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注塑机伺服改造可行性分析报告
网责任编辑:girafworld.com   人气:   发布日期:2019-07-18 18:31:00
一、现况及改造原因 
发展伺服注塑机目的:节约资源、降低成本、提升品质、改善工况!

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本的构成中,电费占了相当的比例,依据注塑机设备工艺的需求,传统的注塑机油泵马达耗电占整个设备耗电量比例高达80%-90%。随着能源问题日益受到重视,节约能源变得越来越重要,设计与制造新一代节能型注塑机,就成为迫切需要关注和解决的问题。 
在注塑机节能问题上目前存在两个主要的解决方案,即全电动式和电动液压混合式,各自主要特点如下:

1、全电动式注塑机有一系列优点,特别是在环保和节能方面的优势,节电最大可以达到80%,另外,由于使用伺服电机注射控制精度较高,转速也较稳定,还可以多级调节。但全电动式注塑机在使用寿命上不如全液压式注塑机,价格是全液压式注塑机的8-10倍,国内厂家目前在全电动式机型上还缺乏成熟的技术和使用经验,市场上仍以日系设备为主。

2、电动液压式注塑机是集液压和电驱动于一体的新型注塑机,它融合了全液压式注塑机的高性能和全电动式的节能优点,使用寿命上相当于全液压式注塑机,价格是全液压式注塑机的1.2-1.5倍,这种电动-液压相结合的节能型注塑机已成为国内注塑机技术发展的一个主导方向。

二、性能比较 
注塑机的工艺过程一般分为合模、锁模、射胶、保压、熔胶、冷却、松模、开模、取出等几个阶段,各个阶段需要不同的压力和流量。对于油泵马达而言,注塑过程的负载总是处于变化状态,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%

目前主要的节能技术为变频节能技术,但变频节能技术仍有它的明显缺点,即:由于变频控制时电机响应速度限制,使得设备的生产效率有所降低;同时变频器控制电机低速运行时输出力矩不足,因而不能稳定工作在更低的转速下,使得节能效果大受影响。是否用有更好的产品和技术能够满足用户更高的要求呢?其实,在一些技术交流会和行业媒体上,很多有识之士已经提到将伺服永磁同步电机应用于注塑机上。

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:

 

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。

 

 

 

射胶阶段
动作作要求:
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。

 

 

 

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。

 

 
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。

 

 
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。

 

 
                                                              能量消耗图

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控制或油压控制,所以工作周期也能有所缩短,注塑成品质量也有所提高。合理的供油量控制更减轻了冷却系统的负荷和功率损耗。

三、优
 
 
1、节能 
采用伺服系统的注塑机,系统压力、流量双闭环,液压系统按照实际需要的流量和压力来供油,克服了普通定量泵系统高压溢流产生的高能耗,在预塑、合模、射胶等高流量工作阶段电机按照设定的转速工作,在保压、冷却等低流量工作阶段降低了电机转速,油泵电机实际能耗降低了50%--80%

2、响应迅速,生产效率高 
伺服系统响应速度快,压力上升时间和流量上升时间快至30ms,提高了液压系统的响应速度,减少了动作转换时间,加快了整机的运行节拍;

注塑机液压系统自动运行时,当有阀门打开时,系统压力会瞬间下降,伺服系统可以在30ms 以内迅速补充油量,恢复压力至设定值;
 
3、压力稳定精密 
伺服系统调节能力强,压力闭环控制模式使系统压力非常稳定,压力波动量低于±0.5bar,提高了塑料产品的成型质量;

伺服系统还可以按照电脑设定的任意压力、流量曲线运行,为开发各种塑料产品的成型工艺创造了条件;

4、重复精度高、省料 
伺服系统采用闭环转速控制,射台运动位置重复精度高,生产出的产品精度高,一致性好;克服了普通异步电机定量泵系统由于电网电压、频率等变化会带来转速变化,进而引起流量变化,使注塑产品成品率降低的缺点;

5、油温温升低 
注塑机工作由开机至进入稳态油温上升8-10℃,室温35℃下无需冷却水, 
冷却器的用量也大为减少,延长了整机特别是液压油、液压易损件(如油封)的寿 
命;

6、噪声低 
液压系统的噪声在65dB以内,改善了操作机器的现场环境;


四、总结: 
将普通注塑机改造为伺服注塑机,虽然需要一定程度的投入,但是此种新型注塑机在节约资源、降低成本、性能提升、改善工况方面都有较大优势;随着伺服技术已经成熟,伺服系统的价格下调及大家对伺服注塑机认识的深入,发展伺服注塑机乃必然趋势!


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