淺析廣數(shù)精密全電動(dòng)注塑機(jī)的電氣控制

摘 要：從目前注塑機(jī)的發(fā)展來(lái)看，用戶(hù)對(duì)注塑制品的要求愈來(lái)愈高，要求生產(chǎn)商做到多樣化以及個(gè)性化，這些新目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)又依賴(lài)于注塑機(jī)的注塑成型控制。文章以廣數(shù)精密全電動(dòng)注塑機(jī)為例，闡述了其相較于傳統(tǒng)液壓注塑機(jī)的優(yōu)勢(shì)、工作原理、伺服單元的特性要求、動(dòng)作控制等方面內(nèi)容，以供廣大同行參考。

關(guān)鍵詞：注塑機(jī)；伺服電機(jī)；電氣控制

前言

眾所周知，我國(guó)是一個(gè)塑料制品消費(fèi)大國(guó)。在過(guò)去的數(shù)十年里， 液壓式注塑機(jī)曾扮演了非常重要的角色。但是，在如今能源日漸匱乏、生態(tài)環(huán)境越發(fā)惡化的年代，液壓式注塑機(jī)能源消耗高的問(wèn)題受到人們?cè)絹?lái)越多的關(guān)注與重視，綠色、節(jié)能、環(huán)保的伺服電動(dòng)注塑機(jī)的開(kāi)發(fā)己經(jīng)成為一個(gè)十分緊迫和重要的議題。

1 廣數(shù)精密全電動(dòng)注塑機(jī)概述

廣數(shù)精密全電動(dòng)注塑機(jī)（如圖1）是公司經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間機(jī)械設(shè)計(jì)及產(chǎn)品制造方面的技術(shù)沉積，依托公司強(qiáng)大的技術(shù)團(tuán)隊(duì)及先進(jìn)、齊全的科研設(shè)備開(kāi)發(fā)出來(lái)的全新一代精密注塑機(jī)，其設(shè)備性能指標(biāo)能達(dá)到國(guó)內(nèi)領(lǐng)先、并接近國(guó)外同類(lèi)型設(shè)備的技術(shù)水平。該設(shè)備所需要的GSK控制系統(tǒng)以及重要部件--伺服電機(jī)，都是由公司相關(guān)技術(shù)研發(fā)人員自主研制的，改變了以往核心技術(shù)受制于他人的狀況，從而突出了設(shè)備成本方面的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，具備其他公司沒(méi)有的先決條件。

廣數(shù)精密全電動(dòng)注塑機(jī)具備精度高、能源省、噪音低、生產(chǎn)周期短、速度控制范圍廣、響應(yīng)性好、成本節(jié)約等多重優(yōu)點(diǎn)，主要應(yīng)用在醫(yī)療、光學(xué)、電子等行業(yè)，滿(mǎn)足其高精度塑料制品對(duì)注塑機(jī)的要求，符合國(guó)際注塑機(jī)的發(fā)展趨向。

2 與傳統(tǒng)液壓注塑機(jī)的比較優(yōu)勢(shì)

跟傳統(tǒng)的液壓注塑機(jī)相比較，廣數(shù)精密全電動(dòng)注塑機(jī)的最大優(yōu)勢(shì)在于采用了伺服電機(jī)進(jìn)行電氣控制。

由于創(chuàng)新地采用了伺服電機(jī)，廣數(shù)精密全電動(dòng)注塑機(jī)每一個(gè)注塑成型環(huán)節(jié)都可以長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行高精度控制，不但比傳統(tǒng)的液壓驅(qū)動(dòng)節(jié)省五至七成的耗電量，而且還節(jié)省了液壓油以及冷卻水的成本。

在注射速度方面，傳統(tǒng)的液壓式注塑機(jī)利用蓄能器技術(shù)能夠達(dá)到較快的注射速度，但是由于受到液壓閥及蓄能器動(dòng)作特性的限制，不能達(dá)到較低的注射速度。而伺服電機(jī)的速度控制特性比較好，從極低到極高的速度都可以加以控制，具有較廣泛的速度適應(yīng)范圍。

圖2所示的是傳統(tǒng)液壓式注塑機(jī)液壓伺服系統(tǒng)與廣數(shù)精密全電動(dòng)注塑機(jī)電氣伺服系統(tǒng)的對(duì)比圖。從圖中可看出，廣數(shù)精密全電動(dòng)注塑機(jī)電氣伺服系統(tǒng)里的伺服電動(dòng)機(jī)相當(dāng)于傳統(tǒng)液壓傳動(dòng)裝置里的動(dòng)力源油泵，而且還直接起著液壓伺服閥以及執(zhí)行元件（即油缸）的作用，因此其注射速度相應(yīng)較快，精度也較高。

3 廣數(shù)精密全電動(dòng)注塑機(jī)的電氣控制

3.1 工作原理

廣數(shù)精密全電動(dòng)注塑機(jī)采用的是公司自主研究開(kāi)發(fā)的GSK6000控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)集注塑行業(yè)先進(jìn)生產(chǎn)工藝控制方法之大成，實(shí)現(xiàn)高效、節(jié)能以及環(huán)保的三大注塑理念。

廣數(shù)精密全電動(dòng)注塑機(jī)的工作原理是充分利用塑料熱塑性，通過(guò)伺服電機(jī)控制塑料的加熱融化及其流入模腔的速度，再經(jīng)過(guò)保壓及冷卻階段即可成型為形狀各異的塑料制品。在加工產(chǎn)品的時(shí)候，首先計(jì)量加料，經(jīng)過(guò)加熱使原料熔融塑化，然后施加高壓注射到合好的模具里面，再經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的保壓和冷卻后開(kāi)模，最后頂出制品即可完成整個(gè)產(chǎn)品注塑成型的過(guò)程。

3.2 伺服單元的特性要求

廣數(shù)精密全電動(dòng)注塑機(jī)的注射性能在非常大的程度上依賴(lài)于伺服控制系統(tǒng)精密、穩(wěn)定的特性，要求伺服系統(tǒng)具備如下四方面特性。

3.2.1 精度高。為保證制品可以滿(mǎn)足精密注射成型的要求，伺服控制系統(tǒng)必須具備高質(zhì)量以及高穩(wěn)定性，務(wù)求令射膠等動(dòng)作具備非常高的精度。所以，不但要求伺服單元在位置控制方面定位精度高，而且要求在速度控制方面提供高精度調(diào)速。

3.2.2 響應(yīng)快。為使結(jié)構(gòu)復(fù)雜的制品注塑成型，常需進(jìn)行多級(jí)注射。要確保執(zhí)行機(jī)構(gòu)根據(jù)預(yù)設(shè)要求嚴(yán)格切換成形參數(shù)，不但要求伺服控制系統(tǒng)定位精度高，同時(shí)也要求其具備快速響應(yīng)的良好特性，能夠很快地響應(yīng)跟蹤指令信號(hào)。

3.2.3 調(diào)速范圍廣。無(wú)論是注射過(guò)程還是鎖模過(guò)程，執(zhí)行機(jī)構(gòu)都被要求在比較廣的速度范圍內(nèi)運(yùn)作。例如在驅(qū)動(dòng)模板進(jìn)行合模的過(guò)程中，為保護(hù)模具的安全，鎖模機(jī)構(gòu)需要從移模階段的高速度切換到即將閉緊模具時(shí)的低速度，由此要求驅(qū)動(dòng)鎖模機(jī)構(gòu)運(yùn)行的伺服單元能夠提供一個(gè)較廣的調(diào)速范圍，以實(shí)現(xiàn)最高轉(zhuǎn)速與最低轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)換。

3.2.4 低速轉(zhuǎn)矩大。注塑機(jī)低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)要求進(jìn)給伺服系統(tǒng)具備較大的轉(zhuǎn)矩輸出。

為滿(mǎn)足以上特性要求，廣數(shù)精密全電動(dòng)注塑機(jī)對(duì)伺服系統(tǒng)的執(zhí)行元件——伺服電機(jī)也提出了相應(yīng)的幾點(diǎn)要求：（1）要求伺服電機(jī)在全部轉(zhuǎn)速范圍之內(nèi)都可以平滑地運(yùn)轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)要小，特別是低速運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)候仍然要保持平穩(wěn)的速度且無(wú)爬行的現(xiàn)象；（2）要求伺服電機(jī)具備相應(yīng)的過(guò)載能力，以滿(mǎn)足系統(tǒng)低速以及大轉(zhuǎn)矩兩方面的特性要求；（3）要求伺服電機(jī)要有較小的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、較大的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩、盡量小的機(jī)電時(shí)間常數(shù)以及盡可能小的啟動(dòng)電壓，以滿(mǎn)足系統(tǒng)快速響應(yīng)的特性要求；（4）要求伺服電機(jī)可以承受得起頻繁的啟動(dòng)、制動(dòng)以及反轉(zhuǎn)。

3.3 動(dòng)作控制

為了獲得高質(zhì)量的注塑產(chǎn)品，廣數(shù)精密全電動(dòng)注塑機(jī)在注塑的過(guò)程中，使用伺服電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)作的順序及過(guò)程控制，以確保注塑機(jī)能夠依照工序要求完成制品生產(chǎn)流程。

廣數(shù)精密全電動(dòng)注塑機(jī)的注射裝置是實(shí)現(xiàn)塑化計(jì)量、注射以及保壓補(bǔ)縮三項(xiàng)功能的關(guān)鍵部件，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制方式?jīng)Q定著制品的質(zhì)量，能滿(mǎn)足兩個(gè)基本要求：一是在限定的時(shí)間里，提供設(shè)定數(shù)量、組分以及溫度均勻的熔料；二是按照塑料性能以及制品的結(jié)構(gòu)情況，提供適合的注射速度及注射壓力，把熔料注入模腔。

注塑的所有運(yùn)動(dòng)過(guò)程都是由廣數(shù)精密全電動(dòng)注塑機(jī)的六臺(tái)伺服電機(jī)通過(guò)動(dòng)作配合去驅(qū)動(dòng)完成的。圖3所示為其主要部件結(jié)構(gòu)圖。與注射螺桿同軸并且連接緊密的電機(jī)叫做射膠伺服電機(jī)，起到通過(guò)傳功裝置實(shí)現(xiàn)注射螺桿向前注射運(yùn)動(dòng)的作用。跟注射螺桿平行的電機(jī)叫做溶膠伺服電機(jī)，其作用主要是實(shí)現(xiàn)螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)使粒狀原料往前傳送。用于平移整個(gè)射臺(tái)的電機(jī)叫做射臺(tái)移動(dòng)伺服電機(jī)，由該電機(jī)驅(qū)動(dòng)完成射臺(tái)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

廣數(shù)精密全電動(dòng)注塑機(jī)以伺服電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)裝置，其控制系統(tǒng)的硬件框架如圖4所示，主要組成有人機(jī)界面、運(yùn)動(dòng)控制器、邏輯控制器、伺服驅(qū)動(dòng)、溫度控制單元以及傳感器六大部分。工藝程序控制基于傳感器的位置、溫度、壓力及速度等信息來(lái)進(jìn)行，為達(dá)到高精密的注塑工藝建立了多個(gè)閉環(huán)環(huán)節(jié)。對(duì)于射出螺桿移動(dòng)速度的控制，是將安裝在伺服電機(jī)后的編碼器信號(hào)作為輸入的信號(hào)，相比于在控制器內(nèi)設(shè)定速度指令來(lái)說(shuō)實(shí)現(xiàn)了半閉環(huán)控制。對(duì)于射出壓力的控制，是通過(guò)測(cè)定螺桿后的壓力傳感器信息來(lái)形成射出壓力的全閉環(huán)控制。而對(duì)于超低速位置的控制，則是以光柵尺去實(shí)現(xiàn)閉環(huán)的控制。

廣數(shù)精密全電動(dòng)注塑機(jī)動(dòng)作控制系統(tǒng)的關(guān)鍵在于溫度、壓力等傳感器信號(hào)的高速處理。工藝程序控制裝置以及伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)之間采用的是數(shù)字接口，兩者間只互相傳遞數(shù)字信號(hào)，抗干擾能力特別強(qiáng)、因此能夠?qū)崿F(xiàn)高精度、微細(xì)量的穩(wěn)定控制。

4 結(jié)束語(yǔ)

伴隨著新型合成材料的大量涌現(xiàn)，高精度注塑制品的使用范圍的不斷擴(kuò)大，以及人們環(huán)保意識(shí)的日漸加強(qiáng)，用戶(hù)對(duì)注塑機(jī)的要求越來(lái)越提高。廣數(shù)精密全電動(dòng)注塑機(jī)在各種新型注塑機(jī)當(dāng)中較具代表性，并隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，將來(lái)會(huì)朝著更加簡(jiǎn)便化、更加智能化的方向發(fā)展，同時(shí)會(huì)對(duì)其自主研發(fā)的GSK控制系統(tǒng)及伺服電機(jī)提出更高的要求。

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