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立式注塑機驅動(dòng)節能技術(shù)分析
注塑行業(yè)正面臨著(zhù)一個(gè)飛速發(fā)展的機遇,然而在注塑產(chǎn)品的成本構成中,電費占了相當的比例,依據立式注塑機設備工藝的需求,立式注塑機油泵馬達耗電占整個(gè)設備耗電量的比例高達50%~65%,因而設計與制造新一代“節能型”立式注塑機,就成為迫切需要關(guān)注和解決的問(wèn)題。
立式注塑機的電能消耗主要表現在以下幾個(gè)部分:液壓系統油泵的電能消耗;加熱器的電能消耗;循環(huán)冷卻水泵的電能消耗。立式注塑機的節能技術(shù),實(shí)際上主要包涵三個(gè)方面:一是節能注射成型技術(shù),二是節能的執行機構,三是節能的動(dòng)力驅動(dòng)系統。立式注塑機最主要的能耗即是動(dòng)力驅動(dòng)系統,立式注塑機節能的重點(diǎn)即是提高動(dòng)力驅動(dòng)系統本身的能耗效率及驅動(dòng)系統輸出功率與執行機構執行功率達到自適應調節匹配,兩者之間的能量利用率越高,即系統節能率越高,達到節省能源的功效。節能動(dòng)力驅動(dòng)系統是立式注塑機節能的主要研發(fā)課題。
1 立式注塑機動(dòng)力驅動(dòng)系統分析
動(dòng)力驅動(dòng)系統一般有以下三種:液壓驅動(dòng)系統、全電子驅動(dòng)系統和液電混合驅動(dòng)系統。液壓驅動(dòng)系統是立式注塑機泛使用的動(dòng)力驅動(dòng)系統,是節能動(dòng)力驅動(dòng)系統重點(diǎn)研究對象。從節能角度來(lái)說(shuō),全電子驅動(dòng)系統和電液混合驅動(dòng)系統是對液壓驅動(dòng)系統能量利用率不高的創(chuàng )新發(fā)展,是兩種理想的節能驅動(dòng)系統。長(cháng)期以來(lái),立式注塑機節能液壓系統是重點(diǎn)研究的節能動(dòng)力驅動(dòng)系統。
目前立式注塑機供油泵的驅動(dòng)主要有三種方式:普通電機加變量泵、變頻電機加定量泵和變頻電機加變量泵。變轉速控制的效率比變排量控制的效率高,而用變排量和變轉速復合控制的效率比變轉速控制的效率高。變轉速控制的響應比變排量的響應快。盡管異步電機的控制技術(shù)也日漸完善,但其自身的功率因數、效率以及發(fā)熱問(wèn)題始終無(wú)法克服。同步電機技術(shù)越來(lái)越成熟,制造成本上也與異步電機越來(lái)越接近,正在越來(lái)越多的場(chǎng)合取代異步電機。同步電機在立式注塑機上的應用將成為趨勢。
2 立式注塑機控制系統分析
立式注塑機控制系統=驅動(dòng)系統+電子控制器,立式注塑機的驅動(dòng)系統根據其控制的形式可以分為三類(lèi),即液壓控制式、電動(dòng)控制式與電動(dòng)/液壓復合控制。
2.1 采用泵供油復合控制閥調節的控制系統
采用定量泵供油,通過(guò)流量/壓力復合控制閥調節式的缺點(diǎn)在于以下幾點(diǎn):第一是控制精度不高。整個(gè)控制其實(shí)是一個(gè)開(kāi)關(guān)控制,由于開(kāi)關(guān)閥的啟閉有數十到數百毫秒的延時(shí),所以對注射位置、開(kāi)合模位置的控制精度不高,并且使運動(dòng)速度難以提高。第二是能源耗費大。采用P/Q閥后,雖然壓力可以隨著(zhù)工藝過(guò)程的不同而改變,但是定量泵所輸出的流量一定,而不同的工藝流程需要的流量不同,多余的流量就通過(guò)溢流閥,造成了很大的溢流損失,特別是在高壓、小流量的保壓過(guò)程時(shí)損耗更大。同時(shí),依靠流量閥的節流來(lái)獲得不同的流量,其節流損失也相當大。溢流損失及節流損失最終都體現在液壓油的發(fā)熱上,而立式注塑機液壓系統由于空間所限,油箱體積不能很大,必須配置油液的冷卻系統來(lái)保證液壓系統的正常工作。第三是噪聲大。高速運行的大功率電動(dòng)機與液壓泵噪聲很大,使得工作環(huán)境惡劣。
采用變量泵節能型液壓控制系統。在立式注塑機液壓控制系統中,其能量損失是由節流損失與溢流損失兩大部分組成的,節能的關(guān)鍵就在于減少這兩類(lèi)的損失。采用變量泵是一個(gè)很好的辦法。它通過(guò)調節泵的排量,從而使泵輸出的流量、壓力與系統的要求相適應,最大限度地減少液壓系統的溢流損失與節流損失,可以顯著(zhù)節能。采用比例變量泵系統的全液壓式立式注塑機是目前國內立式注塑機生產(chǎn)廠(chǎng)家的主流產(chǎn)品,技術(shù)比較成熟。采用變量泵的缺點(diǎn)在于變量泵價(jià)格昂貴、結構復雜、調試維護不易和易受油液污染的影響。若采用比例/伺服變量泵,價(jià)格要比定量泵貴得多,而且較易受到油液污染的影響。
2.2 采用電液伺服閥控制的控制系統
高速液壓控制系統對于一些需要快速運動(dòng)的回路,如開(kāi)合模、注射回路,采用電液伺服閥代替開(kāi)關(guān)閥,利用電液伺服閥的快速響應能力實(shí)現對運動(dòng)的高速、精確控制,可以對立式注塑機的流量與壓力形成閉環(huán)控制,獲得對位置的精確控制。它的缺點(diǎn)在于價(jià)格昂貴與抗油污能力差,這也是由于電液伺服閥本身的特點(diǎn)所決定的。大流量的電液伺服閥及其放大器均較昂貴,并且對液壓油的污染非常敏感,而立式注塑機的工作場(chǎng)合一般均較為惡劣,如果不能對液壓油的污染進(jìn)行控制,極易發(fā)生閥卡的故障。
2.3 變頻器節能型液壓控制系統
目前變頻液壓立式注塑機的動(dòng)力源主要有兩種變頻驅動(dòng)方式:一種為普通異步電動(dòng)機通過(guò)變頻調速與定量泵組成動(dòng)力源;另一種為用高響應的交流(AC)伺服電動(dòng)機驅動(dòng)定量泵作為動(dòng)力源。當采用AC伺服電動(dòng)機驅動(dòng)定量泵作為動(dòng)力源時(shí),電動(dòng)機成本較高,但AC伺服電動(dòng)機響應速度快、過(guò)載能力高,壓力和流量均可通過(guò)改變電動(dòng)機轉速來(lái)進(jìn)行閉環(huán)控制,適合于動(dòng)態(tài)響應要求高的場(chǎng)合。
采用變頻器控制普通的三相異步電動(dòng)機,從而驅動(dòng)定量液壓泵,通過(guò)變頻器改變電動(dòng)機的轉速,達到改變液壓泵輸出流量的目的。在國內,變頻液壓技術(shù)主要用于對原有立式注塑機液壓系統進(jìn)行改造。立式注塑機變頻調速存在的問(wèn)題:立式注塑機液壓系統必須嚴格按照注塑工藝要求提供所需的流量和壓力,并應具有較高的重復精度和靈敏度,否則將對制品的質(zhì)量有極大的影響。從目前國內外在立式注塑機上應用變頻液壓技術(shù)的研究結果看,尚存在諸如低速特性差,動(dòng)態(tài)響應慢,調速精度不易保證等問(wèn)題。
2.3.1 低速穩定性
在 立式注塑機液壓系統中,如果液壓泵的轉速過(guò)低,自吸能力下降,容易造成吸沒(méi)不充分而形成氣蝕,引起噪聲和流量脈動(dòng),影響速度的穩定性。二是低速過(guò)載能力差,特別是電動(dòng)機制動(dòng)時(shí)速度慢,不能很好滿(mǎn)足控制系統的要求。因此,油泵存在一個(gè)最低穩定轉速限制問(wèn)題,使得變頻液壓系統在小流量的狀態(tài)下節能效果并不理想。另外,低頻力矩不足和異步電動(dòng)機低頻運行時(shí)固有的不穩定性,電動(dòng)機轉動(dòng)部分與逆變器直流中間環(huán)節中濾波,貯能元件之間能量交換中產(chǎn)生的諧振現象,無(wú)功功率的影響等都是引起轉速不穩定的可能原因解決低速穩定性,可以從選擇低速性能好的泵和高性能變頻器或伺服控制器來(lái)考慮,但需要付出較高的成本,可以采用合理的控制結構和好的控制算法,通過(guò)軟件補償的辦法來(lái)優(yōu)化系統參數,提高系統的動(dòng)態(tài)品質(zhì)和低速穩定性,使變頻液壓系統滿(mǎn)足注塑工藝過(guò)程,達到預期的節能和系統優(yōu)化效果。
2.3.2 響應快速性
從立式注塑機的特點(diǎn)和注塑的工藝過(guò)程來(lái)看,需要系統的響應快,否則會(huì )影響注塑制品的質(zhì)量和生產(chǎn)效率,因此響應的快速性是立式注塑機驅動(dòng)控制系統的一個(gè)重要的性能指標之一。
變頻容積液壓控制系統是通過(guò)改變電動(dòng)機轉速來(lái)改變液壓系統的流量。由于一般的異步電動(dòng)機的轉動(dòng)慣量大于液壓泵的轉動(dòng)慣量以及由于變頻器的過(guò)載能力有限,影響了加速性能。因此一般變頻容積控制系統比傳統容積控制系統的響應要慢。在立式注塑機變頻液壓驅動(dòng)系統中選擇性能好的變頻器可以提高立式注塑機驅動(dòng)控制系統響應的快速性。在矢量型變頻器中,通過(guò)設定速度調節器的比例增益P和積分時(shí)間I,可以改變矢量控制的速度響應特性,這個(gè)速度響應特性直接影響到立式注塑機成型周期的快慢和執行動(dòng)作的力度.其調節的方法是既要加快響應特性,同時(shí)避免產(chǎn)生電動(dòng)機振蕩。另外采用高響應的交流伺服電動(dòng)機代替一般的異步電動(dòng)機,可以很大地提高響應速度,可使用在動(dòng)態(tài)響應高的注塑生產(chǎn)場(chǎng)合。當既要求大范圍調速,又要求響應速度較快時(shí),可采用綜合調速控制。既充分利用變轉速容積控制系統調速范圍大,節能效果顯著(zhù)的特點(diǎn),又保留閥控缸或閥控馬達響應快的優(yōu)點(diǎn),組成復合調速系統變頻系統交流電動(dòng)機速度在變頻器的控制下隨負載變化而變化,受磁滯效應及轉動(dòng)慣量的影響,響應速度慢(800~1000ms)。
2.3.3 控制精度
影響調速精度的一個(gè)主要原因是速度剛度。所謂速度剛度是指執行器的速度不隨負載變化的能力;另一個(gè)主要原因是系統的慢時(shí)變特性,如液壓系統中的油液溫度、油液黏性和泄漏量的大小等都會(huì )隨著(zhù)時(shí)間呈非線(xiàn)性變化,從而影響系統的輸出特性,影響調速精度。為消除或減弱負載對轉速的影響以及液壓系統的慢時(shí)變特性對系統輸出的影響,需要從兩個(gè)方面來(lái)考慮,一個(gè)方面是要確保電動(dòng)機轉速不隨負載變化而變化,另一個(gè)方面是要消除或減小液壓系統的慢時(shí)變特性對系統輸出的影響,對變頻器設定合適的轉矩補償和滑差補償,在負載變化時(shí)適當調節泵的(電動(dòng)機的)轉速,即可適度補償回路泄漏的流量,維持執行器轉速的穩定性,保證其速度剛度得以較大提高,符合注塑工藝過(guò)程和注塑產(chǎn)品所需要的控制精度。
2.4 全電動(dòng)控制系統
由于伺服電動(dòng)機在功率及響應方面均有較大的提高,且伺服控制器的功率及控制精度也有提高,即出現了驅動(dòng)部分采用伺服電動(dòng)機加滾珠絲桿傳動(dòng)方式的全電動(dòng)控制式立式注塑機。它特別適用于小型的高速精密立式注塑機。據統計,目前北美立式注塑機市場(chǎng)中有25%為全電動(dòng)立式注塑機。全電動(dòng)立式注塑機將成為注射機市場(chǎng)的主流。電動(dòng)控制式的優(yōu)點(diǎn)有四方面。第一是節能。全電動(dòng)控制式為目前最為節能的驅動(dòng)方式。它的電力消耗僅為液壓式的1/3左右,而且越是大型機,節能越明顯。第二是無(wú)污染。由于不使用液壓油,電動(dòng)式立式注塑機不需要冷卻液壓油的設備,節省了資源,無(wú)漏油、漏水現象,可以保持工作場(chǎng)地的清潔。第三是易于控制。電動(dòng)控制系統的可控性好,所以穩定性高,控制精度高。第四是成型周期短。與液壓式系統不同,它有多個(gè)驅動(dòng)電動(dòng)機,從而使各動(dòng)作相對獨立,可以實(shí)現部分動(dòng)作的復合動(dòng)作,縮短成型周期。缺點(diǎn)有:第一是價(jià)格昂貴。由于伺服電動(dòng)機及其驅動(dòng)器價(jià)格昂貴,目前全電動(dòng)式的要比液壓式的價(jià)格高約2~3成。第二是對環(huán)境要求高。全電動(dòng)式立式注塑機要求環(huán)境清潔,以保證其控制電路、電動(dòng)機等的正常運轉。第三是構成大型立式注塑機較困難。由于缺乏經(jīng)濟的大型伺服電動(dòng)機,全電動(dòng)立式注塑機的大型化受到限制。第四是受機械傳動(dòng)部件的限制。由于傳動(dòng)部分為機械傳動(dòng),磨損問(wèn)題較為突出,整機后期維修費用相對較高。
2.5 電動(dòng)/液壓復合控制式
電動(dòng)液壓復合控制式的優(yōu)點(diǎn)在于融合了全電動(dòng)與全液壓式兩者的優(yōu)點(diǎn),即可以利用液壓系統功率大的優(yōu)點(diǎn),又可以利用電動(dòng)系統節能、快速的特點(diǎn)。同時(shí)由于采用了多個(gè)驅動(dòng)器,也可以實(shí)現部分動(dòng)作的復合動(dòng)作,縮短成型周期。缺點(diǎn)在于結構較復雜,控制困難,要協(xié)調電動(dòng)與液壓兩個(gè)不同系統的工作。電動(dòng)-液壓式立式注塑機是集液壓和電驅動(dòng)于一體的新型立式注塑機,它融合了全液壓式立式注塑機的高性能和全電動(dòng)式的節能優(yōu)點(diǎn),這種電動(dòng)-液壓相結合的復合式立式注塑機已成為立式注塑機技術(shù)發(fā)展方向。
3 國內外發(fā)展情況及未來(lái)展望
應用變量泵與比例閥構成的負載感應系統,是電液控制中最基本的節能方法,已在國外的工程機械中被廣泛應用,不足的是仍存在與流量有關(guān)的能量損失;p/Q復合泵與變頻調速電機驅動(dòng)的定量泵均不存在任何節流量損失。相比之下,應用調頻電機加定量泵可進(jìn)一步減少空轉能耗及噪聲,更具競爭性,但應進(jìn)一步提高其動(dòng)態(tài)快速性。
伺服電機驅動(dòng)系統,由于伺服電機使用永久磁鐵結構,且由于轉矩及慣量的密切配合下,又在低慣量的轉子的配合下,免除了脈動(dòng)轉矩,在速度范圍內有著(zhù)良好的加減速度動(dòng)態(tài)反應特性。因轉矩是由感應式電流產(chǎn)生,具有完滿(mǎn)磁性分布之高密度磁通所生,在2000r/min速度范圍內,輸出高比例(可達到218倍)的額定轉矩情況下,能保持非常低的轉矩波動(dòng),在非常低的速度下也可有大的定轉矩區,達到衡定的流量輸出。轉速隨系統流量需求而改變,反應速度比伺服閥快01004s,液壓系統基本上不需冷卻水,對于保壓及冷卻時(shí)間長(cháng)的制品,節能可達80%。交流伺服電機的最高轉速可達4000r/min,從理論上講,與之相配的液壓泵的排量可根據最高轉速選擇,選用比一般系統中應用的更小排量的液壓泵,降低系統中應用液壓泵的成本。但目前一般液壓泵的最高轉速為1800r/min,同時(shí),考慮到液壓泵的高速工作噪音及使用壽命,選用液壓泵的工作轉速低于1800r/min、較大排量的液壓泵與伺服電機組成動(dòng)力驅動(dòng)系統,所以還不能充分發(fā)揮交流伺服電機能高速運轉的優(yōu)良特性,提高了驅動(dòng)系統的成本。高響應的交流伺服電機驅動(dòng)定量泵系統在立式注塑機上的推廣應用,有待于高速低噪音液壓泵的研發(fā),以降低制造成本。如單純從節能角度來(lái)推廣應用高響應的交流伺服電機驅動(dòng)定量泵系統,由于成本太高,達不到效果。如把高響應的交流伺服電機驅動(dòng)定量泵系統,應用于普通立式注塑機上,僅體現出節能效果,只能當展品,不能成為商品。應把伺服電機高速靈敏反應的特性與精密注射成型結合起來(lái),創(chuàng )新出一種新的高性能的注射成型,能對高端的塑料制品進(jìn)行特定加工,才能使之應用越來(lái)越廣。特別對電子類(lèi)薄壁產(chǎn)品注射成型,更顯示出高性能高精度注射成型的優(yōu)勢。
變量泵和電液比例閥結合的負載敏感泵節能控制系統,整個(gè)控制機構由差壓控制型徑向變量柱塞泵、含位置閉環(huán)的高速比例閥、以及壓力傳感器和位移傳感器組成,提高了動(dòng)態(tài)響應速度�？刂屏髁坑杀壤y與檢測變量泵偏心量的位移傳感器構成的位置閉環(huán)系統完成。通過(guò)壓力傳感器補償因泄漏造成的流量損失,使泵輸出的流量在0~10V內與設定值信號成線(xiàn)性比例�？刂葡到y壓力由比例閥與壓力傳感器構成的電閉環(huán)回路完成,壓力與流量?jì)煞N控制狀態(tài)的分離與轉換由電子放大器根據設定信號自動(dòng)完成。系統的輸出流量由0增大到90%時(shí),響應時(shí)間約為50ms;而由90%輸出流量減小為0時(shí),響應時(shí)間約為30ms,系統壓力的動(dòng)態(tài)響應時(shí)間當負載容腔為4L時(shí),小于200ms,均與高性能的比例閥相當,因而完全適合于立式注塑機的過(guò)程控制。負載敏感比例泵節能液壓系統,液壓動(dòng)力輸出隨負載而同步化,其差值達到最小,基本上沒(méi)有能量浪費,與定量系統相比,節能達到30%~60%,是理想的節能液壓系統。
全電動(dòng)驅動(dòng)系統,由于各個(gè)執行機構都有獨立的伺服電機驅動(dòng),能進(jìn)行復合動(dòng)作,電動(dòng)立式注塑機市場(chǎng)迅速發(fā)展,國內制造商目前仍只能提供樣機,開(kāi)發(fā)出的全電動(dòng)驅動(dòng)系統立式注塑機,注射成型的技術(shù)性能低國際上幾個(gè)擋次,體現不出全電動(dòng)驅動(dòng)系統立式注塑機的高性能的綜合技術(shù)優(yōu)勢。全電動(dòng)立式注塑機在國內的研究開(kāi)發(fā)起步較晚,伺服電機、專(zhuān)用控制器等核心技術(shù)還沒(méi)掌握,整體技術(shù)上與日本等先進(jìn)國家相比還存在著(zhù)較大的差距。技術(shù)與成本將是中國制造商開(kāi)發(fā)全電動(dòng)機面對的最大問(wèn)題。然而,即便克服了技術(shù)瓶頸,成功開(kāi)發(fā)出電動(dòng)式立式注塑機,成本高昂?jiǎn)?wèn)題仍將困擾著(zhù)歐美日以外的電動(dòng)式立式注塑機制造商。因為與歐美日相近甚至更高的零件成本、加上沒(méi)有特色的控制系統,難以說(shuō)服客戶(hù)采用國內制造的電動(dòng)式立式注塑機。
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