摘　要: 本文首先介紹了傳統(tǒng)注塑機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，通過分析該系統(tǒng)的耗能情況提出三種改進(jìn)方案，詳細(xì)分析了各種方案的優(yōu)缺點(diǎn)，并給出了相應(yīng)的指導(dǎo)意見，最終介紹臺(tái)達(dá)VJ注塑機(jī)專用伺服驅(qū)動(dòng)器并給出對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)方案。

      關(guān)鍵詞：注塑機(jī)  伺服驅(qū)動(dòng)器  定量泵  變頻器  PQ驅(qū)動(dòng)器

      1 前言
      根據(jù)塑料制品的市場分析，目前中國塑料機(jī)械行業(yè)產(chǎn)值每年約120億元，而國內(nèi)市場需求近220億元，還有很大的需求缺口，注塑機(jī)的需求也逐步由南方向北方，東部向西部擴(kuò)散，同時(shí)也帶動(dòng)塑料工業(yè)等關(guān)聯(lián)產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展。
      近幾年塑料行業(yè)發(fā)展越來越迅速，其中注塑行業(yè)也正迎來一個(gè)飛速發(fā)展的機(jī)遇。但同時(shí)行業(yè)內(nèi)的競爭也日漸激烈，各廠家除了重視產(chǎn)品質(zhì)量和品牌外，也越來越重視生產(chǎn)成本的控制。從注塑機(jī)工藝過程可知，電能消耗成本在注塑成型產(chǎn)品成本中占了很大的比例，因而能否有效減少電能損耗，受到了各注塑機(jī)廠家和用戶的關(guān)注。
      隨著國家節(jié)能減排政策的深入，各企業(yè)都在考慮怎樣節(jié)能以響應(yīng)國家號(hào)召和減少生產(chǎn)成本，注塑機(jī)行業(yè)更是如此。實(shí)現(xiàn)效果顯著的節(jié)能改造已經(jīng)成為注塑行業(yè)提升的首要課題。本文在介紹傳統(tǒng)注塑機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，結(jié)合注塑機(jī)的節(jié)能發(fā)展趨勢提出三種改進(jìn)方案并分析了相應(yīng)優(yōu)缺點(diǎn)，最終基于臺(tái)達(dá)注塑機(jī)專用伺服驅(qū)動(dòng)器給出一套節(jié)能型方案，值得業(yè)界參考。

      2　傳統(tǒng)注塑機(jī)工藝及能耗分析
      普通注塑機(jī)通常采用液壓傳動(dòng)，其結(jié)構(gòu)包含注射裝置、開合模裝置、液壓傳動(dòng)裝置和電氣控制裝置，后者的作用是保證注塑機(jī)預(yù)定工序的要求（壓力、速度、溫度、時(shí)間、位置）和動(dòng)作程序準(zhǔn)確有效地工作。
      在傳統(tǒng)的注塑機(jī)中液壓傳動(dòng)裝置主要由油泵、液壓控制閥、壓力電磁比例閥、流量電磁比例閥、各種不同的動(dòng)作油缸、油泵電機(jī)及其它液壓附件和管道組成，液壓傳動(dòng)系統(tǒng)中的動(dòng)力由電機(jī)帶動(dòng)油泵提供。其中，油泵絕大部分是定量油泵，電動(dòng)機(jī)通常提供額定功率和轉(zhuǎn)速，油泵將電動(dòng)機(jī)所輸入的機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫δ埽缓笙蛞簤合到y(tǒng)的液壓元件輸送具有一定壓力和流量的液壓油，滿足液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)負(fù)載所需能量的要求。
      注塑機(jī)成型工藝是一個(gè)按照預(yù)定的周期性動(dòng)作過程，即以合模---射嘴前進(jìn)---射膠---保壓---溶膠、冷卻---開模---取出制品---將被注塑件放入模具中---合模等加工工序達(dá)到某件產(chǎn)品成型。
      各個(gè)過程所需的速度和壓力因不同工藝而不同，即所需的液壓油流量不同，因而注塑機(jī)整個(gè)動(dòng)作過程對(duì)油泵電機(jī)來說是個(gè)變負(fù)載過程。在定量泵注塑機(jī)液壓系統(tǒng)中，油泵電機(jī)始終以恒定轉(zhuǎn)速提供恒定流量的液壓油，各個(gè)動(dòng)作中相應(yīng)多余的液壓油則通過溢流閥回流，從而造成電能的浪費(fèi)。
注塑機(jī)按裝模構(gòu)造分為立式注塑機(jī)和臥式注塑機(jī)，如圖1所示：

 
圖1  立式注塑機(jī)和臥式注塑機(jī)示意圖

      經(jīng)過測試一般單臺(tái)傳統(tǒng)注塑機(jī)能耗和所站例分別是
·油壓系統(tǒng)的耗能：75-80%
·加熱單元的耗能：10-15%
·冷卻系統(tǒng)的耗能：5-10%
·控制組件的耗能：1- 5%
      其中最大能耗部分：以油壓系統(tǒng)用電量占注塑機(jī)的75%以上。同時(shí)鎖模,射出,保壓,冷卻,開模等過程需要不同的壓力和流量,對(duì)于油泵馬達(dá)都是處在于負(fù)載變動(dòng)的狀態(tài)；當(dāng)系統(tǒng)需求超過設(shè)定的流量及壓力,會(huì)由溢流閥或比例閥來調(diào)整壓力流量,這個(gè)過程稱之為高壓節(jié)流,造成的能量損失高達(dá)40%-75%，

      3　傳統(tǒng)注塑機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)
      傳統(tǒng)注塑機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)通常由PQ控制器+定量泵+感應(yīng)馬達(dá)三部分組成，架構(gòu)框圖如圖2所示：

 
圖2  傳統(tǒng)注塑機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)架構(gòu)

      傳統(tǒng)注塑機(jī)系統(tǒng)進(jìn)入保壓時(shí)電機(jī)依然高速帶動(dòng)油泵滿負(fù)荷運(yùn)行，由于系統(tǒng)現(xiàn)在是保壓狀態(tài)所以不需要往系統(tǒng)里供油，因此通過油泵泵出的油通過安全閥又回到了油箱，這就造成了電能的浪費(fèi)并且浪費(fèi)的電能還會(huì)轉(zhuǎn)換成熱能使油箱的油溫上升從而減少密封圈的壽命等不良現(xiàn)象。總之，采用傳統(tǒng)注塑機(jī)驅(qū)動(dòng)方式，保壓及冷卻時(shí)間越長，系統(tǒng)越耗能。

      4　三種改進(jìn)型驅(qū)動(dòng)方式
      4.1 變量泵驅(qū)動(dòng)
      上面介紹的傳統(tǒng)注塑機(jī)驅(qū)動(dòng)方式帶來加大的電能浪費(fèi)，業(yè)界又推出了變量泵驅(qū)動(dòng)的注塑機(jī)，該系統(tǒng)通常由PQ控制器+變量泵+感應(yīng)馬達(dá)三部分組成，如圖3所示：
 

圖3 變量泵驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)架構(gòu)

      改用變量泵的最大優(yōu)點(diǎn)是，但系統(tǒng)處于保壓時(shí)雖然電機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)但變量泵會(huì)根據(jù)系統(tǒng)壓力的大小來調(diào)整自己的排量，即當(dāng)系統(tǒng)壓力達(dá)到設(shè)定值時(shí)變量泵會(huì)切換成小排量從而減少保壓時(shí)泵的輸出流量以減少電機(jī)的輸出扭矩達(dá)到了減少電機(jī)功率輸出最終實(shí)現(xiàn)了節(jié)能的效果。
      總之，該方案的優(yōu)點(diǎn)：有一定的節(jié)能效果，缺點(diǎn)：需要PQ控制器，并且電機(jī)還是處于高速運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，所以節(jié)能并非最佳。

      4.2 變頻器驅(qū)動(dòng)
      采用上述方式驅(qū)動(dòng)，由于電機(jī)還是處在高速運(yùn)轉(zhuǎn)，所以這種方式的節(jié)能不是非常好，因此業(yè)界又研究用變頻器來驅(qū)動(dòng)，該系統(tǒng)通常由PQ控制器+變頻器+變頻馬達(dá)+定量泵四部分組成，如圖4所示：

 
圖4 變頻器驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)架構(gòu)

      改用變頻器來驅(qū)動(dòng)電機(jī)最大的優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)系統(tǒng)處于保壓時(shí)，注塑機(jī)控制器會(huì)給一個(gè)比例流量信號(hào)給變頻器告訴變頻器現(xiàn)在要執(zhí)行低速運(yùn)轉(zhuǎn)，這時(shí)變頻器就驅(qū)動(dòng)電機(jī)以很低的轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)從而實(shí)現(xiàn)了節(jié)能的效果，但是由于變頻器在啟動(dòng)和停止時(shí)都有加減速時(shí)間所以注塑機(jī)的運(yùn)行周期要比沒有加變頻器要慢，因此對(duì)于保壓時(shí)間短和工作時(shí)間短的產(chǎn)品不適合用變頻器，只有保壓時(shí)間長噸位比較大的注塑機(jī)是可以考慮用變頻器來驅(qū)動(dòng)的，并且用變頻器進(jìn)行節(jié)能改造最簡單，基本上不會(huì)更改注塑機(jī)本身的機(jī)械結(jié)構(gòu)，只是在電極的三相進(jìn)在線加個(gè)變頻器就可以了，目前臺(tái)達(dá)F-G注塑機(jī)專用變頻器在注塑機(jī)行業(yè)有成功的案例。
      總之：此方案的優(yōu)點(diǎn)在于改造簡單有較好的節(jié)能效果；缺點(diǎn)則是在趕產(chǎn)能時(shí)，需切回市電，且依然需要PQ控制器。

      4.3 伺服驅(qū)動(dòng)器及伺服馬達(dá)驅(qū)動(dòng)
      為了能使注塑機(jī)的驅(qū)動(dòng)不僅不影響產(chǎn)能甚至可以提高產(chǎn)能，業(yè)界又開始用伺服驅(qū)動(dòng)器和伺服電機(jī)來驅(qū)動(dòng)，該系統(tǒng)通常由內(nèi)建PQC伺服驅(qū)動(dòng)器+伺服馬達(dá)+定量泵三部分組成，如圖5所示：

 
圖5 伺服驅(qū)動(dòng)器和伺服電機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)

      用伺服驅(qū)動(dòng)器的最大優(yōu)點(diǎn)，首先是節(jié)能因?yàn)楫?dāng)系統(tǒng)保壓時(shí)注塑機(jī)控制器會(huì)同時(shí)給壓力和流量信號(hào)給驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器會(huì)根據(jù)PID換算后將低速驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)節(jié)能，其次是產(chǎn)能得到很的提高因?yàn)樗欧?qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)相應(yīng)很快，而且伺服電機(jī)一般可以運(yùn)轉(zhuǎn)到2000轉(zhuǎn)/分以上，所以注塑機(jī)在進(jìn)行除保壓狀態(tài)外的其它工作狀態(tài)時(shí)基本上執(zhí)行的是速度模式其電機(jī)轉(zhuǎn)速很快就可實(shí)現(xiàn)了注塑機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)周期加快，提高了產(chǎn)能，再次是系統(tǒng)保壓時(shí)壓力的穩(wěn)定性很好，因?yàn)樵擈?qū)動(dòng)系統(tǒng)是個(gè)死循環(huán)控制系統(tǒng)，注塑機(jī)系統(tǒng)壓力通過壓力傳感器傳遞到驅(qū)動(dòng)器上并通過驅(qū)動(dòng)器的PID快速調(diào)節(jié)響應(yīng)，從而保證了系統(tǒng)壓力的穩(wěn)定性。

      5 臺(tái)達(dá)專用伺服驅(qū)動(dòng)方案
      目前國內(nèi)外有很多驅(qū)動(dòng)器公司推出了注塑機(jī)專用的伺服驅(qū)動(dòng)器，臺(tái)達(dá)也推出了自己的VJ注塑機(jī)專用伺服驅(qū)動(dòng)，系統(tǒng)圖如圖6所示：

 
圖6  臺(tái)達(dá)專用伺服驅(qū)動(dòng)方案

      此方案具有以下特點(diǎn)：
（1） 超省電節(jié)能：在一定的條件下比傳統(tǒng)定量泵油壓系統(tǒng)省電60%
（2） 系統(tǒng)油溫低：油溫可以比傳統(tǒng)的低5-10度
（3） 重復(fù)精度高：實(shí)現(xiàn)了精密的流量壓力控制
（4） 保壓時(shí)間長：對(duì)坐大尺寸塑料制品比較好
（5） 響應(yīng)時(shí)間快：速度響應(yīng)時(shí)間在40ms
（6） 耐惡劣環(huán)境：采用防油，防抖動(dòng)，防塵的旋變編碼器
      綜合來講，此方案可以較好地實(shí)行注塑機(jī)的節(jié)能改造，提高系統(tǒng)運(yùn)作效率，并且安全可靠，適合各種工業(yè)環(huán)境使用。

      5 結(jié)語
      隨著業(yè)界伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)的成熟，專用的伺服驅(qū)動(dòng)器在注塑機(jī)改造中日漸得以廣泛應(yīng)用。實(shí)踐證明，基于臺(tái)達(dá)VJ注塑機(jī)專用伺服驅(qū)動(dòng)器給出的伺服驅(qū)動(dòng)方案，節(jié)能效果明顯，精度高，適應(yīng)性強(qiáng)，值得推廣和應(yīng)用。

      【參考文獻(xiàn)】
[1] 張甲敏等，注塑機(jī)控制及動(dòng)力部分的改造   合成樹脂與塑料工業(yè)【期刊】 2005
[2] 郭宗仁等. 可編程序控制器應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)及通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù). 人民郵電出版社，2002
[3] 臺(tái)達(dá)伺服使用手冊       臺(tái)達(dá)內(nèi)部資料    2008