【摘要】：共混擠出是工業(yè)中最常用的塑料改性手段,而保證改性塑料的混合質(zhì)量是企業(yè)提高生產(chǎn)效益和可持續(xù)發(fā)展的必要要求。目前共混加工產(chǎn)品的質(zhì)量檢測依賴于對產(chǎn)品隨機抽樣的離線測試結(jié)果,耗時費力、反饋滯后,且不能完全保證整批產(chǎn)品的質(zhì)量一致性和穩(wěn)定性。對連續(xù)生產(chǎn)的共混擠出過程進行實時監(jiān)測與控制是一個突出的技術(shù)難點,成為制約改性塑料精益化生產(chǎn)的瓶頸。為此,本文開發(fā)了基于超聲波測量技術(shù)的質(zhì)量在線監(jiān)測系統(tǒng),提出針對聚合物混合質(zhì)量生產(chǎn)合格判定的質(zhì)量評估方案。本文設(shè)計并開發(fā)了模塊化測量硬件和上位機交互軟件,系統(tǒng)硬件由熔體測量模頭及電氣控制裝置、超聲波發(fā)射接收裝置、可調(diào)測量間隙超聲導波裝置三部分組成。模塊化設(shè)計能使系統(tǒng)連接到不同類型的擠出加工設(shè)備,測量間隙可調(diào)式設(shè)計能使超聲測量適用于聲衰減差異巨大的多種聚合物共混體系。上位機交互軟件采用Labview編寫,以生產(chǎn)者-消費者模式構(gòu)建軟件框架,使用Python編寫數(shù)據(jù)處理模型,最終實現(xiàn)加工設(shè)備信息獲取、超聲信號采集與處理、測量參數(shù)設(shè)置、界面顯示與交互及共混產(chǎn)品質(zhì)量實時評估等功能。對開發(fā)的超聲在線監(jiān)測系統(tǒng)進行可靠性測試,測試結(jié)果表明:(1)該系統(tǒng)在260℃,10 MPa工藝范圍內(nèi)正常工作,并能保證良好的信號傳輸性能;(2)該系統(tǒng)的超聲導波裝置調(diào)距誤差不超過0.1 mm,不同距離下熔體聲速測量偏差不超過1%;(3)該系統(tǒng)經(jīng)過累計600多小時的使用與測試,未出現(xiàn)明顯故障。本文從是否明確超聲信號與聚合物共混產(chǎn)品的材料性質(zhì)的表征關(guān)系出發(fā),分別提出了基于聲特征參數(shù)過程統(tǒng)計和基于聲信號數(shù)據(jù)模型分類的兩套質(zhì)量評估方案。以聚丙烯基碳酸鈣填充復合材料合格檢測作為應(yīng)用研究目標,使用生產(chǎn)廠家提供的該復合材料的合格品與不合格品,設(shè)計了聲特征參數(shù)對比實驗、標準樣品數(shù)據(jù)采集實驗及共混加工過程模擬實驗,對實驗結(jié)果進行分析并驗證質(zhì)量評估方案的可行性。實驗結(jié)果表明:(1)在合格樣品與不合格樣品不同比例混合實驗中,超聲熔體回波幅值及其傅里葉變換幅頻譜與合格樣品質(zhì)量占比的相關(guān)性較高,線性模型決定系數(shù)達0.96,因此能將這兩種參數(shù)作為統(tǒng)計過程分析的工藝特征參數(shù)。使用標準合格樣品的超聲信號計算特征參數(shù)并進行正態(tài)性檢驗,計算了??~?控制圖與?~?控制圖的控制參數(shù),兩種控制圖能準確找出共混過程模擬實驗中隨機出現(xiàn)的不合格樣品,與實驗設(shè)計的樣品序號一致;(2)兩類標準樣品采集的超聲回波信號在PCA降維與K-means聚類后,類別標簽重現(xiàn)率為84.4%,表現(xiàn)出較強的信號可分性,隨即建立了基于時域特征的SVM模型和基于小波包分解系數(shù)矩陣的CNN模型,兩個模型在驗證集上分類準確率分別達到96.35%和99.58%,在測試集上分類準確率為96.69%與99.17%,在模型分類的基礎(chǔ)上通過批次計數(shù)圖能定位到不合格的樣品批次,與實驗設(shè)計的樣品序號一致;(3)聲參數(shù)過程統(tǒng)計法需要進行基于控制變量的試驗設(shè)計以尋找特征參數(shù),并對合格樣品進行范圍標定;聲信號模型分類法需要不同質(zhì)量等級的樣品進行數(shù)據(jù)建模與參數(shù)調(diào)優(yōu)。在影響產(chǎn)品質(zhì)量的材料性質(zhì)與超聲信號的表征關(guān)系較為簡單時,前一方案實施簡單,有一定的可解釋性且抗干擾能力強;反之,在工藝配方復雜、質(zhì)量影響因素尚不可知的情況下,后一方案可操作性和準確性更高。兩種質(zhì)量評估方案在聚丙烯基碳酸鈣填充復合材料的加工合格品檢測中表現(xiàn)良好,初步驗證了超聲質(zhì)量在線監(jiān)測系統(tǒng)的工程應(yīng)用可行性。本文研究成果可以發(fā)展為一種新型的聚合物共混擠出加工產(chǎn)品的在線質(zhì)量監(jiān)測標準,促進企業(yè)生產(chǎn)效益的提高。
【學位授予單位】：華南理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TQ320.66
【圖文】：

華南理工大學碩士學位論文螺桿擠出機的熱熔擠出（Hot melt extrusion，HME）共混過程如圖 1-1 所示[4是一種發(fā)展成熟的工藝，用于生產(chǎn)形狀和密度均勻的聚合物產(chǎn)品，其工業(yè)應(yīng)用 1930 年代。它是塑料，橡膠和食品行業(yè)應(yīng)用最廣泛的加工技術(shù)之一，用于制半的塑料產(chǎn)品，包括袋子，薄膜，片材，管材，纖維，泡沫和管材。擠出機由的部分組成：）進料部分：材料進入料筒的入口，配有料斗用以填充有待擠出材料，或者可通個或多個外部進料器以受控方式連續(xù)供應(yīng)；）輸送部分：包括料筒和運輸?shù)穆輻U，并且在適用的情況下混合材料；）成型部分：用于在材料離開擠出機時使材料成形的模具；）輔助設(shè)備：用于冷卻，切割和/或收集成品的下游輔助設(shè)備。

圖 1-2 雙螺桿加工分析魚骨圖目前的解決方法是引入軟傳感測量技術(shù)，如圖 1-3 所示，軟傳感測量技術(shù)的基礎(chǔ)設(shè)程[6]，主要包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、模型選擇、模型驗證、軟傳感器布置、維護步驟。通常，軟傳感器可分為兩類：基于第一原理模型的模型驅(qū)動式和基于從加工實際測量數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)驅(qū)動式。在這兩類軟測量中，模型驅(qū)動軟測量通常關(guān)注過程的穩(wěn)態(tài)（過程的物理化學背景），而數(shù)據(jù)驅(qū)動軟測量可以很好地表征實際的加工過程性質(zhì)的動態(tài)變化情況。

圖 1-2 雙螺桿加工分析魚骨圖目前的解決方法是引入軟傳感測量技術(shù)，如圖 1-3 所示，軟傳感測量技術(shù)的基礎(chǔ)流程[6]，主要包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、模型選擇、模型驗證、軟傳感器布置、維個步驟。通常，軟傳感器可分為兩類：基于第一原理模型的模型驅(qū)動式和基于從加程實際測量數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)驅(qū)動式。在這兩類軟測量中，模型驅(qū)動軟測量通常關(guān)注過程想穩(wěn)態(tài)（過程的物理化學背景），而數(shù)據(jù)驅(qū)動軟測量可以很好地表征實際的加工過料性質(zhì)的動態(tài)變化情況。

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前7條

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相關(guān)博士學位論文 前1條

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相關(guān)碩士學位論文 前2條

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本文編號：2787971