壁厚变化为负大；如果壁厚误差是正，并且有减小的趋势，那么壁厚变化为负小；如果壁厚误差为负，并且有增大的趋势，那么壁厚变化为正大；如果壁厚误差是负，并且有减小的趋势，那么壁厚变化为正小。
本发明的作用原理是：当需要吹塑有特定壁厚要求的制品时，原并无生产该制品的初始机头模口间隙曲线，只需向本智能化控制系统输入吹塑制品的目标壁厚分布数据和相应的模具参数，系统将采用有限元分析方法对制品的吹塑过程进行模拟，利用有限元模拟的结果建立型坯壁厚分布与优化目标函数值之间的神经网络模型，实现优化迭代过程中个体适应度值的实时求解，结合基于实数编码技术的并行遗传算法，建立挤出吹塑制品壁厚优化的数学模型，并对模型进行求解，得到最优的初始机头模口间隙曲线。当目标壁厚改变时，本智能化控制系统自动取出有关参数，对该目标壁厚分布的吹塑制品的初始机头间隙曲线进行自动优化，得到新的初始机头间隙曲线。采用优化方法所获得的机头模口间隙曲线，可以克服只能依靠操作人员的经验来获得相应数据的缺点，这些缺点主要包括：不可避免地耗费人力、物力，使生产周期长、生产效率低，并且所得结果还取决于操作人员的经验，随着吹塑制品复杂程度和对吹塑制品性能要求的提高，这种依赖于操作人员经验的控制技术已经无法满足现代吹塑工业的要求。由于本发明所获得的机头模口间隙曲线与实际需要的最优曲线很接近，因此，可以大大缩短系统从开始到获得预定壁厚分布制品的时间，实现整个吹塑过程的智能化控制。
在实际的吹塑生产过程中，不可避免地存在着各种内部参数变化和外部干扰，如电源电压、熔体温度、液压系统等的变化引起机头间隙的波动，使得制品实际壁厚与目标壁厚存在较大的偏差，此时必须在实际生产过程中相应调节机头间隙以弥补因为干扰而出现的吹塑制品壁厚的变化。从调节过程来看，控制变量(模口间隙变化曲线)与控制目标(制品壁厚分布)之间呈高度非线性关系，是一种非线性、强耦合系统，因此，采用常规的控制方法效果有时不是很好，本发明采用模糊迭代学习控制的方法，将迭代学习控制与模糊控制相结合，充分发挥两者的优点，加速了迭代学习的速度，有效地避免了传统迭代学习控制算法收敛速度慢的缺点。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
(1)实时测量反馈调节控制，提高产品性能和降低材料消耗。本发明对吹塑过程进行智能化控制可以克服因各种内部参数变化和外部干扰导致的制品壁厚偏差。通过对吹塑制品壁厚进行在线检测，并结合智能化的控制算法，对机头模口间隙曲线实行反馈调节控制，使吹塑制品壁厚重新回到预定要求范围内。因此，利用本发明可以提高产品性能、降低材料消耗、减少废品率。
(2)利用本发明对吹塑制品壁厚进行在线检测，可以保证产品性能稳定。在吹塑生产过程中，传统的质量控制方法是采用抽查法，即每生产一定量的制品选择一个或若干个制品进行壁厚检测。这种方法是基于概率论的抽样检查法，因此，不可避免地存在着漏检。本发明对吹塑制品壁厚进行在线检测，可以实现对产品质量的100％的检验。在线检测的壁厚数据可以用于产品质量控制，以改善产品的质量、保证产品性能的一致性。
(3)本发明操作简单、实现容易、成本较低，可方便地应用于对现有的吹塑设备进行技术改造，显著提高吹塑产品的性能和合格率。
附图说明
图1是本发明挤出吹塑制品壁厚智能化控制系统的结构示意图。
图2是图1所示系统中超声波探头在吹塑模具中的安装示意图。
图3是本发明方法的总控制程序流程框图。
图4是本发明方法中的模糊迭代学习控制的原理图。
图5是制品目标壁厚为均匀时机头模口间隙曲线变化与其对应的制品壁厚分布，其中：(a)是初始机头模口间隙曲线与对应的吹塑制品壁厚分布；(b)是第一次迭代后机头模口间隙曲线与对应的吹塑制品壁厚分布；(c)是第二次迭代后机头模口间隙曲线与对应的吹塑制品壁厚分布。
图6是实施本发明前后的吹塑制品剖面图，其中：(a)是控制前的制品壁厚分布；(b)是控制后的制品壁厚分布。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
图1示出了本发明的具体结构。由图1可见，本挤出吹塑制品壁厚智能化控制系统包括工控机1、多通道超声波检测卡2、超声波探头3、超声波延迟线4、可编程控制器上位机5、可编程控制器下位机6、型坯壁厚控制板7、RS232通信卡8、伺服阀9、显示器10、视频输出卡11、RS232串口12；所述超声波探头3通过电缆与多通道超声波检测卡2相连接，所述多通道超声波检测卡2通过PCI总线插于工控机1的主板上，视频输出卡11通过VGA总线插于工控机1的主板上，视频输出卡11与显示器10相连接，超声波延迟线4通过耦合剂与超声波探头3相连接，可编程控制器上位机5与可编程控制器下位机6通过电缆相连接，型坯壁厚控制板7安装在可编程控制器下位机6上，伺服阀9与型坯壁厚控制板7相连接，工控机1通过RS232串口12及RS232通信卡8与可编程控制器下位机6相连接。其中超声波探头在吹塑模具中的安装方式见图2。
本挤出吹塑制品壁厚智能化控制系统各部分选型如下：工控机1可选用ADVANTECH公司的AIMB-742工控机；多通道超声波检测卡2可选用USUltratek公司的PCIUT3100超声波检测卡，并配DT8B或DT16B检测通道扩展卡；超声波探头3可选用Olympus的M202-SM；超声波延迟线4可选用Olympus的DLHT-1；可编程控制器上位机5、可编程控制器下位机6、型坯壁厚控制板7、RS232通信卡8可选用Barber-Colman公司的49N0-0G1AY-Y00-0-00带型坯壁厚控制板的控制器；伺服阀9可选用Moog公司的G631-3005A；显示器10可选PHILIPS公司的107P5；视频输出卡11可选用ATIRadeon的HD2600XT；挤出吹塑机可选用张家港市同大机械有限公司生产的5升挤出吹塑机。然后按上面说明书所述的连接关系进行安装连接，便能较好地实现本智能化控制系统。
利用图1所示智能化控制系统实现的控制方法具体如图3所示，包括下述步骤：
(1)对有特定壁厚要求的吹塑制品，设定其壁厚分布数据和相应的模具参数，采用有限元分析对制品的吹塑过程进行模拟，利用有限元模拟结果建立型坯壁厚分布与优化目标函数值之间的神经网络模型，实现优化迭代过程中个体适应度值的实时求解，结合基于实数编码技术的并行遗传算法，建立挤出吹塑制品壁厚优化的数学模型，并对模型进行求解，得到最优的初始机头模口间隙曲线。
(2)将初始机头模口间隙曲线输入工控处理模块，由工控处理模块调节模口间隙控制模块，对机头间隙进行控制，开始吹塑操作。
(3)在吹塑过程中，模内制品壁厚超声波在线检测模块自动获得吹塑制品的壁厚分布，然后将所获的制品壁厚信息反馈到工控处理模块进行存储；具体是超声波探头3将吹塑生产过程中的各个检测位置的制品壁厚信息输入到多通道超声波检测卡2，再经PCI总线输入到工控机1主板上；当型坯吹胀并贴紧超声波延迟线端面0.5～1s时开始检测相应位置的超声波回波时间。由于温度对超声波速度的影响较大，因此，采用各测厚通道单独校正的方法，以制品冷却24h的相应位置壁厚为准来校正各个通道的超声波速度，然后通过计算获得各个通道的制品壁厚分布，并将所获的制品壁厚信息反馈到工控处理模块进行存储。
(4)计算机根据输入信息对制品的壁厚进行分析记录，并计算出检测值与目标值的偏差量，将该偏差量与记录的制品壁厚曲线进行分析，并进行模糊迭代学习控制计算(具体流程见图4)，得出新的机头模口间隙曲线对吹塑过程进行控制，以实现吹塑过程的智能控制。控制量的输出是通过RS232串口12及RS232通信卡8与可编程控制器下位机6相连，然后传输到型坯壁厚控制板7，型坯壁厚控制板7根据输入的数据驱动伺服阀9，从而实现模口间隙的控制并进行下一次的吹塑操作，如此循环，直到所获的制品壁厚满足要求。
利用图3所示智能化控制系统实现的控制方法具体如图3所示，包括下述步骤：
利用图1所示智能化控制系统对一包装容器的壁厚进行智能化控制。图5是制品目标壁厚为均匀时机头模口间隙曲线变化与其对应的制品壁厚分布，其中：(a)是初始机头模口间隙曲线与对应的吹塑制品壁厚分布；(b)是第一次迭代后机头模口间隙曲线与对应的吹塑制品壁厚分布；(c)是第二次迭代后机头模口间隙曲线与对应的吹塑制品壁厚分布。图6是实施本发明前后的吹塑制品剖面图，其中：(a)是控制前的制品壁厚分布；(b)是控制后的制品壁厚分布。由图5和6可知，本智能化控制系统能够快速地实现对吹塑制品壁厚的控制，使得吹塑制品壁厚满足要求。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。