注塑机伺服节能的设备构造与技术原理acnh

注塑机伺服节能的设备构造与技术原理【摘要】随着注塑行业在环保，如能耗、噪音、泄漏等控制方面日益严格的要求，节能已成为注塑企业关注的重点，笔者在本文中主要通过注塑机节能伺服系统的构造及其工作原理的阐述，充分体现出注塑机伺服节能改造技术的成熟及为了节能减排事业发展，注塑机伺服节能改造，节能环保不容忽视的.【关键词】注塑机 伺服系统 技术原理【Summary】 as injection industry in environmental, as energy consumption, and noise, and leak, control aspects increasingly strictly of requirements, energy-saving has became injection Enterprise concern of focus, author in this article in the main through injection machine energy-saving servo system of constructed and work principle of explained, full reflected out injection machine servo energy-saving reconstruction technology of mature and the to create low carbon life, servo energy-saving reconstruction, energy-saving environmental cannot be ignored.【Key words】injection molding machines Servo system Technical principle 注塑行业正面临着一个飞速发展的机遇，然而在注塑产品的成品的构成中，电费占了相当的比例，依据注塑机设备工艺的需求，注塑机油泵马达耗电占整个设备耗电量比例高达50%-65%，因而极具节能潜力，应用新一代“节能型”注塑机，就成为迫切需要解决的问题。注塑机的工艺过程一般分为锁模、射胶、熔胶、保压、冷却、开模等几个阶段，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%。 随着注塑行业在环保，如能耗、噪音、泄漏等控制方面日益严格的要求，节能已成为注塑企业关注的重点，莱普乐自动化机械科技有限公司为满足客户通过节能以降低生产成本之要求，经过不懈努力研发的注塑机伺服节能改造技术，已经走向市场、为广大塑胶企业服务，经过诸多市场论证其综合节能效率约为：40%-80%，重复精度、工作效率都得到了有效提升。以下就把注塑机伺服节能改造的技术原理作出分析：1、 注塑机伺服节能的设备构造 （一）电液伺服系统的构成 注塑机电液伺服系统主要由永磁同步伺服电机、电机转子位置/速度传感器、伺服驱动控制器、与伺服电机同轴连接的油泵，以及检测系统油压的压力传感器等关键部件组成。 （二）交流永磁同步电机 永磁同步电动机特点是：结构简单、体积小、重量轻、损耗小、效率高。和感应非同步电动机相比，它由於没有转子电流，转子损耗很小；它不需要无功励磁电流，功率因数高，定子电流和定子损耗减小，因此，永磁电机总体效率比感应电机高5%-10%。此外，永磁电机的最大输出力矩与转子惯量的比值可比感应电机大很多，因此永磁电机动态性能优越，适於用作高精度、高动态性能的伺服控制电机。 功率调速范围不够宽是永磁电机的一个局限。赛思公司借鉴在电动汽车电机系统方面的经验，采用永磁-磁阻同步电机的结构，有效地突破了这一局限，可完全满足注塑机电液伺服应用的要求。 （三）电机转子位置/速度传感器 为控制伺服电机的力矩和转速，需检测电机转子的位置和转速。大部分伺服电机采用光电编码器作为位置/速度传感器。光电编码盘的优点是结构简单，易获得较高精度，但由於其处理电路须与电机集成在一起，在电机温度高、震动大的环境下，再加上电磁乾扰，其电子电路往往不能正常工作，出现丢码，导致电机控制紊乱甚至损坏电机。 伺服系统采用满足电动汽车要求的高性能旋转变压器作为速度反馈部件，结构牢固，耐高温、抗震动、抗乾扰能力强，确保系统在注塑机的“恶劣”环境下稳定可靠的工作，且精度可达每转4096个脉冲。 （四）伺服驱动控制器 伺服驱动器根据注塑机控制器（上位电脑）的压力和流量的指令，控制伺服电机的电流、力矩和转速。赛思伺服驱动器包含伺服控制、整流/逆变功率、通讯接口和反馈检测等单元。整流/逆变功率单元采用先进的集成IGBT模组；伺服控制单元包括位置控制器、速度控制器、转矩和电流控制器等。采用高速数字信号处理器（DSP）作为驱动器的控制核心，实现各种复杂的控制算法，并输出脉宽调制（PWM）信号至逆变功率驱动电路，来改变逆变器输出功率，达到控制三相永磁同步交流伺服电机的目的。 （五）油泵 作为注塑机主动力源，油泵与伺服系统的良好匹配对其整机性能及节能效果至关重要。目前适用於伺服系统的油泵有齿轮泵、柱塞泵和螺杆泵，特性各有不同，因此伺服系统要能适配各种油泵，并优化参数设置。伺服系统具备先进的负载参数辨识功能，可灵活优化适配各种油泵。 （六）压力反馈部件压力传感器 伺服系统采用压力闭环控制策略，即通过控制电机力矩与转速来调节注塑机油压并使之跟随压力命令值。油压信号通过压力传感器获得，其精度将决定注塑机压力的控制精度。可提供不同控制精度要求的压力传感器。 2、 注塑机伺服节能的技术原理（1） 技术原理为控制伺服电机的力矩和转速，需检测电机转子的位置和转速。大磁场定向控制技术 磁场定向控制（向量控制）基本原理是在三相永磁同步电机上模拟直流电动机转矩控制规律，在磁场定向座标上，将电流矢量分量分解成产生磁通的励磁电流分量和产生转矩的转矩电流分量，并使两分量互相垂直，彼此独立，然後分别进行调节。交流电机的矢量控制使转矩和磁通的控制实现了解耦，控制转矩时不影响磁通的大小，控制磁通时不影响转矩，使交流电机控制与直流电机控制一样方便，且可获得与直流调速系统相媲美的动态特性。 为了使电机始终维持最大输出转矩，系统需要获得电机转子的瞬时位置和转速，通过将可测量的定子变量经过座标变换，变换到转子坐标系中，从而形成电流闭环，动态地跟踪电流的变化，再使用速度传感器形成速度闭环，最终实现电流、转速双闭环，获得优异的系统稳定性、快速响应性及控制精度。这些复杂的运算需借助高速数字信号处理晶片DSP来实现。 磁场定向控制的另一个好处是，通过力矩电流分量和磁通电流分量的分别控制，最佳分配电机的铜损和铁损，从而获得最佳系统效率。 电液伺服系统控制原理与算法 针对给定与反馈之间的误差，伺服驱动器的高速DSP运用各种控制算法，生成对伺服电机的控制信号，通过IGBT模块驱动伺服电机，实现对压力和转速的双闭环控制。 针对注塑机的特定应用，莱普乐自动化机械科技有限公司开发出一系列专用控制算法： A. 将现代非线性控制方法引入电机磁场定向控制算法，以消除磁阻电机参数的非线性影响，且对电机与控制器进行一体优化设计，实现永磁-磁阻伺服电机输出力矩的精确控制。 C. 由于系统在流量控制与压力控制模态之间频繁转换，采用模糊控制原理以实现流量和压力控制间的平滑转换。 D. 采用带压力补偿的流量控制，消除压力对流量估算精度的影响。 E. 采用滑模变结构等非线性控制方法，使系统快速响应并且超调小。 F. 采用弱磁控制算法，系统具有更好的高速特性、更宽的调速范围。 G. 负载参数自适应算法，使系统可以适配各种油泵。 H. 由於给定信号具有非线性特征，设计了给定校正算法，配合系统的优异低速控制特性，有效解决了注塑机的低速爬行问题。（二）目前主要节能方式传统、变频、电液方式节电比较 由于交流伺服具有杰出的速度、力矩控制特性，使伺服式油电混合节能注塑机在不同工作阶段都具备了变频系统所不具备的崭新特点，简述如下表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。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而且油压较大，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而且油压较大，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。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。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。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）传统、变频、电液注塑机各个工作阶段功耗曲线对比 对比可以看出相对于普通油压注塑机，伺服注塑机完全没有溢流，完全避免了这部分消耗的能量；而变频注塑机依然存在部分溢流，也就不可避免地造成了一定的能量浪费。同时相对于普通油压注塑机与变频注塑机，采用伺服系统对油泵进行控制时，除了上表中列出的节能特点外，由于伺服能快速响应所给定的控制信号，并且能够在速度控制和力矩控制之间灵活地切换以实现运动或油压的精确控制，所以工作周期也能有所缩短，注塑成品质量也明显提高。合理的供油量控制更减轻了冷却系统的负荷和功率损耗。3、 伺服节能改造后有性能提升效果明显：高效节能 Energy Saving 比改造之前，根据产品成型工艺，实现40%91.7%的节能率。提高重复精度 Ultimate Precision & Repeatability 闭环控制，保压性能更稳定，重复精度大幅度提高，提升产品质量。提高生产效率 Improve Productivity 响应时间仅需0.03S0.05S.,比改造前提升10%以上的生产效率。超级环保Environmental Protection 大幅降低整机运行噪音，降后声音分贝为34，低速运行更宁静。 延长机器寿命Long Operational Life 有效降低油温。增长液压油和油压配件的使用寿命。【参考文献】： 1、注塑机节能技术的工作原理及应用作者：王德金 来源：中国工控网发布时间：2009-12-09 2、注塑机随机技术手册： 3、莱普乐产品技术手册 4、莱普乐交流伺服电机技术手册 5、莱普乐注塑机改造技术指导培训书SETTIMA高压Datenblatt_Catalogo Continuum Pumps 1 2 (LowRes) 20101010111