我国是塑料制品的消费大国，消费量每年以7%~8%的速度快速增长。在这期间，油压–机械式注塑机扮演了重要角色。但一方面在能源日益匿乏、生态环境日益恶化的今天，油压–机械式注塑机所消耗的能源越来越受到人们的重视和关注，另一方面随着经济的发展，传统的低水平代工已越来越多地被更高的产业所代替。如电子零件、数码相机、手机外壳以及光学器件的成型不仅对材料的要求很高，而且对成型的精密性也提出了相当高的要求。而全电动注塑机以其优异的精密性及环保节能性正适应了这种要求，因此越来越多的注塑机厂家开始研发、生产全电动注塑机。

        要实现全电动注塑机的节能及注射成型精密性，对作为重要过程参数的注塑压力进行灵敏调节及在线控制是非常重要的。而实现这种在线控制的重要环节就是对注塑压力进行在线测量。这样才能根据螺杆实际的注塑压力来反馈控制电机的转速及扭矩输出，从而更精确更灵敏地实现对注塑机成型制品质量的控制。所以注塑压力的在线测量一直是全电动注塑机研发的热点，也是全电动注塑机设计过程中必须解决的关键性问题之一。

1    目前全电动注塑机注塑压力在线测量方法

        全电动注塑机的射胶系统与传统液压注塑机一样需要完成两个过程：塑化和注射。对注塑压力的监测其实是对电机驱动螺杆前推力的监测。全电动注射系统通过电机提供动力带动螺杆完成物料塑化及注射动作，无法像液压注射系统那样通过测量液压值来监控注塑压力。目前全电动注塑机采用的比较成熟的测量方法是在滚珠丝杠副和注射螺杆的结合部安装压力传感器，用于测定注射过程中的注塑压力大小，然后将信号接入注塑机的控制系统进行压力闭环控制，以确保注射、保压和背压过程的压力控制精度。这种压力传感器通常称为称重传感器或者荷重元(如无特别说明，文中的荷重元均为测量注塑压力的荷重元)。

        荷重元主要是由承受载荷的钢质弹性壳体和信号放大装置两大部分组成。其中弹性壳体上粘贴有能够测量其形变的应变计(应变片)，并将形变转换成与之正相关的电压信号输出。放大装置则是将弹性壳体端输出的毫伏电压信号放大为注塑机控制系统接受的电压信号，通常为0～±10V。按放大器与弹性壳体分离与否主要分为两类：一种是弹性壳体与放大装置分开的分离型注塑压力荷重元；一种是弹性壳体与放大装置结合的集成型注塑压力荷重元。

        目前该荷重元存在的主要问题：

        (1)如果粘贴在荷重元壳体上的应变计损坏，需拆卸整个壳体，拆装极不方便，造成后期维护困难；

        (2)需要在弹性壳体上粘贴应变片，其过程需要专业人员实施且费时费力。因此生产厂家均从专业传感器厂家订购荷重元，大大增加了设备成本。

2    全电动注塑机注塑压力测量新方法

        为了解决以上问题，笔者采用了一种新的测量方法。新方法的荷重元安装位置与传统荷重元安装位置一样，也是安装于滚珠丝杠副和射胶螺杆的结合部。但该方法与传统荷重元相比最大的区别是不需在弹性壳体上粘贴应变片，而是将粘贴应变片改为沿径向开槽安装两个平面应变传感器。

        安装的传感器采用两个并联的平面应变传感器来测量弹性壳体应变，并输出毫伏(mV)电压信号。两个并联平面应变传感器的应变计组成一个全桥测量电路，可以对弹性壳体的形变进行准确的测量。

        通过以上设计可以将粘贴应变片的繁杂工作彻底摈弃，使用者完全可以自己设计制造弹性壳体，然后在弹性壳体上安装两个平面应变传感器即可获得一个可感知弹性壳体受力大小的荷重元。相对于传统荷重元，由该方法得到的荷重元的应变传感器若有部分损坏，只需旋松螺钉去掉平面应变传感器并更换新的传感器即可，无须拆掉整个荷重元，因此维护效率得到极大提高。

2．1    新测量方法的原理

        在全电动注塑机中，滚珠丝杠副将电机的旋转运动转换为直线运动，滚珠丝杠副通过挤压压力传感器将力传递给螺杆，实现螺杆的前推注射动作。深色部分为压力传感器，箭头为前推作用力，即注射作用力。

        根据材料力学的原理，当应力不超过某一限度时，同一种材料的横向线应变与纵向线应变之比的绝对值为常数，即泊松比μ。

        根据这个原理，只要通过测量其横向线应变即可测得其轴向的受力，而弹性壳体轴向的受力即为注射力(由系统内力、外力及相互作用力等力学基本原理很容易得出该结论)。因此沿弹性壳体径向安装上一个可以测量其横向形变的平面应变传感器，便可以测得其横向线应变，而泊松比为常数，则横向线应变与纵向线应变正相关，而纵向线应变又与弹性壳体轴向受力正相关，故可以用横向线应变来表征弹性壳体轴向受力即注塑压力的值。在这里横向线应变类似弹性壳体向周围“扩张”，因此把此类传感器可称为张力型传感器。相应组成的荷重元称之为“张力型荷重元”。

2．2    新测量方法的测量链

        注射前推力作用于弹性壳体产生的形变经由张力型荷重元采集转变为毫伏电压信号，然后经放大装置放大成为0～10V电压信号进入注塑机控制系统，从而形成闭环控制系统，实现对注塑压力的精准控制。

        (1)弹性壳体。

        弹性壳体的设计客户完全可以根据机器的安装尺寸要求进行设计并制造，材料要求使用质量较好的合金钢，所有材料的屈服强度要大于设计应力。

        (2)信号放大装置。

        选用适用于全桥电路信号放大的放大器，将平面应变传感器测量端得到的毫伏信号放大为标准的0～10V信号。建议选用数字智能型放大器且该放大器须具有根据需要可进行任意测量范围标定的功能，如可以在0～1000kN力范围内输出0～10V信号，0~10kN力范围内也可重新标定后输出0～10V信号，这样可以提高测量系统的灵敏度和精确度。因为注塑压力通常不大，尤其是背压。

        (3)信号线。

        信号线应采用质量上乘、屏蔽良好PVC信号线，以防信号传递过程中的损失。

3    全电动注塑机注塑压力测量新方法的标定

        采用该方法组成的测量系统因是使用者自行制作及组装而成，所以需要使用者自行标定后才能使用。标定即是通过一定的手段来确定仪器或测量系统的输入–输出关系。针对张力型荷重元注塑压力测量系统，标定即是确定注塑压力与传感器输出电压间的对应关系，简单说即是“多大的电压值对应多大的注塑压力”。将这两者之间的比例关系确定以后，才能使用该传感器测量注塑压力。因此标定对该测量系统是非常重要而且必要的。标定的关键是要获取一系列的已知标准力，然后将其施加在测量系统上，从而得到一系列的输出电压值。

        对该测量系统进行标定主要有以下3种方法。

        (1)使用材料万能力学性能试验机对弹性壳体施加一系列的已知作用力，测出相应的输出电压信号，得出相应的输入–输出关系。该标定方法需要企业配备万能材料力学性能试验机。

        (2)使用喷嘴注塑压力测量系统测出注塑压力绝对值，然后与荷重元的电压输出信号进行标定比对，得出对应的正相关关系。这种喷嘴注塑压力测量系统可以避免安装熔体压力传感器时必须在喷嘴处钻孔这一缺点。

        该标定方法需要厂家配备喷嘴注塑压力测量系统。

        (3)可以采用锁模力传感器[6]进行标定。目前锁模力传感器已经广泛应用于注塑机生产及塑料制品企业。可以利用该仪器获取已知的标准力，实现对这种新注塑压力测量系统的标定。

        a.对注塑机厂常用的假模进行改造。将张力型荷重元安装在假模2上，将安装了荷重元3的假模固定在注塑机两个模板间。合模后，通过假模1挤压荷重元3。粗箭头表示锁模力施加的方向。

        b.将信号放大装置与传感器连接。右边深色箭头所指端为信号输入端；左边浅色箭头所指端为信号放大输出端。

        然后将输出信号线(通常为7针)接线方式与注塑机控制系统连接（6针信号负–OUT要与电源负GND连接，即与3，7针并接在一起，4针Reset接电源正+Vs进行置零）。

        c.将锁模力测量仪安装在注塑机拉杆上，测量锁模力。

        d.利用万用表测量此时的输出电压信号。测量不同锁模力时输出的电压信号，得出电压信号与力之间的线性比例关系，从而实现标定。

4    结论

        针对目前全电动注塑机注塑压力测量方法存在的缺点，在现有的注塑压力荷重元基础上提出了一种新的测量方法。该方法利用材料的横纵向线应变之比为常数的原理，通过径向安装并联的平面应变传感器取代了传统荷重元粘贴应变片的方式，让使用者可以自行制作荷重元。

        该方法具有以下特点：①使用者可以自行制造荷重元弹性壳体，大幅降低了测量系统的成本；②极大方便安装及拆卸应变传感器，提高维修效率；③输出信号具有良好的线性；④需要使用者自行标定。