液壓注塑機伺服泵控制節能技術(shù)
液壓注塑機伺服泵控制節能技術(shù)【1】
摘要：介紹一種注塑機新型的液壓泵伺服驅動(dòng)及控制新技術(shù)，采用交流永磁同步伺服電機驅動(dòng)液壓油泵作為注塑機的驅動(dòng)級控制系統，實(shí)現注塑機節能、動(dòng)態(tài)響應快、壓力控制穩定、低速性能優(yōu)良等性能提升。
通過(guò)實(shí)際試驗和應用，新的驅動(dòng)控制技術(shù)對于實(shí)現注塑機的節能技術(shù)進(jìn)步和控制精度提高具有重要作用。
關(guān)鍵詞：注塑機 伺服泵 節能技術(shù)
一、注塑機的液壓泵伺服的驅動(dòng)和控制系統的構成
注塑機液壓泵伺服驅動(dòng)系統原理圖如圖1 所示，注塑機液壓泵伺服控制系統主要由交流永磁同步伺服電機、伺服驅動(dòng)器、液壓油泵、壓力傳感器、編碼器或旋轉變壓器構成。
這種系統提供了注塑機驅動(dòng)及控制系統的新概念，能夠接近全電動(dòng)注塑機的節能水平。
系統工作時(shí)，注塑機整機控制器將機器動(dòng)作的速度和壓力的設定值轉換為模擬信號或數字信號輸出至伺服驅動(dòng)器，伺服驅動(dòng)器按指令信號要求驅動(dòng)伺服電機帶動(dòng)液壓油泵工作，機器動(dòng)作的速度和壓力控制要求，與伺服電機的轉速控制和轉矩控制對應。
圖1 注塑機液壓伺服驅動(dòng)系統原理圖
二、伺服泵注塑機功率消耗分析
伺服泵注塑機液壓系統是注塑機的重要組成部分。
注塑機液壓系統工作質(zhì)量，比如系統工作的穩定性、可靠性、重復精度、靈敏性、節能效果以及低噪音性能都將直接影響注塑制品的質(zhì)量，尺寸精度、塑料成型周期、生產(chǎn)成本，將影響工作環(huán)境、安全操作和維修工作。
伺服泵注塑機液壓系統具有高精度、高靈敏度、低噪音、省能化、比例、伺服控制和微處理器等特點(diǎn)。
伺服泵注塑機液壓控制系統在每一個(gè)注塑周期中系統的壓力和流量是按照工藝要求而變化的，即在液壓系統系統壓力執行每一個(gè)具體程序時(shí)，如執行元件的驅動(dòng)力和速度都有具體要求，因此，液壓系統壓力和流量必須與之相適應。
伺服泵注塑機液壓系統的能耗輸出總功率是一定的，但由于執行每一個(gè)程序時(shí)所需要消耗的功率不同，注塑機在一個(gè)周期中的功率消耗情況如圖 2所示。
由圖 2所示合模和開(kāi)模系統所需油壓較低，且時(shí)間較短，一般為一個(gè)工作周期的 40%～60%，時(shí)間的長(cháng)短與加工工件有關(guān)，間歇期更短，這也與加工工件的情況有關(guān)，有時(shí)可以間歇期而連續加工。
圖2 注塑周期中功率的消耗情況
三、液壓泵伺服系統的性能測試實(shí)驗
(一)節能效果及其影響因素
由于伺服電機本身的能量轉換效率較高、系統流量壓力輸出與負載需求趨于一致、機器處于制品冷卻工藝環(huán)節時(shí)伺服電機可停止轉動(dòng)等因素，采用液壓泵伺服驅動(dòng)和控制技術(shù)使注塑機節電性能明顯提高。
與變量泵機器相比，可節電20%～50%，與定量泵機器相比，可節電30%一60%。
具體節電效果與不同產(chǎn)品成型工藝、塑料材料性能、系統配置方案相關(guān)。
節電性能在不同廠(chǎng)家生產(chǎn)的伺服電機和驅動(dòng)控制系統之間存在差異。
如：伺服電機轉動(dòng)慣量和效率存在一定差異;驅動(dòng)器制動(dòng)回路的設計導致節能效果存在差異;配置的液壓泵的種類(lèi)對液壓泵伺服驅動(dòng)和控制系統節電性能有直接影響，定量齒輪泵、定量柱塞泵、定量螺桿泵、雙排量柱塞泵在不同的系統中都有應用，其中以雙排量柱塞泵系統的節電效果最好。
(二)響應速度及其影響因素
響應速度快是液壓泵伺服驅動(dòng)和控制系統的技術(shù)優(yōu)勢之一，使機器成型精密制品的能力和運行效率得到提升。
實(shí)驗數據表明，系統達到最快速度和最高工作壓力的響應時(shí)間在40ms-50ms范圍內，而相同規格變量泵系統的響應時(shí)間在70ms一120ms。
高頻響應伺服閥的響應時(shí)間在25ms-40ms。
提高響應速度的主要影響因素是系統配置的液壓泵的排量和伺服電Figure機的最高轉速。
相同規格的機器配置的液壓泵排量越大，電機最大工作轉速越低，系統的響應速度越快。
(三)壓力控制精度及其影晌因素
在注塑機保壓及高壓鎖模的工藝環(huán)節。
機器需要進(jìn)行壓力控制，系統進(jìn)行壓力控制時(shí)，伺服電機轉速低至20。
150r/rain，低轉速工作條件下，壓力波動(dòng)較大。
實(shí)際測試發(fā)現，不同系統的壓力控制精度相差較大。
四、結束語(yǔ)
通過(guò)對液壓泵伺服系統的性能測試實(shí)驗，可以說(shuō)明，伺服泵系統對于降低注塑機能耗，提高系統響應速度和壓力控制精度，具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢。
可以預見(jiàn)，新的系統將取代注塑機現在配置的定量泵系統和變量泵系統，成為主流配置方案。
在電能供應日趨嚴峻的現在，節能無(wú)疑是一比較重要的話(huà)題，注塑機的能耗比較大，節能也就勢在必行了。
參考文獻：
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[3]杜青林.液壓注塑機伺服泵控制方法研究.碩士學(xué)位論文.2010
注塑機伺服節能改造方案【2】
【摘 要】注塑行業(yè)正面臨著(zhù)一個(gè)飛速發(fā)展的機遇，如何有效地節能降耗也就成為迫切需要解決的問(wèn)題，而占絕大多數比例的定量泵注塑機電能浪費情況非常嚴重。
目前市場(chǎng)上根據定量泵與變量泵液壓系統相似原理研制出的伺服注塑機節能控制系統，可廣泛應用于大、中、小各種規格，各種品牌，以液壓傳動(dòng)的定量泵或變量泵注塑機。
通過(guò)對江蘇春蘭機械制造有限公司、泰州申視塑料有限公司分別選擇一臺注塑機作為改造目標設備進(jìn)行改造，節電率達66%。
根據注塑機在具體運行過(guò)程中所需控制的壓力和速度參量來(lái)專(zhuān)門(mén)設計的，經(jīng)程序優(yōu)化后，具有壓力上升快，控制精確，重復定位精度高。
與傳統的液壓控制相比，具有節能、高效、廢品率低等特點(diǎn).
【關(guān)鍵詞】注塑機;伺服電機;節能減排
引言
注塑機是塑料加工業(yè)主要設備、是有名的“電老虎”，一般注塑機的用電量要占到塑膠企業(yè)總體用電量的30～70%(在某些專(zhuān)業(yè)塑膠企業(yè)比重甚至超過(guò)70%)。
伺服系統是指以物體的位移、角度、速度為控制量組成的，能夠跟蹤目標任意變化的自動(dòng)化控制系統，通常由伺服驅動(dòng)器和伺服電機組成。
伺服系統是在變頻技術(shù)基礎上的延伸產(chǎn)品，除了可以進(jìn)行速度與轉矩控制外，還可以進(jìn)行精確、快速、穩定的位置控制。
1 伺服電機市場(chǎng)
據了解，注塑機節能改造具有節電率高、節能效果好、投資回收快等優(yōu)點(diǎn)。
例如注塑機的伺服電機能耗約占整機用電總量70%～80%，將原有的“普通電機+定量泵系統”更換成“伺服電機+齒輪泵(螺桿泵)”，節能率達40%～85%，10～18個(gè)月便可收回成本，節能效果十分理想。
2 伺服控制系統的組成
伺服系統的由伺服控制器、伺服電機、油泵、編碼器、壓力傳感器等組成。
3 注塑機改造發(fā)展情況
在傳統注塑機使用定量泵驅動(dòng)方式帶來(lái)巨大電能浪費的同時(shí)，注塑機的節能改造也經(jīng)歷了三個(gè)階段：(1)變量泵改造;(2)變頻器改造;(3)伺服改造。
4 伺服系統的節能原理
用伺服驅動(dòng)器的最大優(yōu)點(diǎn)，首先是節能因為當系統保壓時(shí)注塑機控制器會(huì )同時(shí)給壓力和流量信號給驅動(dòng)器，驅動(dòng)器會(huì )根據PID換算后將低速驅動(dòng)伺服電機運轉實(shí)現節能，其次是產(chǎn)能得到很的提高因為伺服驅動(dòng)器驅動(dòng)伺服電機運轉相應很快，而且伺服電機一般可以運轉到2000轉/分以上。
所以注塑機在進(jìn)行除保壓狀態(tài)外的其它工作狀態(tài)時(shí)基本上執行的是速度模式其電機轉速很快就可實(shí)現了注塑機運轉周期加快，提高了產(chǎn)能，再次是系統保壓時(shí)壓力的穩定性很好，因為該驅動(dòng)系統是個(gè)死循環(huán)控制系統，注塑機系統壓力通過(guò)壓力傳感器傳遞到驅動(dòng)器上并通過(guò)驅動(dòng)器的PID快速調節響應，從而保證了系統壓力的穩定性。
能耗等級為1級。
5 伺服電機總體技術(shù)
5.1 液壓伺服系統技術(shù)原理
液壓傳動(dòng)：它是以液壓油為工作介質(zhì)，通過(guò)動(dòng)力元件(油泵)將原動(dòng)機的機械能變?yōu)橐簤河偷膲毫δ�，再通過(guò)控制元件，然后借助執行元件(油缸或油馬達)將壓力能轉換為機械能，驅動(dòng)負載實(shí)現直線(xiàn)或回轉運動(dòng)，且通過(guò)對控制元件遙控操縱和對流量的調節，調整執行元件的力和速度。
當外界對上述系統有擾動(dòng)時(shí)，執行元件的輸出量一般要偏離原有調定值，產(chǎn)生一定的誤差。
液壓控制：和液壓傳動(dòng)一樣，系統中也包括動(dòng)力元件、控制元件和執行元件，也是通過(guò)油液傳遞功率。
二者不同之點(diǎn)是液壓控制具有反饋裝置，反饋裝置的作用是執行元件的輸出量(位移、速度、力等機械量)反饋回去與輸入量(可以是變化的，也可以是恒定的)進(jìn)行比較，用比較后的偏差來(lái)控制系統，使執行元件的輸出隨輸入量的變化而變化或保持恒定。
它是一種構成閉環(huán)回路的液壓傳動(dòng)系統，也叫液壓隨動(dòng)系統或液壓伺服系統。
5.2 項目的基本原理
傳統的液壓動(dòng)力系統是通過(guò)普通三相交流電機帶動(dòng)定量油泵，以額定的轉速運行，通過(guò)控制流量控制閥和壓力控制閥開(kāi)口的大小來(lái)調整系統的壓力，以滿(mǎn)足配套設備所需的壓力流量(位移)。
由于在此系統中是通過(guò)調節閥的壓力和流量來(lái)達到調節系統壓力和位移的目的。
因此為了保證系統最大流量和壓力，系統中的電機必須始終以額定轉速運行。
由于電機耗功只與系統壓力有關(guān)，當配套設備需高壓低速運行時(shí)，由于電機始終以額定轉速運行，所以電機消耗的功率大部分為無(wú)效功，這些無(wú)效功大部分轉化為熱能通過(guò)液壓油經(jīng)壓力控制閥流回油箱，導致系統發(fā)熱，在許多場(chǎng)合下，特別是在高壓且運動(dòng)速度變化很大的工況下需安裝冷卻系統，從而導致能耗增加。
伺服統采用特定的伺服電機及驅動(dòng)器直接驅動(dòng)專(zhuān)用齒輪油泵，通過(guò)動(dòng)態(tài)調整伺服電機的轉速、轉矩，以提供配套設備所需的壓力、流量(位移)。
由此推導出只要動(dòng)態(tài)地調整伺服電機的轉速、轉矩，就能提供配套設備所需的壓力、流量(位移)。
這就是基本原理。
6 伺服電機的應用
泰州供電公司對江蘇春蘭機械制造有限公司、泰州申視塑料有限公司進(jìn)行調研及與企業(yè)進(jìn)行溝通，由江蘇電力節能服務(wù)有限公司對以上兩公司注塑機進(jìn)行了節能評估及分析，分別選擇一臺注塑機(24小時(shí)運行)作為改造目標設備，以使用伺服電機替代原有電機的方案進(jìn)行試點(diǎn)節能改造。
具體測試方法是：選擇一臺改造過(guò)的注塑機和一臺未改造的注塑機進(jìn)行同一天標準工日、同種工料生產(chǎn)的對比監測，監測設備采用SY-DCS-II型移動(dòng)式電能監測儀，電能數據每分鐘保存一次，通過(guò)對監測得到的數據進(jìn)行處理，獲得改造后的一臺注塑機和一臺未改造的注塑機的日用電量，并計算出節電率。
江蘇蘇源高科技有限公司于2012年4月24日-25日，通過(guò)采集24小時(shí)改造后的一臺注塑機和一臺未改造的注塑機的日用電量，計算出節電率：
(改造前單位產(chǎn)品耗電量-改造后單位產(chǎn)品耗電量)/改造前單位產(chǎn)品耗電量=(1326.2kWh-447.2 kWh)/1326.2 kWh=66.3%。
預計年節電量 11.1萬(wàn)KW，年節電收益=項目節電量×P(其中：P為用電單位電度電價(jià)，以0.68元/千瓦時(shí)計)= 11.1×0.68=7.54萬(wàn)元。
該設備的理論使用壽命為10年。
改造節能量得到雙方單位確認，并通過(guò)第三方泰州市經(jīng)信委節能處認證。
此次注塑機伺服電機節能試點(diǎn)改造，為江蘇省電力公司系統內首次成功改造案例。
目前已與江蘇春蘭機械制造有限公司商定，將其余12臺注塑機進(jìn)行伺服電機節能改造。
7 結論
將普通注塑機改造為伺服注塑機，雖然需要一定程度的投入，但是此種新型注塑機在節約資源，降低成本，性能提升，改善工況方面有較大優(yōu)勢;隨著(zhù)伺服技術(shù)已經(jīng)成熟，伺服系統的價(jià)格下調及大家對伺服系統的深入認識，發(fā)展伺服注塑機勢在必行!
參考文獻：
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[2]浙江大成電氣有限公司內部資料，2011.
注塑機節能技術(shù)【3】
摘要：本文主要就注塑機的概述以及注塑機的節能技術(shù)進(jìn)行了具體的分析研究。
關(guān)鍵詞：注塑機;節能技術(shù)
1.注塑機的概述
1.1注塑機的介紹
目前國內的注塑機種類(lèi)很多，其中應用最為廣泛的是通用型注塑機，通用型注塑機又有柱塞式與螺桿式兩種，本文主要對螺桿式注塑機進(jìn)行了研究(如圖1所示)。
通用型螺桿式注塑機主要由三部分組成，注射系統、合模系統、液壓傳動(dòng)與電氣控制系統。
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圖1 螺桿式注塑機簡(jiǎn)圖
1.2注塑機工作原理及其特點(diǎn)
注塑成型是利用塑料的熱物理性質(zhì)，將塑料從料斗加進(jìn)機筒內，機筒外部由加熱裝置進(jìn)行加熱以熔融物料。
在機筒內安裝有螺桿，它由液壓油馬達驅動(dòng)旋轉，物料在螺桿的驅動(dòng)下沿著(zhù)螺桿的螺槽向前部輸送并被壓實(shí)。
機筒內物料在外部加熱和螺桿剪切雙重作用下塑化熔融，螺桿轉動(dòng)時(shí)，物料在螺槽剪切力和摩擦力的作用下把已經(jīng)熔融的物料推到螺桿的頭部位置，同時(shí)，螺桿在物料的反作用力下向后退，此時(shí)螺桿的頭部行成了儲料空間，完成了塑化過(guò)程【1】。
最后螺桿在注射油缸的活塞桿推力作用下，以高壓、高速把儲料室內的熔融塑料通過(guò)噴嘴注射進(jìn)模具的型腔中。
型腔內的熔料經(jīng)過(guò)保壓、固化定型、冷卻后，模具在合模裝置的作用下開(kāi)啟，并由頂出機構把定型好的成型制件從模具頂出、落下。
從注塑機的工作原理來(lái)看，注塑成型具有以下特點(diǎn)：機械生產(chǎn)效率高、易實(shí)現全自動(dòng)化生產(chǎn);對各種塑料的加工適應性強;能一次成型出尺寸精確、外形復雜或者帶有嵌件的塑料制品。
1.3 注塑機螺桿的分類(lèi)
根據不同性能聚合物的加工要求，注塑螺桿分為很多種結構形式。
我們使用的注塑機螺桿一般有通用型螺桿、漸變型螺桿與突變型螺桿三類(lèi)。
一是通用型螺桿：注塑機在使用的過(guò)程中，根據制件要求，經(jīng)常需要更換塑料種類(lèi)，所以拆換螺桿的次數也就比較多。
停機調換螺桿不僅僅造成勞動(dòng)強度大，同時(shí)也會(huì )影響注塑機的生產(chǎn)效率。
所以，注塑機雖備有很多種螺桿，可是在一般情況下并不常常換來(lái)?yè)Q去，由此一來(lái)我們就使用適應性比較強的通用型螺桿，通過(guò)簡(jiǎn)單地調整工藝條件如螺桿轉速、溫度、背壓等的方法，來(lái)滿(mǎn)足不同的物料與制品的加工要求，避免了頻繁更換螺桿并降低了注塑機的生產(chǎn)成本。
二是漸變型螺桿：又稱(chēng)長(cháng)壓縮段的螺桿，其特征是塑化物料時(shí)能量轉換比較緩和，其主要用于加工聚氯乙烯類(lèi)等。
三是突變型螺桿：又稱(chēng)短壓縮段的螺桿，其特征是塑化物料時(shí)能量轉換比較劇烈，主要用于加工聚烯烴類(lèi)、聚酞胺等的結晶型塑料。
實(shí)踐證明，突變型螺桿的使用效果并不理想，使用的注塑機廠(chǎng)家也不多。
1.4料筒的作用
料筒的作用是為塑料加熱加壓，所以要求料筒能夠耐熱、耐壓、耐腐蝕、耐疲勞、傳熱性好。
螺桿式注塑機相對于柱塞式注塑機的料筒來(lái)說(shuō)，因有螺桿在料筒內對物料進(jìn)行攪拌作用，料層厚度較薄，傳熱率比較高。
2.注塑機的節能技術(shù)分析 注塑機的能量消耗一般由液壓系統油泵的能量消耗、加熱裝置能量消耗以及冷卻裝置能量消耗三部分組成。
而液壓系統油泵的能量消耗占注塑機所有能量消耗的80%以上，降低液壓油泵的能量消耗是注塑機節能的關(guān)鍵，所以研究注塑機新型節能液壓系統具有十分重要的意義。
2.1變頻調節技術(shù)
變頻調節技術(shù)就是通過(guò)調節液壓油泵轉速，以使動(dòng)力機構性能相似于比例泵節能系統，實(shí)現動(dòng)力機構輸出流量和執行機構所耗流量相匹配，最大限度降低流量損耗。
變頻調節技術(shù)是利用注塑機的電氣控制系統與同步信號，并根據注塑成型工藝要求將電液比例控制系統模擬為負載跟蹤控制系統，以使電動(dòng)機轉速和注塑機工作時(shí)所需要的液壓流量與壓力的乘積成正比例關(guān)系，將傳統定量泵改造為變頻控制變量驅動(dòng)系統，進(jìn)而使溢流閥回油量降至最小，沒(méi)有高壓節流能量損耗。
2.2比例變量泵系統
注塑機要實(shí)現節能最有效的措施就是做到動(dòng)力機構與執行機構兩者流量的自適應調節匹配。
變量泵十電液比例閥相結合的負載敏感泵液壓系統，其控制機構由比例變量泵、高速比例閥(含位置閉環(huán))、壓力傳感器以及位移傳感器等幾部分組成，動(dòng)態(tài)響應速度高，能夠很好實(shí)現動(dòng)力機構與執行機構兩者流量的自適應調節匹配。
變量泵的使用使注塑機液壓系統由閥控變?yōu)楸每�，將傳統節流調速變?yōu)槿莘e式調速。
負載敏感變量泵液壓系統可使液壓動(dòng)力輸出隨負載的變化而變化，和定量泵++PQ閥相結合的液壓系統相比，其節能效率可達20%}-40%。
主要不足點(diǎn)為泵控系統的響應速度比泵+能量調節單元結合的液壓系統慢，且比例變量泵對油液清潔度要求高、工作噪音大。
2.3定量泵+比例壓力流量控制閥系統
注塑機控制系統采用定量泵供油，經(jīng)過(guò)比例壓力流量控制閥(即PQ閥)，以溢流調節的方式將多余的油通過(guò)旁路回流進(jìn)油箱。
由比例溢流閥與主溢流閥保持比例節流閥前后壓差的恒定，節流閥開(kāi)口大小由輸入到節流閥的比例電磁鐵信號控制，由流量公式。
可知，輸出流量的大小只與比例節流閥的輸入信號有關(guān)系。
在注塑機工作過(guò)程中電動(dòng)機轉速保持不變，供油量恒定，PQ閥由控制系統輸入模擬控制信號并通過(guò)對PQ閥的調整來(lái)實(shí)現對注塑機系統的壓力、流量連續成比例控制。
定量泵十PQ閥節能液壓系統滿(mǎn)足了注塑機對開(kāi)合模、預塑、注射、保壓等動(dòng)作對壓力和流量的控制要求，同時(shí)還保證了注塑成形工藝的重復性及穩定性閱。
因定量泵十PQ閥液壓系統采用小壓差來(lái)追蹤負載壓力以控制泵壓，所以比傳統的定量泵+溢流閥+節流閥的液壓傳動(dòng)系統在節能性方面有所改進(jìn)，并且控制執行機構的速度不受液壓油溫影響，但在實(shí)際工作過(guò)程中還是存在著(zhù)較多的節流溢流損失，尤其對保壓壓力要求較高、保壓時(shí)間要求較長(cháng)的制件成型，該系統的功率損耗相當大。
3.結束語(yǔ)
總而言之，注塑機節能技術(shù)的應用能夠使得注塑機的節能效果有了更大的提升，不僅節約了能源，還在很大程度上促進(jìn)了注塑機的創(chuàng )新和發(fā)展，對于其未來(lái)的發(fā)展有著(zhù)重要的現實(shí)意義。
參考文獻：
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