基于电容式传感器的注塑模具及其在线监测方法与流程

本发明涉及注塑领域，具体涉及一种基于电容式传感器的注塑模具及其在线监测方法。
背景技术：
：注塑成型是一种重要的聚合物加工技术，在生产生活中，人们对注塑产品质量的要求已经显着提高。然而产品质量在很大程度上取决于加工条件，这就引导了用于过程监控的电容式传感器的开发。注塑成型中冷却阶段占用了大部分注塑周期，对产品的质量和生产率有着至关重要的影响。冷却时间不足会导致成型不一致，而过多会增加加工成本。目前电容式传感器在产品的质量监控方面有一定的研究成果，用于监控和估算注塑过程某些阶段的模型计算简单且稳定，但是在注塑冷却阶段产品凝固结晶过程在线监测的方法研究仍处于初级阶段，而且对于结晶度、密度的实时监测更是很少。聚合物的结晶度对制品性能有很大影响，聚合物的结晶度影响制品的密度、拉伸强度、冲击强度、热性能、翘曲以及光泽度等性能，所以控制制品的结晶度对调节制品质量具有重大意义。控制聚合物结晶度的方法大致分为温度控制法、成核剂控制法、拉伸控制法以及热处理控制法，对于结晶度的控制方法已经相对成熟。常见在模具中用温度、压力传感器来测量监控注塑过程，但是测量结果是温度和压力，而无法得到结晶度，其与产品质量没有直接关系。由于实时监测制品的结晶度对控制产品质量有重大意义，而在现有技术中，还没有如何通过传感器来监测产品的结晶度的应用。因此，提出一种具有稳定、高效、准确的针对注塑冷却阶段产品凝固结晶过程在线监测的方法已经成为急需解决的技术问题。技术实现要素：本发明的目的就是针对现有技术的缺陷，提供一种以注塑冷却阶段物料的结晶度、密度为监测目标，能够实时获得产品的结晶度、密度信息在线调控模具加工时的技术参数，保证加工的产品的结晶度、密度一直处于最优状态的基于电容式传感器的注塑模具及其在线监测方法。本发明一种基于电容式传感器的注塑模具，其技术方案为：包括定模组和动模组，所述动模组朝向定模组的端面设有型腔，所述定模组朝向动模组的端面设有与所述型腔匹配的型芯，其特征在于：还包括电容传感器，所述电容传感器为变介电常数型平行板电容器，所述变介电常数型平行板电容器的一对电极分别固定在型腔和型芯的中心且相互对应。较为优选的，所述动模组包括动模板和动模座板，所述型腔设置于所述动模板的上端面，所述动模座板上端面两侧设有垫块，所述垫块上设有竖直的导柱，所述动模板穿过所述导柱固定在所述垫块上。注塑时，所述定模板和动模板穿过所述导柱固定在所述垫块上。较为优选的，所述定模组包括定模板和定模座板，所述型芯设置于所述定模板的下端面，所述型芯周边设有与所述导柱配合的导向孔。较为优选的，所述定模座板边缘与所述动模座板边缘对应位置处分别设有一个电容式位移传感器。本发明一种基于电容式传感器的注塑凝固过程的在线监测方法，其技术方案为：该方法使用的注塑模具在型腔内安装有一个变介电常数型平行板电容器，该方法包括以下步骤：步骤1：针对所选的注塑材料，通过计算机拟合出该注塑材料在注塑过程中的实时密度ρ与实时介电常数ε之间的数学关系：ρ＝αεβ，所述α、β为曲线常数；步骤2：读取变介电常数型平行板电容器的初始电容值c0、初始电压值v0和实时电压值δvθ，根据电容与电压关系式计算出实时电容cθ；步骤3：根据电容与介电常数的关系式计算出实时介电常数ε；步骤4：根据密度与结晶度之间的关系式得到实时密度与实时介电常数的关系实现结晶度fw的实时监测；其中，ρc为完全结晶的注塑材料的密度，ρa为完全无定形的注塑材料的密度，s为变介电常数型平行板电容器的极板面积，d为变介电常数型平行板电容器的极板间距离。较为优选的，所述步骤1中，针对所选的注塑材料，通过计算机拟合出该注塑材料在注塑过程中的实时密度ρ与实时介电常数ε之间的数学关系的方法如下：取同种材料不同密度的n组注塑材料试样利用密度梯度法进行密度测量，得到n组注塑材料试样分别对应的密度；利用q表测量法对所述不同密度的n组注塑材料试样的介电常数进行测量，得到n组注塑材料试样分别对应的介电常数；利用n组密度和介电常数，拟合出n组密度和介电常数形成的关系曲线，得到所述材料的实时密度ρ与实时介电常数ε之间的数学关系。较为优选的，该方法使用的模具在定模组与动模组对应位置分别设有电容式位移传感器，所述电容位移传感器用于记录每次合模时定模组与动模组之间的距离，所述模具在后续使用中，每次合模均保证定模组与动模组之间的距离与电容位移传感器记录的距离一致。本发明的有益效果为：本方法通过在模具型芯或型腔里设置传感器来记录并分析产品冷却阶段结晶度、密度的实时信息，一方面用于模具初始工作的调试，直接通过传感器传输出来的数据就可以清晰准确的知道产品的结晶度、密度，不需要生产出产品之后取样测量结晶度、密度，大大缩短了调试周期；另一方面能够保证注塑冷却阶段结晶度、密度实时都处在监控下，达到了在线监测的目的。提供注塑冷却阶段物料结晶度、密度数据及分析，用于监测制品成型质量，以及通过数据分析及反馈信息做成闭环控制用于改善产品质量。附图说明图1为本发明一种基于电容式传感器的注塑模具的结构示意图；图2为本发明变介电常数型平行板电容器在型芯上的安装示意图；图3为本发明变介电常数型平行板电容器在型腔上的安装示意图；图4为本发明一种基于电容式传感器的注塑凝固过程的在线监测方法的流程示意图。图中：1、定模座板；2、定模板；3、变介电常数型平行板电容器；4、动模板；5、导柱；6、垫块；7、电容式位移传感器；8、动模座板；9、型芯；10、型腔。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明，便于清楚地了解本发明，但它们不对本发明构成限定。如图1所示，一种基于电容式传感器的注塑模具包括定模组和动模组。定模组包括定模板2和定模座板1，定模板2的下端面设有型芯，型芯周边设有导向孔。动模组包括动模板4和动模座板8，动模板2的上端面设有与型芯9配合的型腔10。动模座板8上端面两侧设有垫块6，垫块6上设有竖直的导柱5，动模板4穿过所述导柱5固定在所述垫块6上。合模时，导柱5通过导向孔对定模板2进行导正。如图2和3所示，型芯9和型腔10内固定有一个电容传感器，该电容传感器为变介电常数型平行板电容器3，变介电常数型平行板电容器3的一对电极分别固定在型芯9和型腔10的中心，且相互对应。定模座板1边缘与所述动模座板8边缘对应位置处分别设有一个电容式位移传感器7。如图4所示，一种基于电容式传感器的注塑凝固过程的在线监测方法(应用本发明的模具进行)，其流程如下：步骤1：针对所选的注塑材料，通过计算机拟合出该注塑材料在注塑过程中的实时密度ρ与实时介电常数ε之间的数学关系：ρ＝αεβ，所述α、β为曲线常数。取同种材料不同密度的n组注塑材料试样利用密度梯度法进行密度测量，得到n组注塑材料试样分别对应的密度；利用q表测量法对所述不同密度的n组注塑材料试样的介电常数进行测量，得到n组注塑材料试样分别对应的介电常数；利用n组密度和介电常数，拟合出n组密度和介电常数形成的关系曲线，得到所述材料的实时密度ρ与实时介电常数ε之间的数学关系。本实施例去7种密度(即n＝7)的pp材料进行试验如下：pp组别实验值ρ实验值ε1计算值ε2误差值δ×10-310.8901.4211.427620.8941.4931.483-1030.8981.5341.540640.9061.6571.662550.9091.7221.709-1360.9131.7731.775270.9191.8721.8775实验结果平均绝对误差为0.007，平均相对误差为0.427％，拟合得到关系式为：ρ＝0.8539ε0.1167。步骤2：以电容的变化作为测量信号，再经过转换电路转换成电压信号输出，通过信号放大器放大，由信号采集器采集数据，得到变介电常数型平行板电容器的初始电容值c0、初始电压值v0和实时电压值δvθ，根据电容与电压关系式计算出实时电容cθ。步骤3：根据电容与介电常数的关系式计算出实时介电常数ε；步骤4：根据密度与结晶度之间的关系式得到实时密度与实时介电常数的关系实现结晶度fw的实时监测。由显示器显示结晶度图形数据，分析出当前结晶度对产品质量的影响。再根据实际需要来调控结晶度，达到最理想的产品质量。其中，ρc为完全结晶的注塑材料的密度，ρa为完全无定形的注塑材料的密度，s为变介电常数型平行板电容器的极板面积，d为变介电常数型平行板电容器的极板间距离。本方法的电容位移传感器用于记录每次合模时定模组与动模组之间的距离，模具在后续使用中，每次合模均保证定模组与动模组之间的距离与电容位移传感器记录的距离一致。本方法对于结晶材料的监测是通过结晶度，而对于非结晶材料的监测可以通过密度的监测实现。本实施例选用材料为abs，通过7组密度不同的材料进行试验，得到以下数据：abs组别实验值ρ实验值ε1计算值ε2误差值δ11.0501.5071.5730.06621.0721.6791.7180.03931.0871.8661.823-0.04341.0982.0351.903-0.13251.1322.1972.167-0.03061.1562.3562.3700.01471.1802.5032.5860.083实验结果平均绝对误差为0.038，平均相对误差为1.901％，平均相对误差小于5％。拟合得到关系式为：ρ＝0.9507ε0.2246。本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。当前第1页12