直流检测表作为一种先进的智能化、数字化的前端采集元件，已广泛应用于比如光伏电站等各种控制系统、SCADA系统和能源管理系统中。由于直流检测表外壳多应用于精密高要求的领域，其自身必须具有防尘、耐压、防水等优异性能，故对其成型质量要求很高。直流检测表外壳多由注塑成型工艺制成，而注塑成型工艺是典型非线性多工序的过程，具有多变量、非平稳、周期性等显著特点[1]。成型过程中由于有很多衡量制件的注塑成型质量的指标，如缩痕指数、翘曲变形等，结合本文分析的直流检测表外壳，限制直流检测表外壳广泛应用最主要的因素是翘曲变形过大 [2-4]。行业内通常通过正交试验获得合适的成型工艺参数组合，实现对制件翘曲变形的优化。虽然正交试验分析方法适用于多因素多水平的试验设计，同时也可以考虑随机误差带来的影响，但是无法得到试验区间内试验因素与目标优化值之间的函数关系，只能够得到非连续设计变量的组合和目标的相对最优值，无法从函数中得到更准确的目标最优值[5]。而响应面法是利用多元二次回归方程，拟合出多因子试验中因素与响应目标之间的函数关系，然后通过构建及分析响应面模型获得最优工艺参数组合。本试验以某光伏电站直流检测表为例，结合注塑成型工艺进行响应面设计，结合Design Exper软件建立直流检测表外壳的翘曲量响应面近似模型(RSM)，获得拟合回归方程，并进行方差分析，预测和验证最佳成型工艺参数组合，从而实现直流检测表的注塑成型工艺优化。1响应面近似模型试验样本构造1.1直流检测表三维模型结构分析图1为某直流检测表的三维模型。直流检测表外壳由上盖和底座组成，上盖的尺寸160 mm×60 mm×200 mm，底座的尺寸160 mm×40 mm×200 mm，且上下盖的厚度均为2 mm，属于薄壁制品。直流检测表的壳体材料选用A Schulman公司的Polyflam RPP1058UHF-聚丙烯(PP)，表1为该材料推荐的加工成型工艺参数。从图1可以看出，其外观包含吊挂、加强筋和流线曲面。实际的制造生产中，为节约制造成本，提高生产效率，结合实际安装需要，直流检测表外壳的翘曲变形量不能超过自身最大尺寸的1.1%，即为2.2 mm，否则难以装配。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.11.021.F001图1直流检测表示意图Fig.1Schematic diagram of DC detection meter10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.11.021.T001表1推荐工艺参数Tab.1Recommended process parameters参数数值模具表面温度/℃50熔体温度/℃230模具温度/℃20~80顶出温度/℃93最大剪切力/MPa0.26最大剪切速率/s-124000网格划分是进行模流分析的基础，其质量直接影响分析的精度[6]。由于检测表结构简单、壁厚均匀，因此采用双层面网格，图2为网格划分结果。直流检测表外壳整体表面积为2 436.6 cm2，网格平均的纵横比为1.79，网格匹配百分比93.2%，满足进行下一步的优化分析。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.11.021.F002图2网格划分结果Fig.2Meshing results1.2浇注系统设计浇注系统将高温高压的熔体注射入模具，具有传输介质的功能，对制品质量影响较大[7]。通过软件Moldflow进行浇口位置的流动阻力分析，得到浇口的最优位置，图3为分析结果。从图3可以看出，云图中越靠近红色区域，表示熔体在填充过程中受到的阻力越大，浇口匹配性越低，故红色区域代表浇口的最差位置，蓝色区域代表浇口位置最优区域。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.11.021.F003图3浇口流动阻力分析Fig.3Analysis of gate flow resistance综合分析直流检测表外壳的结构特性，较规整，结合模流分析所得最优浇口的位置，采用一模一腔各双点浇口进料设计，图4为具体浇口位置。外壳上下件位于模具型腔的中心位置。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.11.021.F004图4浇口位置Fig.4Gate location1.3冷却系统设计基于最优的浇口位置，进行直流检测表外壳模具的流道系统设计[8-9]。浇注系统入口处采用3°的拔模角，入口直径为3 mm，其余流道直径均为6 mm。其中顶部浇口采用阶梯圆柱形状，长度为1 mm。冷却在整个成型周期中占比较大，且对制品的收缩、翘曲都有很大影响。因此，冷却系统设计在整个模具设计中占有至关重要的地位[6]。为了得到较好的冷却效果，冷却水管沿分型面对称分布，采用3根冷却水管，彼此之间中心距离设置为80 mm，图5为浇注和冷却系统布置。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.11.021.F005图5直流检测表浇注和冷却系统Fig.5Pouring and cooling system of DC detection meter目前直流检测表成型缺陷主要为翘曲变形量大，依据直流检测表的结构及所选材料的分析，初步选择参数为系统默认，即模具表面温度50 ℃，熔体温度230 ℃，保压时间10 s，保压压力10 MPa，进行初始模流分析。图6为响应面优化前直流检测表的翘曲变形量。从图6可以看出，初始翘曲变形量为2.665 mm，而且最大翘曲变形位置位于边缘螺栓孔安装位置，直接影响后期装配，需要优化。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.11.021.F006图6优化前直流检测表的翘曲变形分析Fig.6Analysis of warpage deformation of DC detection meter before optimization2响应面参数优化翘曲变形为影响直流检测表尺寸稳定性最主要的因素，主要取决于工艺参数的选择，其中主要包含模具温度、熔体温度、注射时间、注射速度、保压时间、保压压力等，在光伏电站直流检测表成型优化中，结合直流检测表的结构特点及所选材料属性推荐范围，选取模具温度(A)、熔体温度(B)、保压时间(C)和保压压力(D)为优化变量，以翘曲变形量(W)为质量评价指标。表2为由成型窗口和材料属性推荐得到的各工艺参数推荐范围。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.11.021.T002表2工艺参数推荐范围Tab.2Recommended range of process parameters参数数值模具温度(A)/°C20~80熔体温度(B)/°C200~280保压时间(C)/s5~15保压压力(D)/MPa15~25采用响应面法根据试验样本点，建立工艺参数和目标值之间的函数关系，利用图像显现。利用响应面法产生试验样本点主要包含BBD和CCD方法。本试验因素数量较少，试验次数不多，因此，采用BBD试验方法，表3为试验因素水平设计。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.11.021.T003表3试验因素水平设计Tab.3Desgin of test factor level水平因素A/°CB/°CC/sD/MPa-12020051505024010201802801525表4为通过Design-Expert软件生成BBD试验方案，并在Moldflow中将翘曲变形量仿真结果填入表中。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.11.021.T004表4响应面试验样本Tab.4Response surface test samples序号因素最大翘曲变形量（W）/mmABCD1010-12.1242-100-12.3073-10102.29040-1012.50750-1-102.539600-1-12.315710012.2998-1-1002.511900002.2971000-112.29811-10012.27812100-12.31413-11002.1131410-102.31715-10-102.3061601012.111170-10-12.5391800112.2721911002.1272000002.297210-1102.5182201102.1112300002.297241-1002.53225001-12.3062610102.2972701-102.1293结果分析3.1响应面模型的建立基于表4数据，采用四元二阶方程拟合，回归方程为：W=2.3+0.0067A-0.2B-0.0092C-0.012D-0.0018AB-0.001AC+0.0035AD+0.00075BC+0.0048BD-0.0043CD+0.002A2+0.023B2+0.0029C2-0.0006D2（1）3.2响应面分析为了验证上述拟合的响应面模型是否可以真实有效地反映设计变量与响应变量间的规律，对回归方程进行方差分析，表5为回归方程的方差分析结果。从表5可以看出，直流检测表壳体最大翘曲变形量的二阶响应面模型的F值为4 213.194 3，P值＜0.000 1，证明本次得到的二阶响应面模型是可靠的，仅有0.01%的概率可能会由误差的干扰而造成模型的F值过大。因此构建的二阶响应面模型可以真实有效地反映设计变量与响应变量之间的规律，不必选取更高次数的多项式拟合响应面模型。同时，回归方程模型极显著(P0.000 1)，失拟项不显著(P0.05)，R2=0.999 8，R2调整=0.999 6，说明此模型与实际拟合较好，试验方法可靠，所得方程与实际拟合中非正常误差所占比例较小，因此可用此回归方程代替真实试验点分析试验结果。B、D、AD、BD、CD、B²、C²为显著项，其余项不显著。另外，模型相关系数R2=99.98%，表明模型的拟合精度很高。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.11.021.T005表5方差分析Tab.5Variance analysis因素偏差平方和/10-5自由度均方/10-5F值P值显著性模型0.4993140.03574213.19430.0001显著A-A0.01510.0150.01770.8964B-B0.007610.0076899.78770.0001显著C-C0.26510.2650.31290.5862D-D4.7314.735.59080.0358显著AB1.2211.221.44710.2522AC0.410.40.47250.5049AD4.914.95.78840.0332显著BC0.22510.2250.26580.6155BD9.0219.0210.66120.0068显著CD7.2217.228.53490.0128显著A²2.2212.222.62620.1311B²0.002910.0029341.78940.0001显著C²4.5414.545.35960.0391显著D²0.18110.1810.21440.6516残差10.2120.847失拟性10.2101.021.20.5832纯误差20210总和0.526选择交互显著性因素，根据回归方程分别得出三维立体响应曲面和等高线图，研究注塑工艺因素对直流检测表壳体的最大翘曲变形量的影响规律。图7为BD交互作用下的直流检测表壳体的最大翘曲变形量的三维响应面图及等高线图。从图7可以看出，较高的熔体温度和较低的保压压力下，直流检测表的最大翘曲变形量较小。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.11.021.F007图7熔体温度（B）与保压压力（D）交互作用分析Fig.7Analysis of interaction between melt temperature （B） and holding pressure （D）图8为AD交互作用下的直流检测表壳体的最大翘曲变形量的三维响应面图及等高线图。从图8可以看出，较低的模具温度和较高的保压压力下，直流检测表的最大翘曲变形量较小，但是最小的翘曲变形量仍然比BD交互作用下直流检测表的最小翘曲变形量要大，这说明BD的交互作用更显著，验证方差分析结果。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.11.021.F008图8模具温度（A）与保压压力（D）交互作用分析Fig.8Analysis of interaction between mold temperature （A） and holding pressure （D）图9为CD交互作用下的直流检测表壳体的最大翘曲变形量的三维响应面图及等高线图。从图9可以看出，在较长的保压时间和较高的保压压力下，直流检测表的最大翘曲变形量较小。综合上述分析，在实际生产过程中，升高熔体温度的同时，可以考虑通过选择较小的保压压力方法有效减小直流检测表的最大的翘曲变形量，保持尺寸的稳定性，提高直流检测表的成型质量，为改进和调整塑件成型工艺方案提供指导。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.11.021.F009图9保压时间（C）与保压压力（D）交互作用分析Fig.9Analysis of interaction between holding time （C） and holding pressure （D）3.3误差统计与残差分析检验通常在运用响应面近似模型优化求解前，需要对所构建的响应面近似模型的精确度、多元相关系数、可信度和精密度等多个维度进行检验。表6为回归方程误差统计分析。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.11.021.T006表6回归方程误差统计分析Tab.6Statistical analysis of regression equation errors统计项数值标准偏差0.0029平均值2.3100变异系数0.1300PRESS0.0006R20.9998R2调整0.9996R2预测0.9988精密度197.5910多元相关系数R2反映各因素的相关关系的密切程度，其值越接近于1，各因素的相关性越密切。R2调整和R2预测(R2调整-R2预测0.2)这两个值接近于1且相差较小，证明选取的各工艺因素是合适的，如选取不合适，则需要考虑是否存在漏选其他对响应目标影响显著的因子。变异系数15%，证明试验观测值的变异程度即离散程度较小，试验数据的精确度好。精密度又称信噪比，精密度的值大于4是试验分析所期望的，否则噪声干扰明显[7]。从表6可以看出，通过Design Expert软件进行二次多项式回归分析所拟合的回归方程的各误差统计项目的值均满足其各项检验原则，说明构建的响应面近似模型不存在较大的误差，其适应性较好。为进一步检验经Design Expert软件进行二次多项式回归分析所拟合响应面近似模型的可靠性和适应性，对响应面近似模型进行残差分析检验是一种有效的方法和途径。残差分析检验通过有限元分析得到的观测值与响应面模型计算的预测值的差提供信息，并对数据的周期性进行分析，判断数据的可靠性以及是否存在其他干扰[8]。图10为残差分析检验的分布图。图10残差分析检验的分布图Fig.10Distribution diagram of residual analysis test10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.11.021.F10a110.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.11.021.F10a210.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.11.021.F10a3从图10a可以看出，响应面模型的各个残差点在一条直线附近呈正态分布，说明响应面模型的残差符合最小二乘拟合的要求。从图10b可以看出，响应面的残差各点无明显规律分布于区间内，随机性好。从图10c可以看出，预测值与实际值的各点大致分布在同一条直线上，说明响应面的模型的预测值与实际值十分接近，其误差基本可忽略不计，响应面模型可以较为准确地反映真实的曲线状态。残差分析检验的各分布图均符合残差分析的检验原则，说明拟合的响应面模型的可靠性和适应性较好。4试验验证在工艺参数工作范围内，以翘曲量最小为优化目标，在Design-Expert中进行全局寻优，得到优化后的工艺参数组合，即模具温度39 ℃、熔体温度280 ℃、保压时间15 s和保压压力22 MPa，得到预测翘曲量W=2.106 mm。利用Moldflow进行仿真模拟得到的翘曲变形量为2.104 mm，与模型预测的相差0.002 mm，说明模型比较合理。采用仿真软件推荐的工艺参数组合进行直流检测表的翘曲变形量初始分析，图11为优化后的翘曲变形量。从图11可以看出，与优化前(2.665 mm)相比，优化后翘曲变形量下降21.05%。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.11.021.F011图11优化后检测表外壳翘曲变形分析Fig.11Warpage deformation analysis of detection meter shell after optimization在直流检测表实际生产应用中，基于上述模拟分析得到的最优工艺参数结果，对直流表外壳的注塑模具设计，进行大批量生产，图12为直流检测表产品。直流检测表外壳的翘曲变形量与模拟仿真结果基本吻合。另外，直流检测表表面翘曲变形量小，表面光滑，对于指导实际生产具有一定借鉴意义。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.11.021.F012图12直流检测表产品Fig.12DC detection meter products5结论（1）通过注塑成型工艺参数响应面近似模型，建立工艺参数变量与质量评价指标之间的函数关系，利用方差分析对直流检测仪外壳的翘曲变形量的响应面近似模型有效性进行验证，并对模型进行寻优获得直流检测表的最优工艺成型参数。（2）通过将直流检测表外壳进行工艺参数优化，最优工艺参数组合为模具温度39 ℃、熔体温度280 ℃、保压时间15 s和保压压力22 MPa。优化后的最大翘曲变形为2.104 mm，与优化前相比，最大翘曲变形减小21.05%。根据模型制造的直流检测表实物表明，其变形测量结果与有限元分析结果相吻合。