信龙注塑机伺服驱动系统

2015-05-16 08:44:37

一、注塑机电液伺服驱动节能原理：

1. 注塑机工作原理

1.1注塑机的顺序循环工作过程:

1.1.1锁合模：动模板快速接近定模板（包括慢-快-慢速），且确认无异物存在下，系统转为高压，将模板锁合（保持油缸内压力）。

1.1.2射台前移到位：射台前进到指定位置（喷嘴与模具紧贴）。

1.1.3注射：可设定螺杆以多段速度、压力和行程，将料筒前端的溶料注入模腔。

1.1.4冷却和保压：按设定多种压力和时间段，保持料筒的压力，同时模腔冷却成型。

1.1.5冷却和预塑(储料）：模腔内制品继续冷却，同时液力马达驱动螺杆旋转将塑料粒子前推，螺杆在设定的背压控制下后退，当螺杆后退到预定位置，螺杆停止旋转，注射油缸按设定松退，预料结束。

1.1.6射台后退：预塑结束后，射台后退到指定位置。

1.1.7开模：模扳后退到原位（包括慢-快-慢速）

1.1.8顶出：顶针顶出制品。

图二 注塑机原理图

2 注塑机伺服改造必要性

2.1注塑机的能耗系统：在传统的注塑机中液压传动装置主要由油泵、液压控制阀、压力电磁比例阀、流量电磁比例阀、各种不同的动作油缸、油泵电机及其它液压附件和管道组成，液压传动系统中的动力由电机带动油泵提供。其中，油泵绝大部分是定量油泵。 
    注塑机成型工艺是一个按照预定的周期性动作过程，即以合模---射嘴前进---射胶---保压---溶胶、冷却---开模---顶针 ---取出制品（---合模）等加工工序达到某件产品成型。
    经过一般单台传统注塑机能耗和所站例分别是
      ·油压系统的耗能：75-80%
      ·加热单元的耗能：10-15%
      ·冷却系统的耗能：5-10%
      ·控制组件的耗能：1- 5%
    其中最大能耗部分：以油压系统用电量占注塑机的75%以上。同时锁模,射出,保压,冷却,开模等过程需要不同的压力和流量,对于油泵马达都是处在于负载变动的状态；当系统需求超过设定的流量及压力,会由溢流阀或比例阀来调整压力流量,这个过程称之为高压节流,造成的能量损失高达40%-75%。

2.2传统定量泵注塑机面对的问题：

在定量泵的液压系统中，油泵马达以恒定的转速提供恒定的流量，多余的液压油通过溢流阀回流，此过程称为高压节流。据统计由高压节流造成的能量损失高达36%-68%。传统的注塑机油温高、噪音大、液压油泄漏大、用户电费成本很高、维护繁杂，变频器、变量泵相对传统注塑机可以省部分电，但仍避免不了定量泵部分的缺点，如响应速度、低速稳定性等。 随着世界各国在环保，如能耗、噪音、泄漏等控制方面日益严格的要求，改造与制造新一代“节能型”注塑机，就成为迫切需要关注和解决的问题。

3. 注塑机油泵节能理论原理

3.1油泵的输出功率：    Pt=p×Qt=p×v×n               (1)

3.2油泵的理论转矩：    Tt=1/2π×p×V                      (2)

其中：p为压力, Qt为流量, v为油泵排量, n为油泵的转速，将(2)式代入(1)式得：

Pt=2π×Tt×n　　　　　　　　　　　　　     　 　          (3)

3.3如果忽略机械能到液压能转换过程中的能量损失，则可近似认为油泵的输出功率等于电机的输出转矩与电机转速的乘积。由注塑机的工艺过程可知，各个阶段需要不同的压力和流量。对于油泵马达而言，注塑过程是处于变化的负载状态，在定量泵的液压系统中，油泵马达以恒定的转速提供恒定的流量，多余的液压油通过溢流阀回流，此过程称为高压节流。据统计由高压节流造成的能量损失高达36%-68%。减少节流损失，提高能量效率，成为液压驱动系统节能的发展方向。

3.4注塑机的最主要的能耗即是动力驱动系统,注塑机节能的重点即是提高动力驱动系统本身的能耗效率及驱动系统输出功率与执行机构执行功率达到自适应调节匹配,两者之间的能量利用率越高,即系统节能率越高,达到节省能源的功效。理论和改造实践经验表明：对于定量泵液压驱动系统，采用电液混合的伺服泵系统改造，其节电率一般在30％以上；对于变量泵液压驱动系统，采用电液混合的伺服泵系统改造，其节电率一般在10％～25％之间

二、传统、变频、电液方式注塑机节电比较

 

  1、各阶段比较

 

1.1合模、锁模阶段：

动作要求：合模动作尽可能快速动作，在模具到位时立即停止，防止模具到位时撞模，并且在模具移动时如出现异物卡模时及时停止移动。
机型	动作的实现	能量消耗分析
传统油压机	采用调节阀门，部分流量进入开合模油缸推动锁模动作，其余流量经节流阀回流	异步电机带动油泵以亚同步速转动，合模动作消耗部分流量，回流部分能量为浪费的能量
变频式电液混合节能型	变频器调节油泵的速度，油泵电机以适当的速度供油，流量回流很少	锁模阶段油压较大而需要流量较少，但变频系统较难在低速下（10-20Hz以下）稳定运行，此阶段势必需要加大溢流，带来能量损耗。
伺服式电液混合节能型	伺服器调节油泵速度，供油速度等于推动合模油缸所需要的油量，完全没有溢流，并且可以精确控制合模动作的行程距离，在到位后自动实现锁模。在合模的过程中，伺服系统工作于带力矩限制的速度闭环控制模式，如果出现异物卡住模具导致阻力非正常增加时，电机会自动停止运行	合模移动中电机效率可达85%以上，锁模阶段电机速度接近零速而最大出力不减，功率消耗最小。

 

1.2射胶阶段：

 

动作要求：匀速射出，速度精度高，射出量精确控制，射满模腔后立即转为压力控制进入保压过程
机型	动作的实现	能量消耗分析
传统油压机	采用调节阀门，部分流量进入射胶油缸推动射胶动作，其余流量经节流阀回流	异步电机带动油泵以亚同步速转动，射胶动作消耗部分流量，回流部分能量为浪费的能量。由于射胶动作对压力和速度都有要求，因而电机负载较重，从电网取用功率很大，能量损失也比较大。
变频式电液混合节能型	变频器调节油泵的速度，采用多段速度控制，在不同的阶段，油泵电机以适当的速度供油，流量回流很少	高速射胶阶段需要流量较大且油压较大，溢流压力大流量小。此阶段能量消耗大，损耗较小。低速射胶阶段需要流量较小且油压较大，溢流压力和流量都比较大。此阶段损耗较大。
伺服式电液混合节能型	伺服器调节油泵速度，速度调节可以脱离“多段速度”的思路，实现速度平滑给定控制。供油速度等于推动射胶动作所需要的油量，完全没有溢流，并且可以方便、精确控制射胶动作的行程距离。	射胶阶段中电机效率可达90%以上，由于效率高并且没有溢流，所以此阶段能量消耗较大，但没有多余的消耗。

 

1.3保压阶段：

 

动作要求：恒定压力控制，确保产品成型密度一致
机型	动作的实现	能量消耗分析
传统油压机	控制高压节流阀调节压力，实现恒压控制	异步电机带动油泵以亚同步速转动，所有流量均经节流阀回流。此时所需油压很大，电机从电网的取用功率很大，并且所有能量都被浪费
变频式电液混合节能型	变频器调节油泵的速度到能够输出所需出力的最低速度，大压力低速供油，所有流量全部经溢流阀回流。由于变频器低速运行性能欠佳，所以压力波动较大	保压阶段需要的压力较大，由于变频器难以做到零速满力矩稳定运行，所以需要运行于较低转速（如10-20Hz以下），所有流量全部溢流。此阶段系统能量消耗不大，但全部为损耗。
伺服式电液混合节能型	伺服器调节油泵速度至接近零速，并且转入力矩控制，精确保持压力	此时电机输出力矩较大，但转速接近零速，所以几乎不输出功率，从电网取用的功率仅几百瓦。

 

1.4熔胶、冷却阶段：

 

动作要求：熔胶时进行速度控制，要求尽可能较快地将射台推出至适当的位置，同时螺杆将足够量的熔胶推出至射口处，并且要求射台推出时有一定的背压。为节省时间，熔胶与冷却一般同时进行，但如果冷却时间较长，会出现熔胶结束后仍需等待冷却的空等时间。
机型	动作的实现	能量消耗分析
传统油压机	采用调节阀门，部分流量进入液压马达驱动螺杆，部分进入射胶油缸推动射台回程动作，其余流量经节流阀回流	异步电机带动油泵以亚同步速转动，在熔胶阶段溢流较少，此时功率消耗较大，能量损失较少。但在“空等”时段，所有流量均经节流阀回流，功率消耗较大，所有能量都被浪费
变频式电液混合节能型	变频器调节油泵的速度至适当的供油速度，部分流量经溢流阀回流并由溢流阀调节压力。	熔胶阶段需要流量和压力都较大，此时功率消耗较大，小部分流量溢流，能量损失较小。但到达“空等”时段，运动系统需要的流量为零，由于变频器难以做到零速满力矩稳定运行，所以需要运行于较低转速（如10-20Hz以下），所有流量全部溢流。此阶段系统能量消不大，但全部为损耗。
伺服式电液混合节能型	伺服器调节油泵速度至最佳速度，精确控制射台和螺杆速度。	熔胶阶段需要流量和压力都较大，此时功率消耗较大，但实际效率接近90%，功率损耗很小。在到达“空等”时段时，运动系统需要的净流量为零，伺服器调节油泵速度至接近零速，并且转入力矩控制，稳定保持压力。此时电机输出力矩较大，但转速接近零速，所以几乎不输出功率，从电网取用的功率仅几百瓦。

 

1.5松模、开模阶段：

 

动作要求：快速打开模具，动作快捷到位
机型	动作的实现	能量消耗分析
传统油压机	采用调节阀门，部分流量进入开合模油缸推动松模、开模动作，其余流量经节流阀回流	异步电机带动油泵以亚同步速转动，此阶段功率消耗较大，能量浪费较小
变频式电液混合节能型	变频器调节油泵的速度至适当的供油速度推动松模、开模动作，部分流量经溢流阀回流。	此阶段需要流量和压力都较大，此时功率消耗较大，小部分流量溢流，能量损失较小。
伺服式电液混合节能型	伺服器调节油泵速度至最佳速度，快速控制松模、开模动作。	此阶段需要流量和压力都较大，此时功率消耗较大，实际效率接近90%，功率损耗很小。

 

三、信龙注塑机电液混合伺服驱动系统方案

 

注塑机电液混合伺服驱动系统配置（伺服＋齿轮泵，伺服＋螺杆泵 两个方案）

信龙伺服控制柜、伺服电机、齿轮油泵（螺杆泵）、压力传感器及其他附件。

通过此配置，时刻对系统的压力和流量进行检测反馈，及时通过改变伺服同步电机的转速和转矩，对压力、流量做出相应的调整，最终维持系统的压力快、准、稳达到设定的压力和流量。

五：信龙注塑机电液混合伺服驱动系统特点

1. 信龙电液伺服系统的核心技术特点

1.1动能回收系统：针对注塑机工况进行泄放电路进行动能回收系统设计，控制每次电机从最高流量减速时需要的泄放能量｛1/2J（ω12－ω22）=1/2C（U12 －U22）+泄放能量。｝ 

1.2电机最佳效率点跟随系统

信龙伺服每款驱动器和电机在设计时都要对电机的工作点进行整体设计，使电机在重载时出于处于最佳工作效率点，满足注塑机节能需要。而国内一般的企业不具有电机和驱动器同时设计的能力，难以提供整体指标。事实上不同厂家生产的伺服电机也是不同性能的，随便更换电机，性能指标就不确定。

1.3信龙伺服控制系统采用了三大技术，确保系统效率

。自同步磁场行波控制：使得电机通入的单位电流出力最大；

。超载磁偏角跟踪：针对电机在超载时的磁场畸变进行自动跟踪，使得即使重载时电机磁场出现饱和、波形畸变，仍能实现最佳效率控制；

。弱磁偏角控制：为发挥电机低速大扭矩特性和高速响应特性，特有的永磁电机弱磁偏角控制技术大大扩张了电机的转速范围，并且在高速运行时保持高效率运行。

1.4高响应速度：传统技术的运动控制均通过比例阀的磁铁与阀芯动作实现，响应速度较慢，空载150 ms以上，额定载荷下超过300ms，伺服0-1500RPM提速时间为25ms，额定载荷下小于100ms。

1.5极强爆发力：有极强爆发力，0-1500RPM提速时间为15ms，可以生产150mm/s-300mm/s中高速射胶机型，注射有难度的产品。

1.6生产效率提高：采用信龙伺服后，响应速度快、响应时间短，因而生产效率也得以提高，单件产品的能耗进一步降低！ 

2. 采用信龙电液混合驱动技术对工艺的改善：

2.1 稳定压力控制精度、高速重载控制精度

伺服系统调节能力强，运动控制重复精度高，压力、转速闭环控制模式使系统压力、

流量非常稳定，压力波动量低于±0.5bar，高速重载转速波动1转/分以内，提高了塑料产品的成型质量；稳态压力控制精度±0.5bar，0-175bar压力升压时间40ms。

伺服系统还可以按照电脑设定的任意压力、流量曲线运行，为开发各种塑料产品的成型工艺创造了条件；

2.2伺服驱动器是适用于注塑机节能与自动化改造的专用伺服器，采用优良的控制策略使其具有较快的动态响应，先进的电流限制技术和硬件优化设计，使产品具有超强的过载能力，能保证在负载频繁波动的情况下，伺服器不跳闸。并具有以下特点：

2.2.1 高可靠性完善的可靠性设计方案：如冗余设计，降额设计等，所有元器件全部采用工业或军工等级，关键元器件全部采用进口元件，如三菱IPM模块、EPCOS电容、fuji整流桥等。关键电路全部采用高集成度厚膜IC，从而保证整机的可靠性。

2.3.2 高节电率保留注塑机原有控制方式油路大体不变，采用先进的微电脑控制技术，使定量泵变为节能型变量泵，注塑机液压系统与整机运行所需要的功率匹配，无高压节流溢流能量之损失，提高油泵电机功率因素至0.96以上，节电率一般可达40%~60%，所有投资半年到一年便可收回。

2.2.3 软启动相比工频起动方式，采用伺服器控制可以减小开锁模震动，延长模具的使用寿命，同时系统发热量减小，油温稳定，延长液压系统的使用寿命，为用户节省了维护的费用，由于运行稳定，对塑胶制品的品质稳定性有较大提高。

2.2.4 超强的过载能力和动态响应速度IS300系列伺服器采用先进的矢量控制算法和独特的限流技术，确保在注塑过程中，能承受起启停重负载的冲击而不跳闸，以确保生产过程的连续性。高速的动态响应，最大限度减小制品成形周期的延迟现象。

2.2.5完善的EMC设计IS300系列伺服器采用完善的设计方案，内部布局优化设计，采用多种EMI对策，确保对注塑机电气系统的干扰减小到最小，保证其工作的稳定性；

3. 重复精度高、省料、外形精度高

伺服系统采用闭环转速控制，射台运动位置重复精度高，生产出的产品精度高，一致性好；克服了普通异步电机定量泵系统由于电网电压、频率等变化会带来转速变化，进而引起流量变化，使注塑产品成品率降低的缺点；

同时由于注射与锁模精度的提高，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，带来原材料的节约；

4.多泵合流系统

2009年已开发出成熟的六泵合流系统，可以覆盖所有型号的注塑机。