何和智1，2，3，高琦1，2，3，張濤4
（1.華南理工大學(xué)機械與汽車工程學(xué)院，廣州510000；2.聚合物成型加工工程教育部重點實驗室，廣州510000；3.廣東省高分子先進制造技術(shù)及裝備重點實驗室，廣州510000；4.廣東伊之密精密注壓科技有限公司，廣東佛山528000）
摘要：隨著現(xiàn)代生產(chǎn)生活中航天、汽車、國防及醫(yī)療等領(lǐng)域?qū)Υ笮妥⑺苤破窇?yīng)用需求的增長，高效、節(jié)能、智能的大型注塑機設(shè)備及其制造技術(shù)迅速發(fā)展。本文介紹了現(xiàn)階段國內(nèi)外大型注塑機的發(fā)展概況，以合模裝置為主線總結(jié)了大型注塑機在輕量化方向的發(fā)展歷程，以動力驅(qū)動系統(tǒng)為主線介紹了大型注塑機在節(jié)能化方向的發(fā)展情況，并結(jié)合工業(yè)4.0的發(fā)展環(huán)境總結(jié)了智能注塑的發(fā)展趨勢。
關(guān)鍵詞：大型注塑機；輕量化；節(jié)能化；智能化；發(fā)展現(xiàn)狀
前言：塑料以其輕質(zhì)、耐用、易加工等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用在當代生產(chǎn)生活的國防、航空、輸運、建筑、農(nóng)業(yè)、文教及衛(wèi)生的各個領(lǐng)域。我國塑料制品總產(chǎn)量從1989年的352.3萬噸增長到2021年的8003.98萬噸，增加了22.72倍，年利潤總額現(xiàn)已增長至1295.8億元，塑料加工行業(yè)的發(fā)展充滿活力［1?2］。其中，約83%的塑料制品通過注塑加工成型［3］。作為塑料加工的主要方法之一，注射成型不僅生產(chǎn)效率高、尺寸精確，而且對不同特性的材料表現(xiàn)出較強的適應(yīng)性［4］。將塑料熔體在高溫高壓條件下快速注入到成型模具型腔中，冷卻后即可獲得表面結(jié)構(gòu)復(fù)雜的塑件，或中空、薄壁制件及帶嵌件的樣品。而注射成型所依賴的加工設(shè)備——集機械、液壓、電動自動化于一體的注塑機，更是被視為現(xiàn)代制造業(yè)的“生產(chǎn)母機”，是塑料加工工業(yè)中十分重要的基礎(chǔ)成型設(shè)備之一。各個國家注塑機技術(shù)的發(fā)展水平與速度能夠很大程度上反映出其在機械制造、液壓裝備和自動化控制等基礎(chǔ)工業(yè)領(lǐng)域的綜合實力［5?7］。
注塑機最初是借助金屬壓鑄機原理發(fā)展而來的，其誕生最早可追溯到1849年德國STURGISS發(fā)明的Celluloid注塑機。1932年德國FRANZ.BRAUN工廠率先打造出第一臺全自動柱塞式臥式注塑機。隨著螺桿作為聚合物塑化核心部件的大規(guī)模使用，1956年世界上首臺液壓驅(qū)動的往復(fù)式螺桿注塑機問世，奠定了當代注塑機的基礎(chǔ)特征［8］。隨后，借助大規(guī)模集成電子技術(shù)和微處理器系統(tǒng)發(fā)展，搭載微機閉環(huán)自適應(yīng)控制功能的高附加值注塑機應(yīng)運而生。自問世起，中小機型就占據(jù)了注塑機研發(fā)與應(yīng)用的絕大部分領(lǐng)域。直到20世紀70年代后期，隨著工程塑料在汽車、船舶、宇航、通訊、機械及大型家用電器等方面的廣泛應(yīng)用，大型注塑機才相應(yīng)迅速發(fā)展起來。
1 大型注塑機的國內(nèi)外發(fā)展水平
1.1 大型注塑機的定義
按照額定容量及所需鎖模力的大小，注塑機被劃分為微型至特型幾個級別，見表1。其中，大型注塑機是指額定容量在4000~24000 cm3，且鎖模力超過10000 kN的機型。通常，1臺大型注塑機主要包括注射系統(tǒng)、合模裝置、液壓傳動系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)等主要功能單元，以及機身、加熱冷卻裝置和加/取料等輔助功能單元［9］，如圖1所示。
表1不同注塑機級別的劃分［10］
圖1注塑機的各組成部分
1.2 大型注塑機的國內(nèi)外發(fā)展趨勢
大型注塑機具有物料適應(yīng)范圍廣、生產(chǎn)模具更換便捷及生產(chǎn)效率高等獨特優(yōu)勢。德國、奧地利和美國等西方國家在大型注塑機生產(chǎn)與研制方面已積累了大量經(jīng)驗，日本名機公司已生產(chǎn)出鎖模力達120000 kN，注射量92000g的超大型注塑機［11］。我國注塑機行業(yè)的發(fā)展起步雖較晚，但已由最初的測繪仿制階段升級為了自主創(chuàng)新、探索階段，注塑機企業(yè)的發(fā)展基本上滿足了國內(nèi)外市場的需求，穩(wěn)步成長為注塑機制造大國。
香港震雄集團與順德新力集團合資創(chuàng)辦的震德塑料機械廠是國內(nèi)首批引入臥式加工中心與震雄全套技術(shù)的企業(yè)，開創(chuàng)了我國注塑機行業(yè)向高檔、大型變革之先河。海天機械有限公司目前已成為我國最大的塑料機械生產(chǎn)基地，其MARS系列機型（鎖模力600~33000kN）的產(chǎn)品暢銷全球，JUPITER系列機型（鎖模力4500~66000kN）和IAPETUS系列機型（鎖模力1200~18500kN）系列產(chǎn)品的開發(fā)豐富了我國大型注塑機自行研發(fā)的經(jīng)驗與自主創(chuàng)新的能力。2022年，廣東伊之密精密機械研制出了我國生產(chǎn)的注塑機中鎖模力最大的首臺產(chǎn)品，即最大鎖模力達90000 kN的超大型注塑機，它不僅在設(shè)備噸位上創(chuàng)造了國內(nèi)之最，還集成了精密微開控制、雙射臺同步塑化及注射和注射壓縮控制等先進技術(shù)，對整個大型注塑機行業(yè)的技術(shù)開發(fā)起到引領(lǐng)作用［12］。此外，浙江塑料機械總廠、利源公司以及山東震華塑料機械生產(chǎn)的系列注塑機均具備可靠的加工能力與使用壽命。
目前針對大型注塑機的開發(fā)投資成本通常較大，且設(shè)備能耗高而控制水平低，因此為了進一步推廣與應(yīng)用，輕量化、節(jié)能化和智能化逐漸成為當下大型注塑機的主流改造方向。
2 大型注塑機的輕量化進展
合模裝置的類型及性能直接影響著注塑制品的精度、質(zhì)量以及注塑機的慣性、壽命、效率等。1套性能良好的合模裝置須能夠提供額定的鎖模力，模板具有足夠的力學(xué)強度、剛度以及平行度，合模響應(yīng)高效、平穩(wěn)、噪音小，并能夠保持較高的位置精度和重復(fù)精度［13?14］。
2.1合模裝置的分類與特點
目前合模裝置的類型繁多，可按照模板數(shù)目、驅(qū)動力源及傳動方式等不同標準進行分類［15］。例如，按照傳動方式可分為全機械式、機械連桿式、全液壓直壓式以及肘桿式（液壓機械式）等，如圖2所示；按照模板數(shù)目可分為二板式和三板式，如圖3所示。一般地，三板式合模裝置分為三板曲肘式和復(fù)合穩(wěn)壓式。三板曲肘式合模裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，鎖模時肘桿機構(gòu)的動作誤差直接反應(yīng)在鎖模力上，易導(dǎo)致模具彈性變形，形成制品缺陷。日精NS系列注塑機目前仍少量使用閘板穩(wěn)壓式三板合模裝置。大型注塑機中三板式合模裝置的應(yīng)用整體較少。
圖2 合模裝置（按照傳動方式分類）
圖3 合模裝置（按照模板數(shù)目分類）
2.2大型注塑機中二板式合模裝置的應(yīng)用
目前絕大多數(shù)大型注塑機均采用的是結(jié)構(gòu)簡單、鎖模精度高、性能穩(wěn)定可靠且潔凈度高的二板式合模裝置，其在醫(yī)療衛(wèi)生、食品包裝和精密制造等領(lǐng)域已逐漸成為主流應(yīng)用。
不同于三板式合模裝置，二板式合模裝置有直壓式和復(fù)合式2類，在大型注塑機上普遍采用后者［16］。直壓式二板合模裝置可劃分為無循環(huán)式、內(nèi)循環(huán)式和外循環(huán)式3種，無需機械轉(zhuǎn)換直接高壓鎖模，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。而復(fù)合式二板合模裝置則須通過機械轉(zhuǎn)換二次動作進行鎖模，其結(jié)構(gòu)如圖6所示。
圖4合模裝置的受力方式示意圖［17］
圖5直壓式二板合模裝置［16］
圖6復(fù)合式二板合模裝置［16］
二板式合模裝置主要具有以下特點：（1）拉桿無徑向載荷，直徑加粗且長度大大縮短，整體機構(gòu)剛性高；（2）結(jié)構(gòu)緊湊，僅約為肘桿式合模機構(gòu)長度的2/3，制造成本較低；（3）鎖模效率高，無二次復(fù)合動作，空循環(huán)時間短；（4）合模精度高，對各模板或模具之間的平行度誤差能自適應(yīng)調(diào)節(jié)并消除熔體溢料和脹模時產(chǎn)生的尺寸誤差；（5）調(diào)模方便，低壓模保功能和移模速度控制功能更強；（6）4個液壓缸均衡提供鎖模力，避免了合模裝置受力偏載損壞；（7）合模行程增減操作便捷，通過增減合模缸尺寸及拉桿長度即可實現(xiàn)一機多用；（8）直壓式合模裝置能夠在鎖模油缸行程的任意位置建立鎖模壓力，適合成型深腔制品。搭載了二板式合模裝置的大型注塑機，生產(chǎn)周期大大縮短，關(guān)鍵零件受力均勻，設(shè)備靈活易操控，整機減重可達20%，機身總長減少約25%，容模量同比增長可超過10%［18］。上述這些綜合性特點使得二板式合模裝置在大型、超大型注塑機領(lǐng)域具備得天獨厚的開發(fā)潛力。
首先研發(fā)推出大型二板式注塑機的主要是歐洲及日本企業(yè)［19］，如克勞斯瑪菲的MC系列機型（鎖模力為400~40000 kN），宇部興產(chǎn)的大型注塑機（鎖模力為20000~40000 kN）以及意大利MIR公司的Compact系列機型（鎖模力為11000~60000 kN）。
我國二板式注塑機的制造已逐漸發(fā)展成以海天機械、伊之密、博創(chuàng)、東華、泰瑞、震雄等在內(nèi)的企業(yè)群體規(guī)模，可媲美國際領(lǐng)先水平的同類機型。2016年伊之密已自主研發(fā)出最大鎖模力超過40000kN而循環(huán)周期不超過8s的高效節(jié)能大型二板式注塑機，其注塑制品的重復(fù)精度誤差不超過±3‰，且設(shè)備的一級能耗低于0.4kW·h/kg［20］。這臺大型注塑機搭載的內(nèi)循環(huán)二板式合模裝置，其4個鎖模油缸進出油口相互連通，鎖模時各缸活塞兩側(cè)的壓力能保持一致，大大提高了制品的合格率。上述由廣東伊之密精密機械最新研制的里程碑式8500噸超大型注塑機產(chǎn)品如圖7所示。與國內(nèi)外同類型產(chǎn)品相比，這臺產(chǎn)品的開合模定位精度達到了0.3 mm，搭配了射出重量超過80kg的注射系統(tǒng)，能夠一次性成型外形復(fù)雜、透光率高、尺寸精確、質(zhì)地緊密且可帶有金屬嵌件的超大型透明塑料零件，不僅解決了國內(nèi)超大型透明塑件的成型難題，也創(chuàng)下了國內(nèi)超大型精密注塑機的紀錄。這臺超大型二板式注塑機的誕生實現(xiàn)了我國大型注塑機制造的關(guān)鍵技術(shù)突破，在全球同行中也處于領(lǐng)先地位。至此，我國注塑機制造廠商已研發(fā)并穩(wěn)定制備了鎖模力為4500~85000 kN的高性價比系列機型。
圖7 伊之密公司生產(chǎn)的DP8500超大型二板式注塑機［12］
2.3大型注塑機中無拉桿合模裝置的應(yīng)用
不同于其他類型的合模裝置，無拉桿合模裝置采用無拉桿結(jié)構(gòu)，降低了應(yīng)力分布，容?？臻g大，模板面積利用率高，鎖模力大小易于調(diào)節(jié)，模板平行度保持良好，模板形變大大降低［21］。恩格爾公司率先推出了名為“e?motion”的首臺無拉桿電動注塑機（鎖模力分別有600、1100、1650 kN）標志著無拉桿合模裝置的發(fā)展。在FTP 2014展會上該公司繼續(xù)推出了為無塵室設(shè)計的無拉桿ENGEL e?victory 160 combi型油電混合注塑機，展示出了無拉桿合模裝置大幅提高生產(chǎn)效率的獨特優(yōu)勢，如圖8所示。目前無拉桿式注塑機已從中型噸位向大型噸位領(lǐng)域發(fā)展。
圖8 恩格爾公司生產(chǎn)的搭載無拉桿式合模裝置的注塑機
3 大型注塑機的節(jié)能化進展
注射成型裝備的節(jié)能化，即節(jié)能降耗，是對二板式注塑機與全電動注塑機的探索。以鎖模力40000 kN的注塑機為例，機器長度縮短25%~30%，整機重量減輕500 kN，堪稱符合國家產(chǎn)業(yè)政策的節(jié)能型注塑機典范［22］。
3.1大型注塑機的全電動化研究
作為新型注塑機的全電動注塑機表現(xiàn)出杰出的節(jié)能性［23］。不同于使用液壓油和液壓元件作為驅(qū)動力來源的液壓注塑機，全電動注塑機利用永磁式或感應(yīng)式交流伺服電機作動力源，驅(qū)動滾珠絲杠副、齒形帶以及齒輪等機械元件以實現(xiàn)注射、塑化及合模等各個功能裝置單元的精密配合運動。
相比于液壓式注塑機，全電動注塑機更加節(jié)省能源、清潔環(huán)保，不僅能夠?qū)⒆⑺苎h(huán)中的減速運動階段釋放的能量轉(zhuǎn)化為電能再次利用，還可以避免液壓注塑機中普遍存在的液壓油泄露和污染問題?；谒欧姍C的速度控制范圍寬、響應(yīng)性好，通過料量微調(diào)能夠使得最終制品尺寸滿足公差要求，生產(chǎn)成本低、效率高，制品精度與重復(fù)性好。如生產(chǎn)LED燈罩，全電動注塑機可比同類型的伺服液壓注塑機節(jié)能43%~65%［24］。全電動注塑機與液壓注塑機的性能對比見表2。
表2 全電動注塑機與液壓注塑機的性能對比［24］
目前全電動注塑機在國際市場上的占有率大幅提升，日本企業(yè)主要發(fā)展以精密注射與高循環(huán)速度（短循環(huán)周期）技術(shù)為主的全電動注塑機，歐美企業(yè)則致力于研發(fā)液壓計量與電動組合的混合式機型。我國對于全電動式注塑機的研究仍處于初級階段。
如何實現(xiàn)全電動注塑機的大型化是注塑機節(jié)能發(fā)展的1個關(guān)鍵課題。整體而言，目前大型全電動注塑機的發(fā)展較緩慢。若要在全電動注塑機中實現(xiàn)較高的鎖模力，合模裝置的絲桿與電機負荷均需相應(yīng)增大，1個電機無法滿足需要，往往需要2個電機來共同完成。這就要求2個工作電機之間實現(xiàn)高度同步，即2個電機的啟動、運轉(zhuǎn)、停止必須一致，否則將導(dǎo)致機器運行不穩(wěn)定與部件損壞。因此針對雙電機的同步控制理論仍需發(fā)展完善。郭小龍等［25］基于現(xiàn)有伺服電機驅(qū)動技術(shù)，提出了雙電機復(fù)合驅(qū)動注射系統(tǒng)的設(shè)計方案，如圖9所示。雖然雙伺服電機能夠順利完成指定的加、減速運動，保持良好的信號跟隨性能，但其工作狀態(tài)仍存在拉扯導(dǎo)致同步性能下降的現(xiàn)象。周長攀［26］通過對雙三相永磁同步電機進行數(shù)學(xué)建模、諧波電流抑制及容錯控制等方法進行深入的理論研究，為雙電機驅(qū)動提供充足的理論支撐。李方俊等［27］針對大慣量運動平臺剛度不足，無法實現(xiàn)系統(tǒng)快速運行與穩(wěn)定控制之間平衡的問題，研究并提出了基于速度曲線規(guī)劃的雙電機同步消隙控制策略，有效抑制了大慣性撓性結(jié)構(gòu)的快速運行抖動問題，為大慣量運動平臺的快速穩(wěn)定控制提供依據(jù)。此外，由于電機控制系統(tǒng)、大功率電機定制、裝配工藝及工作慣性等對成型精度和工藝重復(fù)性的干擾，大型全電動注塑機的研究成本高，其節(jié)能優(yōu)勢反而降低。相較于產(chǎn)品系列已覆蓋了從微型機型到鎖模力超過80000 kN機型的液壓注塑機而言，目前投入商業(yè)化應(yīng)用的全電動注塑機的鎖模力較小，一般均在10000 kN以下。
圖9 雙電機驅(qū)動結(jié)構(gòu)［25］
日本的宇部興產(chǎn)率先突破了機型的限制，造出了首臺鎖模力可達20000 kN的全電動成型機［28］。該設(shè)備用1臺交流伺服電機驅(qū)動塑化，2臺電機驅(qū)動肘桿鎖緊，3臺電機驅(qū)動注射，以及1臺電機驅(qū)動頂出。隨后，三菱重工研制出了世界首臺30000 kN鎖模力的大型化電動注塑機［29］，實現(xiàn)了世界上最快的大型塑料零件（如汽車保險杠）高循環(huán)生產(chǎn)，如圖10所示。該大型設(shè)備搭載了三菱重工特有的二板式合模結(jié)構(gòu)及混合電力系統(tǒng)，并且它所配備的中心壓板能夠利用電氣控制模具內(nèi)的壓力波形，因此具有空間占用率低，生產(chǎn)節(jié)能化程度高，制品飛邊與毛刺少以及運行成本低的優(yōu)勢。
圖10 日本三菱重工公司研制的30000 kN鎖模力大型全電動注塑機［29］
全電動塑機目前以智能化和超高速化作為發(fā)展的新方向。除了設(shè)備單元自動控制、參數(shù)閉環(huán)控制、過程聯(lián)運在線反饋控制等電子計算機技術(shù)，基于控制計算機設(shè)備（PC）的開放式、模塊化控制技術(shù)越來越被各大制造商青睞［30］。同時，虛擬實現(xiàn)技術(shù)的高速發(fā)展也為注塑機生產(chǎn)廠家實行虛擬合作設(shè)計與制造提供了空間環(huán)境，蘊藏著巨大的經(jīng)濟效益［31］。雖然全電動注塑機市場發(fā)展迅速，但是國內(nèi)全電動注塑機的主要配件（如伺服電機、滾珠絲杠等）與核心技術(shù)（如專用控制系統(tǒng)等）均依賴進口，再加上與歐美日相近甚至更高的零件成本，國內(nèi)全電動注塑機的自主研發(fā)及其大型化技術(shù)仍亟待探索。
3.2 大型注塑機中節(jié)能液壓系統(tǒng)的應(yīng)用
注塑機節(jié)能的重點是提高驅(qū)動系統(tǒng)的能耗效率，即驅(qū)動系統(tǒng)輸出功率與執(zhí)行機構(gòu)動作功率實現(xiàn)自適應(yīng)調(diào)節(jié)，二者之間的能量利用率越高，系統(tǒng)越節(jié)能。在傳統(tǒng)的液壓式注塑機中，液壓系統(tǒng)的能耗可高達加工耗能的70%，因此如何合理設(shè)計與選配液壓系統(tǒng)是注塑機節(jié)能化的又一關(guān)鍵課題。由于注塑機在工作循環(huán)中大部分處于部分負載或待機狀態(tài)，若能實現(xiàn)液壓系統(tǒng)對壓力與流量的快速響應(yīng)和靈活調(diào)控將能有效促進注塑機的節(jié)能化發(fā)展。目前，廣泛應(yīng)用于注塑機的液壓系統(tǒng)按照不同的控制實現(xiàn)方式可劃分為4種類型，其組成及特點詳見表3。顯然，組合使用定量泵和變量泵能夠同時兼顧成本和節(jié)能的要求。
表3 不同類型液壓系統(tǒng)的組成及特點［32?39］
液壓系統(tǒng)從過去利用流量和壓力比例控制的原理發(fā)展到利用上述的變量或定量控制、變頻調(diào)速以及伺服控制技術(shù)，整機能耗降低到傳統(tǒng)機型的僅30%。采用變頻伺服技術(shù)的注塑機，能耗僅為傳統(tǒng)機型的50%。工作節(jié)奏加快，制品周期縮短，生產(chǎn)效率普遍提高超過24%。我國的海天機械目前已成功研發(fā)了搭載第三代技術(shù)平臺ZE2300F?830h的集成伺服液壓驅(qū)動系統(tǒng)的節(jié)能型電動注塑設(shè)備，如圖11所示［40］。液壓元件集成化、機電液一體化、控制系統(tǒng)自動化與智能化、環(huán)保清潔、密封良好等特性將成為注塑機液壓系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)的發(fā)展目標。
圖11 海天公司研制的第三代全電動注塑機生產(chǎn)單元［40］
4 大型注塑機的智能化進展
自60年代末美國費洛斯公司首先應(yīng)用計算機控制技術(shù)開始，注塑機的控制技術(shù)高速發(fā)展，目前已經(jīng)形成了包括熔體溫度、注射壓力、注射速度、保壓時間、冷卻過程及液壓回路參數(shù)等的多因素集成微處理器控制系統(tǒng)。智能化儼然成為注塑機控制技術(shù)發(fā)展的必然追求。
智能化表現(xiàn)在多個方面：（1）高精度化。注塑機的控制系統(tǒng)需實現(xiàn)對溫度、壓力、流量以及位置的高精度閉環(huán)控制，以滿足對精密產(chǎn)品生產(chǎn)過程參數(shù)的嚴格控制?，F(xiàn)階段半閉環(huán)的位置控制已在國內(nèi)使用，而全閉環(huán)控制器仍需進口。（2）全自動化。人工智能理論與實踐的豐富能夠?qū)崿F(xiàn)注塑生產(chǎn)過程的柔性化和自動化，降低操作的人力成本，提高管理的自動化與信息化程度，同時配備輔助性功能部件，如自動加料機和國外比較廣泛使用的取件機械手等，能夠基本實現(xiàn)注塑過程的全自動化。（3）網(wǎng)絡(luò)化。通過網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)單臺注塑機的在線診斷、下載升級等功能，或多臺注塑機的集中控制、程序調(diào)用等功能，能夠保障生產(chǎn)計劃的及時調(diào)度安排與反饋，也大大節(jié)省了人力成本。（4）一體化與復(fù)合化。所謂一體化，是指將從加入原料到取出制品之間的所有工序盡可能安排在同一系統(tǒng)中協(xié)調(diào)完成。而復(fù)合化是指1臺注塑機在進行簡單調(diào)整后能夠滿足多種加工需求，減少設(shè)備調(diào)換產(chǎn)生的浪費與誤差，提高控制精度和生產(chǎn)效率，縮短注塑工期。
在物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云制造發(fā)展背景下，注塑行業(yè)智能化發(fā)展日益豐富。在2014年舉行的塑膠展上，威猛巴頓菲爾企業(yè)以“走向智能化”為主旨，通過Smart Power注塑機呈現(xiàn)了智能注塑與現(xiàn)代工藝之間的協(xié)作生產(chǎn)［41］。歐洲塑料與橡膠機械制造商協(xié)會提出了1種面向工業(yè)4.0的新工業(yè)規(guī)范EUROMAP77，幫助注塑機與計算機或工廠的制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）進行數(shù)據(jù)交換。恩格爾公司從智能機器、智能生產(chǎn)和智能服務(wù)3個層面開發(fā)了“Inject 4.0”智能成型方案，如圖12所示［42］。阿博格公司展現(xiàn)了多種工業(yè)4.0的應(yīng)用新方式，在2016年利用空間分割技術(shù)制造了個性化的“智能”行李箱標牌，即把客戶的個人信息與從云端獲取的制造過程信息同步寫入近場通信（NFC）芯片，再對標牌激光加工。2019年其又提出了增強現(xiàn)實（AR）輔助售后功能，如圖13所示。
圖12 恩格爾公司展示的“Inject4.0”智能成型方案［42］
圖13 阿博格公司提出的AR輔助售后功能［42］
我國伊之密公司基于其精密的I?factory4.0技術(shù)，推出了搭載SmartClamp智能鎖模系統(tǒng)的UN500DP兩板式注塑機，同時集成了聚氨酯（PUR）設(shè)備和InPUR“1+2”模具技術(shù)，實現(xiàn)了一步法成型帶局部高光表面的汽車發(fā)動機蓋板零件，如圖14所示。海天機械為每一臺注塑機安裝了用于搭建注塑智能系統(tǒng)的智能化模塊，同步采集注塑生產(chǎn)車間內(nèi)機器的信息后匯聚到網(wǎng)關(guān)并傳送到云端，以此搭建注塑云平臺。泰瑞機械自主研發(fā)了基于Linux系統(tǒng)的多協(xié)議多功能控制平臺，同時使用分流集流閥簡化了抱閘液壓機構(gòu)的液壓油回路，打造了基于純二板注塑機的智能化升級產(chǎn)品。博創(chuàng)公司的工業(yè)4.0主要以其新一代大型二板智能注塑機BU900?II為主體，強調(diào)交鑰匙與智能化方案，采用了國內(nèi)首創(chuàng)的電動熔膠新技術(shù)，搭配橫走式機械手、視覺檢測、自動稱重以及輸送等功能性輔助模塊，助力生產(chǎn)線智能化，如圖15所示。力勁公司研發(fā)出1套節(jié)能表現(xiàn)優(yōu)異的二板式注塑生產(chǎn)系統(tǒng)，集成了當前先進的伺服節(jié)能技術(shù)、單缸射膠技術(shù)、強力鎖模技術(shù)、模具保護技術(shù)以及大數(shù)據(jù)存儲分析功能，在生產(chǎn)大型垃圾桶、水桶等深腔容器類產(chǎn)品中表現(xiàn)優(yōu)異，其產(chǎn)品如圖16所示。震雄公司的iChen4.0系統(tǒng)則主要關(guān)注制造流程中的監(jiān)視、管理與智能化服務(wù)等。
圖14 伊之密公司研制的UN500DP兩板式注塑機成型汽車發(fā)動機蓋板［40］
圖15 博創(chuàng)公司提出的注塑系統(tǒng)智能交鑰匙解決方案［40］
圖16 力勁公司生產(chǎn)的大型深腔容器產(chǎn)品［40］
廣東工業(yè)大學(xué)［43］提出了1種基于云制造的區(qū)塊鏈技術(shù)，為系統(tǒng)提供在不信任環(huán)境中的安全性標準與協(xié)議，使存儲在私有云中的注塑模具設(shè)計制造知識得以安全共享，對于模具的再設(shè)計具有重要的現(xiàn)實意義。德國亞琛工業(yè)大學(xué)［44］利用計算機斷層掃描技術(shù)實現(xiàn)了注塑模具的自動校正，通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)CAD模型與點云的數(shù)據(jù)交換，同樣豐富了工業(yè)4.0的發(fā)展。
整體而言，可靠的網(wǎng)絡(luò)控制平臺、高精度的硬件配置與合理的軟件控制方案是實現(xiàn)注塑過程優(yōu)化的必要元素，注塑控制系統(tǒng)正朝著高精度化、高可靠性、信息交互網(wǎng)絡(luò)化、一體化、復(fù)合化與開放化的智能化控制邁進［30］。將來的注塑工廠應(yīng)當是設(shè)備、制造與服務(wù)多位一體的智能化注塑。
5 結(jié)語
大型注塑機作為當代國際高端注塑機型而備受各大制造商青睞，其主流發(fā)展趨勢主要集中在輕量化、節(jié)能化與智能化3個方面。輕量化主要通過采用二板式合模結(jié)構(gòu)或無拉桿合模結(jié)構(gòu)以簡化設(shè)備，節(jié)省空間，提高生產(chǎn)效率；節(jié)能化方面的發(fā)展一邊致力于突破全電動注塑機大型化的瓶頸，尤其需要克服雙電機驅(qū)動的同步性問題，另一邊則針對目前市場占比高的液壓式注塑機，降低整機能耗中占比最高的液壓系統(tǒng)的能耗以滿足節(jié)能化需求；隨著工業(yè)4.0的發(fā)展與電子信息技術(shù)不斷升級，注塑機控制系統(tǒng)日益更迭，智能化注塑已成為了各種類型注塑機集成化管理與改進的新方向。
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