注塑机交流伺服电动机驱动液压泵系统的应用及设计研究.pdf

Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l s ／ No ． 1 2 ． 2 0 1 0 注塑机交流伺服 电动机 驱动液压泵系统的应用及设计研究 张友根 宁波 海达 塑 料机 械有 限公 司 ， 浙 江宁 波3 1 5 2 0 0 摘 要 交流伺服电动机驱动液压泵系统具备节能高效 的特性 ， 越来越广泛使用于注塑机。研究了交流伺服 电动机 与六 种不同类型的 泵组合 的动力驱动源 的性能特点及应用 范围 ； 研究 了交流伺服 电动机驱动液压泵系统与整机性能设计之 间的特 点 ； 研究 了交 流伺 服电 动机驱 动液压泵 系统 与三相交 流异 步电动机驱动液压泵系统之间的注射性能的不同点。根据交流伺服电动机是一个多 变量 、 强耦合 、 非线性 、 变参数的特点 ， 开 发现代非线性控制 方法 应用 于注塑机上的研究 ， 是提高注射成型控制性能的迫切需要解决的课题。 根据注射 成形特点 ， 开发交流伺服控制器的控制性能。举例说明 了交流伺服 电动机驱动液压泵系统设计应用及需注意的问题 。 关键词 注塑机 ； 交流伺服系统 ； 液压泵 ； 节能 ； 性能 ； 设计 ； 应用 ； 研究 中图分类号 T H1 3 7 ． 9 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 0 1 2 0 0 1 5 1 0 Ap p l i c a t i o n a nd D e s i g n S t u a y f o r AC S e r v o M o t o r D r i v e n Hy d r a u h c P u mp S y s t e m o f I n j e c t i o n Mo l d i n g Ma c h i n e ZHANG Yo u- g e n H a i d a N i n g b o P l a s t i c Ma c h i n e r y C o ． ，L t d ． ，N i n g b o 3 1 5 2 0 0 Ab s t r a c t T h e AC s e r v o mo t o r d ri v e n h y d r a u l i c p u mp s y s t e m h a s t h e e n e r g y c o n s e r v a t i o n h i g h l y e f f e c t i v e c h a r a c t e ri s t i c ， mo r e a n d mo r e w i d e s p r e a d u s e i n i n j e c t i o n mo l d i n g m a c h i n e ． H a s s t u d i e d t h e A C s e r v o e l e c t ri c a l m a c h i n e r y t h e p o w e r d ri v e s o u r c e p e r f o r m a n c e c h a r a c t e ris t i c wh i c h a n d t h e a p p l i c a t i o n s c o p e c o mb i n e s w i t h s i x d i f f e r e n t t y p e s p u mp s ； Ha s s t u d i e d t h e AC s e lwo mo t o r d ri v e n h y d r a u l i c p u mp s y s t e m a n d b e t w e e n t h e c o mp l e t e ma c h i n e p e rf o r ma n c e d e s i g n c h a r a c t e ri s t i c Ha s s t u d i e d t h e AC s e r v o mo t o r d riv e n h y d r a u l i c p u mp s y s t e m a n d t h e t h r e e p h a s e A C a s y n c h r o n o u s ma c h i n e a c t u a t e s b e t w e e n t h e h y d r a u l i c p u m p s y s t e m s i n j e c t i o n p e rf o rma n c e d i v e r s i t y ． Ac c o r d i n g t o t h e AC s e r v o e l e c t ri c a l ma c h i n e ry i s mu h i v a r i a b l e ， t h e c l o s e c o u p l i n g ， t h e mi s a l i g n me n t ， t h e v a r i a b l e e l e me n t c h a r a c t e ri s t i c ，t h e d e v e l o p m e n t m o d e r n mi s a l i g n me n t c o n t r o l m e t h o d a p p l i e s o n i n j e c t i o n mo l d i n g ma c h i n e S r e s e a r c h ， e n h a n c e s t h e t o p i c w h i c h t h e i n j e c t i o n m o l d i n g c o n t r o l p e r f o r ma n c e u r g e n t n e e d s t o s o l v e ．A c c o r d i n g t o i n j e c t i o n f o rm i n g c h ara c t e ri s t i c ，d e v e l o p m e n t t h e AC s e rvo c o n t r o l l e r s c o n t r o l p e rf o r ma n c e ． Ha s e x p l a i n e d wi t h e x a mp l e s t h e q u e s t i o n w h i c h t h e e x c h a n g e s e rvo mo t o r d ri v e n h y d r a u l i c p u mp s y s t e m d e s i g n a p p l i c a t i o n a n d mu s t p a y a t t e n t i o n ． K e y Wo r d s i n j e c t i o n mo l d i n g m a c h i n e ；AC s e rvo m e c h a n i s m ；h y d r a u l i c p u m p ；e n e r gy c o n s e r v a t i o n ；p e rf o r ma n c e ；d e s i g n ； u s i n g ； s t u d y O 前 言 交流伺服电动机驱动液压泵系统应用于注塑机是 近年发展的一种先进的高性能及高效节能系统 。越来 越广泛使用于注塑机。尽管异步电动机的控制技术也 日渐完 善 ， 但 其 自身 的 功 率 因数 、 效 率 以及发 热 问题 始 终无法克服 。交流伺服电动机技术越来越成熟 ， 制造成 本 上也 与 异 步 电动 机越 来 越 接 近 ．正 在 越来 越 多 的 场 合取代异步电动机。三相异步电动机驱动液压泵的液 压 动力 驱动 改 型 为交 流 永 磁 同步 伺 服 电 动机 驱 动 液压 泵 的动力 驱动 ， 是 一个 必然 的 技术 发展 趋 势 。实 际应用 收稿 日期 2 0 1 0 0 4 2 2 作者简介 张友根 1 9 5 7 一 ， 男 ， 教授级 高工 。1 9 8 2年毕业于上海交通大学。 主要从事塑料机械产品开发工作。1 9 9 4年起享受国务院政府特殊津贴 。 中，由于对交流伺服电动机驱动液压泵系统的特性认 识不足 ， 性能开发不够 ， 应用中出现一些 问题 ， 影响 了 交流伺服电动机驱动液压泵系统性能的发挥和推广应 用 。本文根据作者对注塑机节能 的液压动力驱动系统 开 发 研 究 的 一些 成 果 ， 进 行 进 一 步 的探 讨 ． 并 对 注 塑 机 节 能液 压 动力 驱动 系统 的科 技进 步， 提 出作 者 的一 些 观 点 。 1 交 流伺 服 电动机驱动液压泵 系统应用 于注塑机 的性 能特点 1 ． 1 提 高注 射成 形性 能 交 流 伺 服 电动 机 驱 动液 压 泵 系统 是 一种 高 性 能 的 伺服变速动力控制系统 。体现在注塑机方面的主要性 1 5 液 压 气 动 与 密 封 ／ 2 0 1 0年 第 1 2期 能特点是 ① 比异步电动机 的调速范围更宽。惯量小 ， 电动 机加 减速 的 动态 相应 时 间短 ，提 高 了成形 速 度及 压力变化的灵敏度。②交流伺服电动机正弦波控制， 转 矩 脉 动 小 ， 运 行平 稳 ， 噪声 小 ， 与低 噪声 液 压 泵组 成 一 个低噪声泵源系统。③在极低频率下也能旋转运行 ， 提 高了注射成形的低塑性能及低速稳定性 。④交流伺服 电动机与直流伺服电动机相 比， 它没有机械换 向器 ， 特 别是 它 没有 了碳 刷 ，完全 排 除 了换 向时 产生 火 花对 机 械造成的磨损 ， 工作可靠 ， 对维护和保养要求低。⑤ 能 承受三倍于额定转矩的负载 ，对有瞬问负载波动和要 求快速起动的场合特别适用。⑥实现 了位置 、 速度和力 矩的闭环控制。⑦伺服 电动机是一个典型闭环反馈系 统 ， 达到精确定位。速度 、 力矩控制灵活切换 、 平滑 ， 减 轻开、 锁模 冲击 ， 延长液压泵 、 机械和模具使用寿命。⑧ 实 现伺 服 电动 机对 注塑 机 能量需 求 的最 佳 匹 配和 自动 调整。⑨ 响应迅捷 ， 0 ～ 1 0 0 ％速度 ， 升 、 降速 时间 ≤0 ． 1 s ； 0 ～ 1 0 0 ％压力 ， 变 化时 间约 为 2 0 m s 。解 决 了变频 调节 技 术通过调节液压泵 的转速 ， 响应速度 慢的性能， 同时由 于其本身的运转的特性提高了电能的利用效率。 1 ． 2 高效 节能 节 能 的本 质在 于减 少 浪 费。 交流伺 服 电 动机 在很 宽的负载范围内保持接近于 1的功率因数， 效率同比同 容量的异步电动机高 8 ％，功率密度同比同容量的异步 电动机高 5 ％， 力能指标提高 1 8 ％。失去控制电压 ， 在负 载力矩和制动力矩的作用下使转子迅速停 止。实现了 伺服电动机在注射成形冷却阶段的零转速 、 零能耗 ， 降 低液 压油 温 ，减 少冷 却水 的使 用 场合 甚 至完 全不 需 水 冷 。在 待机状 态时 也具有 显著 的节 能 ， 异步 电动 机驱 动 变量 泵在 待机 状态 时 是恒 速转 动但 没 有流 量 的 ，但 在 一 台 l 1 k w 的注塑机 上测 出电动机 的 电流是 7 A， 对 1 1 k W 电动机 的 2 4 A额定 电流是一个大的比例 2 9 ％ 。 伺服电动机驱动变量泵在待机状态时是不转动 的， 虚 耗的只是伺服电动机 电子 驱动器的能量 ， 以 1 l k W 伺 服 电动 机为 例 ， 电流 不 到 l A。交 流 伺 服 电动 机驱 动 液 压泵 系统 ， 比异 步 电动机 定量 泵节 电 3 0 ％～ 8 0 ％ ， 比异 步电动机 变量泵节电 3 O ％～ 5 0 ％r 1 。 2 交流伺服 电动机驱动液压泵系统型式 的研 究 注塑机主动力源 、液压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 。注 塑机 伺 服 电动 机驱动 的液压泵 的高性能要求主要是[2 1 13 ] ①液压泵的 动态性 能 良好 ，即转 速要 在 非常 短 的时 问 内从 最 低 速 启动到最高速 ，同样在最短时间内从最高转速降到很 T 6 低的转速， 并且过程越短越好。②液压泵在高低速转换 的过程中脉动越少越好 ， 低速内泄量小。③低 噪声 、 高 效 、 高寿命 。④液压泵运转噪声不影响环境噪声。注塑 机液压动力源的最大问题是噪声， 噪声随着液压泵的转 速提 高而增强，特别是伺服电动机驱动的液压泵系统， 为充分发挥其伺服电动机的高速运转的性能， 提高性价 比，液压泵 的额定转速需达到 2 5 0 0 r ／ rai n ，甚至于达到 4 0 0 0 r ／ m i n ， 在这 种 工 况 下， 液 压泵 的高 速噪 声 问题 显 的 特别突出。低 高速之间 、 高低压之间、 停开之 间的频繁 转换， 直接关系液压泵的使用寿命， 所以需选用高寿命 的液压 泵 。 目前适用于伺服 系统的液压泵主要有齿轮泵 、 柱 塞泵和螺杆泵 特性各有不同 ， 根据注射成型的要求 。 伺服系统适配液压泵 。 并优化参数设置 。 2 ． 1 交流 伺服 电动机驱 动螺 杆泵 系统 螺杆泵利用螺杆之间转动啮合 ， 形成连续的吸油、 排油 ， 无 流量 的脉 动 ， 压 力 脉动 量 小于 1 ％， 油压 控制 最 精确 ， 低噪声。可以低速 ， 对油质的黏稠度要求也不高。 高速运转可达 3 0 0 0 r ／ rai n ， 噪声很低 。 寿命长。螺杆泵容 积效率较齿轮泵低 ， 节能效果高于齿轮泵系统， 低于变 量柱塞泵系统。低速运转时泄漏量同比于其它泵较大 。 降低了能量利用率 。螺杆泵伺服系统的控制精度及 响 应速度与各种定量泵或开环变量泵系统相 同。意大利 S E q q I MA T I P O S A E B ～ T系列螺杆泵应用于伺服 电 动机驱动系统上 ， 取得很好的低噪声运转效果 。 2 ． 2交流伺 服 电动机驱 动 内啮合齿 轮泵 系统 内啮 合齿 轮泵 利 用 啮合 内齿 轮转 动 所形 成 的负 压 腔和挤压腔实现吸油和排油 ，由于一对齿面的脱开和 下 一对 齿 面 的啮合 具 有一 定周 期 ，所 以排 油 有一 定 的 脉动， 流量脉动在 1 ％一 3 ％。 随之压力有一定波动。齿轮 泵是两个点 固定支撑的， 不存在转动惯性的问题， 高速 性能好 ， 更能适应 2 0 0 0 r ／ m i n以上高速运转 ， 低速性能 比柱塞泵差 ； 流量脉动小， 容积效率比柱塞泵约低 5 ％， 高于 螺杆 泵 容积 效率 加 工精 度 非 常容 易控 制 ． 并 且 运 转磨损小 ， 使用寿命长 ； 齿轮泵的结构也有好机种， 总的 说， 性能随结构不同而有所差别。 高速运转时噪声低。 日 本住友精密工业株式会社的 Q T系列齿轮泵 。Q T系列 齿轮泵是 内啮合齿轮泵， 采用了特殊 的三角型使啮合的 容积变 的非常小， 压力脉动仅 0 ． 2 MP a ， 噪声基本上与运 转速度及负荷无关， 在 6 0 d B左右， 由于压力脉动小， 让人 感觉不到泵的运转声 ； 内部结构简洁， 对滑动面进行强 制润滑， 零件之间没有直接接触， 在运转初期约 2 0 0 h抱 合后， 以后几乎不会发生磨损，能够长期保持 9 6 ％的 容 积效率 。 Hv d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l s ／ No ． 1 2 ． 2 0 1 0 2 ． 3 交流 伺服 电动机 驱动柱 塞 定量 泵 系统 柱 塞定 量 泵 利用 配 流 盘 的倾 斜 ，使 各 缸 体 活塞 做 往复 运动 实现 吸 油和排 油 。容 积效 率 在 9 5 ％左 右 ， 构造 精密 ，对 油污 的染 敏感 度 不高 。系统 的输 出流量 从 0 ～ 1 0 0 ％全 流量 仅需 7 0 ～ l O O ms ． 压 力及 流量 上 升时 间快 至 3 0 m s ． 压 力脉 动 低 于- 0 ． 0 5 MP a ， 这 些 特性 应 用 于 注射 成 形上 ， 更能提高注射性能。柱塞泵作为恒排量应用于伺 服 电动机 驱动 系统 上 。 流量 由伺 服 电动 机转 速决 定 。单 边 接 触磨 损 。柱塞 泵 在 高速 时 候 ， 会 出 现大 的噪 声 离 心力 ． 噪声 较 螺 杆 泵 及 齿 轮 泵 大 ， 在 实 际应 用 中 受 到 限制 。 2 ． 4交流 伺服 电动 机驱 动柱 塞 变量 泵 系统 柱塞变量泵利用改变配流盘的倾斜角度 ，达到改 变 排 量 。伺 服 电动 机 与柱 塞 变 量泵 向结 合 ， 保 压 时 ， 使 伺服电动机处于较高转速下 ， 其输出扭矩不变 ， 改变变 量 泵 的排 量 ， 达 到 较 高 的保 压压 力 ， 修 正 了伺 服 电动 机 驱 动 定量 泵 系统 在 保压 时 ， 降低 转 速 、 输 出扭 矩 减 小 不 能达到较高保压压力 的性能缺陷， 延长保压时间。注射 P C等需 要 长 时间保 压 的 出现加 工 ， 可选 用柱 塞变 量泵 。 2 ． 5交流伺 服 电动 机驱 动双 排量 变量 柱 塞泵 系统 双排量变量柱塞泵的特性可用来降低对伺服 电动 机 的 扭矩 负 载 ，保 压 及高 压 合 模所 需 的流量 低 但 压 力 高， 可将变量泵转为小排量 ， 降低在低速时伺服 电动机 的大电流产生 的发热 ， 更体现出高性能低能耗的特性 。 此功能连全电动机也做不到。如不用双排量的话 ， 保压 及 高 压合 模会 超 越 原 排量 的压 力 流量 范 围 ，但 仍 在 虚 线 的超 载范 围 内 ． 可 以作 短暂 保 压及 高压 合模 。双 排 量 的小排量能提供长时间的保压 、极低速成型及高压低 速 锁模 。双 排量 变量 柱 塞泵具 有 双 向运转 功 能 ， 短 时 反 转可将工作腔压力快速泄掉 ，极大提高生产效率及防 止液压冲击。系统可根据不同工况对泵进行排量控制 ， 实现高压力 、 低扭矩 的方式进行保压 ， 同时保证 了伺服 电动 机始 终 处 在最 佳 工况 条 件 下工 作 ，有利 于 延 长伺 服电动机的使用寿命和可靠性 ， 减少系统故障率。经过 实 际应 用 证 明伺 服 电动机 与 双 排量 变 量 柱塞 泵 组 成 的 液压控制系统除具有伺服 电动机与其他泵种组成的液 压 控 制系 统所 具 有 的性 能 之 外 ，实 现 了按 照液 压 系统 实际需求的功率进行功率输出 ， 达到有效功率最大化 ， 具 有最 高 的节 能 效 果 。伺 服 电动 机 在 “ 低 转 速 ” 时 的反 电势 c o u n t e r e m f 较 “ 高转速” 时低 ， 电流增加使线圈 过 分发 热 ， 这 在 长 时 间保 压 时会 发 生 。双 排 量柱 塞 泵 ， 用小排量泵降低排量 ，维持 电动机 的较高转速来舒缓 线圈发热问题。伺服 电动机驱动双排量柱塞泵系统 ， 大 小 排 量之 间 平 稳快 速 过度 是 需 重点 研 发 的课 题 。 比柱 塞变 量泵 噪声 低 3 ～ 5 d B。 比配 置齿 轮 泵 的电液伺 服 动力 源要 多节 约 1 7 ％以上 的 电力 。运用 小 排量保 压 ， 达 到更 加精 密稳 定 的保压 压 力 ， 并 实 现最低 的保压 能耗 。直 压 锁模 如 不 采用 单 向阀将 锁 模力 锁 住 ，便 要 靠 电 动机 液 压泵不停地工作来维持锁模力 ，双排量 的小排量能提 供长时间的保压及高压合模 ， 维持锁模力。日精树脂工 业 株 采 用 了电液 融 合技 术 ， 由 A C伺 服 电动 机 直接 驱 动双 排 量 变量 柱 塞泵 ． 需要 时 可 以提 供 所需 的能 量 ， 适 用 于 从 薄 到厚 的零件 加 工 ，比过 去 的液 压 注 塑机 节 省 能耗 5 5 ％。 2 ． 6交流 伺服 电动 机驱 动 负载敏 感 泵 系统 伺 服电动机与负载敏感泵 全闭环 比例变量柱塞 泵 组成 的伺服控制系统即能提高控制精度和重复精 度 ． 又 有 良好 的节 能 效果 ， 是真 正 的高精 度 型 节能 伺 服 控制系统 。由于采用 了高速 电子控制电路对各反馈进 行 高 速处 理 和 采用 带 有 位 置传 感 器 的超 高 响应 伺 服 比 例 阀作 先 导控 制 ， 其 响应 速度 显 著加 快 。滞 环 ≤0 ． 2 ％， 重复精度 ≤O ． 2 ％。闭环的控制过程使负载波动 、 油污 、 油温等变化 因素的影响得到在线校正，表现出很好 的 重 复 精度 。从 而制 品 的尺 寸精 度 或重 量 的 重复 偏 差及 不 良率 得 到 有 效控 制 。全 闭环 比例变 量 柱 塞 泵位 置反 馈 先 导 阀是 带 有 位 置传 感 器 的 超 高 响 应 伺 服 比例 阀 ， 按照修正补偿信号指令对控制液压泵斜盘位置 的液压 缸进行流量输出 ，位置传感器时刻在线检测反馈决定 流量的阀开 口大小位置 ，并将实际位置与指令信号位 置进行 比较 ， 使泵输 出的流量与压力值得到在线校正 ， 保证 按 设定 值准 确 进行 压力 和流 量输 出。 博世力士乐公司把本公司的动态性能和精度都得 到认 可 的 D F E负 载敏感 泵 和伺 服 电动 机组 合 成变 转速 的 D F E n泵 控 系统 ． 弥补 了普通 异 步 电动机 和 变频 器 响 应慢的缺点 ，解决 了普通伺服电动机驱动定量泵系统 因保压时 间长电流大易引起伺服电动机过度发热而退 磁 的缺 点 ．保证 了系 统 高 响应 的 特性 机伺 服 电动 机 的 使用寿命。 2 _ 7交流伺 服 电动机 驱 动泵 系统 的动 态 响应性 能 定 量 液 压泵 的惯性 矩 决 定 了交 流伺 服 电动 机驱 动 液 压泵 系统 的 动态 响 应性 能 ，螺杆 泵 的惯 性 矩 小 于齿 轮 泵 ， 齿 轮泵 的惯性 矩 小 于 柱塞 齿 轮 ， 从 动 态 响应 角度 分 析 ， 系统运 用螺 杆 泵易 达 到较好 的动态 响应性 能 。定 量 泵 的 动 态 响 应性 能差 于 变量 泵 的 动 态 响应 性 能 ， 可 见 系统 要 达 到理 想 的动 态 响应 性 能 ，运用 变量 泵是 高 性能的动力驱动系统 ，变量特性可降低对伺服 电动机 的扭矩 负 载 ， 实 现 极低 流 量 下 的长 时 间保 压 ， 既达 到节 能 ． 又提高了动态响应性能。 17 液 压 气 动 与 密 封 ／ 2 01 0年 第 1 2期 提 高 交流伺 服 电动机驱 动液压 泵 系统 的 动态 响应 性能。任何一种先进技术运用于塑机 ， 首先必须使塑机 的成型性能得到提高 ， 才有发展潜力。交流伺服电动机 驱动液压泵系统的节能性能是人所共知的 ，但提高交 流 伺服 电 动机驱 动 液压 泵 系统 的动 态 响应速 度 ，减 少 动作 切换 时 间 ， 加 快 动作 节拍 ， 达 到提 高 系统 的成 型性 能 ，是 交 流伺服 电 动机 驱动 液压 泵 系统 运用 于 塑机 的 进一 步研 发课题 。 交流伺服电动机本身动态响应性能优异 ，但如何 使下位的连接件 联轴器 、 液压泵 、 管路 、 液压 缸等液 压系统， 达到高的动态响应性能， 匹配于伺服电动机的 动态响应性能 ． 使系统具备高动态响应性能 ， 还是一个 需要深 入研究 的课题 。 3 交流伺服 电动机驱动泵源系统结 构设 计研究 3 ． 1 伺服 系统 的惯量 匹配 在伺服系统选型中 ，惯量匹配是充分发挥伺服电 动机驱动液压泵系统最佳效能的前提 ，此点在高速高 精度的系统上表现尤为突出。传动惯量对伺服系统的 精度 ， 稳定性 ， 动态响应都有影响 ， 惯量大 ， 系统 的机械 常数大 ， 响应慢 ， 会使系统 的固有频率下降 ， 容易产生 谐振 ， 因而限制 了伺服带宽 ， 影响了伺服精度和响应速 度。为提高惯量伺服精度和响应速度， 在不影响系统刚 度 的条件 下 ， 应尽 量减小 惯量 。衡量 机械 系统 的动态特 性 ， 惯量越小 ， 系统的动态特性反应越好 ； 惯量越大 ， 伺 服电动机 的负载也就越大， 越难控制 ， 但机械系统的惯 量需和伺服电动机惯量相匹配才行。根据注塑机的成 形特性 ， 一般为提高系统的动态特性 ， 选用小惯量伺服 电动机 ，配以小惯量的液压泵 ，才能达到高的动态响 应 。 3 ． 2 伺服 系统高速联轴节 伺服系统是高速旋转结构。一般的三相交流异步 电动机驱 动 定量泵 ． 为降低 噪声 ， 采 用六 极 9 6 0 r ／ m i n的 电动机。伺服电动机驱动液压泵 ， 为充分发挥伺服电动 机的性能 ， 最高转速达 到 2 0 0 0 r ／ ra i n以上 ， 所以出现 了 一 个问题 ，即直接关系到伺服系统运转寿命及性能 的 伺 服电动机 与液压 泵联接 的高 速联轴 节 的设 计[2 1 。 高速联 轴节是 伺服 电动 机驱 动液压 泵 的联接 件， 既 具备高速运转的性能，又要具备快速启动和停止的性 能， 直节关系到动力 源系统的性能与使用寿命， 性能方 面 主要是 噪声 。因高 速联轴 节设 计 的性 能不佳 ， 导 致伺 服 电动机驱 动液压 泵 的系统 失败 的例 子有 之， 影响 了伺 l}j 艇 电动机 驱 动液压 泵 系统 的推 广应 用 低 劣性 能 的高 1 8 速联 轴 节不但 噪声 大， 而且 破 坏 了伺 服 电动机 及液 压泵 的性能， 大大降低了系统使用寿命。 连轴器的传递时间通常成了系统动态响应效果的 最主要 的限制 。要获 得毫秒 级 的速度校 正能力 ， 驱 动器 一 旦 将 电流送 到 电动机 ， 电动机 须立 即产 生扭 矩 ， 液 压 泵必须达到与电动机同时旋转。如果系统反应速度 高 与机械传递或者反应时间 过长 不相匹配， 即电动机反 应 快 于 系统调 整 新 的扭矩 所 须 的时 间 ， 结 果是 噪声 、 过 热 、 磨损 ， 降低系统惯性 ， 增强联轴器的刚性 ， 以达到提 高 系统 响应性 能 。 联轴节为达到高速运转的动态响应性能，作者认 为 ，高 速低 惯性 高 刚性 联 轴节 的设 计思 路是 尽 可能 把 各个运行部件在微观上成为互不干扰的运行 ，图 1是 作者创新设计的伺服电动机驱动液压泵的高速刚性联 轴节的系统 ， 伺服电动机通过花键带动传动套 。 传动套 通过花键驱动液压泵 。泵架 内孔设计成从小到大的阶 梯孔结构 ， 以利各孔一次装夹加工完成 ， 从工艺有效保 证各孑 L 的同轴度 ； 传动套设计成等外园等内花键， 从工 艺 上保证各 加 工形位 公差 的一致 性 。 1 一 齿 轮 泵2 一 联 轴 节3 一 液 压 泵花 键 齿 轮4 一 轴 承5 一 定 位 套 6 一 传动套7 一 轴承8 一 伺服电动机花键齿轮9 一 伺服电动机 图 1 伺 服电动机驱动液压泵结构 花键副传动， 适应速度快速转换 ， 提高传动精度及 使用寿命。传动套不受径向力作用 ， 即使受到一点径向 力 ．由于在设计及加工方面的保证 ，传动套可靠的定 位 ，一端的花键副的传动不会干扰另一端的花键副的 传动 ，达到了高速传动的要求。花键采用 日本汽车花 键， 齿形定 心。这种形式的高速联轴节， 经过用户近二 年的运转 ， 性 能表 现优 良。 4 交流伺服 电动机驱 动泵源 系统整机性 能设计 的研究 交 流 伺 服 电动 机 驱 动 泵 源 系统 应 用 于 注塑 机 ． 节 能效果是 明显的， 特别对大型注塑机 ， 更能体现出节能 的优越性。欧洲趋向于使用电液混合驱动。 以达到提高 性能和节能的双向共赢的效果 ，说明全交流伺服电动 机驱动泵源系统还存在性能方面的不足。提高全交流 伺 服 电动 机驱 动泵 源 系统 的 注塑性 能 是进 一步 研发 的 也 就 不 能产 生锁 模 力 ， 因此 在设 计 锁模 压 力 时 ， 根据 有 关 伺服 泵 的压 力 一 流量 特 性 ， 确 定伺 服 泵产 生 锁模 流 量 情况下 的工作压力具体数值。肘杆合模机构锁模为瞬 时工作状态 ，根据伺服泵 的压力一流量特性 的瞬时工 作特 性 确 定锁 模 最 大工 作 压力 ， 例如 ， 某 伺 服 泵 的最 大 工作 压 力 为 1 6 MP a ， 有压 力 一 流量 特性 表 ， 工 作 压 力 为 1 5 MP a时 ， 系统 能 输 出约 7 0 ％的 流量 ， 达 到 锁模 速 度要 求 。如果 原合 模机 构锁 模 的工作 压 力设计 为 1 6 M P a ， 那 就应 当根 据伺 服 泵 的压 力一 流量 特 性 ，以 1 5 MP a作 为 锁模的工作压力 ， 对锁模液压缸进行修正。 4 ． 2 交流伺服电动机驱动泵源 系统与注射速度注射压 力 在交流伺服电动机驱动泵源系统 中，存在压力控 制 状 态 和流 量控 制 状 态 ， 在 流量 控 制状 态 下 ， 压 力传 感 器 所 监 测到 的压力 小 于设 定 的压力 ，伺 服 电动 机按 流 量 控 制状 态 工作 ， 使泵 的输 出流 量保 持 在 设定 值 ； 在 压 力 状 态下 ，压力 传 感 器所 监 测 到 的压 力将 达 到或 达 到 设定值时 ， 伺服电动机按压力控制状态工作 ， 仅向系统 输出控制泄漏或保压所需 的流量 ．不能达到高压高速 的注射性能。交流伺服电动机驱动泵源系统不可能达 到 系统 额 定压 力 下 的额 定 注 射速 度 。一般 在 注射 加 工 中 ， 由于设 定 的 注射 压 力达 不 到 额定 注 射压 力 ， 所 以影 响注射速度不易觉察到，一旦注射压力要求达到系统 额定压力工况 ， 并且要求达到额定注射速度 ， 交流伺服 电动机驱动泵源系统性能不足马上反映出来 ，即不能 实现额定压力额定速度注射。设计注射参数及控制系 统 时 ． 应 充 分考 虑 到 这种 工 况 ． 即交 流伺 服控 制 器 设定 的 最 大 工 作 压 力 应 大 于 系 统 注 射 参 数 的 设 计 额 定 压 力 ，使 交 流伺 服 电 动机 在 系统 额 定工 作 下运 转 仍 能达 到较高转速 。如交流伺服器最大工作压力等于系统额 定压力 ， 在额定系统压力下 ． 由于注射速率趋 近于零 ， 即注射活塞不移动 ， 不可能产生注射压力。如不考虑注 射 压力 ， 注 射速 率无 实 际意 义 。三相异 步 交流 电动 机驱 动 泵 源 系统 中 ， 由于 电动 机 驱动 功 率 不变 ， 电动 机转 矩 可 超 1 ． 8 ～ 2倍 ， 电动 机转 速与 系 统额 定压 力 之 间没有 牵 制 ， 可分 别独 立 控制 ， 所 以没有 这 种矛 盾产 生 。 交流伺服电动机驱动泵源系统 ，大于额定转速为 恒功率驱动 ， 即增大转速达到增大系统流量 ． 同时必须 牺牲压力 ， 力矩下降率较大。 交 流伺 服 电动 机驱 动 泵 源系 统 的注 射 速度 注 射 压 力设计。根据上述分析 ， 交流伺服电动机驱动泵源系统 的 注射 速 度注 射 压 力保 压 压力 与三 相交 流 异 步 电动机 驱 动泵 源 系统 的注 射速 度 注射 压 力 保压 压 力 的含 义不 同 ， 为使 用 户 有一 个 明确 的 了解 ， 具 体标 明 额定 的注射 速度注射压力保压压力在何条件下达到的 ，以免产生 1 9 课 题 ， 主攻 点是 研 发交 流 伺 服控 制 技 术 ， 扩展 自身 的应 用性 能 。 交流伺 服电动机驱动泵源系统的压力一 流量特性 不 同于三 相 交 流异 步 电 动机 驱 动泵 源 系 统 。交 流伺 服 电动机驱动泵源系统分为三个工作 区 连续工作 区、 反 复工作区 3 0 s 、 瞬时工作区。 由此对系统的性能产生影 响 。 4 ． 1 交 流伺 服 电动机 驱动 泵源 系统 与 合模 力 高 压锁 模 时 ， 系 统 处 于在 压力 控 制 状态 下 ， 压 力 传 感器所监测 到的压力将达到或达到设定值时 ，伺服马 达按压力控制状态工作 ，即控制伺服马达以很低 的转 速工 作 ， 仅 向 系统 输 出很 小 的 流量 ， 所 以高 压锁 模 只 能 实现 额定 高 压 下小 流 量 的低 速 运 行 ．提 高 了 高压 锁模 性能 ， 此 时 泵处 于 压力 闭环控 制 状 态 ， 达 到精 确 控 制 合 模力 。交流伺服电动机驱动泵源系统 的高压小流量无 冲击高压锁模运行 ，对有 的注塑机的高压锁模也带来 了一些 问题 ． 据 了解 ， 有 以下两 方面 原 因 1 有的注塑机肘杆合模机构合模力设计存在瑕 疵 ． 合模力测试时 。 合模终止处需要附加一个液压高速 冲击力 才 能 达 到额 定合 模 力 ，在 改 为 交 流伺 服 电 动机 驱 动泵 源 系 统后 ， 由于 系统 不能 人 为 产生 一 个 附加 充 击力 ，测出的合模力小于普通 电动机驱动系统产生 的 合模力 ， 有的仅达到额定合模力 的 7 0 ％。经分析 ， 合模 锁紧终点处为达到额定合模力 的关键处 ，系统控制特 性为高压小流量 ， 不能输 出高压 大流量 ， 所以伺服 电动 机驱动泵源系统不能对合模肘杆机构产生附加的大流 量冲击力 ， 达不到需冲击才能达 到的额定合模力 ， 这说 明合 模 液压 缸 的 内径 设 计偏 小 ，达不 到 肘 杆合 模 机 构 实现额定合模力所需 的驱动力 。额定合模力应在正常 运行的高压低速状态下达到 ， 才有实用意义 ； 高速冲击 合模是不允许的 ，高速冲击达到的额定合模力没有实 际应用 的 意义 ， 不 能表征 设备 的额定 合模 力 。如果 不 同 公 司生产 的同规格合模力 的设备放在一起 ，一 台能在 正常 运行 的低速 状 态 下达 到 额 定合 模 力 ，另一 台需 在 高速冲击情况下达到的额定合模力 ，两台设备的加工 能力 明显 不 同 ，高 速 冲击 情 况 下达 到 的额 定 合 模力 设 备的加工能力明显低于低速状态下达到额定合模力 的 设备 ， 相 当于一个是理论 的合模力 ， 一个是实际的合模 力 。驱 动 系统 采 用 或改