基于液压泵伺服驱动的注塑机节能技术研究.pdf

研 究与 基于液压泵伺服驱动的注塑机节能技术研究 张 涛 ，李斌礼 ，李子玉 广东伊之 密精 密机械有 限公 司， 广 东顺德 5 2 8 3 0 6 机新型 的液 压泵伺服驱动及控制新技 术 。采用交流永磁 同步伺 服电机驱动液压油 泵作为注塑机的驱动及控制 能 、动态 响应快 、压力控制稳定 、低 速性 能优 良等性能提 升。通过实际试验 和应用 ，新 术进 步和控 制精度 提高具 有重要 作用 。 能技术 ；液压泵伺服驱动 中图分类号 T Q 3 2 0 ． 5 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 9 - 9 4 9 2 2 0 1 0 0 8 - 0 0 7 3 - 0 3 l 引言 液压驱动和控制系统是液压 驱动型注 塑机 的重要组成 部分 ．液压驱动型注塑机节能技 术的主要研 究领域集 中围 绕液压驱动和控制技术 的主题 展开 。从 2 O世纪 9 0年代末 期开始 ．国产注塑机液压系统从 传统的定量 泵及流量压 力 比例控制系统开始升级为负载 敏感型 比例变量 泵系统 ．应 用 领域从 小型 注塑机 不断 延伸 ，逐 步扩展 到合 模力 2 6 0 0 吨以上 的大 型注塑机 ．基于负载敏感 型 比例变量泵 系统 的 注塑机 由于系统输 出的压力流量与负 载驱动控制 的要求趋 于一致 ，机 器耗 电量 显著降低 ，对 于不同的塑料制 品的注 射 成型可 减少耗 电 2 0 ％一 6 0 ％ ，标准制 品每 千克质 量 的耗 电量可 以控制在 0 ． 5 5 k Wh ／ k g以 内。 近 几年 ，随着 市场对 注 塑机 节能 技术 的要求 日益 提 升 ．注塑机行业研究开发和应用节 能技术 的领域进 一步拓 展 ，液 压泵伺 服驱 动 和控制 技 术 、料 筒 电磁 感应 加 热技 术 、拉 伸流变塑化和输送技术是这些 新的节能技 术的主要 方 向．其 中新型 的液压泵伺 服驱动和控制 系统的技术研 究 和应 用尤 为广泛 ，通 过大 量 的研究 试 验和 应用 效果 的 检 测 ．采用液压泵伺服驱动及控 制技术实现 了液压驱动注 塑 机节能技术新 的进步 ．成 为当前注塑机和 其他塑料机械 节 能技术进步的主要方法 。 2系统构成及 工作原 理 2 ． 1 注塑 生产 工艺 流程 注塑是一种注射兼模 塑的成型方法 。其过 程是将塑料 的粒 料或粉 料 置人注 塑机 料筒 内 ，经 过输 送 、压缩 、剪 切 、拉伸 、混合 、加热等作用 。使 物料 熔融和均化 ，然后 收稿 日期 2 0 1 0 0 7 2 1 再借 助 于柱塞 或螺 杆 向融化 好 的聚 合物熔 体施 加 注射 压 力 ，经过喷嘴 和模具 浇道系统注入 锁好 的低温模具 中 ，再 经过保压冷却 、定 型 、开启 、顶 出便得 到具有一定 几何 形 状和精度的塑料制品 ⋯。上述注塑成 型周期 动作 流程图如 图 1所 示 。 合模一 注射一保压一熔胶 冷却 一 开模顶出一顶退 下一周期 图 1 注塑成型周期动作流程图 2 ． 2注塑 机的 液压 泵伺 服驱 动和 控 制 系统 构成 注塑机液压泵伺服驱 动系统原理 图如图 2所示 。注 塑 机液压泵伺服驱动 和控制 系统主要 由交 流永磁 同步伺服 电 罔 2 注塑机液压泵伺服驱动系统原理图 方 向阀 机 、伺服驱动器 、液压油泵 、压力 传感 器 、编码器或旋转 变压器构成。这种系统提供 了注塑机驱 动及控制系统 的新 概念 ，能够接近全 电动注塑机的节能水平 ] 。 系统 T作 时 ，注塑机整机控制器将 机器 动作的速度和 压力的设定值转换为模拟信号或数字信 号输 出至伺服驱动 器 ．伺服驱动器按指令信号要求驱动伺服 电机带动液压油 泵工作 ．机器动作的速度和压力控制要求 。与伺服电机 的 转速控制和转矩控制对应。在注塑成 型工艺 过程 中，高压 锁模 和保压过程需要进行压力控制 ，其 它动 作过程均为速 度控制。进行压力控制时 ，伺服驱动器按机 器控制器给 出 的压力控制信号驱动伺服电机进行转矩控制 ，安装在液压 油泵 出 口的压力 传感 器 P H在线 实时 检测 系统压 力输 出 。 检测信号反馈给伺服驱动器 ，与机器控 制器给定信号进行 比较 ，对偏差即时修正。进行速度控制 时 ，伺服驱动器按 机器控制器给出的速度控制信号驱 动伺 服电机进行转速控 制 ，安装在伺服 电机轴端 的编码器或旋 转变压 器 P G在线 实时检测伺服电机工作转角变化 ，检测 信号 反馈给伺服驱 动器进行运算 ，与机器控制器给定信号进行 比较 ，对偏差 即时修正 。 3系统配置研究 、应用实验及结果分析 对液压泵伺服 驱动和控制技术进行研究 开发和应用实 验 ．主要针对不同规格机器 、不 同塑料 原料 、不 同制 品进 行系统设计和分析对 比测试 ，并对 系统 节电性能 、响应速 度 、压力控 制精度 、低速控制 等性能指标 进行测 试分析 。 在此基础上 ．对系统配置技术和控制方 法不断进行改进 和 完善。液压泵伺服驱动和控制 系统在 注塑机上的使用范 围 和数量 日趋增加 ．广东伊之密精密机械 有限公司在合模力 3 0吨 2 6 0 0吨的机器上均有应用 ，2 0 0 9年 出厂的机器 中有 3 0 ％使用 了液压泵伺服驱动 和控 制系统 ，2 0 1 0年生产计划 中．相应比例提 到 4 5 ％。 3 ． 1节能效 果及 其影 响 因素 由于伺服电机本身的能量转换效率 较高 、系统流量压 力输出与负载需求趋于一致 、机器处 于制品冷却工艺环节 时伺服电机可停止转动等 因素 ，采用 液压泵伺服驱动 和控 制技术 使注塑机节 电性能 明显 提高 ，与变量 泵机器相 比， 可节电 2 0 ％ 5 0 ％，与定量泵机器相 比，可节 电 3 0 ％ 6 0 ％， 具体节 电效果与不 同产品成型 工艺 、塑料材料性能 、系统 配 置 方 案 相 关 。 节 电性能在不同厂家生产 的伺 服电机和驱动控制 系统 之 间存 在差异 。伺服 电机转 动惯量 和效率存 在一定 差异 ， 驱动器制动回路的设计导致节能效果存在差异。 配置的液压泵的种类对液 压泵伺服驱动 和控制 系统节 电性能有直接影 响。定量齿轮 泵 、定量柱塞泵 、定量 螺杆 泵 、双排量柱塞泵在 不同的系统中都有应用 ，其 中以双排 量柱塞泵 系统 的节电效果最好 。图 3是配置 了双排 量柱塞 泵 系统 的注 塑机保压 时大 小排 量扭矩变化测试 图 ，可见使 用 双排量柱 塞泵 可以在保 压状 态以小排量输 出 ，同样保压 压 力情 况下 ，伺 服电机驱动扭 矩可降低 5 0 ％，功率 消耗 相 应 降低 。 ⋯ ‘ 强咧谊 压刊反馈 1 7 o a r ⋯j ⋯ ⋯． ⋯ ＼ ‘ ‘ ＼ 麟 一一 啊 曩 瓣 ＼ ； ▲ 照5 8 ％ ● ● ● ● l 0 互相导 ’ M叩 1 - j ● - ● ● 2 5 图 3 大小排量变化扭矩测试图 3 ． 2响 应速 度及 其影 响因素 响应速度快是液压泵伺 服驱动和控制系统 的技术优 势 之 一 ．使机器 成型精密制 品的能力 和运行效 率得到提 升 。 实验数据表 明，系统 达到最快 速度和最高工作压力 的响应 时间在 4 0 m s ～ 6 0 ms 范围内 ，而相 同规格变量泵系统 的响应 时间在 7 0 ms ～ 1 2 0 m s 。高频响伺 服 阀的响应 时 间在 2 5 m s ～ 4 0 m s 。图 4 U N 9 0 S M2液压泵伺 服系统 压力 响应 曲线是进 行速度响应时间的测试结果 。 ⋯。。r⋯ ⋯⋯⋯ 毓 r ／ n - Be k 0 ． 1 ． 2 图 4 U N 9 0 S M 2液压泵伺服系统速度 响应 曲线 提高响应速度的主要影响因素是 系统 配置的液压泵的 排量和伺服电机的最高转速 。相 同规格 的机 器配置的液压 泵排量越大 ．电机最大工作转速越低 ，系统 的响应速度越 快。 3 ． 3压力控制精度及其影响因素 在注塑机保压及高压锁模的工艺环节 ，机器需要进行 压力控制 ，系统进 行压力控制时 ，伺 服电机转速低 至 2 0 ～ 1 5 0 r ／ m i n ．低转速工 作条件下 ，压 力波动较大 。实际测试 发现 ．不 同系统 的压 力控 制精度 相差 较大 。图 5是 日本 研究 与 Y U K E N产 A S R系统的压力测 试曲线 。图 6是 国产液压 泵 伺服系统的压力 测试 曲线 。 图 5 日本 Y U K E N A S R系统压力测试 曲线 目 标压力一 f 实际压力 _ - I 一一 j 图 6 国产液压泵伺 服系统压 力测试 曲线 压力控制精度的影响 因素 主要有 压力传感 器的检测 精度 ，液 压泵 的容积 效率 ，伺 服 系统 的闭 环转 矩控 制精 度 ，以及机器液压油缸 的密封性能 。 4系统应用 中的几个 问题 4 ． 1 液压 油的 温度控 制 油 温 的 稳 定 性 是 采 用 液 压 驱 动 注 塑 机 能 否 稳 定 运 行 的 一 个重要影响因素 。常规普通 注塑机的油温控 制通常为开 环控 制 ，油温 波动相对 较大 ，一般波 动范 围在 5 ℃～ 1 0 ℃。 昼夜温差较 大的地 区 ，波 动范围更大 。油温的波动使液 压 油 的粘度发生较大变 化 ，从 而影响机器 的运行速度。 液压泵伺服驱动系统 中 ，速度控制 的变 量是伺服 电机 的转速 ，在油 泵排量 不 变的情 况下 ，实现 转速 的精 确控 制 ，即可 以满足机器速度 的控 制要求 。如果 同时采用闭环 的油温控制系统 ，可 以使液压油温度 波动范围缩小至 l ℃． ． 3 C ，机器的速度控制精 度和稳定性相应提 高。 4 ． 2多 系统组 合控 制 在合模力超过 6 0 O吨 的大 吨位注塑机领 域 。液压泵伺 服 驱动系统 的应用受 到大功率伺 服 电机及驱 动器 的限制 。 一 方面 ．大功率伺服 电机及 驱动器 的成本很高 ，客 户很 难 接受 另一方面 ，大 吨位机器如果采用 单组液压泵伺 服驱 动和控制系统 ．伺 服电机和油泵 的转 动惯量增加 ，系统 的 响应速度下降 。实验 结果表明 ，在合 模力超过 6 0 0吨的大 吨位机器 中，采用 多组液压泵伺服驱 动和控制 系统效果 较 好 。 4 ． 3定 量泵 及 双排量 泵 在 目前 工业 化应用 的液压 泵伺服系统 中 ．配套的液压 泵主要 有两类 即定量泵 和双排量泵 ，定量 泵包括 内啮合 齿轮泵和螺杆泵 。双排量泵是 指双排量柱 塞泵。这两类泵 的主要性能指标 如表 1 。 表 1 几种用于伺服系统液压泵性能对 比表 稳定最 低速度 晟大工 作压力 噪音 能耗 类别 容积效 率 m／ s liP a d B k _ h 双捧量柱塞泵 9 9 96 1 ． 5 2 1 6 5 2 ． 8 5 定捧量螺杆泵 9 6 ％ 5 2 7 5 9 3 ． 2 3 定捧量内啮合齿轮泵 9 6 ％ 3 3 1 6 3 3 ． 2 l 说 明 1 能耗指 标是 按上 述三 种排 量均 为 4 5 c c ／ r 的液压泵配套 同一伺服系统进行 对比测试 的结果 ； 2 稳 定最低速度指注射速度。 5结论 1 通过对 多种 液压泵伺服 系统的性能测试 实验 ，可 以说 明，伺 服泵系统对于降低注塑 机能耗 ，提高 系统响应 速度和压力 控制精 度 ，具 有明显 的技术 优势 。可 以预 见 ， 未来几年 ．新的系统将取代 注塑机现在 配置的定量泵 系统 和变量泵 系统 ，成 为主流配置方案 。 2 系统配置双排量柱塞 泵 ，可 以获得 更好 的节能效 果 ，且压力控 制更稳定 。 3 6 0 0吨 以上 大型注 塑机采用 多液压泵伺 服驱动组 合控制系统综 合效 果较好 。 4 采用闭环油温控制 系统 ，有助 于提 高液压泵伺服 系 统 的控 制精 度 。 参考文献 [ 1 ]王 兴天．注塑 工 艺与设备[ M]．北 京 化 学 工业 出版社 。 2 0 09 ． [ 2 ]K e n ie h i T AK A K U，Hi r o k a z u HI D E，K o i c h i O B A ．A p p l i c a t i o n o f t h e ‘‘ As r S e r i e s ” AC S e r v o Mo t o r Driv e n Hy d e a u l i c P u mp t o I n j e c t i o n Mo l d i n g Ma c h i n e s[ A] ．P r o c e e d i n g s o f the 7 t h J F P S i n t e rna t io n a l S y mp o s i u m o n F l u i d P o w e r[ C】． 2 0O 8 第一作者简介 张涛 ，男 ，1 9 6 8年生 ，黑龙江人 ，硕士 ，工 程 师。研 究领域 魍料机械。已发表论文 3篇。 编辑 向 飞