CN103079796B - 利用根据检测压力最小值进行反馈由粗坯制造容器的方法 - Google Patents

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Abstract

利用塑料材料粗坯（3）在模具（8）中通过拉伸吹塑制造容器（2）的方法，其包括以下操作：在预吹塑阶段期间测量粗坯（3）内部的压力；检测与粗坯（3）中的压力局部最小值对应的时刻；储存产生该压力最小值的时刻以及粗坯（3）中的相应的压力；使检测到的压力局部最小值的时刻和压力分别与压力理论最小值的预定的时刻和压力进行比较；如果测得的最小值和理论最小值不重合，则控制改变以下参数中的至少一个：预吹塑压力、预吹塑流量、拉伸速度、加热温度。

Description

利用根据检测压力最小值进行反馈由粗坯制造容器的方法
技术领域
本发明涉及利用塑料材料粗坯通过吹塑或拉伸吹塑来制造容器。
背景技术
为制造容器，可以实施单一吹塑步骤或多个吹塑步骤。在第一种情况下，从通过注入得到的预成型坯，首先将预成型坯加热到高于材料的玻璃转化温度的温度。然后将这样加热的预成型坯引入模具中，再在其中注入加压流体（尤其如空气），以便直接得到最终容器。在第二种情况下，从预成型坯出发进行首次吹塑，该首次吹塑导致获得中间容器，中间容器本身被再加热，然后重新被吹塑，以得到最终容器。
“粗坯”同时指注入得到的预成型坯、和利用预成型坯首次吹塑作业后得到的和用于经受至少一个二次吹塑的中间容器。
除对粗坯（预成型坯或中间容器）的吹塑外，拉伸吹塑技术在于利用滑动杆拉伸粗坯，尤其是以使容器偏心减至最小并使材料的分布尽可能均匀。
吹塑本身包括多个将气体注入粗坯中的相继作业。第一作业称为预吹塑作业，在于：将低压气体（称为预吹塑，一般在5bar-16bar之间）注入粗坯中。第二作业即严格意义上的吹塑作业，在于：将高压气体（称为吹塑，一般大于25bar，通常在30bar-35bar之间）注入粗坯中。就是在预吹塑作业的期间实现对粗坯的拉伸，吹塑只是随后进行。
在工业生产的背景下，制造速率达到每台机器每小时几万个容器，每台机器一般包括一系列安装在转动的循环输送装置周边的模具。在粗坯被引入模具的时刻与成形的容器从模具排出的时刻之间的周期时间为几秒钟。预吹塑作业本身只持续零点几秒。
材料的分布不好是在容器上发现的常见缺陷。这不一定涉及要注意容器壁厚恒定，因为在某些情况下，可能希望的是使某些区域、特别是用于承受很大应力的区域（尤其是在底部附近）加厚。而这更确切的是涉及到要注意使材料厚度相应于容器技术规格，如根据它的用途和它的形状所确定的。
即使知道对加热参数（尤其是加热温度）和吹塑参数（如吹塑压力）的调节、甚至是细微调节对容器的最终形状有决定性的影响，但却并不太了解这些参数的改变与材料在容器中的分布之间的因果关系。
一般说来，加工调节交付于合格的操作者，这些操作者借助他们的技能知识，根据他们对吹塑后提取出的容器进行的目测和手感检查判断，推断出需进行的调节。这种方法的问题是：该方法不能自动化，每个操作者都有他自己的技巧。另外，由于生产速率很快，检查只能是抽样的，检查时发现的质量偏差会使人对从上次检查以来经过的所有容器的质量产生怀疑。
某些制造者，如杜邦公司（DuPontDeNemours）在其美国专利US4042657中提出更***的方法，该方法主张排除压力曲线与标准曲线不一致的容器。但是，由此导致很大的废品率，而没有向更好控制生产容器的质量明显进步。
最近，已经提出（参见公布的国际申请WO2008/081107和源于此的美国专利申请US2010/176528）进行实际吹塑曲线的奇异点与理论吹塑曲线的对应点之间的点状关联，并根据在奇异点观察到的偏差来改变加工参数。正在实施的该方案旨在允许使加工调节至少部分自动化。
实际上，由于参数众多和它们的相关性，该实施变得困难。因此可发现，对用于校正压力曲线上一给定点的位置的至少一个参数（压力、温度）带来的改变，会对整条曲线有不可控制的影响。
发明内容
本发明的目的是完善现有的容器制造方法，更准确的是便于生产的真正自动化。
为此，首先，本发明提出一种利用塑料材料粗坯在模具中通过拉伸吹塑制造容器的方法，该方法包括以下操作：
－将粗坯加热到预定的加热温度；
－使粗坯引入到模具中；
－利用以预定的拉伸速度移动的杆来拉伸粗坯；
－在称为预吹塑信号的预定时刻，操纵电动阀开启，以使粗坯内部与具有预定的预吹塑压力和预定的预吹塑流量的气源连通；
－测量粗坯内部的压力；
－检测与粗坯中的压力局部最小值对应的时刻；
－储存该压力最小值产生的时刻以及粗坯中的相应的压力；
－使检测出的最小值的时刻和压力分别与压力理论最小值的预定时刻和预定压力进行比较；
－如果测得的最小值与理论最小值不重合，则控制改变以下参数中的至少一个：预吹塑压力、预吹塑流量、拉伸速度、加热温度。
在压力曲线上的局部最小值的位置可能对容器最终质量有决定性影响的假设形成之前，需要进行非常多的试验，而相反地需关注压力峰值的信心却是如此大。因此，试验表明，根据预吹塑时的压力局部最小值的位置对加工参数进行的校正，可以显著地提高容器的质量。
更确切的说，该方法包括：
－如果检测到的最小值的时刻和压力分别早于、低于理论最小值的时刻和压力，则进行降低加热温度或拉伸速度的操作；
－如果检测到的最小值的时刻和压力分别早于、等于理论最小值的时刻和压力，则进行降低预吹塑压力或预吹塑流量的操作，必要时可进行降低加热温度或拉伸速度的补充操作；
－如果检测到的最小值的时刻和压力分别早于、高于理论最小值的时刻和压力，则进行降低预吹塑压力或预吹塑流量的操作；
－如果检测到的最小值的时刻和压力分别等于、高于理论最小值的时刻和压力，则进行降低预吹塑压力或预吹塑流量的操作，必要时可进行增加加热温度或拉伸速度的补充操作；
－如果检测到的最小值的时刻和压力分别晚于、高于理论最小值的时刻和压力，则进行增加加热温度或拉伸速度的操作；
－如果检测到的最小值的时刻和压力分别晚于、等于理论最小值的时刻和压力，则进行增加预吹塑压力或预吹塑流量的操作，必要时可进行增加加热温度或拉伸速度的补充操作；
－如果检测到的最小值的时刻和压力分别晚于、低于理论最小值的时刻和压力，则进行增加预吹塑压力或预吹塑流量的操作；
－如果检测到的最小值的时刻和压力分别等于、低于理论最小值的时刻和压力，则进行增加预吹塑压力或预吹塑流量的操作，必要时可进行降低加热温度或拉伸速度的补充操作。
其次，本发明提出一种用于安装在利用塑料粗坯制造容器的机器的控制单元上的计算机程序产品，该计算机程序产品包括用于实施上述方法的操作的指令。
附图说明
通过下面参照附图进行的描述，本发明的其它目标和优点将体现出来，附图中：
－图1是表示容器制造机器的示意图，更准确地以剖面图表示在其中由预成型坯（以虚线表示）吹塑形成容器（以实线表示）的模具；
－图2是一线图，在该线图上画出一条曲线，其表示在预成型坯预吹塑时预成型坯中存在的压力的变化；
－图3-10是简化线图，在每个线图上以实线画出定中于局部最小值的实际压力曲线的一部分，以虚线画出理论压力曲线上的相应部分，每个图都表示一种分别在实际曲线与理论曲线上的最小值之间偏移的特殊情况。
具体实施方式
图1上局部表示利用塑料材料如PET（聚对苯二甲酸乙二醇酯）粗坯3制造容器2的机器1。根据一优选实施方式，粗坯3是预成型坯，基于该预成型坯直接得到最终容器2，而不经过中间容器。每个预成型坯3包括一颈部4（颈部在形成容器2的过程中不承受变形）和柱形的本体5，该本体终止于半球形的底部6。
机器1配有安装在循环输送装置周边的多个模塑单元7，每个模塑单元包括一个模具8，该模具由两个半模具组成，这两个半模具一起确定具有容器2型腔的内空腔9。
每个模具8用于接纳来自炉子的一个预成型坯3，所述炉子位于模塑单元7的上游，每个预成型坯再被输送到一模塑单元7之前，在炉子中，例如利用发射红外辐射的灯，被提高到高于玻璃转化温度（对于PET约为80℃）的温度T。
每个模塑单元7另外包括：
－沿（通常是回转）主轴线X相对模具8滑动安装的拉伸杆10；
－控制所述杆10轴向移动的装置11，该装置优选为电磁类型（用VE表示杆16的移动速度，该速度VE又称为拉伸速度）；
－罩覆模具8的上表面并覆盖超过它的颈部4的管嘴12；
－安装在管嘴12上的压力传感器13，用以至少在预吹塑作业的过程中在其中测量预成型坯3中存在的压力。
该机器另外包括：
－预吹塑管路14，该预吹塑管路包括中压（在5bar-16bar之间）预吹塑流体（在此情况下为空气）源15、和使流体源15与每个管嘴12连接的管道16（其可以至少部分地形成于管嘴11的侧壁中），并且安插有预吹塑电动阀17，预吹塑流量DP的调节器18安装在电动阀17上；
－电子（或信息）控制单元19，该控制单元19与杆11的移动控制装置11、压力传感器13和预吹塑压力源15电连接，并与电动阀17通过其流量调节器18电连接。
更准确的说，控制单元19包括：
－处理器20；
－与处理器20连接的缓冲存储器21，通过传感器13进行的压力测量值被记录于缓冲存储器中；
－四个操纵器22、23、24、25，它们可以呈受处理器20控制（或在处理器20上被程控）的软件模块的形式，它们分别控制所述杆10的轴向移动控制装置11、用于调节提供给管嘴12的预吹塑压力的流体源15，并通过其调节器18控制电动阀17，以调节提供给管嘴12的空气流量DP，和控制炉子的灯的功率调节装置26，以便最终控制预成型坯加热温度T。
对于管嘴12的具体实施和电动阀17的集成，可参照申请FR2872082（Sidel）或它的等同国际申请WO2006/008380。
下面描述基于预先加热过的预成型坯3形成容器2。
温度高于材料的玻璃转化温度的热的预成型坯3（在PET的情况中，预成型坯被加热到通常在120℃-140℃之间的温度）颈部4在上地被引入预先打开的模具8中，拉伸杆10处在收起位置，以允许预成型坯3的引入。
随着模塑单元7安装在其上的循环输送装置的转动，模具8在称为启始信号的时刻tD闭合于预成型坯3上，该时刻构成图2线图上的时间轴（横坐标）的原点。从该时刻起，控制单元19连续测量预成型坯中存在的压力P，测得的数值被记录到存储器21中。
术语“连续”表示：相对于预成型坯3内的压力变化所必需的时间，实施压力测量的时间周期很短。
为此，有利的是选择高性能传感器13，其允许以小于或等于5ms（毫秒）的时间周期实施压力测量，所述时间周期优选小于或等于2ms，理想的是能以为1ms的时间周期进行测量。
在称为预吹塑信号tP的预定时刻，控制单元19控制打开所述预吹塑电动阀17，以使预成型坯3的内部与预吹塑空气源15相连通。
实际上，预成型坯3内的压力P开始增加的实际时刻相对于预吹塑信号tP显示出延迟，该延迟相应于电动阀17的响应时间。
一旦杆10到达该杆10接触预成型坯3的底部6的中间位置（图1中用点划线表示），拉伸就开始。
用A表示曲线的压力开始上升的点，该点对应于预吹塑开始的实际时刻。
随着预成型坯以弹性的方式被拉伸，预成型坯3内的压力从A点开始增加，进入预成型坯3的空气流量大于预成型坯3的内部容积的增加，直至在记为tB的时刻在记为B的点达到局部峰值。局部峰值B归因于预成型坯3的塑性流动阈值。
吹塑曲线的斜率在B点为零，该斜率从B点的左侧（在此斜率为正）向右侧（在此斜率为负）反过来。相应的压力记作PB。
压力P在经过B点的局部峰值后下降，该下降源于预成型坯3的径向扩展，预成型坯3由于超过其塑性流动阈值，从时刻tB开始经受塑性变形。
在图2上看到，压力从B点起经过快速下降的第一阶段，压力曲线的斜率很大；然后紧接缓慢降低的第二阶段，曲线的斜率很小。
则压力P在记为M的点达到局部最小值，从M点起，压力重新地首先缓慢、然后更快增加。用tM表示压力达到该局部最小值的时刻，用PM表示在此时刻的预成型坯3内的压力。
经过一段延时——在该延时的期间保持预吹塑电动阀17开启，通过同时控制预吹塑电动阀17关闭和吹塑电动阀开启来启动吹塑，吹塑电动阀一方面与管嘴连接，还与具有高于预吹塑压力的吹塑压力的空气源连接，这导致预成型坯3内的压力陡然增加。该增加由压力曲线在图2的右端突然弯曲来表示。
但对吹塑作业并不感兴趣，这解释了为什么图2的曲线在吹塑作业开始时就中断。
预吹塑对最终容器质量的影响的假设已经提出。在对于给定的预成型坯和给定的最终容器，可以识别允许得到具有尽可能接近预先确立的技术规格的特征（尤其是材料分布）的容器的压力曲线之前，已经进行过许多试验。
将该压力曲线储存到控制单元19中。考虑到预成型坯之间存在的差异和加工参数（压力、流量等）的可能具有外源原因（如环境温度或大气湿度的变化）的随机变化，吹塑过程中测得的预成型坯3中的实际压力曲线与理论压力曲线之间不能保证完全一致。
相反，可考虑的是，只需识别至少一个显著影响容器特征的奇异点，就可尝试点接近。
该论证并非没有困难，因为其中有预成型坯3的加热温度T、预吹塑压力PP、预吹塑流量Dp和拉伸速度VE的加工参数的任何改变，都会改变整条压力曲线。为隔绝选定点的影响，因此应进行试验，使得其它假定的有意义的点在曲线上保持基本固定，通过作用于至少一个加工参数就能够改变选定点的位置。
这样就能证明M点对最终容器特征的影响是显著的。更准确的说，已能够证明，通过注意使M点与预先确定的理论压力曲线上的相应的局部最小值Mth大致重合，就可以显著提高生产容器的质量，并且这与其它假定的奇异点（尤其是B点）的定位无关。
因此，通过假设，拥有理论压力曲线（如图2上所示的，其可局限于预吹塑），对于该理论压力曲线，得到的容器的特征看来符合预先确立的技术规格。
然后，在理论曲线上识别出Mth点，Mth点通过它的坐标（tMth、PMth）确定，对应于预吹塑过程中的压力局部最小值。将Mth点的坐标（tMth、PMth）储存于控制单元19中。
在生产过程中，通过检测实际M点所对应的压力局部最小值，识别该实际M点。在每个周期通过控制单元19储存M点的坐标（tM、PM），控制单元19将M点的坐标与理论Mth点的坐标（tMth、PMth）进行***比较。
实际上，控制单元验证实际M点是否处于在理论Mth点周围确定的容差区域中。实际上，控制单元一方面将实际时刻tM与理论时刻tMth进行比较，另一方面将实际压力PM与理论压力PMth进行比较，以验证这两者全都处于对于M点所确定的相应的时间和压力容差内。
当实际M点处于该容差区域内时，则认为M点和Mth点重合，并保留所述加工参数用于下面的周期。
当相反地，实际M点处于容差区域外时，M点和Mth点就被认为区分开的，控制单元19反馈作用于所述至少一个加工参数，以便在下一周期使实际M点向理论Mth点靠拢。
已看到的是，参数包括预吹塑压力PP、预吹塑流量DP、拉伸速度VE、和预成型坯3的加热温度T。
根据实际时刻tM早于、重合（即在容差区域内）或晚于理论时刻tMth，和根据实际压力PM小于、等于（即在容差区域内）或高于理论压力PMth，可能存在几种情况。
已经发现，压力PP的影响与流量DP的影响类似。因此，这两个参数的共同影响可以归并为它们的乘积PP×DP的影响：该乘积的增加可源于恒定流量DP下的预吹塑压力PP的增加、恒定压力PP下的预吹塑流量DP的增加、或者DP和PP这两者的同时增加；相反地，乘积PP×DP的减小可源于恒定流量DP下的预吹塑压力PP的减少、恒定压力PP下的预吹塑流量DP的减少、或者压力PP和流量DP的同时减少，当然，增加其中一个而同时减少另一个没有显现出是有用的。
另外发现，加工参数以下述方式影响M点的位置：
－预吹塑压力PP或预吹塑流量DP的增加（其可通过乘积PP×DP的增加表示），导致M点同时向左和向上偏移，即减少它的时刻tM并增加它的压力PM；
－预吹塑压力PP或预吹塑流量DP的降低（其可以通过乘积PP×DP的减小表示），导致M点同时向右和向下偏移，即增加它的时刻tM并降低它的压力PM；
－加热温度T或拉伸速度VE的增加导致M点同时向左和向下偏移，即减少它的时刻tM并降低它的压力PM；
－加热温度T或拉伸速度VE的降低导致M点同时向右和向上偏移，即增加它的时刻tM并增加它的压力PM。
图3-10上表示除实际M点和理论Mth点标识外，可能存在的不同情况。
图3上首先表示实际M点同时处于理论Mth点左边和在理论Mth点下方的情况，即tM<tMth且PM<PMth。
在这种情况下，为使实际M点向理论Mth点靠拢，控制单元通过反馈控制拉伸速度VE或加热温度T降低。
然后图4上表示实际M点位于理论Mth点左边的情况，即tM＜tMth并且PM=PMth。
在这种情况下，为使实际M点向理论Mth点靠拢，控制单元反馈控制预吹塑压力PP或预吹塑流量DP（或者乘积PP×DP）减少，同时（或随后）降低拉伸速度VE或加热温度T。
图5上表示实际M点在理论MMth点的左边和上方的情况，即tM<tMth并且PM>PMth。
在这种情况下，为使实际M点向理论Mth点靠拢，控制单元反馈控制预吹塑压力PP或预吹塑流量DP（或者乘积PP×DP）减少。
然后，图6上表示实际M点位于理论Mth点的上方的情况，即tM=tMth并且PM>PMth。
在这种情况下，为使实际M点向理论Mth点靠拢，控制单元通过反馈控制预吹塑压力PP或预吹塑流量DP（或乘积PP×DP）降低，同时（或随后）增加拉伸速度VE或加热温度T。
图7上表示实际M点在理论Mth点之右和上方的情况，即tM>tMth并且PM>PMth。
在这种情况下，为使实际M点向理论Mth点靠拢，控制单元通过反馈控制拉伸速度VE或加热温度T增加。
然后，图8上表示实际M点位于理论Mth点之右的情况，即tM>tMth并且PM=PMth。
在这种情况下，为使实际M点向理论Mth点靠拢，控制单元通过反馈控制预吹塑压力PP或预吹塑流量DP（或乘积PP×DP）增加，同时（或随后）增加拉伸速度VE或加热温度T。
图9上表示实际M点处于理论Mth点之右和之下的情况，即tM>tMth并且PM<PMth。
在这种情况下，为使实际M点向理论Mth点靠拢，控制单元通知反馈控制预吹塑压力PP或预吹塑流量DP（或乘积PP×DP）增加。
最后，图10上表示实际M点处于理论Mth点的下方的情况，即tM=tMth并且PM<PMth。
在这种情况下，为使实际M点向理论Mth点靠拢，控制单元通知反馈控制预吹塑压力PP或预吹塑流量DP（或乘积PP×DP）增加，同时（或随后）降低拉伸速度VE或加热温度T。
为说明局部最小值M的时刻和压力的数值，下表中提供一数字例子。示出的测量值与图2的曲线相对应。
实际上，通过控制单元19操控压力曲线的储存操作、局部最小值M的识别操作、M点坐标与理论局部最小值Mth坐标的比较操作、以及刚提到的根据该比较的结果对参数PP、DP、T和VE的反馈作用。更确切的说，通过执行为此安装在其处理器20中的计算机程序产品的指令，产生这些操作。

Claims (13)

1.利用塑料材料制的粗坯(3)在模具(8)中通过拉伸吹塑来制造容器(2)的方法，所述方法包括以下操作：
－将所述粗坯(3)加热到预定的加热温度(T)；
－将所述粗坯(3)引入所述模具(8)中；
－利用以预定的拉伸速度(VE)移动的杆(10)拉伸所述粗坯(3)；
－在称为预吹塑信号(tP)的预定时刻，控制打开电动阀(17)，以使所述粗坯(3)的内部与具有预定的预吹塑压力(PP)和预定的预吹塑流量(DP)的气源(15)相连通；
－测量所述粗坯(3)内部的压力(P)，所述粗坯内部的压力在预吹塑开始的实际时刻增加，直至在一时刻(tB)在一点(B)达到局部峰值(PB)，在经过所述点(B)之后压力下降；
－在经过所述点(B)之后的压力下降的过程中，检测对应于所述粗坯(3)中的压力(PM)局部最小值的时刻(tM)；
－储存所述压力局部最小值产生的时刻(tM)以及所述粗坯(3)中的对应的压力(PM)；
－将检测到的所述压力局部最小值的时刻(tM)和压力(PM)分别与压力理论最小值的预定的时刻(tMth)和预定的压力(PMth)进行比较；
－如果测得的所述压力局部最小值与所述压力理论最小值不重合，则控制改变以下参数中的至少一个：预吹塑压力(PP)、预吹塑流量(DP)、拉伸速度(VE)、加热温度(T)。
2.如权利要求1所述的方法，所述方法包括，如果检测到的所述压力局部最小值的时刻(tM)和压力(PM)分别早于、低于所述压力理论最小值的时刻(tMth)和压力(PMth)，则进行降低所述加热温度(T)或所述拉伸速度(VE)的操作。
3.如权利要求1所述的方法，所述方法包括，如果检测到的所述压力局部最小值的时刻(tM)和压力(PM)分别早于、等于所述压力理论最小值的时刻(tMth)和压力(PMth)，则进行降低所述预吹塑压力(PP)或所述预吹塑流量(DP)的操作。
4.如权利要求3所述的方法，所述方法包括降低所述加热温度(T)或所述拉伸速度(VE)的补充操作。
5.如权利要求1所述的方法，所述方法包括，如果检测到的所述压力局部最小值的时刻(tM)和压力(PM)分别早于、高于所述压力理论最小值的时刻(tMth)和压力(PMth)，则进行降低所述预吹塑压力(PP)或所述预吹塑流量(DP)的操作。
6.如权利要求1所述的方法，所述方法包括，如果检测到的所述压力局部最小值的时刻(tM)和压力(PM)分别等于、高于所述压力理论最小值的时刻(tMth)和压力(PMth)，则进行降低所述预吹塑压力(PP)或所述预吹塑流量(DP)的操作。
7.如权利要求6所述的方法，所述方法包括增加所述加热温度(T)或所述拉伸速度(VE)的补充操作。
8.如权利要求1所述的方法，所述方法包括，如果检测到的所述压力局部最小值的时刻(tM)和压力(PM)分别晚于、高于所述压力理论最小值的时刻(tMth)和压力(PMth)，则进行增加所述加热温度(T)或所述拉伸速度(VE)的操作。
9.如权利要求1所述的方法，所述方法包括，如果检测到的所述压力局部最小值的时刻(tM)和压力(PM)分别晚于、等于所述压力理论最小值的时刻(tMth)和压力(PMth)，则进行增加所述预吹塑压力(PP)或所述预吹塑流量(DP)的操作。
10.如权利要求9所述的方法，所述方法包括增加所述加热温度(T)或所述拉伸速度(VE)的补充操作。
11.如权利要求1所述的方法，所述方法包括，如果检测到的所述压力局部最小值的时刻(tM)和压力(PM)分别晚于、低于所述压力理论最小值的时刻(tMth)和压力(PMth)，则进行增加所述预吹塑压力(PP)或所述预吹塑流量(DP)的操作。
12.如权利要求1所述的方法，所述方法包括，如果检测到的所述压力局部最小值的时刻(tM)和压力(PM)分别等于、低于所述压力理论最小值的时刻(tMth)和压力(PMth)，则进行增加所述预吹塑压力(PP)或所述预吹塑流量(DP)的操作。
13.如权利要求12所述的方法，所述方法包括降低所述加热温度(T)或所述拉伸速度(VE)的补充操作。
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