石油工业的快速发展带动塑料工业的发展，目前塑料工业已经过初创阶段、发展阶段和飞跃阶段，进入稳定增长期[1]。当今全球塑料产品的总量逐年增加，且保持约5%的年增长率[2]。我国塑料工业在改革开放后期发展迅速，塑料产品的种类较多、塑料的生产能力处于较高的水平，具备一定的国际竞争优势。目前，塑料产品在我国的应用范围主要集中农业领域、医药领域、食品包装领域、工业领域和日用品领域等，例如农业塑料薄膜、食品包装袋、塑料管材、电气塑料外壳等[3]。但随着对塑料产品的需求不断增加，应用领域不断扩宽，塑料工业需要向生产自动化、高效化、连续化和智能化的方向转变。国内外学者开展大量针对新技术在塑料工业应用的研究。例如，采用自动化技术提升塑料产品的加工效率，人工智能技术辅助塑料加工，计算机辅助技术优化塑料设计，3D打印技术优化塑料生产工艺等。其中，自动化技术能够实现高产量、高质量、高合格率和高安全性、低成本等目的，具有良好的应用前景[4-5]。本研究以自动化技术为研究对象，通过论述自动化技术的原理及技术分类，并将其在塑料产品的应用情况进行总结，为塑料领域的自动化技术发展提供理论参考。1自动化技术概述1.1自动化技术原理自动化控制技术起源于20世纪60年代，以模拟仪表实现操作条件控制；80年代开始发展PLC逻辑控制器进行集中数字控制，有效提升抗干扰能力；90年代起自动化技术将管理和控制分离，建立集散控制系统；21世纪后自动化技术主要以现场总线控制技术为主，能够实现信息的高效传输[6-7]。自动化技术是基于控制理论，融合计算机编程技术、逻辑控制系统、信息技术、嵌入式控制系统等手段，将自动化技术与传统的生产工艺流程和设备连接，实现对生产过程的调控、检测和优化，从而减少人工干预，实时反馈生产流程和参数，进而提升生产加工的稳定性和合格率[8-9]。将自动化技术运用于工业生产过程中，能够更好地提升生产效率和管理质量，帮助工业领域解决现存的问题和瓶颈。1.2自动化技术的分类自动化技术可分为自动化控制技术、工业机器人技术和自动化辅助技术等三类。自动化控制技术主要依据逻辑控制、数据处理技术和传输技术等单元，通过计算机程序实现对生产流程的识别、参数设定、操作控制等功能。该技术运用于塑料产品领域，能够实现自动化加工、参数自动化控制及塑料产品的自动化检测[10]。工业机器人是实现工业自动化生产的重要工具，其融合计算机技术、传感技术和自动控制技术等，能够实现对工业生产的高自由度操作，在汽车制造行业、化工行业、铸造行业和塑料工业等领域具有广泛的应用。工业机器人运用于塑料领域，能够实现塑料生产操作行为再现、人工交互、环境数据模拟等功能[11]。自动化辅助技术利用CAD、CAM、CAE以及CAQ等软件，对工业生产过程中的部分环节进行辅助制造，能够替代部分人工操作[12]。2自动化技术在塑料产品领域的应用2.1自动化控制技术在塑料产品领域的应用自动化控制技术基于控制理论，通过一定程序实现自动控制功能[13]。自动化控制技术在塑料产品领域的应用主要表现自动化加工、自动化包装、自动化参数控制和自动化检测等方面[14]。邓添华[15]以塑料管道的自动化生产为研究对象，通过建立自动化控制系统和机械传动系统对PVC-O双向拉伸管材生产加工过程进行优化。结果表明：在自动化控制技术下，无须进行手动塑料管道的拆卸和装模，塑料管道的加工效率提升约15.9%，且生产不良率明显降低23.4%。该研究为塑料管道的集中化生产及行业节能降耗提供依据。杨文件等[16]基于自动化控制技术对塑料异型材进行自动化包装设计。由于塑料异型材需要人工完成上料、捆扎、塑封、码垛等操作，人工效率低，强度大，采用自动化技术对塑料产品进行包装成为发展趋势。利用模块化设计理念，建立自动上料系统、码垛系统，能够实现对尺寸为3 000 mm×400 mm×200 mm的塑料异型材自动化包装，包装速度为3 包/min。自动化塑料异型材包装线还能够实现自动上料、计量等功能。但该自动化控制技术距离实际生产要求还存在一定的差距，主要因为自动化控制模块设计过于简单，难以适应塑料异型材大规模的生产。陈跃华等[17]利用自动化控制技术实现对1.8 L的塑料瓶进行装把、捡漏和装袋的全自动化生产。利用西门子S7-200 PLC技术进行控制系统硬件结构设计、主程序设计和装把、装箱设计。结果表明：经过吹塑成型的塑料瓶在自动化控制系统下，可以实现自动上把，并对塑料瓶是否漏气进行冲压、保压检测，并通过电机控制实现塑料瓶自动装袋。该自动化控制系统，能够实现塑料瓶的35 s装把，18 s捡漏测试和12 s的装袋，具有较高的效率。吴志敏[18]认为使用自动化控制技术能够更精确的控制塑料生产加工的工艺参数，提升产品的质量和性能。采用可编程的逻辑控制器，通过STL、SET指令对注塑生产的参数进行评估和诊断，并以PE塑料的注塑工艺为例进行测试。结果表明：自动化控制系统能够控制注塑温度精度在0.75 ℃以内，冷却温度精度控制在±1.2 ℃以内，使注塑过程加热曲线稳定，能够精确控制微型塑料。埃伯兰[19]对自动化控制技术的分布式传感器控制技术和电气传动技术的优缺点进行比较，并对电气传动技术在塑料加工中应用情况进行论述。电气传动技术运用于全电动注射机能够替代传统的液压传动技术，克服传统液压传动技术存在的高耗能、易泄露、精度低等问题。电气传动技术能够实现节约50%的能耗，且噪声控制在60 dB以下，不存在漏液问题。于二团[20]对自动化控制技术在塑料产品检测的应用进行研究。基于微电子技术、自动控制技术和计算机网络系统，建立针对塑料断路器的外壳性能、间距、精度等参数的自动化检测系统。结果表明：该系统的自动化检测效率高，能够实现不同产品的自动化变更检测，无须人工干预，能够控制塑料外壳的精度在6.9%以内，且自动化设备的噪声在65 dB以下。张发兴[21]对自动化控制技术在塑料环保餐盒的加工领域进行研究，基于西门子S7-300自动化控制软件和DCS控制系统，对塑料餐盒的成型和制浆过程进行自动化控制。结果表明：该系统结合PID算法，能够实现对制浆溶液浓度的精确控制，且包含碎浆、磨浆、成浆等控制系统。该自动化控制系统有效提升塑料餐盒的生产效率和成型质量。2.2工业机器人在塑料产品领域的应用塑料产品领域中，工业机器人主要实现再现交互，即根据工作人员的操作，将动作信息进行捕捉、提取、分析，实现行为再现的功能[22-23]。此外，依据相应的程序或机器人自身的反馈信息，对位置和动作进行调整，实现操作流程的自动化[24]。工业机器人也能够实现计算功能，通过对生产环境和加工操作条件的数据分析，制定最优的操作路线和流程[25]。但工业机器人的成本过高，对信息系统硬件和软件要求较高，且在复杂加工环境下工业机器人的应用会受到限制。吴松琪等[26]以塑料模具的自动化加工通用夹具为研究对象，采用UG软件设计两种自动化通用夹具，并采用工业机器人对模具电极夹具进行铣削加工，利用射频识别(RFID)技术芯片定位模具的精度、尺寸并切割。利用计算机软件可以实现模具电火花机线自动化切割过程，不需要重新进行定位调整。结果表明：采用自动化技术进行模具加工，可以节约27~74 min，模具产品的合格率由55%提升至63%。该研究证明基于快速定位基准片、RFID芯片和工业机器人对塑料模具生产自动化具有较大的促进作用。史历程[27]对塑料制造自动化的工业机器人应用情况进行综述，提出塑料制造自动化效率的最大影响因素为注射机合模系统的自动化。针对注射机合模系统，应实现该系统模具的自动开合、闭合和顶出等环节。工业机器人具有操作灵活、流程可控等优势，将工业机器人运用于塑料制造的浇道设计自动化，只需要通过一个浇注口就可以实现塑料制品的组装。于果然[28]对工业机器人在塑料和橡胶制造的应用进行论述。基于工业机器人的核心控制系统、传感器和驱动系统等部件，工业机器人具有远程控制功能、计算功能和再现功能，在橡胶和塑料生产中，能够适应极端高温条件，且提升产品的精度和质量。吴陆顺[29]对工业机器人在汽车塑料油箱自动化修边生产线的应用情况进行研究。选择KUKA KR210工业机器人，加载A6夹具，对吹塑冷却成型后的塑料油箱水平抓取，以减少由重力作用导致的产品缺陷。采用工业机器人对塑料油箱的飞边进行去除，减少毛刺，避免对油箱哈夫线的损坏，利用工业机器人对飞边进行收集回收利用。该研究使用工业机器人实现汽车塑料油箱自动化修边生产，且生产周期控制93 s内，符合塑料油箱加工的要求，同时提升毛边修剪的效率。卞青澜[30]对工业机器人在塑料加工领域的运用优势进行论述，认为工业机器人能够实现在净室环境生产，且能够完成高强度、极端化的作业条件，同时提升塑料成品的质量和精细化程度。张彦陟[31]以工业机器人在塑料产品自动脱模轮的应用为研究对象，选择工业机器人PRODIBUS-DP现场总线控制技术对塑料产品的生产加工流程进行程序设计，并对工艺参数进行计算机演算。研究表明：实际塑料产品的模具设计实现对模具参数设计、尺寸调整、零部件装配等自动化流程。康恩平等[32]利用工业机器人对汽车塑料饰件进行表面处理，由于汽车的塑料饰件多数由PC和ABS组成，需要使用火焰机器人进行处理。对塑料表面进行喷漆、镀覆、黏接等方式增强塑料表面的表面张力，设计的火焰机器人包含燃气火焰系统、增压系统和工作站等三部分。控制火焰温度为1 000~2 000 ℃。结果表明：火焰工业机器人使工作效率提升12%，且塑料表面性能也明显提升。金宁宁等[33]利用可编程控制器对注射机机器人系统进行设计，提升注射机机器人的效率和自动化水平。利用S7-200型PLC及EM235型定位控制模块对注射机机器人进行优化，结果表明：经过优化的注射机机器人对塑料成品的加工精度具有明显提升，塑料成品的精度误差值控制在3%~6.4%以内。该机器人的稳定性高、成本低廉，在塑料工业领域具有良好的应用前景。2.3自动化辅助技术在塑料产品领域的应用自动化辅助技术在塑料模具制造、注射模具自动生产、包装设计和辅助加工等方面具有较广泛的应用[34-35]。塑料模具的自动化在模具制造过程中采用自动化技术，实现模具生产过程中全自动流动生产，以减少模具制造过程的人力资源消耗，提升加工效率和质量。常用的塑料模具制造自动化技术包含CAM、CAD、CAE等计算机辅助技术、热流道技术和计算机自动化控制技术等[36-37]。但自动化辅助技术也存在自动化提升水平有限、对操作人员专业要求较高、在塑料应用范围相对较窄等问题。刘峰等[38]对塑料模具中自动化辅助技术进行论述，认为热流道技术和高压注塑成型技术与计算机自动化相结合可以提升塑料成品的质量和生产效率。塑料成品完工不需要进行修剪和加工，产品精度也更高，模具成本约降低20%。刘成伟等[39]以塑料链条注射模具为研究对象，采用UG NX软件系统开发平台和MFC系统对塑料链条注射模具的设计过程和生产过程进行自动化辅助改造。该自动化辅助系统中塑料链条注射模具自动化流程如下：塑料由热流道技术推送至模具内，经过保压、冷却定型、顶出等流程，由机械手将完成的塑料链条取出，并进行系统复位，进入下一次循环。结果表明：该自动化塑料模具生产流程的加工效率能够提升23%。乔女[40]对塑料链条注射模具进行自动化生产设计，以直径为0.7 mm的高密度聚乙烯(HDPE)为原材料，采用热流道浇注系统实现塑料链条的大规模生产。该自动化辅助系统由模具闭合、注射机注射、塑料填充、保压、冷却、模型打开等流程构成。研究表明：塑料构件制品脱模顺利，且能够实现连续自动化生产。曹斌[41]对塑料瓶包装领域自动化辅助技术的应用情况进行综述。提出自动化辅助技术在美国、日本等国家的塑料包装设备应用已占一半以上。我国在塑料包装的自动化生产方面，存在设备相互独立，技术稳定性不足，缺乏自动化信息管理系统等问题。未来应当提升自动化辅助技术，如CAM、CAD、CAE技术与PLC控制技术的水平，加强技术之间的衔接和管理控制，进一步降低技术门槛，提升操作的便捷性，实现我国塑料包装的高度自动化。刘金南[42]对QT-1塑料件的自动化辅助加工进行研究，由于该生产线现阶段以人工攻丝、重复下压动作为主，劳动强度较大，且容易出现加工误差。利用自动化辅助技术，采用气缸和电机替代人工送料、攻丝和脱料等过程，建立动力结构、送料机构和定位脱料机构，利用电机的反转功能实现攻丝，设定参数为转速9 r/min。该自动化辅助技术能够实现对QT-1塑料件的自动化加工操作，缓解企业人力需求的压力。3结论塑料行业的快速发展对生产加工提出更高的要求，针对新技术与塑料领域融合，自动化技术以操作简便、高效节能、技术成熟、可实现连续生产等优势在塑料工业领域具有良好的应用前景。自动化控制技术、工业机器人及自动化辅助技术在塑料产品包装设计、自动加工、参数设置、性能检测等方面均有应用，但仍然存在自动化技术与工业生产结合不深、大规模应用难度高、自动化技术智能水平不足等问题。未来应当进一步加强自动化技术的研发，建立信息控制系统，使传统生产链和自动化技术结合更紧密，为塑料工业提质增效起推动作用。