技術中心
Technology conter信龍注塑機伺服驅動系統(tǒng)
2015-05-16 08:44:37
一、注塑機電液伺服驅動節(jié)能原理：
1. 注塑機工作原理
1.1注塑機的順序循環(huán)工作過程:
1.1.1鎖合模：動模板快速接近定模板（包括慢-快-慢速），且確認無異物存在下，系統(tǒng)轉為高壓，將模板鎖合（保持油缸內壓力）。
1.1.2射臺前移到位：射臺前進到指定位置（噴嘴與模具緊貼）。
1.1.3注射：可設定螺桿以多段速度、壓力和行程，將料筒前端的溶料注入模腔。
1.1.4冷卻和保壓：按設定多種壓力和時間段，保持料筒的壓力，同時模腔冷卻成型。
1.1.5冷卻和預塑(儲料）：模腔內制品繼續(xù)冷卻，同時液力馬達驅動螺桿旋轉將塑料粒子前推，螺桿在設定的背壓控制下后退，當螺桿后退到預定位置，螺桿停止旋轉，注射油缸按設定松退，預料結束。
1.1.6射臺后退：預塑結束后，射臺后退到指定位置。
1.1.7開模：模扳后退到原位（包括慢-快-慢速）
1.1.8頂出：頂針頂出制品。
圖二 注塑機原理圖
2 注塑機伺服改造必要性
2.1注塑機的能耗系統(tǒng)：在傳統(tǒng)的注塑機中液壓傳動裝置主要由油泵、液壓控制閥、壓力電磁比例閥、流量電磁比例閥、各種不同的動作油缸、油泵電機及其它液壓附件和管道組成，液壓傳動系統(tǒng)中的動力由電機帶動油泵提供。其中，油泵絕大部分是定量油泵。
注塑機成型工藝是一個按照預定的周期性動作過程，即以合模---射嘴前進---射膠---保壓---溶膠、冷卻---開模---頂針 ---取出制品（---合模）等加工工序達到某件產品成型。
經過一般單臺傳統(tǒng)注塑機能耗和所站例分別是
·油壓系統(tǒng)的耗能：75-80%
·加熱單元的耗能：10-15%
·冷卻系統(tǒng)的耗能：5-10%
·控制組件的耗能：1- 5%
其中最大能耗部分：以油壓系統(tǒng)用電量占注塑機的75%以上。同時鎖模,射出,保壓,冷卻,開模等過程需要不同的壓力和流量,對于油泵馬達都是處在于負載變動的狀態(tài)；當系統(tǒng)需求超過設定的流量及壓力,會由溢流閥或比例閥來調整壓力流量,這個過程稱之為高壓節(jié)流,造成的能量損失高達40%-75%。
2.2傳統(tǒng)定量泵注塑機面對的問題：
在定量泵的液壓系統(tǒng)中，油泵馬達以恒定的轉速提供恒定的流量，多余的液壓油通過溢流閥回流，此過程稱為高壓節(jié)流。據統(tǒng)計由高壓節(jié)流造成的能量損失高達36%-68%。傳統(tǒng)的注塑機油溫高、噪音大、液壓油泄漏大、用戶電費成本很高、維護繁雜，變頻器、變量泵相對傳統(tǒng)注塑機可以省部分電，但仍避免不了定量泵部分的缺點，如響應速度、低速穩(wěn)定性等。 隨著世界各國在環(huán)保，如能耗、噪音、泄漏等控制方面日益嚴格的要求，改造與制造新一代“節(jié)能型”注塑機，就成為迫切需要關注和解決的問題。
3. 注塑機油泵節(jié)能理論原理
3.1油泵的輸出功率： Pt=p×Qt=p×v×n (1)
3.2油泵的理論轉矩： Tt=1/2π×p×V (2)
其中：p為壓力, Qt為流量, v為油泵排量, n為油泵的轉速，將(2)式代入(1)式得：
Pt=2π×Tt×n (3)
3.3如果忽略機械能到液壓能轉換過程中的能量損失，則可近似認為油泵的輸出功率等于電機的輸出轉矩與電機轉速的乘積。由注塑機的工藝過程可知，各個階段需要不同的壓力和流量。對于油泵馬達而言，注塑過程是處于變化的負載狀態(tài)，在定量泵的液壓系統(tǒng)中，油泵馬達以恒定的轉速提供恒定的流量，多余的液壓油通過溢流閥回流，此過程稱為高壓節(jié)流。據統(tǒng)計由高壓節(jié)流造成的能量損失高達36%-68%。減少節(jié)流損失，提高能量效率，成為液壓驅動系統(tǒng)節(jié)能的發(fā)展方向。
3.4注塑機的最主要的能耗即是動力驅動系統(tǒng),注塑機節(jié)能的重點即是提高動力驅動系統(tǒng)本身的能耗效率及驅動系統(tǒng)輸出功率與執(zhí)行機構執(zhí)行功率達到自適應調節(jié)匹配,兩者之間的能量利用率越高,即系統(tǒng)節(jié)能率越高,達到節(jié)省能源的功效。理論和改造實踐經驗表明：對于定量泵液壓驅動系統(tǒng)，采用電液混合的伺服泵系統(tǒng)改造，其節(jié)電率一般在30％以上；對于變量泵液壓驅動系統(tǒng)，采用電液混合的伺服泵系統(tǒng)改造，其節(jié)電率一般在10％～25％之間
二、傳統(tǒng)、變頻、電液方式注塑機節(jié)電比較
1、各階段比較
1.1合模、鎖模階段：
|
動作要求：合模動作盡可能快速動作，在模具到位時立即停止，防止模具到位時撞模，并且在模具移動時如出現(xiàn)異物卡模時及時停止移動。 |
||
|
機型 |
動作的實現(xiàn) |
能量消耗分析 |
|
傳統(tǒng)油壓機 |
采用調節(jié)閥門，部分流量進入開合模油缸推動鎖模動作，其余流量經節(jié)流閥回流 |
異步電機帶動油泵以亞同步速轉動，合模動作消耗部分流量，回流部分能量為浪費的能量 |
|
變頻式電液混合節(jié)能型 |
變頻器調節(jié)油泵的速度，油泵電機以適當?shù)乃俣裙┯停髁炕亓骱苌?/span> |
鎖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)定運行，此階段勢必需要加大溢流，帶來能量損耗。 |
|
伺服式電液混合節(jié)能型 |
伺服器調節(jié)油泵速度，供油速度等于推動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作的行程距離，在到位后自動實現(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)異物卡住模具導致阻力非正常增加時，電機會自動停止運行 |
合模移動中電機效率可達85%以上，鎖模階段電機速度接近零速而最大出力不減，功率消耗最小。 |
1.2射膠階段：
|
動作要求：勻速射出，速度精度高，射出量精確控制，射滿模腔后立即轉為壓力控制進入保壓過程 |
||
|
機型 |
動作的實現(xiàn) |
能量消耗分析 |
|
傳統(tǒng)油壓機 |
采用調節(jié)閥門，部分流量進入射膠油缸推動射膠動作，其余流量經節(jié)流閥回流 |
異步電機帶動油泵以亞同步速轉動，射膠動作消耗部分流量，回流部分能量為浪費的能量。由于射膠動作對壓力和速度都有要求，因而電機負載較重，從電網取用功率很大，能量損失也比較大。 |
|
變頻式電液混合節(jié)能型 |
變頻器調節(jié)油泵的速度，采用多段速度控制，在不同的階段，油泵電機以適當?shù)乃俣裙┯?，流量回流很?/span> |
高速射膠階段需要流量較大且油壓較大，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且油壓較大，溢流壓力和流量都比較大。此階段損耗較大。 |
|
伺服式電液混合節(jié)能型 |
伺服器調節(jié)油泵速度，速度調節(jié)可以脫離“多段速度”的思路，實現(xiàn)速度平滑給定控制。供油速度等于推動射膠動作所需要的油量，完全沒有溢流，并且可以方便、精確控制射膠動作的行程距離。 |
射膠階段中電機效率可達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。 |
1.3保壓階段：
|
動作要求：恒定壓力控制，確保產品成型密度一致 |
||
|
機型 |
動作的實現(xiàn) |
能量消耗分析 |
|
傳統(tǒng)油壓機 |
控制高壓節(jié)流閥調節(jié)壓力，實現(xiàn)恒壓控制 |
異步電機帶動油泵以亞同步速轉動，所有流量均經節(jié)流閥回流。此時所需油壓很大，電機從電網的取用功率很大，并且所有能量都被浪費 |
|
變頻式電液混合節(jié)能型 |
變頻器調節(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，所有流量全部經溢流閥回流。由于變頻器低速運行性能欠佳，所以壓力波動較大 |
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)定運行，所以需要運行于較低轉速（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 |
伺服器調節(jié)油泵速度至接近零速，并且轉入力矩控制，精確保持壓力 |
此時電機輸出力矩較大，但轉速接近零速，所以幾乎不輸出功率，從電網取用的功率僅幾百瓦。 |
1.4熔膠、冷卻階段：
|
動作要求：熔膠時進行速度控制，要求盡可能較快地將射臺推出至適當?shù)奈恢茫瑫r螺桿將足夠量的熔膠推出至射口處，并且要求射臺推出時有一定的背壓。為節(jié)省時間，熔膠與冷卻一般同時進行，但如果冷卻時間較長，會出現(xiàn)熔膠結束后仍需等待冷卻的空等時間。 |
||
|
機型 |
動作的實現(xiàn) |
能量消耗分析 |
|
傳統(tǒng)油壓機 |
采用調節(jié)閥門，部分流量進入液壓馬達驅動螺桿，部分進入射膠油缸推動射臺回程動作，其余流量經節(jié)流閥回流 |
異步電機帶動油泵以亞同步速轉動，在熔膠階段溢流較少，此時功率消耗較大，能量損失較少。但在“空等”時段，所有流量均經節(jié)流閥回流，功率消耗較大，所有能量都被浪費 |
|
變頻式電液混合節(jié)能型 |
變頻器調節(jié)油泵的速度至適當?shù)墓┯退俣龋糠至髁拷浺缌鏖y回流并由溢流閥調節(jié)壓力。 |
熔膠階段需要流量和壓力都較大，此時功率消耗較大，小部分流量溢流，能量損失較小。但到達“空等”時段，運動系統(tǒng)需要的流量為零，由于變頻器難以做到零速滿力矩穩(wěn)定運行，所以需要運行于較低轉速（如10-20Hz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 |
伺服器調節(jié)油泵速度至最佳速度，精確控制射臺和螺桿速度。 |
熔膠階段需要流量和壓力都較大，此時功率消耗較大，但實際效率接近90%，功率損耗很小。在到達“空等”時段時，運動系統(tǒng)需要的凈流量為零，伺服器調節(jié)油泵速度至接近零速，并且轉入力矩控制，穩(wěn)定保持壓力。此時電機輸出力矩較大，但轉速接近零速，所以幾乎不輸出功率，從電網取用的功率僅幾百瓦。 |
1.5松模、開模階段：
|
動作要求：快速打開模具，動作快捷到位 |
||
|
機型 |
動作的實現(xiàn) |
能量消耗分析 |
|
傳統(tǒng)油壓機 |
采用調節(jié)閥門，部分流量進入開合模油缸推動松模、開模動作，其余流量經節(jié)流閥回流 |
異步電機帶動油泵以亞同步速轉動，此階段功率消耗較大，能量浪費較小 |
|
變頻式電液混合節(jié)能型 |
變頻器調節(jié)油泵的速度至適當?shù)墓┯退俣韧苿铀赡?、開模動作，部分流量經溢流閥回流。 |
此階段需要流量和壓力都較大，此時功率消耗較大，小部分流量溢流，能量損失較小。 |
|
伺服式電液混合節(jié)能型 |
伺服器調節(jié)油泵速度至最佳速度，快速控制松模、開模動作。 |
此階段需要流量和壓力都較大，此時功率消耗較大，實際效率接近90%，功率損耗很小。 |
三、信龍注塑機電液混合伺服驅動系統(tǒng)方案
注塑機電液混合伺服驅動系統(tǒng)配置（伺服＋齒輪泵，伺服＋螺桿泵 兩個方案）
信龍伺服控制柜、伺服電機、齒輪油泵（螺桿泵）、壓力傳感器及其他附件。
通過此配置，時刻對系統(tǒng)的壓力和流量進行檢測反饋，及時通過改變伺服同步電機的轉速和轉矩，對壓力、流量做出相應的調整，最終維持系統(tǒng)的壓力快、準、穩(wěn)達到設定的壓力和流量。
五：信龍注塑機電液混合伺服驅動系統(tǒng)特點
1. 信龍電液伺服系統(tǒng)的核心技術特點
1.1動能回收系統(tǒng)：針對注塑機工況進行泄放電路進行動能回收系統(tǒng)設計，控制每次電機從最高流量減速時需要的泄放能量｛1/2J（ω12－ω22）=1/2C（U12 －U22）+泄放能量。｝
1.2電機最佳效率點跟隨系統(tǒng)
信龍伺服每款驅動器和電機在設計時都要對電機的工作點進行整體設計，使電機在重載時出于處于最佳工作效率點，滿足注塑機節(jié)能需要。而國內一般的企業(yè)不具有電機和驅動器同時設計的能力，難以提供整體指標。事實上不同廠家生產的伺服電機也是不同性能的，隨便更換電機，性能指標就不確定。
1.3信龍伺服控制系統(tǒng)采用了三大技術，確保系統(tǒng)效率
。自同步磁場行波控制：使得電機通入的單位電流出力最大；
。超載磁偏角跟蹤：針對電機在超載時的磁場畸變進行自動跟蹤，使得即使重載時電機磁場出現(xiàn)飽和、波形畸變，仍能實現(xiàn)最佳效率控制；
。弱磁偏角控制：為發(fā)揮電機低速大扭矩特性和高速響應特性，特有的永磁電機弱磁偏角控制技術大大擴張了電機的轉速范圍，并且在高速運行時保持高效率運行。
1.4高響應速度：傳統(tǒng)技術的運動控制均通過比例閥的磁鐵與閥芯動作實現(xiàn)，響應速度較慢，空載150 ms以上，額定載荷下超過300ms，伺服0-1500RPM提速時間為25ms，額定載荷下小于100ms。
1.5極強爆發(fā)力：有極強爆發(fā)力，0-1500RPM提速時間為15ms，可以生產150mm/s-300mm/s中高速射膠機型，注射有難度的產品。
1.6生產效率提高：采用信龍伺服后，響應速度快、響應時間短，因而生產效率也得以提高，單件產品的能耗進一步降低！
2. 采用信龍電液混合驅動技術對工藝的改善：
2.1 穩(wěn)定壓力控制精度、高速重載控制精度
伺服系統(tǒng)調節(jié)能力強，運動控制重復精度高，壓力、轉速閉環(huán)控制模式使系統(tǒng)壓力、
流量非常穩(wěn)定，壓力波動量低于±0.5bar，高速重載轉速波動1轉/分以內，提高了塑料產品的成型質量；穩(wěn)態(tài)壓力控制精度±0.5bar，0-175bar壓力升壓時間40ms。
伺服系統(tǒng)還可以按照電腦設定的任意壓力、流量曲線運行，為開發(fā)各種塑料產品的成型工藝創(chuàng)造了條件；
2.2伺服驅動器是適用于注塑機節(jié)能與自動化改造的專用伺服器，采用優(yōu)良的控制策略使其具有較快的動態(tài)響應，先進的電流限制技術和硬件優(yōu)化設計，使產品具有超強的過載能力，能保證在負載頻繁波動的情況下，伺服器不跳閘。并具有以下特點：
2.2.1 高可靠性完善的可靠性設計方案：如冗余設計，降額設計等，所有元器件全部采用工業(yè)或軍工等級，關鍵元器件全部采用進口元件，如三菱IPM模塊、EPCOS電容、fuji整流橋等。關鍵電路全部采用高集成度厚膜IC，從而保證整機的可靠性。
2.3.2 高節(jié)電率保留注塑機原有控制方式油路大體不變，采用先進的微電腦控制技術，使定量泵變?yōu)楣?jié)能型變量泵，注塑機液壓系統(tǒng)與整機運行所需要的功率匹配，無高壓節(jié)流溢流能量之損失，提高油泵電機功率因素至0.96以上，節(jié)電率一般可達40%~60%，所有投資半年到一年便可收回。
2.2.3 軟啟動相比工頻起動方式，采用伺服器控制可以減小開鎖模震動，延長模具的使用壽命，同時系統(tǒng)發(fā)熱量減小，油溫穩(wěn)定，延長液壓系統(tǒng)的使用壽命，為用戶節(jié)省了維護的費用，由于運行穩(wěn)定，對塑膠制品的品質穩(wěn)定性有較大提高。
2.2.4 超強的過載能力和動態(tài)響應速度IS300系列伺服器采用先進的矢量控制算法和獨特的限流技術，確保在注塑過程中，能承受起啟停重負載的沖擊而不跳閘，以確保生產過程的連續(xù)性。高速的動態(tài)響應，最大限度減小制品成形周期的延遲現(xiàn)象。
2.2.5完善的EMC設計IS300系列伺服器采用完善的設計方案，內部布局優(yōu)化設計，采用多種EMI對策，確保對注塑機電氣系統(tǒng)的干擾減小到最小，保證其工作的穩(wěn)定性；
3. 重復精度高、省料、外形精度高
伺服系統(tǒng)采用閉環(huán)轉速控制，射臺運動位置重復精度高，生產出的產品精度高，一致性好；克服了普通異步電機定量泵系統(tǒng)由于電網電壓、頻率等變化會帶來轉速變化，進而引起流量變化，使注塑產品成品率降低的缺點；
同時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；
4.多泵合流系統(tǒng)
2009年已開發(fā)出成熟的六泵合流系統(tǒng)，可以覆蓋所有型號的注塑機。
