經濟環保的汽車配件生產方案

震德塑料機械有限公司技術中心：黃俊軍

一、 中國汽車的塑料用量和能源的形勢

隨著汽車工業蓬勃發展，國內車用塑料用量將從2005年的45.5萬噸增加到2010年的72萬噸、2015年的213萬噸、2020年的289萬噸，我國車用塑料正在進入快速發展期。對國內塑料企業來說，面對國外大牌公司占有的市場優勢、雄厚的資金實力和高水平研發能力，應更新觀念，把握機遇，注重自主開發，尋求合作共贏，努力在國際化競爭中取得優勢。中國作為世界汽車生產大國，現已形成個與汽車高度相關的產業群。根據汽車產業每增值1元，會給上游產業帶來0.65元的增值、給下游產業帶來2.63元的增值，同時帶動上下游產業結構優化、形成聯動效應這個理論，汽車相關產業群對國民經濟的增長貢獻率達到12%左右。塑料作為其中很重要的、不斷增長的產業，面臨著廣闊的市場

中國經濟的持續高速增長，使得經濟快速發展與能源緊缺的現實矛盾更加突出。節約能源、資源，建立節約型社會是當代中國經濟和社會發展的一個鮮明主題，節能已經成為各界普遍關注的焦點問題。能源問題已經到了非常嚴峻的地步，“保護環境，科技創新，提高能源資源的利用效率，是緩解我國能源資源與經濟社會發展矛盾的有效途徑之一。”現今汽車配件生產商競爭很大，利潤空間在減小，所以單位制品的成本決定了利潤，而有很多的汽車配件制品又是消耗能源比較大的制品之一，可節能的空間比較大，所以經濟環保的汽車配件生產方案是汽車配件生產商提高利潤空間和競爭力的最好選擇。

二、 二板機的機械結構的優勢

注塑機現在其結構上分為兩大類：1、立式的注塑機；2、臥式的的注塑機。而臥式的注塑機從其鎖模結構上可分為三小類；1、三板機鉸式注塑機；2、直壓式機注塑機；3、二板式注塑機；在現今的注塑機技術上和市場上，立式的注塑機已經不是主流，是快淘汰的技術和產品，因為它的結構上有很多限制其再發展的缺點，而是不可改進的缺點。而主流是臥式的注塑機，他克服了很多立式的注塑機無法克服的缺點，比如大鎖模力、平穩等方面。在現今臥式的注塑機中主要的鎖模結構都是三板機鉸式注塑機，這是比較傳統的注塑機。這傳統的三板機鉸式注塑機雖然有其很多的優點，也能克服注塑工藝方面的很多問題，但也有其不可克服的缺點，比如：占地面積、能做最大鎖模力、高壓鎖模時的平衡度、最大開模行程、單位產品的能耗等方面三板機鉸式注塑機在其設計的結構方面都有一些缺點。因為當今的社會發展和國家都在提倡綠色環保的產品，而三板機鉸式注塑機在做大型的產品時，在占地、能耗等方面就很難達到綠色環保，所以就有了二板式注塑機結構的產生。它在結構設計時就注意到三板機鉸式注塑機不能克服的問題。所以我們在機械結構上也做了很多的創新：

1、注塑機調模結構(見圖1）

國家專利號 ZL 200720151407X

2、注塑機高壓缸活塞與哥林柱的聯接方式（見圖2）

國家專利號 ZL 2007201514050

3、注塑機開合螺母夾緊機構（見圖3）

國家專利號 ZL 2007201514065

下面從機械設計結構等來對比二板式注塑機相對于三板機鉸式注塑機的優點(見圖4、5）

從圖（4）、圖（5）可以看出，二板機比傳統的三板機結構節省占地面積達25%，能實現真正的二板結構。所以在我們廠房的使用率上得到了大大的提高、廠房的租金和廠房建設成本方面得到了很大的節約。這樣對那些需要的鎖模力大的深腔的汽車配件制品更加適應。因為2200TON二板機開模行程比3600TON三板機還要大，所以生產產品時更節能，廠房用地更節約。二板式注塑機在設計時，同時還兼顧了一些其它不可比擬的優勢，比如：受力均勻，剛性高、移模速度快、動力平衡、精度高等。模板受力均勻，這樣打出的汽車配件產品的合格率提升、移模速度快，運動平衡精度高時，配上高效的機械手能大大的提高了生產產品的效率。

三、 新控制系統的優勢

新控制系統的性能穩定，而且攻克了全數字伺服節能注塑機技術上的難題，使能這個經濟環保的汽車配件生產方案上的二板注塑機重復精度高、低噪音、性價比高，代表了國內高端注塑機的發展方面。同時可靠性高、實時性能好、完全兼容標準以太網協議，軟硬件配置豐富而且維護簡單而且又支持高速響應。

（一）新控制系統的硬件全部都是使用德國Beckhoff原裝進口的元件。具體的配置以下；

1、主IPC：Beckhoff 15英寸觸摸屏電腦，配置Celeron 1GHz的CUP、512的內存、4G的CF卡。所有都是工業級別的電腦硬件。

2、輸入輸出：DI 數字輸入點：0～48(可擴展到480)、DO 數字輸出點：0～48(可擴展到480)、AI 模擬量輸入點：0～8(可擴展到32)、AO 模擬量輸出點：0～8(可擴展到32)、支持熱電偶輸入點:0～8(可擴展到32,支持96組熱流道控制)。

3、通訊：工業實時以太網Ethernet,CANopen 。

（二）新控制系統在軟件方面也是用國際的標準

1、編程環境：國際標準IEC61131-3 。

2、擁有強大的功能庫,使程序更易擴展：Chende PLC Controller Toolbox、Chende PLC Temperature Controller、Chende PLC Hydraulic Positioning、Chende PLC Serial Communication、Chende PLC Building Automation。

（三）新控制系統先進的過程控制能力；

此新控制系統有著一般電腦控制系統所有控制能力，同時也有一些先進的過程控制能力。在開合模方面，一般的電腦控制系統只有4段的控制能力，而且是開環控制的，而我們新的控制系統就有12段閉環控制，實現高速精確控制開合模動作的位置和速度。而且系統響應時間能達到0.1ms。在射膠控制方面10段速度閉環控制。自動調節PID，適用成型復雜的精密制品，同時保壓壓力閉環控制，實線無級切換，使制品有一致的收縮率，保證制品尺寸精度，這樣我們生產一些車燈產品時，通常是透明厚壁的產品，所以對速度和保壓的控制一定要精度很好才行，正好我們的系統都能做到很好的控制。這樣也能更節約原料。20組個性化自動順序抽芯功能，同時能實現多種的抽芯終止方式，如：限位、計時、計數、位置等。能實現各動作的智能化能源管理，如圖（10）能把每模的產品都記錄在案，方便成本的計算與控制，達到節約能源為目的。能實現各動作的智能化時間管理，如圖（11）通過能源和時間的管理功能，可以很容易實現效率和功耗的最優操作。能把產品的成本控制到最低。此新系統還具有一些新的輔助的控制能：支持iChen車間聯網功能，能把每一模產品的品質參數記錄在中央控制系統上，以方便品質的跟蹤。能自動的保存周期參數、報警參數到USB盤上去。每段溫度都有曲線顯示和獨立的PID設定，以達到溫度的高精度的控制等等進控制能力。

四、加上全數字伺服泵系統的節能優勢

全數字伺服泵系統集成壓力、流量雙閉環，液壓系統按照實際需要的流量和壓力來供油，克服了普通定量泵系統高壓溢流產生的高能耗，在預塑、合模、射膠等高流量工作階段電機按照設定的轉速工作，在保壓、冷卻等低流量工作階段降低了電機轉速，因此油泵電機實際能耗降低了20%--75%。

（一）注塑機動力形式多種多樣，而當今注塑機動力系統主要有以下形式

1、普通標準電機+定量泵。2、普通標準電機+變量泵控制。3、變頻電機+變頻器+定量泵。4、全電機。5、伺服電機+伺服驅動器+定量泵。

（二）單個全數字伺服泵系統的原理（見圖8）

SVP系統由控制器、伺服電機和定量泵三大部分組成：1、控制器：根據內部控制算法實現對流量和壓力的控制。2、伺服電機：轉速執行機構，具有比普通異步電機反應快、轉速高和扭矩大的特點。3、定量泵：高壓內嚙合齒輪泵、小泄漏、小的脈動，從而達到更加穩定和節能省電能。這是近年內國內較為火熱的一個全數字節能系統。這是因為它打破了常規的模擬量和IO順序信號的控制，用現行最先進的工業以太網來通信的全數字信號來控制。 這個系統主要是把傳統的液壓系統與全電機兩者合二為一。 此系統仍沿用液壓傳動，與傳統的定量泵系統唯一分別則是使用伺服電機代替原有的交流電機，并配上一個伺服驅動系統，以閉環控制式，控制伺服電機的轉速及扭力變化。

（三）全數字伺服泵系統生產汽車配件制品的節能原理

因為生產汽車配件的制器中，整個注塑周期中的保壓及冷卻占了2/3甚至更多的時間。 在這期間內，伺服電機的轉速是十分緩慢地在轉動 （保壓時只有每分鐘幾十轉， 冷卻時每分鐘只有10轉甚至更低）。特別是在冷卻時，幾乎是沒有能量的消耗。所以生產車燈這樣的厚壁產品時，保壓時間長，冷卻時間長，這樣的話用這個的伺服系統的動力源能達到更好的節約能源。利用了全數字伺服泵系統后，節能效果就變化很大，定量泵系統做能耗標準，那么變量泵系統能節約能源40%，變頻系統能節約能源40%，全電機能節約能源85%，伺服驅動液壓系統能節約能源75%。從上面看出，伺服驅動液壓系統的節能效果幾乎能和全機媲美了。

（四）多伺服泵并聯液壓原理圖

二板機一般都是大型的注塑機，而大型的注塑機的動力源一般都是幾個泵來提供的，而把動力源改成全數字的伺服泵系統后，那液壓原理也有些新的革新，原理圖如圖（9）所示。

（五） 經濟環保的汽車配件生產多泵并聯控制策略

先從日常生活的經驗解釋多泵并聯控制策略：假定有一個由甲、乙兩人組成的小組，承擔某些工作任務，甲乙二人都認為用各自最大能力的一半工作比較輕松，如果一個任務用甲的最大能力的一半可以完成，則由甲完成這個任務，乙無需工作。如果用甲的最大能力的一半不能完成該任務，則用甲的最大能力的一半承擔部分任務，其余的任務由乙完成，如果一個任務用甲和乙最大能力的一半都不能完成時，則甲乙平均承擔該任務。當系統配置的油泵已定時，每個油泵的最大流量也已經確定，這里引入最大私有比率的概念，在上面的例子中，最大私有比率=50%，每個泵都有一個理想的工作流量，稱為最大私有流量。最大私有流量 =泵最大流量 × 最大私有比率，最大私有比率需要手動設置。這個控制策略兼顧了節能和延長系統壽命兩個目標。這種方法的好處是可以根據各節點泵和電機的高效工作區，以及系統的總流量需求，優化配置參數，使各節點盡可能多的工作在高效模式下，以提高系統效率；對于從節點，只需要合理設置該節點的最低工作流量。從下列三組圖片來說明這個原理。（圖10--12）

當（總流量給定）<（主泵最大私有流量），主油泵啟動，從油泵不啟動。

當（主泵最大私有流量）<（總流量給定）<（主泵和從泵最大私有流量之和），主油泵提供最大私有流量，從泵跟蹤給定。

當（主泵和從泵最大私有流量之和）<（總流量給定），主油泵和從油泵等比例分配流量。

（六）滯環的引入

如果系統流量需求或剩余流量需求恰好在某個泵的最大私有流量附近波動，則會使下一個泵頻繁的啟動停止，因此需要設置某種滯環機制來避免這種情況的發生。如圖13

（七）主、從系統工作邏輯

根據上述的多泵并聯液壓布局，要求主機承擔系統控制的功能，即能根據上位機的壓力給定、流量給定和液壓系統的壓力反饋，實時計算出當前液壓系統的總流量需求，然后合理的分配給各節點，多泵合流完成實時流量要求。從機只是作為主機的一個執行機構，不參與系統控制。對于實時控制系統，實時性是十分關鍵的性能指標，由于通訊速率的限制，不允許主機點對點分別告之從機對應的流量分配關系，而要求主機告訴所有從機系統總流量需求，由從機自行計算自身分配的流量大小，這樣就需要所有節點在開始運行之前都知道整個系統中其它節點的情況，從而可以同步計算出對應系統流量下自身的流量要求，完成實時流量控制的要求。在多泵并聯運行之前，主機首先點對點依次告訴從機一些全局控制參量：最大私有比率、滯環上限、滯環下限、從節點個數等。然后從機會依次反饋自身的一些參數信息給主機：從泵最大壓力、最大流量等。最后主機計算最大系統壓力（所有泵最大壓力取小）和最大系統流量（所有泵最大流量求和）作為系統的最大能力限制，同時將統計到的各個節點的參數依次告訴所有從機，確保每個從機都能了解整個系統的配置情況。

經濟環保的汽車配件生產這個方案，我們從機械結構、控制系統和動力系統方面都做了創新性的改進，所以，無論在廠房用地、性能、單位產品能耗等的方面都達到現在經濟環保的各方面的國家指標。