节能型伺服注塑机设计

    1  节能原理分析和讨论 

    普通异步电动机拖动的液压式塑机, 只要塑机开始工作, 作为驱动系统的电机和液压泵就会满负荷地不停运转, 期间大量的液压油会通过溢流阀流回油箱, 从而作大量的无用功, 根据有关资料统计和检测, 这些无用功占到总能耗的60 %～70 %。同时,液压系统中的液压油在流经泵、阀和管道时, 会产生大量热量, 导致油温升高, 而油温过高将影响液压系统的正常工作; 因此, 需要通过油冷却器将液压油的热量带出, 从而消耗了大量能量。

    注塑机的理想工作曲线如图1 所示。塑机的实际工作流量和压力曲线并不能达到图1 所示的理想效果。普通异步电动机拖动的液压式塑机塑料制品的典型工作曲线是流量和压力随时间的关系几乎不变化的。好的塑机只有保证流量和压力曲线非常接近理想的曲线, 才能使制品的质量得以保证, 塑机的工作效率也才有可能很高。如果注塑机的实际流量和压力能满足图1 的变化关系, 则从图1 计算得出节能效果为56 %。图1 中制品注塑的平均压力为8 MPa , 驱动器平均功率为11 kW, 一天工作16 h , 每天耗电176 kW·h ; 如节能56 % , 即每天节能9816 kW·h , 则每天节约100 元。一年工作250 d , 节省费用达25 000 元。

a - 压力- 时间的理想曲线

b - 流量- 时间的理想曲线

图1  注塑机生产典型塑料制品的理想流量- 时间和压力- 时间曲线

    2  节能型伺服注塑机设计 

    影响注塑机节能性的因素主要有三项: 

    1） 流量设定与马达转速的线性（即控制器及其转接器输出信号的线性） 。线性越好, 节能效果越好。

    2） 控制系统的响应速度。控制系统的速度响应越快, 节能效果越好, 加工效率越高; 控制系统的力矩（电流） 响应越快, 制品品质越好。因此, AC 伺服系统较变频器驱动好。

    3） 驱动单元的控制方式和选用。变频器的矢量控制的低速力矩特性比V/ F 控制得好, 矢量控制低速可输出150 %的额定力矩, 其制品质量好; 带PG反馈的矢量控制的动态速降小, 动态速降的恢复时间短, 其制品质量更好; 伺服系统零速可输出200 %的额定力矩, 动态速降更小。采用伺服系统驱动的节能型注塑机, 其节能效果, 效率zui高, 制品质量。

    根据上面的分析和讨论, 提出了节能型伺服注塑机总体设计方案, 其设计原理如图2 所示。驱动系统采用以交流永磁伺服同步电机为动力源的电液混合式驱动系统。节能型注塑机控制系统主要由电脑控制器及其输出信号转接器、驱动器、伺服电机和油泵组成。

    图2  节能型伺服注塑机原理图

    2.1  驱动系统设计 

    采用交流同步伺服控制器和永磁式同步伺服马达作为控制主核心的驱动系统。

    永磁式同步伺服马达由定子、转子、高精度反馈元件（如光电编码器等） 组成。采用高性能稀土永磁材料形成气隙磁场具有如下优点: 结构紧凑, 功率密度高; 转子惯量小, 响应速度极快; 超高矫顽力稀土永磁; 抗去磁能力强; 几乎在整个转速范围内可恒转矩输出; 低速转矩脉动小; 平衡精度高, 高速运行平稳; 噪音低、振动小; 全密封设计; 性价比高。

    交流同步伺服驱动器采用DSP （数字信号处理器） 芯片, 大大加快了数据的采集与处理速度, 使电机运行性能良好; 应用大规模门阵列电路, 使产品具有很高的可靠性; 使用的功率器件IPM, 使驱动器体积大为减小; 控制方式具有开放式功能。

    系统特性如下: 流量与马达转速曲线线性好; 空载电流3～5 A ; 空载和和满载（14 MPa） 响应时间小于180 ms。

    2.2  控制系统设计 

    整机控制系统采用全数字控制, 使可控性好, 可靠性高。硬件设计: 人机界面、逻辑控制器、运动中心、伺服驱动、温度控制和传感器; 软件控制: 通讯软件公用模块设计、DSP 芯片处理。

    2.3  注塑机结构设计 

    在原有普通液压注塑机的基础上, 对机械部分作了相应的改动设计, 使结构紧凑实用, 从而有效提高了机械部件的刚性, 降低了惯性, 确保伺服电机的有效能可以充分发挥。

    3  能耗对比实验

    3.1  实验数据 

    1） 在不同转速之下逐步上升压力, 检测马达的实际电流值。图3 为马达转速为100～1 300 r/ min 时实测的马达的电流随压力变化的曲线。