注塑機(jī)伺服改造

1、蔣耀春 注塑機(jī)伺服改造可行性分析報(bào)告一 、現(xiàn)況及改造原因開展伺服注塑機(jī)目的：節(jié)約資源、改善環(huán)境、降低本錢、提升品質(zhì)！從上世紀(jì)八十年代開始隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的飛速開展，注塑行業(yè)同時(shí)獲得了飛速的開展。然而由于注塑設(shè)備高能耗的特點(diǎn)，在行業(yè)開展的同時(shí)，一方面給社會(huì)帶來了沉重的能源壓力與環(huán)境負(fù)擔(dān)，另一方面企業(yè)也承受著高額的電費(fèi)本錢。進(jìn)入21世紀(jì)后，隨著能源問題與環(huán)境問題日益受到重視，及行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)日趨劇烈，如何將一臺(tái)“電老虎般的高能耗注塑機(jī)變?yōu)橐慌_(tái)“綠色的環(huán)保節(jié)能型注塑機(jī)，從而降低能耗、降低生產(chǎn)本錢，成為注塑企業(yè)迫切需要關(guān)注和解決的問題。眾所周知，在注塑產(chǎn)品的本錢的構(gòu)成中，電費(fèi)占了相當(dāng)?shù)谋壤?，依?jù)注塑機(jī)設(shè)備的工藝

2、特點(diǎn)，傳統(tǒng)的注塑機(jī)油泵電機(jī)耗電占整個(gè)設(shè)備耗電量的比例高達(dá)80%-90%，因此降低注塑機(jī)能耗的主要矛盾為：降低油泵電機(jī)的能耗。將一臺(tái)普通注塑改造為一臺(tái)電動(dòng)液壓式伺服注塑機(jī)可以非常理想地實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。電動(dòng)液壓式伺服注塑機(jī)是集液壓和伺服驅(qū)動(dòng)于一體的注塑機(jī)，它融合了全液壓式注塑機(jī)的低本錢和全電動(dòng)式的高性能的優(yōu)點(diǎn)，使用壽命上相當(dāng)于全液壓式注塑機(jī)，價(jià)格是全液壓式注塑機(jī)的1.2倍左右，這種電動(dòng)-液壓相結(jié)合的節(jié)能型注塑機(jī)已成為國(guó)內(nèi)注塑機(jī)技術(shù)開展的一個(gè)主導(dǎo)方向。將一臺(tái)普通注塑機(jī)可以很方便地改造為一臺(tái)電動(dòng)液壓式伺服注塑機(jī)，雖然其投入相對(duì)于傳統(tǒng)的變頻改造、變量泵改造要高，但是其極高的節(jié)電能力、對(duì)機(jī)器精度的提高、生產(chǎn)

3、效率的提高、合格率的提高等優(yōu)異性能完全可以彌補(bǔ)這一缺乏，投入產(chǎn)出比相當(dāng)可觀，普通注塑機(jī)的伺服改造必將成為國(guó)內(nèi)注塑機(jī)節(jié)能改造的主導(dǎo)方向。二、性能比擬注塑機(jī)的工藝過程一般分為合模、鎖模、射膠、保壓、熔膠、冷卻、松模、開模、取出等幾個(gè)階段，各個(gè)階段需要不同的壓力和流量。對(duì)于油泵電機(jī)而言，注塑過程的負(fù)載總是處于變化狀態(tài)，在定量泵的液壓系統(tǒng)中，油泵電機(jī)以恒定的轉(zhuǎn)速提供恒定的流量，多余的液壓油通過溢流閥回流，此過程稱為高壓節(jié)流，據(jù)統(tǒng)計(jì)由高壓節(jié)流造成的能量損失高達(dá)36%-68%。目前主要的節(jié)能技術(shù)為變頻節(jié)能技術(shù)，但變頻節(jié)能技術(shù)仍有它的明顯缺點(diǎn)，即：由于變頻控制時(shí)電機(jī)響應(yīng)速度限制，使得設(shè)備的生產(chǎn)效率有所降低；

4、同時(shí)變頻器控制電機(jī)低速運(yùn)行時(shí)輸出力矩缺乏，因而不能穩(wěn)定工作在更低的轉(zhuǎn)速下，使得節(jié)能效果大受影響。由于交流伺服具有杰出的速度、力矩控制特性，使伺服式油電混合節(jié)能注塑機(jī)在不同工作階段都具備了變頻系統(tǒng)所不具備的嶄新特點(diǎn)，簡(jiǎn)述如下表：合模、鎖模階段：動(dòng)作要求：合模動(dòng)作盡可能快速動(dòng)作，在模具到位時(shí)立即停止，防止模具到位時(shí)撞模，并且在模具移動(dòng)時(shí)如出現(xiàn)異物卡模時(shí)及時(shí)停止移動(dòng)。機(jī)型動(dòng)作的實(shí)現(xiàn)能量消耗分析傳統(tǒng)油壓機(jī)采用調(diào)節(jié)閥門，局部流量進(jìn)入開合模油缸推動(dòng)鎖模動(dòng)作，其余流量經(jīng)節(jié)流閥回流異步電機(jī)帶動(dòng)油泵以亞同步速轉(zhuǎn)動(dòng)，合模動(dòng)作消耗局部流量，回流局部能量為浪費(fèi)的能量變頻式電液混合節(jié)能型變頻器調(diào)節(jié)油泵的速度，油泵電機(jī)以

5、適當(dāng)?shù)乃俣裙┯停髁炕亓骱苌冁i模階段油壓較大而需要流量較少，但變頻系統(tǒng)較難在低速下10-20Hz以下穩(wěn)定運(yùn)行，此階段勢(shì)必需要加大溢流，帶來能量損耗。伺服式電液混合節(jié)能型伺服器調(diào)節(jié)油泵速度，供油速度等于推動(dòng)合模油缸所需要的油量，完全沒有溢流，并且可以精確控制合模動(dòng)作的行程距離，在到位后自動(dòng)實(shí)現(xiàn)鎖模。在合模的過程中，伺服系統(tǒng)工作于帶力矩限制的速度閉環(huán)控制模式，如果出現(xiàn)異物卡住模具導(dǎo)致阻力非正常增加時(shí)，電時(shí)機(jī)自動(dòng)停止運(yùn)行合模移動(dòng)中電機(jī)效率可達(dá)85%以上，鎖模階段電機(jī)速度接近零速而最大出力不減，功率消耗最小。射膠階段：動(dòng)作要求：勻速射出，速度精度高，射出量精確控制，射滿模腔后立即轉(zhuǎn)為壓力控制進(jìn)入保壓過

6、程機(jī)型動(dòng)作的實(shí)現(xiàn)能量消耗分析傳統(tǒng)油壓機(jī)采用調(diào)節(jié)閥門，局部流量進(jìn)入射膠油缸推動(dòng)射膠動(dòng)作，其余流量經(jīng)節(jié)流閥回流異步電機(jī)帶動(dòng)油泵以亞同步速轉(zhuǎn)動(dòng)，射膠動(dòng)作消耗局部流量，回流局部能量為浪費(fèi)的能量。由于射膠動(dòng)作對(duì)壓力和速度都有要求，因而電機(jī)負(fù)載較重，從電網(wǎng)取用功率很大，能量損失也比擬大。變頻式電液混合節(jié)能型變頻器調(diào)節(jié)油泵的速度，采用多段速度控制，在不同的階段，油泵電機(jī)以適當(dāng)?shù)乃俣裙┯停髁炕亓骱苌俑咚偕淠z階段需要流量較大而且油壓較大，溢流壓力大流量小。此階段能量消耗大，損耗較小。低速射膠階段需要流量較小而且油壓較大，溢流壓力和流量都比擬大。此階段損耗較大。伺服式電液混合節(jié)能型伺服器調(diào)節(jié)油泵速度，速度調(diào)節(jié)可

7、以脫離“多段速度的思路，實(shí)現(xiàn)速度平滑給定控制。供油速度等于推動(dòng)射膠動(dòng)作所需要的油量，完全沒有溢流，并且可以方便、精確控制射膠動(dòng)作的行程距離。射膠階段中電機(jī)效率可達(dá)90%以上，由于效率高并且沒有溢流，所以此階段能量消耗較大，但沒有多余的消耗。保壓階段：動(dòng)作要求：恒定壓力控制，確保產(chǎn)品成型密度一致機(jī)型動(dòng)作的實(shí)現(xiàn)能量消耗分析傳統(tǒng)油壓機(jī)控制高壓節(jié)流閥調(diào)節(jié)壓力，實(shí)現(xiàn)恒壓控制異步電機(jī)帶動(dòng)油泵以亞同步速轉(zhuǎn)動(dòng)，所有流量均經(jīng)節(jié)流閥回流。此時(shí)所需油壓很大，電機(jī)從電網(wǎng)的取用功率很大，并且所有能量都被浪費(fèi)變頻式電液混合節(jié)能型變頻器調(diào)節(jié)油泵的速度到能夠輸出所需出力的最低速度，大壓力低速供油，所有流量全部經(jīng)溢流閥回流。由

8、于變頻器低速運(yùn)行性能欠佳，所以壓力波動(dòng)較大保壓階段需要的壓力較大，由于變頻器難以做到零速滿力矩穩(wěn)定運(yùn)行，所以需要運(yùn)行于較低轉(zhuǎn)速如10-20Hz以下，所有流量全部溢流。此階段系統(tǒng)能量消耗不大，但全部為損耗。伺服式電液混合節(jié)能型伺服器調(diào)節(jié)油泵速度至接近零速，并且轉(zhuǎn)入力矩控制，精確保持壓力此時(shí)電機(jī)輸出力矩較大，但轉(zhuǎn)速接近零速，所以幾乎不輸出功率，從電網(wǎng)取用的功率僅幾百瓦。熔膠、冷卻階段：動(dòng)作要求：熔膠時(shí)進(jìn)行速度控制，要求盡可能較快地將射臺(tái)推出至適當(dāng)?shù)奈恢?，同時(shí)螺桿將足夠量的熔膠推出至射口處，并且要求射臺(tái)推出時(shí)有一定的背壓。為節(jié)省時(shí)間，熔膠與冷卻一般同時(shí)進(jìn)行，但如果冷卻時(shí)間較長(zhǎng)，會(huì)出現(xiàn)熔膠結(jié)束后仍需等

9、待冷卻的空等時(shí)間。機(jī)型動(dòng)作的實(shí)現(xiàn)能量消耗分析傳統(tǒng)油壓機(jī)采用調(diào)節(jié)閥門，局部流量進(jìn)入液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)螺桿，局部進(jìn)入射膠油缸推動(dòng)射臺(tái)回程動(dòng)作，其余流量經(jīng)節(jié)流閥回流異步電機(jī)帶動(dòng)油泵以亞同步速轉(zhuǎn)動(dòng)，在熔膠階段溢流較少，此時(shí)功率消耗較大，能量損失較少。但在“空等時(shí)段，所有流量均經(jīng)節(jié)流閥回流，功率消耗較大，所有能量都被浪費(fèi)變頻式電液混合節(jié)能型變頻器調(diào)節(jié)油泵的速度至適當(dāng)?shù)墓┯退俣?，局部流量?jīng)溢流閥回流并由溢流閥調(diào)節(jié)壓力。熔膠階段需要流量和壓力都較大，此時(shí)功率消耗較大，小局部流量溢流，能量損失較小。但到達(dá)“空等時(shí)段，運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)需要的流量為零，由于變頻器難以做到零速滿力矩穩(wěn)定運(yùn)行，所以需要運(yùn)行于較低轉(zhuǎn)速如10-20Hz

10、以下，所有流量全部溢流。此階段系統(tǒng)能量消不大，但全部為損耗。伺服式電液混合節(jié)能型伺服器調(diào)節(jié)油泵速度至最正確速度，精確控制射臺(tái)和螺桿速度。熔膠階段需要流量和壓力都較大，此時(shí)功率消耗較大，但實(shí)際效率接近90%，功率損耗很小。在到達(dá)“空等時(shí)段時(shí)，運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)需要的凈流量為零，伺服器調(diào)節(jié)油泵速度至接近零速，并且轉(zhuǎn)入力矩控制，穩(wěn)定保持壓力。此時(shí)電機(jī)輸出力矩較大，但轉(zhuǎn)速接近零速，所以幾乎不輸出功率，從電網(wǎng)取用的功率僅幾百瓦。松模、開模階段：動(dòng)作要求：快速翻開模具，動(dòng)作快捷到位機(jī)型動(dòng)作的實(shí)現(xiàn)能量消耗分析傳統(tǒng)油壓機(jī)采用調(diào)節(jié)閥門，局部流量進(jìn)入開合模油缸推動(dòng)松模、開模動(dòng)作，其余流量經(jīng)節(jié)流閥回流異步電機(jī)帶動(dòng)油泵以亞同步

11、速轉(zhuǎn)動(dòng)，此階段功率消耗較大，能量浪費(fèi)較小變頻式電液混合節(jié)能型變頻器調(diào)節(jié)油泵的速度至適當(dāng)?shù)墓┯退俣韧苿?dòng)松模、開模動(dòng)作，局部流量經(jīng)溢流閥回流。此階段需要流量和壓力都較大，此時(shí)功率消耗較大，小局部流量溢流，能量損失較小。伺服式電液混合節(jié)能型伺服器調(diào)節(jié)油泵速度至最正確速度，快速控制松模、開模動(dòng)作。此階段需要流量和壓力都較大，此時(shí)功率消耗較大，實(shí)際效率接近90%，功率損耗很小。采用伺服系統(tǒng)對(duì)油泵進(jìn)行控制時(shí)，除了上表中列出的節(jié)能特點(diǎn)外，由于伺服能快速響應(yīng)所給定的控制信號(hào)，并且能夠在速度控制和力矩控制之間靈活地切換以實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制或油壓控制，所以工作周期也能有所縮短，注塑成品質(zhì)量也有所提高。合理的供油量控制更

12、減輕了冷卻系統(tǒng)的負(fù)荷和功率損耗。三 、方案設(shè)置普通注塑機(jī)改為永磁同步伺服注塑機(jī)的方法1、液壓及油路不變，可以去掉PQ閥即比例流量閥換裝平安閥溢流閥； 2、電氣：增加伺服驅(qū)動(dòng)器，將原來給PQ閥的模擬量流量和壓力信號(hào)給伺服驅(qū)動(dòng)器，壓力反應(yīng)信號(hào)給伺服驅(qū)動(dòng)器的壓力閉環(huán)控制接口；3、普通電機(jī)換為伺服電機(jī)，葉片泵換為內(nèi)嚙合齒輪泵或螺桿泵、柱塞泵；4、壓力閉環(huán)：在主油路泵出口處安裝壓力傳感器提升壓力響應(yīng)速度、精度及穩(wěn)定性，壓力傳感器的反應(yīng)信號(hào)需為DC 010V；普通注塑機(jī)電腦伺服驅(qū)動(dòng)器伺服電機(jī)泵壓力傳感器伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖四、優(yōu) 點(diǎn)1、節(jié)能采用伺服系統(tǒng)的注塑機(jī)，系統(tǒng)壓力、流量雙閉環(huán)，液壓系統(tǒng)按照實(shí)際需要的流

13、量和壓力來供油，克服了普通定量泵系統(tǒng)高壓溢流產(chǎn)生的高能耗，在預(yù)塑、合模、射膠等高流量工作階段電機(jī)按照設(shè)定的轉(zhuǎn)速工作，在保壓、冷卻等低流量工作階段降低了電機(jī)轉(zhuǎn)速，油泵電機(jī)實(shí)際能耗降低了50%-90%；2、響應(yīng)迅速，生產(chǎn)效率高伺服系統(tǒng)響應(yīng)速度快，壓力上升時(shí)間和流量上升時(shí)間快至30ms，提高了液壓系統(tǒng)的響應(yīng)速度，減少了動(dòng)作轉(zhuǎn)換時(shí)間，加快了整機(jī)的運(yùn)行節(jié)拍；注塑機(jī)液壓系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行時(shí)，當(dāng)有閥門翻開時(shí)，系統(tǒng)壓力會(huì)瞬間下降，伺服系統(tǒng)可以在30ms以內(nèi)迅速補(bǔ)充油量，恢復(fù)壓力至設(shè)定值；3、壓力穩(wěn)定精密伺服系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力強(qiáng)，壓力閉環(huán)控制模式使系統(tǒng)壓力非常穩(wěn)定，壓力波動(dòng)量低于±0.5bar，提高了塑料產(chǎn)品的成

14、型質(zhì)量；伺服系統(tǒng)還可以按照電腦設(shè)定的任意壓力、流量曲線運(yùn)行，為開發(fā)各種塑料產(chǎn)品的成型工藝創(chuàng)造了條件；4、重復(fù)精度高、省料、外形精度高伺服系統(tǒng)采用閉環(huán)轉(zhuǎn)速控制，射臺(tái)運(yùn)動(dòng)位置重復(fù)精度高，生產(chǎn)出的產(chǎn)品精度高，一致性好；克服了普通異步電機(jī)定量泵系統(tǒng)由于電網(wǎng)電壓、頻率等變化會(huì)帶來轉(zhuǎn)速變化，進(jìn)而引起流量變化，使注塑產(chǎn)品成品率降低的缺點(diǎn)；同時(shí)由于注射與鎖模精度的提高，制品重量偏移量降低，制品平均重量可降低，制品尺寸精度可提高；制品平均重量的降低，帶來原材料的節(jié)約；5、油溫溫升低 注塑機(jī)工作由開機(jī)至進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，油溫上升8-10，機(jī)器液壓油無(wú)需冷卻，降低了水資源的消耗，節(jié)約了冷卻水系統(tǒng)容量，延長(zhǎng)了整機(jī)特別是液壓油

15、、液壓易損件如油封的壽命；6、噪聲低液壓系統(tǒng)的噪聲在70dB以內(nèi)，相對(duì)于全液壓式注塑機(jī)降低了約10dB,改善了操作機(jī)器的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境；五、經(jīng)濟(jì)效益分析通過案例來說明注塑機(jī)伺服改造的經(jīng)濟(jì)效益。工藝特性產(chǎn)品特點(diǎn)節(jié)電率電機(jī)功率(kw)每小時(shí)節(jié)電量(kwh)產(chǎn)品凈重(g)每模原材料節(jié)約(g)設(shè)備運(yùn)行周期(sec)生產(chǎn)效率提高投入(萬(wàn)元)年直接收益(萬(wàn)元)案例一運(yùn)行頻率慢,冷卻時(shí)間長(zhǎng) 厚壁產(chǎn)品,如管件90.38%18.5kw6.5841.80.3116.27.8%5.84.35案例二運(yùn)行頻率普通,有一定的冷卻時(shí)間一般產(chǎn)品,如蓄電池殼79.1%18.5kw8.232246.1772.954.6%6.27.33案例三運(yùn)行頻率快,無(wú)