通过集成流程监控开发INDUSTRY 4.0系统

利用成套模具生产出灵巧玩具的两个组件（©Kistler）

如今，众多企业高度重视注塑成型业务的数字化和网络化发展，并逐步付诸实践。这一流程主要通过不同模块实施，实现网络化的各方面功能、自动流程控制和设备数据评估。下文介绍了基于传感器技术的集成流程监控的可能性。

数字技术在工业4.0方面的持续应用，已在K 2016展会上通过演示模具得以证实。该项目由德国企业Krallmann集团（位于Hiddenhausen）、Arburg GmbH + Co KG（位于Lossburg）、GTT Willi Steinko GmbH（位于Nassau）、Plexpert GmbH（位于Aalen）以及Kistler AG（位于Winterthur, Switzerland）合作进行。过去已讨论了产品开发过程和参与者之间合作的必要性，实现稳定生产是当前的关注点。

所有生产流程均可能受到各种外部影响，因此需要实时生成有关流程状态的数据，才能予以补偿，并确保生产的一致性，为此不可避免要使用传感器。在这种情况下，使用传感器是不可避免的，可通过模具内部压力进行监控，尤其是将热流道自动平衡结果用于控制旧模具的闭合控制回路。由于温度控制是关键的质量特性，因此在生产流程结束时使用IR-ThermoControl系统评估模塑部件的表面温度。在流程中，使用红外摄像机就可逐次识别出微小偏差。此外还描述了各个流程的网格划分方式。

智能流程监控

如今，流程监控系统不再局限于记录测量值，还要将其与参考曲线进行比较。用户希望通过优化、设置和自动追溯流程的控制系统提供支持。这些功能根据流程而定制，使用户无需深入了解流程，就可得出正确的结论，并掌握流程。

图1显示了ComoNeo流程监控系统（供应商为Kistler）功能的构建方式。“辅助”部分可提供智能助手，例如可帮助用户以易懂的方式确定监控限值，或通过其他设备的参考曲线确定流程状态。“监测和控制”部分提供各种控制算法，例如平衡热流道或将开关点设置为全自动。“预测”部分具有更多功能，其可通过可通过神经网络，根据传感器数据，逐个预测当前的部件质量。

图1 ComoNeo流程监控系统功能（©Kistler）

与上述合作伙伴共同开发的模具热流道平衡，被作为流程控制示例。上文谈到演示模具是成套模具，它可以生产出两个不同组件，而它们将组成一个完整的灵巧性玩具（如标题图）。两个腔体分别配备远离浇口的1 mm压力传感器和1 mm压力/温度组合传感器，并通过配备两个喷嘴的热流道进行共挤出成形。

热流道平衡

通过示例方式，对在充模不足情况下，采用“ComoNeoMultiflow”热流道平衡功能生产优质部件的流程予以说明。尤其是采用多模腔模具时，必须平衡浇道系统，从而使模腔同时充满。否则，由于开关点无法以最佳方式设置，很容易发生流痕、填充过度、充模不足或超载问题。 

图2 远离浇口的内部模具压力曲线变化情况（©Kistler）
 
图2显示了优化之前，模具内部压力在流程中的变化。虽然能监控曲线进展情况，但无法构成与之相适应的流程。两个模腔明显未被同时填充。由于传感器远离含有高压流体的浇口，因此几乎无法识别充模阶段。

若无自动控制算法，工具设定器将在允许公差范围内调节热流道温度，以达到手动平衡。准确地说，该方式还构成了ComoNeo-Multiflow控制算法的基础。系统确定两个模腔在压缩阶段压力增加的延时情况，并通过在特定范围内调节喷嘴口温度，尽量减少延时。自动控制算法对此颇为有效，自然也能对操作过程的中断予以补偿。控制原理如图3所示。

图3 ComoNeoMultiflow控制算法的示意图和已平衡流程的结果（©Kistler）

在优化过程中，该算法只需10个周期，即可获得可用结果，将充满模腔1和2的时差从最初的0.2s减至小于0.05s。图4所示为Δt的变化过程。因此，需连续重新调节喷嘴温度。即使在后续流程中，也要不断重新调节控制器，从而始终保持良好的可用结果。

图4 平衡过程的进展时间（填充两个模腔的时间差）和变量（©Kistler）

本文以双模腔模具为例所解释的应用原理，已多次在工业用途中得以见证。这些用途包括多组件用途，以及从单腔模具到高效32腔模具的特殊几何形状平衡。

采用红外技术的流程监控

为防止注塑期间出现质量问题，使用IR热成像技术对模塑部件生产过程的结果进行分析、优化和监控。采用集成于模具中的传感器，确保流程评估和调节。用ComoNeo流程监控系统评估传感器信号，根据需要向设备发送信号，从而控制热流道控制器。

设备控制器通过默认值，记录和控制各种过程参数。此外，还记录相关的性能数据。但是，作用于模具的扰动变量只能采用该方式间接获取。如果无法检测误差，就会使注塑模具成为最薄弱的环节。在已打开模具使用IR热成像，可在脱模之前监测注塑部件的表面温度，从而增加对该流程的了解（图5）。

图5 处于注塑机安装空间内的热成像摄像机（©GTT）

即使采用温度偏差也可检测最微小的变化。集成于流程中的IR-ThermoControl系统（供应商：GTT），可在对模塑部件质量进行最终评估时提供支持。脱模之前，设备向IR-ThermoControl系统发送信号，从而在将模具中的部件顶出之前，记录其红外图像。已对模塑部件表面的温度分布进行评估。其表明了喷嘴口一侧的模具温度图像（图6）。除了其他因素外，已打开模具的热成像可表明模塑部件的流道末端是否完全被充满。

图6 用IR-ThermoControl进行热量监测显示下部模具腔未充满（©GTT）

如果未满足已确立的允许温度范围的上限或下限，则通过数字输入（X12接口）向ComoNeo系统提供反馈。因此，可使用额外的控制参数评估在流程监控中做出的决策。可将相应信号并行发送至设备，例如可控制废料出口。图7显示了注塑模具与IR-ThermoControl图像的叠加情况。

图7 流程中温度（顶部）和压力（底部）的叠加情况（©GTT/Plexpert）

采用处理系统，也可在合适位置对模具顶出侧的关键区域进行成像，并使用IR-ThermoControl进行评估。

采用高分辨率精度，甚至能看到模塑部件上的缩痕（图8）。因此，可对产品质量进行最终评估。除了流程给出的边界条件外，评估还包括环境影响（如拔模锥度）。

图8 完整的评估矩阵IRTC甚至能显示出模塑部件的缩痕

在此例中，IR系统对多个模塑部件予以记录，并在考虑选定公差的情况下进行评估。通过某些监测区域将温度值传递至注塑设备的控制单元，可对IR-ThermoControl进行进一步集成，从而可直接控制设备控制器中的相应报警信号。图8显示了IR-ThermoControl记录的信号与设备控制器显示的信号的对比。

使用参考成像方法进行热量监测

根据参考图像方法，流程导向型用户指南可为控制限值的定义提供支持，并自动提供温度偏差，因此，可马上看到产生的差异。IR-ThermoControl质量模块可在每一周期中对模塑部件进行成像，生成第一个优质部件的参考图像，每项后续记录均与参考图像进行比较，已支配点的偏差会触发警报。该技术尤其适用于关键模塑流程，例如生产多个部件。

ComoNeo流程监控和IR-ThermoControl将温度和压力传感器结合，从而确保稳定的流程，且已生产的模塑部件质量具有一致性。这是实现成型塑料部件生产零误差的重要先决条件。

结论

如今，采用连续流程监控，与所有模塑部件均密切相关。由于模具温度是注塑模具最重要的参数，因此模具温度分布也是最关键的。监控模具本地温度序列和最终脱模温度（根据制造商的规范），有助于加工商对有翘曲变形要求的模塑部件收缩率予以监控。使用传感器系统，用户可深入了解流程，从而有效将其引入其他注塑工艺。例如，用已产生的结果识别批次变更的影响或色素添加剂的波动大小。