基于伺服系統(tǒng)的傳統(tǒng)注塑機(jī)節(jié)能改造

董 澤，孫 杰

（遼寧石油化工大學(xué)， 遼寧 撫順 113001）

基于伺服系統(tǒng)的傳統(tǒng)注塑機(jī)節(jié)能改造

董 澤，孫 杰

（遼寧石油化工大學(xué)， 遼寧 撫順 113001）

由于在能耗、成型精度等方面，傳統(tǒng)液壓型注塑機(jī)表現(xiàn)不足，而伺服驅(qū)動(dòng)液壓注塑機(jī)優(yōu)點(diǎn)就是耗能低、效率高、響應(yīng)快，所以提出采用伺服控制代替開環(huán)控制的改造方案。基于對(duì)傳統(tǒng)注塑機(jī)液壓系統(tǒng)動(dòng)力單元的改造，研究伺服注塑機(jī)的運(yùn)行性能，通過實(shí)際試驗(yàn)和應(yīng)用，改造后的注塑機(jī)不僅使產(chǎn)品質(zhì)量有了很大提高，并且對(duì)于實(shí)現(xiàn)注塑機(jī)的節(jié)能技術(shù)進(jìn)步和控制精度提高具有重要作用。

注塑機(jī)；改造；伺服控制；節(jié)能

隨著塑料制品的廣泛應(yīng)用及其產(chǎn)量的迅速增長(zhǎng)，節(jié)能型注塑機(jī)的重要性也日益突出。傳統(tǒng)注塑機(jī)主回路采用定量泵與電液比例閥組成的控制回路或變量泵控制的回路。在定量泵注塑機(jī)液壓系統(tǒng)中，泵的輸出流量是一定的，系統(tǒng)存在溢流損失和節(jié)流損失，功率利用不盡合理。雖然早有變量泵的設(shè)計(jì)，以減低對(duì)溢流所產(chǎn)生的耗損，但溢流所產(chǎn)生的耗損只能減低，卻不能減除，且響應(yīng)比較慢，不能達(dá)到某些注塑工藝要求[1]。為了使動(dòng)力單元輸出流量和壓力與執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要的流量和壓力相匹配，新型注塑機(jī)一般采用變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)或伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)[2]。但變頻調(diào)速響應(yīng)速度過慢及電機(jī)壽命的減短，使得伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)定量泵系統(tǒng)的高響應(yīng)特性日益凸顯。本課題就是在這樣的背景下提出的，通過對(duì)傳統(tǒng)注塑機(jī)的伺服改造，達(dá)到節(jié)能效果，創(chuàng)造出較好的投資回報(bào)率。使其改造方案既符合我國(guó)國(guó)情又具有一定市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

1 注塑機(jī)簡(jiǎn)介

注塑機(jī)又名塑料注射成型機(jī)，是完成塑料注射成型的機(jī)器。它是利用注射裝置將料筒中已將溶化的熱塑性或熱固性塑料高壓、高速地推擠到閉合的成型模具型腔內(nèi)，經(jīng)過冷卻固化定型后，得到和模具型腔形狀幾乎完全一致的塑料制品。各種注塑機(jī)的注射成型動(dòng)作程序可以不完全一致，但所要完成的工藝過程即基本動(dòng)作內(nèi)容還是相同的[3]。大致可以分為：合模、注射裝置前移、注射、壓力保持、注射位置復(fù)位、制品冷卻開模和預(yù)塑化、頂出制品等動(dòng)作所組成的周期性成型過程，如圖1所示。

2 傳統(tǒng)注塑機(jī)和伺服系統(tǒng)改造注塑機(jī)對(duì)比分析

2.1 傳統(tǒng)注塑機(jī)耗能分析

根據(jù)傳統(tǒng)注塑機(jī)的注塑工藝，在一個(gè)工作循環(huán)周期中，功率變化如圖2所示，在保壓、定型、冷卻等待機(jī)階段，傳統(tǒng)的注塑機(jī)仍在耗能，造成了大量能源浪費(fèi)[4]。

圖1 注塑機(jī)的工作循環(huán)Fig.1 Work cycle of the injection molding machine

傳統(tǒng)注塑機(jī)能耗分配是：

（1）油壓系統(tǒng)的能耗為70%～75%；（2）加熱單元的能耗為15%～20%；（3）冷卻系統(tǒng)的能耗為5%～10%；（4）控制組件的能耗為1%～5%。

圖2 注塑機(jī)周期動(dòng)作及功率消耗Fig.2 The action cycle and the power consumption of injection molding machine

可見，油壓系統(tǒng)耗電占總耗電的75%以上，由此看出，注塑機(jī)油壓系統(tǒng)的節(jié)能改造也至關(guān)重要。

2.2 傳統(tǒng)注塑機(jī)油泵的缺點(diǎn)和伺服節(jié)能改造分析

傳統(tǒng)注塑機(jī)的控制系統(tǒng)通常由流量／壓力復(fù)合控制器+定量泵+感應(yīng)馬達(dá)+開關(guān)閥組成，系統(tǒng)原理簡(jiǎn)圖如圖3所示。

傳統(tǒng)注塑機(jī)75%以上的電能消耗于油壓動(dòng)力源，由于采用定量液壓泵注塑機(jī)，其油泵轉(zhuǎn)速和輸出流量是恒定的，但注塑工藝要求是隨著階段變化而變化的，導(dǎo)致了富余部分的液壓流量通過溢流閥排回油缸，從而造成大量的能量損失和能源浪費(fèi)，并且浪費(fèi)的電能還會(huì)轉(zhuǎn)換成熱能使油箱的油溫上升從而減少密封圈的壽命等不良現(xiàn)象[5]。總之，由于采用傳統(tǒng)注塑機(jī)驅(qū)動(dòng)方式，保壓及冷卻時(shí)間越長(zhǎng)，系統(tǒng)耗能越多。此部分的耗能就是伺服改造的關(guān)鍵所在。

圖3 傳統(tǒng)注塑機(jī)控制系統(tǒng)原理圖Fig.3 The schematic diagram of control system of traditional injection molding machine

利用成熟的伺服技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)的異步電機(jī)和定量泵電液系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能改造來實(shí)現(xiàn)節(jié)約資源、降低成本、提升產(chǎn)品質(zhì)量、改善工作環(huán)境的目的。伺服控制系統(tǒng)通常由伺服電機(jī)+伺服控制器+定量泵三部分組成，如圖4所示。

圖4 伺服改造后的系統(tǒng)原理圖Fig.4 Schematic diagram of the servo system after transformation

采用伺服驅(qū)動(dòng)器的最大好處，第一是節(jié)能，因?yàn)樵诒旱倪^程中注塑機(jī)控制器會(huì)同時(shí)給壓力和流量信號(hào)到驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器會(huì)采用PID算法后將低速驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)節(jié)能，其次是因?yàn)樗欧?qū)動(dòng)器使伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)相應(yīng)很快，而且伺服電機(jī)正常可以運(yùn)轉(zhuǎn)到2 000 r/min以上，這樣產(chǎn)能得到明顯提高，所以注塑機(jī)在進(jìn)行除保壓狀態(tài)外的其它工作階段時(shí)運(yùn)行的是速度模式，其電機(jī)轉(zhuǎn)速可以迅速達(dá)到了，注塑機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)周期加快，提高了生產(chǎn)效率，再次是系統(tǒng)保壓時(shí)壓力的穩(wěn)定性很好，由于該驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是個(gè)無限循環(huán)控制系統(tǒng)，注塑機(jī)系統(tǒng)壓力由壓力傳感器檢測(cè)出來傳遞到驅(qū)動(dòng)器上并通過驅(qū)動(dòng)器的PID快速調(diào)節(jié)響應(yīng)，從而保證了系統(tǒng)壓力的穩(wěn)定性[6]。

采用注塑機(jī)伺服改造的緣由：

（1）驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和發(fā)熱系統(tǒng)，都是消耗大量電能；

（2）傳統(tǒng)注塑機(jī)的控制系統(tǒng)通常由流量／壓力復(fù)合控制器+定量泵+感應(yīng)馬達(dá)+開關(guān)閥組成，油泵電機(jī)以恒速提供不變的流量，導(dǎo)致富余的液壓油通過溢流閥回流（高壓節(jié)流），直至能量損失和能源浪費(fèi)；

（3）買家對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的要求逐年提高，伺服系統(tǒng)是對(duì)注塑機(jī)系統(tǒng)的升級(jí)，可以改善注塑機(jī)的位置重復(fù)精度和壓力控制精度；

（4）全世界對(duì)環(huán)境保護(hù)日趨嚴(yán)格，如對(duì)能耗、噪音、泄漏等方面的要求，采用伺服改造能有效達(dá)到節(jié)能減排的要求；

（5）幫助企業(yè)降低前期投入、使產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率提高，促進(jìn)企業(yè)在行業(yè)中的競(jìng)爭(zhēng)力。

3 伺服系統(tǒng)控制工作原理

傳統(tǒng)注塑機(jī)伺服改造方法：

（1）液壓及油路不變，去掉原系統(tǒng)的比例流量閥比例壓力閥，換裝安全閥（溢流閥），去掉相應(yīng)的放大板；

（2）壓力閉環(huán)：在泵出口處安裝壓力傳感器，從注塑機(jī)的電腦控制里取出壓力和流量給定的模擬信號(hào)，需要壓力傳感器的反饋信號(hào)為DC 0～10 V；

（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）電氣：增加伺服驅(qū)動(dòng)器，將原來給PQ閥的流量和壓力信號(hào)給伺服驅(qū)動(dòng)器；將油泵出口的壓力傳感器接入伺服壓力反饋信號(hào)端口；

改造后的注塑機(jī)液壓泵伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)原理圖如圖5所示，主要由交流永磁同步伺服電機(jī)、伺服驅(qū)動(dòng)器、液壓油泵、壓力傳感器、編碼器或旋轉(zhuǎn)變壓器構(gòu)成，這種系統(tǒng)提供了注塑機(jī)驅(qū)動(dòng)及控制系統(tǒng)的新概念，能夠接近全電動(dòng)注塑機(jī)的節(jié)能水平[7]。

圖5 改造后的注塑機(jī)液壓泵伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)原理圖Fig.5 The system principle diagram of injection molding machine hydraulic pump servo drive after transformation

此套系統(tǒng)有以下特點(diǎn)：

（1）超省電節(jié)能：從實(shí)際情況來看，比傳統(tǒng)定量泵油壓系統(tǒng)省電約70%；

（2）系統(tǒng)油溫溫升低：工作環(huán)境低于40攝氏度無需冷卻水，消除冷卻部件的耗能，延長(zhǎng)了液壓油、液壓易損件的使用壽命。

（3）重復(fù)精度高：采用閉環(huán)轉(zhuǎn)速控制，實(shí)現(xiàn)了壓力流量的精確控制；

（4）響應(yīng)時(shí)間快：壓力上升時(shí)間和流量上升時(shí)，速度響應(yīng)時(shí)間快至40 ms，減少了動(dòng)作轉(zhuǎn)換時(shí)間；

（5）耐惡劣環(huán)境：采用防油，防抖動(dòng)，防塵的旋變編碼器；

（6）降低噪音：在絕大部分工況下液壓系統(tǒng)的噪聲在65 dB以內(nèi)，改善了操作機(jī)器的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境；總的來說，該方案更好地實(shí)現(xiàn)注塑機(jī)的節(jié)能改造，系統(tǒng)生產(chǎn)效率提升，且安全可靠，適用于各種生產(chǎn)環(huán)境。

4 節(jié)能潛力

4.1 直接經(jīng)濟(jì)收益

為了更實(shí)際了解注塑機(jī)節(jié)能改造的效果，我們選取一家企業(yè)的液壓型注塑機(jī)（海天HTF-240噸位）進(jìn)行改造，電機(jī)功率為22 kW，一般電機(jī)耗電為12.5度/h，在這次改造中，企業(yè)進(jìn)行的改造主要是針對(duì)異步電動(dòng)機(jī)和定量油泵，改為伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的齒輪泵作為液壓動(dòng)力源，其他部件暫不做任何改動(dòng)。改造后電機(jī)耗電4.6度/h，每小時(shí)節(jié)省7.9度，節(jié)電率為63.2%，針對(duì)該臺(tái)機(jī)做節(jié)能效益分析如下：

以節(jié)電8度/h，注塑機(jī)每天工作24 h，每月工作28 d，電費(fèi)按平均價(jià)計(jì)約人民幣0.85元/度，則如下：月回收節(jié)能=8×24×28×0.85=4 569元/月；

年回收節(jié)能=4 569元/月×12=5 4828元/a；

改造費(fèi)用約7萬元，如考慮下文所述的間接利益，所有投資可在2 a內(nèi)收回。

4.2 間接經(jīng)濟(jì)收益

（1）由于穩(wěn)定性增加，精密性增強(qiáng)，從而提高產(chǎn)品合格率；

（2）由于油溫降低，延長(zhǎng)了注塑機(jī)液壓油壽命，延長(zhǎng)了油封件等易損件壽命；

（3）因節(jié)電帶來輔助電力設(shè)施的成本節(jié)約。

（4）工作環(huán)境噪音降低。

（5）節(jié)約水量，降低成本，減少環(huán)境污染。

（6）動(dòng)作響應(yīng)速度快，縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期，提高生產(chǎn)效率。

5 結(jié)束語

通過對(duì)注塑機(jī)注塑工藝及每個(gè)工作階段能耗的研究與分析，采用伺服系統(tǒng)在傳統(tǒng)注塑機(jī)進(jìn)行節(jié)能改造。

在流量和壓力雙閉環(huán)控制下，重復(fù)精度高，加工精密制品能力好，節(jié)能效果明顯，大大減少了能源的浪費(fèi)，克服了普通馬達(dá)定量泵系統(tǒng)由電網(wǎng)電壓、頻率等變化導(dǎo)致的流量變化，使注塑機(jī)成品率下降的缺點(diǎn)，有利于機(jī)器的穩(wěn)定運(yùn)行。因此傳統(tǒng)注塑機(jī)伺服改造是注塑行業(yè)降低成本、提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力的有效途徑。

［1］黃俊軍.注塑機(jī)節(jié)能技術(shù)淺談[J].塑料制造，2012，（11）：76-79.

［2］張友根.注塑機(jī)節(jié)能液壓動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的應(yīng)用分析研究[J].液壓氣動(dòng)與密封，2008，（3）：1-5.

［3］董林福，秦然，等.注塑機(jī)使用指南[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010.

［4］蔡恒志，謝樹清，王文廣.注塑操作工[ M].廣東：廣東科技出版社，2008.

［5］牟杰高.注塑機(jī)變頻節(jié)能技術(shù)改造[D].北京.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué),2006.

［6］周以翔.注塑機(jī)節(jié)能發(fā)展趨勢(shì)介紹[J].國(guó)內(nèi)外機(jī)電一體化技術(shù)，2010，（8）：41-43.

［7］Kenichi TAKAKU，Hirokazu HIRAIDE, Koichi OBA. Application of the“Asr Series” AC Servo Motor Driven Hydraulic Pump to Injection Molding Machines[A].Proceedings of the 7th JFPS international Symposium on Fluid Power[C].2008.

Energy-saving Retrofit of Traditional Injection Molding Machines Based on Servo System

DONG Ze，SUN Jie
（Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001，China）

Traditional hydraulic injection molding machine has many deficiencies in the aspects of energy consumption and forming accuracy, while the servo-driven hydraulic injection molding machine has many advantages，such as low energy consumption，high efficiency，fast response，so a retrofitting project by using the servo control to replace the open-loop control has been put forward. In order to transform power unit of the traditional injection molding machine hydraulic system, operating performance of servo injection molding machine was studied. The actual test and application results show that the injection molding machine after transformation not only can improve product quality, but also can play an important role in development of energy saving technology and improving control precision of the injection molding machine.

Injection molding machine; Retrofitting; Servo control; Energy-saving

TQ 051

： A

： 1671-0460（2015）02-0369-03

2014-09-13

董澤（1989-），男，遼寧沈陽人，碩士研究生，研究方向：過程裝備控制及機(jī)電一體化。E-mail：390511928@qq.com。