1.引言
對(duì)于塑料制品行業(yè)來(lái)說(shuō),電耗是其生產(chǎn)成本的主要部分,而注塑機(jī)是塑料制品廠的主要能耗設(shè)備之一、因此降低注塑機(jī)的能耗、提高生產(chǎn)效率成為注塑行業(yè)降低成本、提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力的有效途徑。經(jīng)過(guò)測(cè)試,一般單臺(tái)傳統(tǒng)定量泵注塑機(jī)能耗和所占比例分別是:
-油壓系統(tǒng)的耗能:75-80%
-加熱單元的耗能:10-15%
-冷卻系統(tǒng)的耗能:5-10%
-控制組件的耗能:1-5%
其中最大能耗部分:油壓系統(tǒng)用電量占注塑機(jī)的75%以上。
目前絕大多數(shù)的注塑機(jī)都屬于液壓傳動(dòng)注塑機(jī),液壓傳動(dòng)系統(tǒng)中的動(dòng)力由電機(jī)帶動(dòng)油泵提供。在注塑周期的過(guò)程中,鎖模,射出,保壓,冷卻,開模等過(guò)程需要不同的壓力和流量,對(duì)于油泵馬達(dá)都是處在于負(fù)載變動(dòng)的狀態(tài)。液壓系統(tǒng)的負(fù)荷變化很大,傳統(tǒng)注塑機(jī)采用定量泵,不能調(diào)節(jié)輸出轉(zhuǎn)速和功率,因此多余的能量只能在擋板、油路泄露、油的溫升中消耗掉,當(dāng)系統(tǒng)需求超過(guò)設(shè)定的流量及壓力,會(huì)由溢流閥或比例閥來(lái)調(diào)整壓力流量,這個(gè)過(guò)程稱之為高壓節(jié)流,造成的能量損失高達(dá)40%-75%。這樣既加劇了各種閥門的磨損,又造成油溫過(guò)高,電機(jī)噪音過(guò)大,以及機(jī)械壽命縮短等現(xiàn)象。并且通常在設(shè)計(jì)中,用戶油泵電機(jī)設(shè)計(jì)的容量比實(shí)際需要高出很多,存在“大馬拉小車”的現(xiàn)象,造成電能的大量浪費(fèi)。英威騰電液伺服系統(tǒng)主要針對(duì)的就是塑機(jī)油壓系統(tǒng),對(duì)于減少能源浪費(fèi)提高生產(chǎn)效率具有重要意義。
2.系統(tǒng)介紹
2.1注塑機(jī)液壓系統(tǒng)產(chǎn)品介紹
英威騰液壓伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要由專用伺服驅(qū)動(dòng)器、三相交流永磁同步電機(jī)、伺服液壓油泵壓力傳感器等幾部分組成。利用先進(jìn)的DSP和永磁交流伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)電動(dòng)液壓控制系統(tǒng)的壓力、流量自動(dòng)調(diào)節(jié)等自動(dòng)控制功能。
● 專用伺服驅(qū)動(dòng)器
從成熟、穩(wěn)定、可靠的混合動(dòng)力汽車電機(jī)伺服控制器衍生而來(lái),是專為注塑機(jī)液壓伺服系統(tǒng)開發(fā)的專用驅(qū)動(dòng)器。內(nèi)含位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán),借助高性能的數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)和低成本單片機(jī)(ARM)實(shí)現(xiàn)了高性能矢量控制、無(wú)位置傳感器力矩控制、精確位置和速度控制、非線性弱磁高速控制、位置校正空間矢量低速控制。通過(guò)嚴(yán)格的電磁兼容、高低溫、潮濕、震動(dòng)試驗(yàn),適應(yīng)各種惡劣環(huán)境,已通過(guò)CE認(rèn)證;
● 三相交流永磁同步電機(jī)
轉(zhuǎn)子磁鋼由高溫強(qiáng)磁釹鐵錋材料構(gòu)成,采用表貼式固定方式,調(diào)速范圍更寬,高速運(yùn)行更加可靠。由于采用細(xì)長(zhǎng)型結(jié)構(gòu),電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小,動(dòng)態(tài)響應(yīng)更快,同時(shí)電機(jī)的運(yùn)行噪聲更低。
伺服液壓泵:選用住友伺服液壓內(nèi)嚙合齒輪泵;
● 速度(流量)反饋器件
采用結(jié)構(gòu)牢固,耐高溫、抗震動(dòng)、抗干擾的能力很強(qiáng)的機(jī)械型旋轉(zhuǎn)變壓器作為位置反饋部件,御能開發(fā)了與旋轉(zhuǎn)變壓器相配合的專用信號(hào)處理芯片,速度反饋精度達(dá)到每轉(zhuǎn)4096個(gè)脈沖,足以滿足注塑機(jī)的控制精度需要;
● 壓力反饋器件
采用進(jìn)口的瑞士Trafag壓力傳感器。
2.2注塑機(jī)電液伺服系統(tǒng)示意圖
如圖所示,英威騰注塑機(jī)電液伺服系統(tǒng)主要由伺服驅(qū)動(dòng)控制器、電機(jī)轉(zhuǎn)子位置/速度傳感器、永磁同步電機(jī)、與伺服電機(jī)同軸連接的油泵,以及檢測(cè)系統(tǒng)油壓的壓力傳感器等關(guān)鍵部件組成。
3.負(fù)載運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)
上圖中,前半張圖為定量泵,變量泵,伺服三種系統(tǒng)在整個(gè)塑機(jī)工況中的功率消耗情況,后半張圖深藍(lán)色顯示區(qū)域?yàn)槎勘孟到y(tǒng)與伺服電液系統(tǒng)在同等工況下的能耗差。其中兩塊較大面積的區(qū)域?yàn)槭钦麄€(gè)工況中的保壓和冷卻部分,可以看出實(shí)際節(jié)電效果取決于保壓和冷卻時(shí)間占整個(gè)周期的比例。節(jié)電率不僅和機(jī)器有關(guān),更重要的取決于成型工藝。輕率的承偌50%以上節(jié)電率是不負(fù)責(zé)任的做法。已有案例的節(jié)電率從20%-70%不等,在非快速成型工藝下一般節(jié)能率在40%以上。
4.控制要求
將模擬量信號(hào)直接加在伺服驅(qū)動(dòng)器的系統(tǒng)壓力給定信號(hào)和系統(tǒng)流量給定信號(hào)的輸入端;將油泵出口的壓力傳感器接入伺服的壓力反饋信號(hào)端口。伺服系統(tǒng)通過(guò)接入的壓力和流量信號(hào)進(jìn)行PI調(diào)節(jié),改變伺服電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速,從而改變油泵電機(jī)的輸出流量Q和壓力P,并通過(guò)電機(jī)上的旋轉(zhuǎn)編碼器和油路中的壓力傳感器,反饋實(shí)際情況形成高精度的雙閉環(huán)控制,以滿足注塑機(jī)在各個(gè)工序中所需的油壓大小和流量速度,這樣就能避免能量浪費(fèi)。
5.產(chǎn)品特點(diǎn)介紹
5.1產(chǎn)品性能優(yōu)勢(shì)
● 伺服驅(qū)動(dòng)器為塑機(jī)專用伺服驅(qū)動(dòng)器,過(guò)載系數(shù)達(dá)2.5~3倍;比起市場(chǎng)上用變頻器改造而來(lái)的所謂的伺服(矢量變頻器)1.5倍的過(guò)載系數(shù),御能產(chǎn)品有著專業(yè)伺服得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì);
● 節(jié)省能耗:與傳統(tǒng)定量泵相比伺服系統(tǒng)節(jié)能50%-70%,個(gè)案高達(dá)80%;與變量泵相比伺服電機(jī)節(jié)能最低承諾25%;
● 增加單位時(shí)間的產(chǎn)品合格數(shù)量5%以上;
● 流量響應(yīng)時(shí)間50MS,壓力響應(yīng)時(shí)間100MS;
● 制品重量重復(fù)誤差 <0.3%;
● 螺桿射膠終止位置誤差<0.1mm;
● 節(jié)省了傳統(tǒng)技術(shù)高壓節(jié)流浪費(fèi)的能量;
● 節(jié)省了液壓冷卻系統(tǒng)的消耗;
5.2質(zhì)量保證
● 全面的高低溫工況的試驗(yàn);
● 嚴(yán)格的震動(dòng)環(huán)境試驗(yàn);
● ISO90001/TS16949的供應(yīng)鏈管理流程,和生產(chǎn)過(guò)程控制;
● 對(duì)電機(jī)和伺服驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行嚴(yán)格的出廠老化測(cè)試,消除電子元器件的早期失效;
● 伺服產(chǎn)品通過(guò)滿足歐洲電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)CE認(rèn)證;
● 驅(qū)動(dòng)器兩年的質(zhì)量保證期,讓客戶無(wú)憂收回投資成本(節(jié)能/高效);
5.3永磁磁阻同步電機(jī)的應(yīng)用
● 在整個(gè)速度區(qū)有很高的效率:流量控制和保壓控制時(shí)更節(jié)能
● 電磁轉(zhuǎn)矩和磁阻轉(zhuǎn)矩相結(jié)合產(chǎn)生更大的扭矩:速度相應(yīng)更快,更節(jié)能
● 方便實(shí)現(xiàn)弱磁控制增加轉(zhuǎn)速范圍:可以和多種泵配合,可以滿足大流量的需求
● 系統(tǒng)運(yùn)行更平穩(wěn):整個(gè)系統(tǒng)噪音更低
5.4先進(jìn)的電機(jī)控制算法和注塑應(yīng)用控制策略
● 現(xiàn)代電機(jī)正弦矢量控制算法,實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的完美力矩控制:
● 電機(jī)運(yùn)行更平穩(wěn);響應(yīng)速度更快;噪音更低;
● 整個(gè)系統(tǒng)的效率更高(系統(tǒng)效率大于90%);
● 自適應(yīng)/非線性控制,滿足不同注塑機(jī)型的流量和壓力需求,減少流量和壓力的超調(diào),同時(shí)消除射膠“跳動(dòng)”;
● 解耦PQ控制,增加注塑機(jī)的響應(yīng)速度,平滑流量和壓力控制的相互轉(zhuǎn)換(需要上位機(jī)配合);
● 根據(jù)注塑成型工藝的需求,實(shí)現(xiàn)勻速/變速射膠控制,并平滑從流量控制過(guò)渡到保壓控制。
5.5帶壓力補(bǔ)償?shù)牧髁靠刂?/strong>
● 流量、壓力雙閉環(huán)控制,保證了注塑過(guò)程對(duì)壓力和流量的要求;
● 可以補(bǔ)償高壓力時(shí)泵泄露產(chǎn)生的流量誤差,流量控制更精確;
● 配不同的泵實(shí)現(xiàn)不同的壓力補(bǔ)償,實(shí)現(xiàn)精確的流量控制。
5.6成熟的舊機(jī)改造方案(單泵/多泵)
● 從2008年即開始進(jìn)入舊機(jī)改造行業(yè),對(duì)海天等品牌的注塑機(jī)改造有非常成熟的方案;
● 電機(jī)與油泵的連接采用高精度聯(lián)軸器連接型式,一來(lái)便于維護(hù),二來(lái)伺服電機(jī)和油泵在運(yùn)行中頻繁啟停,二者的嵌入式連接會(huì)增加連接軸卡死的風(fēng)險(xiǎn),采用聯(lián)軸器可以規(guī)避該風(fēng)險(xiǎn);
● 我司與海天伺服電機(jī)和油泵的供應(yīng)商(安信)是戰(zhàn)略合作伙伴關(guān)系,海天電機(jī)有部分為我司做貼牌代工,這有利于在市場(chǎng)上做海天傳統(tǒng)注塑機(jī)的批量性伺服改造;
● 全程監(jiān)控電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器的溫度變化,實(shí)時(shí)調(diào)整控制參數(shù)。
● 針對(duì)大型合流機(jī),配合油路實(shí)現(xiàn)最小反轉(zhuǎn)量的泄壓控制,以延長(zhǎng)油泵和電機(jī)的壽命。
● 對(duì)多家知名廠商(終端用戶)進(jìn)行了300T~3300T中大型注塑機(jī)的改造施工,獲得一致好評(píng)。
10.結(jié)束語(yǔ)
根據(jù)塑料制品的市場(chǎng)分析,目前中國(guó)塑料機(jī)械行業(yè)產(chǎn)值每年約200億元,而國(guó)內(nèi)市場(chǎng)需求近220億元,注塑機(jī)的需求也逐步由南方向北方,東部向西部擴(kuò)散,也帶動(dòng)塑料工業(yè)等關(guān)聯(lián)產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展。但同時(shí)行業(yè)內(nèi)的競(jìng)爭(zhēng)也日漸激烈,隨著國(guó)家節(jié)能減排政策的深入,各廠家除了重視產(chǎn)品質(zhì)量和品牌外,都在考慮怎樣節(jié)能以響應(yīng)國(guó)家號(hào)召和減少生產(chǎn)成本。從注塑機(jī)工藝過(guò)程可知,電能消耗成本在注塑成型產(chǎn)品成本中占了很大的比例,因而能否有效減少電能損耗,受到了各注塑機(jī)廠家和用戶的關(guān)注。實(shí)現(xiàn)效果顯著的節(jié)能改造已經(jīng)成為注塑行業(yè)提升的首要課題。而英威騰電液伺服系統(tǒng)在塑機(jī)行業(yè)的應(yīng)用從根本上滿足了這些需求,領(lǐng)先的技術(shù)及在塑機(jī)市場(chǎng)日益成熟的應(yīng)用已得到了諸多制造商和用戶的肯定,未來(lái)電液伺服的使用勢(shì)必成為塑機(jī)市場(chǎng)的主流。