1.引言
擠出機由于三大合成材料之一的塑料問世以來得到迅猛發(fā)展。以塑代鋼、以塑代有色金屬、以塑代水泥等，被廣泛地應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、建材、包裝、機械、電子、汽車、家電、石化和國防，擠出機以及人們的日常生活等各個領(lǐng)域，塑料已是人類活動的最主要的原料之一。由于擠出成型是塑料加工的最主要的形式，因此發(fā)展塑料擠出成型技術(shù)與設(shè)備具有重要意義。
雙螺桿擠出機是塑膠加工機械中的一種重要設(shè)備，它已不僅僅適用于高分子材料的擠出成型和混煉加工，它的用途已拓寬到食品、飼料、電極、炸藥、建材、包裝、紙漿、陶瓷等領(lǐng)域。擠出機高速、高產(chǎn)，可使投資者以較低的投入獲得較大的產(chǎn)出和高額的回報。但是，擠出機螺桿轉(zhuǎn)速高速化也帶來了一系列需要克服的難點：如物料在螺桿內(nèi)停留時間減少會導(dǎo)致物料混煉塑化不均，物料經(jīng)受過度剪切可能造成物料急驟升溫和熱分解，擠出穩(wěn)定性控制困難會造成擠出物幾何尺寸波動，相關(guān)的輔助裝置和控制系統(tǒng)的精度必須提高，螺桿與機筒的磨損加劇需要采用高耐磨及超高耐磨材質(zhì)，減速器與軸承在高速運轉(zhuǎn)的情況下如何提高其壽命等問題都需要解決。
從整體上說雙螺桿擠出理論的研究尚處于初始階段,這就是所說的"技藝多于科學(xué)".；擠出機工作過程的電氣自動化控制也在不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的電氣控制都是分別采用單機自動化儀表實現(xiàn)的，如今已發(fā)展到采用人機界面技術(shù)、計算機技術(shù)、變頻技術(shù)等構(gòu)成的觸摸屏、PLC、溫度控制模塊、變頻調(diào)速等組成的電氣控制系統(tǒng)。
2.擠出機的構(gòu)成
擠出機主要由螺桿、機筒、加熱冷卻系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等組成。
2.1螺桿和機筒
螺桿是塑料機設(shè)備中最重要的零部件，它直接關(guān)系到塑料機塑化效果和產(chǎn)量。螺桿在料筒內(nèi)旋轉(zhuǎn)工作是在高溫高壓大扭拒下進行的，由于它要在轉(zhuǎn)動中強力推動物料前移，同時，它本身還要承受強大的摩擦力和塑料分解腐蝕氣體的侵蝕，因而螺桿的材料必須具有很高的力學(xué)強度、承受巨大的扭力矩和高溫高壓條件下不變形的性能。
螺桿在旋轉(zhuǎn)過程中，主要靠螺棱對塑料進行剪切塑化，并推動塑料前移，因而螺棱承受巨大的剪切應(yīng)力和摩擦力，由于長期在苛刻條件下工作，螺棱磨損，螺棱變小，同料筒的間隙增大，導(dǎo)致塑料擠出量降低，嚴(yán)重時會產(chǎn)生塑料回流，且塑化效果降低，出現(xiàn)晶粒和產(chǎn)能嚴(yán)重下降的現(xiàn)象。
熔融擠出的過程是將預(yù)混合好的物料從加料口進入擠出機機筒，經(jīng)機筒第一段為加料段，物料在此階段不會熔融，隨螺桿傳動，物料被帶入第二段為壓縮段，該段為加熱階段，物料開始熔融，物料間的摩擦力增加，形成高粘體，繼續(xù)隨螺桿傳動進入高剪切的第三段為均化段，使它很有效分離顏料" target="_blank">顏料聚集體，達到充分分散的目的。目前，應(yīng)用于粉末涂料中使用的擠出機設(shè)備于雙螺桿擠出機、單螺桿擠出機和星型螺桿擠出機等，雖然擠出機的類型、內(nèi)部構(gòu)造各不相同，但是設(shè)計目的是一致的，即最大限度的使物料均勻分散，因此擠出機的好壞直接決定物料的分散程度。
螺桿泵的工作原理：螺桿繞本身的軸線旋轉(zhuǎn)的同時沿襯套內(nèi)表面滾動，形成了密封的腔室。螺桿每轉(zhuǎn)一周,密封腔內(nèi)的液體向前推進一個螺距，隨著螺桿的連續(xù)轉(zhuǎn)動，液體螺旋形方式從一個密封腔壓向另一個密封腔，最后擠出泵體。
2.2加熱冷卻系統(tǒng)
擠出機的加熱冷卻系統(tǒng)是為了保證擠出機能夠正常運轉(zhuǎn)，以及保持擠出機有穩(wěn)定的工藝溫度。擠出機中機筒的加熱是為了使機筒受熱達到一定的溫度，冷卻是為了使高溫機筒把溫度降下來。在擠出機擠塑料生產(chǎn)過程中，機筒上有加熱和冷卻裝置交替工作，則使機筒工作時溫度恒定在一個擠出塑料化需要的工藝溫度范圍內(nèi)，保證了擠出機正常擠塑制品成型生產(chǎn)的順利進行。塑料的熔融主要依靠機筒的熱傳導(dǎo)，所以擠出機必須要有足夠的加熱裝置功率。機筒的加熱方式，可采用電阻加熱，電感應(yīng)加熱或者用載熱體加熱。加熱的控制有位式控制和比例控制。位式控制比較簡單，是開關(guān)控制，總是全功率加熱或者切斷，溫度波動大。比例控制是按照實際溫度和設(shè)定溫度差來自動選擇加熱功率，因此熱慣性比較小，溫度波動小。
機筒的冷卻方式可以采用風(fēng)冷和水冷，風(fēng)冷方法是用電動風(fēng)機來吹機筒需要降溫的部位，讓冷風(fēng)帶走機筒部分熱量，以達到機筒降溫目的。風(fēng)冷機筒的特點是機筒降溫的速度緩慢。機筒采用循環(huán)水冷卻降溫的速度較快，但長時間使用容易結(jié)垢堵塞，因此若要使用水冷方式，應(yīng)該選用處理過的軟化水。
2.3傳動系統(tǒng)
擠出機的傳動系統(tǒng)要為擠出機提供螺桿運轉(zhuǎn)動力，為了滿足工藝要求，對擠出機的動力應(yīng)有以下幾個要求：
（1）螺桿能夠有足夠的轉(zhuǎn)矩；
（2）螺桿能夠從低速起動，然后調(diào)至所需要的轉(zhuǎn)速，并且應(yīng)該是恒轉(zhuǎn)矩狀態(tài)；
（3）運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，轉(zhuǎn)速不波動。
2.3.1主機
一臺擠出機主機由擠壓、傳動、加熱冷卻三部分系統(tǒng)組成。
擠壓系統(tǒng)主要由螺桿和機桶組成，是擠出機的關(guān)鍵部分；
傳動系統(tǒng)中起作用是驅(qū)動螺桿，要保證螺桿在工作過程中具備所需要的扭矩和轉(zhuǎn)速；
加熱冷卻系統(tǒng)主要來保證物料和擠壓系統(tǒng)在成型加工中的溫度控制。
2.3.2輔機
擠出設(shè)備的輔機的組成根據(jù)制品的種類而定。一般說來，輔機由劑透定型裝置、冷卻裝置、牽引裝置、切割裝置以及制品的卷取或堆放裝置等部分組成。
2.4控制系統(tǒng)
擠出機控制系統(tǒng)的主要作用，是在擠出過程中實現(xiàn)對螺桿轉(zhuǎn)速、機筒溫度和熔體壓力等工藝參數(shù)的控制。目前，以儀表控制系統(tǒng)、PLC控制系統(tǒng)為主要選擇。兩者的功能分別為：溫度控制中儀表控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)開關(guān)兩控制，也可以采用智能儀表實現(xiàn)簡單比率控制，而PLC控制系統(tǒng)可以通過模擬量通信實現(xiàn)PID（比率-積分-微分控制）控制；前者壓力控制顯示熔體壓力，而后者顯示熔體壓力并實現(xiàn)閉環(huán)控制；前者的測試功能只有顯示功能，而后者可以實現(xiàn)測試單元的串口通信。擠出機的控制系統(tǒng)主要由電氣、儀表和執(zhí)行機構(gòu)組成，其主要作用為：
（1）控制主、輔機的拖動電機，滿足工藝要求所需的轉(zhuǎn)速和功率，并保證主、輔機能協(xié)調(diào)地運行。
（2）控制主、輔機的溫度、壓力、流量和制品的質(zhì)量。
（3）實現(xiàn)整個機組的自動控制。
（4）進行數(shù)據(jù)的采集和處理，實現(xiàn)閉環(huán)控制。
2.5雙螺桿擠出機的主要技術(shù)參數(shù)
1、螺桿公稱直徑。螺桿公稱直徑是指螺桿外徑，單位為ｍｍ。對于變直徑（或錐形）螺桿而言，螺桿直徑是一個變值，一般用最小直徑和最大直徑表示如：
65/130。雙螺桿的直徑越大，表征機器的加工能力越大。
2、螺桿的長徑比。螺桿的長徑比是指螺桿的有效長度與外徑之比。一般整體式雙螺桿擠出機的長徑比是在7-18之間。對于組合式雙螺桿擠出機，長徑比是可變的。從發(fā)展看，長徑比有逐步加大的趨勢。
3、螺桿的轉(zhuǎn)向。螺桿的轉(zhuǎn)向有同向和異向之分。一般同向旋轉(zhuǎn)的雙螺桿擠出機多用于混料，異向旋轉(zhuǎn)的擠出機多用于擠出制品。
4、螺桿的轉(zhuǎn)速范圍。螺桿的轉(zhuǎn)速范圍是指螺桿的最低轉(zhuǎn)速到最高轉(zhuǎn)速（允許值）間的范圍。同向旋轉(zhuǎn)的雙螺桿擠出機可以高速旋轉(zhuǎn)，異向旋轉(zhuǎn)的擠出機一般轉(zhuǎn)速僅在0-40r/min。
5、驅(qū)動功率。驅(qū)動功率是指驅(qū)動螺桿的電動機功率，單位為kw。
6、產(chǎn)量。產(chǎn)量指每小時物料的擠出量，單位為kg/h。
2.6雙螺桿擠出機的工藝原理
2.6.1雙螺桿擠出機的控制啟動步序
1.接通電源按工藝把溫控儀表調(diào)到一定的溫度進行加熱，等到溫度到了以后，要保溫3小時對料筒里的物料進行軟化，然后把溫控儀表調(diào)到工藝要求的溫度進行控制。
2.開啟主機在開啟主機時要注意電機的電流大小，如果電流過大，這時不能將速度調(diào)上去，要檢查料筒里的物料是否被軟化，或擠出機有沒有故障，一定要等到正常后，將速度調(diào)到制品所需要用的轉(zhuǎn)速進行生產(chǎn)。
3.開啟輔機喂料機、牽引機、切割機。
3.擠出機的系統(tǒng)
其工作過程為：把觸摸屏中的設(shè)定值通過通信線路傳輸?shù)絇LC，同時機筒和模頭上的當(dāng)前溫度通過熱電偶傳送到溫控模塊進行處理，再由溫控模塊傳送到PLC中。當(dāng)溫度值與設(shè)定植在PLC中進行數(shù)值比較后，如果當(dāng)前值低于設(shè)定值，PLC就發(fā)出指令使PLC內(nèi)部相應(yīng)的熱電器得電工作，并使接觸器得電工作。由于接觸器的閉合通電，使得加熱器通電加熱。在加熱過程中，熱電偶不斷地把當(dāng)前溫度傳送到溫控模塊，溫控模塊也不斷地把數(shù)值傳送到PLC中進行數(shù)值比較。經(jīng)過一段時間的加熱后，如果當(dāng)前溫度值高于設(shè)定值，PLC就發(fā)出指令，使得PLC內(nèi)部的繼電器、接觸器失電不工作。由于接觸器的斷開，使得加熱器斷電不加熱。對有冷卻風(fēng)機的，PLC同時發(fā)出指令使PLC內(nèi)部相應(yīng)的繼電器得電工作，使風(fēng)機通電工作。通過風(fēng)機冷卻，把機筒的當(dāng)前溫度降低。當(dāng)機筒溫度達到設(shè)定值以后，PLC發(fā)出指令，使內(nèi)部繼電器失電不工作，并使中間繼電器線圈失電不工作。由于中間繼電器斷開，使冷卻風(fēng)機斷電停止工作。
PID控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計的核心內(nèi)容。它是根據(jù)被控過程的特性確定PID控制器的比例系數(shù)、積分時間和微分時間的大小。PID控制器參數(shù)整定的方法很多,概括起來有兩大類：一是理論計算整定法。它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型,經(jīng)過理論計算確定控制器參數(shù)。這種方法所得到的計算數(shù)據(jù)未必可以直接用,還必須通過工程實際進行調(diào)整和修改。二是工程整定方法,它主要依賴工程經(jīng)驗,直接在控制系統(tǒng)的試驗中進行,且方法簡單、易于掌握,在工程實際中被廣泛采用。PID控制器參數(shù)的工程整定方法,主要有臨界比例法、反應(yīng)曲線法和衰減法。三種方法各有其特點,其共同點都是通過試驗,然后按照工程經(jīng)驗公式對控制器參數(shù)進行整定。但無論采用哪一種方法所得到的控制器參數(shù),都需要在實際運行中進行最后調(diào)整與完善。現(xiàn)在一般采用的是臨界比例法。利用該方法進行PID控制器參數(shù)的整定步驟如下：(1)首先預(yù)選擇一個足夠短的采樣周期讓系統(tǒng)工作；(2)僅加入比例控制環(huán)節(jié),直到系統(tǒng)對輸入的階躍響應(yīng)出現(xiàn)臨界振蕩,記下這時的比例放大系數(shù)和臨界振蕩周期；(3)在一定的控制度下通過公式計算得到PID控制器的參數(shù)。
4．結(jié)束語
雙螺桿擠出機電氣控制系統(tǒng)由觸摸屏作為上位機與M2雙回路自整定PID溫控模塊及PLC進行通訊。其神奇之處在于所有運用到的參數(shù)都可以通過觸摸屏來設(shè)置和顯示。M2雙回路自整定PID溫控模塊是上海亞泰儀表有限公司生產(chǎn)的智能溫控模塊。觸摸屏給我們提供了一個友好的人機界面。可編程控制器PLC和變頻器正在被廣泛的應(yīng)用于雙螺桿擠出機的自動控制上。上述這一些都是雙螺桿擠出機電氣控制系統(tǒng)的一個明顯的發(fā)展趨勢。
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