注塑機(jī)伺服節(jié)能改造方案分析

袁安威

[摘 ? ?要]注塑行業(yè)正處于快速發(fā)展階段，在實(shí)際工程開(kāi)展中定量泵的使用占絕大多數(shù)，其能耗較大，既增加了運(yùn)行成本，也增加了維護(hù)成本，急需要對(duì)已有的控制系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)合改造，模擬定量泵和變量泵的相似系統(tǒng)開(kāi)發(fā)全新的應(yīng)用模式，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排目的，并通過(guò)程序優(yōu)化提高運(yùn)轉(zhuǎn)效率，實(shí)現(xiàn)工作效率提升、工作結(jié)果優(yōu)質(zhì)化的目的。從注塑機(jī)的工作原理、發(fā)展情況、伺服機(jī)的原理、改造方向和應(yīng)用空間、伺服注塑機(jī)的整體技術(shù)優(yōu)勢(shì)以及特點(diǎn)等多角度多空間進(jìn)行有效探討，試著找到伺服機(jī)節(jié)能改造的有效方案，既推動(dòng)注塑行業(yè)的健康發(fā)展，又可以實(shí)現(xiàn)效益提高的目的。

[關(guān)鍵詞]注塑機(jī);伺服電機(jī);節(jié)能改造

[中圖分類號(hào)]TQ320.5 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2021）08–0–02

[Abstract]The injection molding industry is in the stage of rapid development， in the actual engineering development， the use of quantitative pump accounts for the vast majority， and its energy consumption is large， which not only increases the operation cost， but also increases the maintenance cost. It is urgent to combine the existing control system， simulate the similar system of quantitative pump and variable displacement pump， and develop a new application mode， so as to achieve the purpose of energy saving and emission reduction， And through program optimization to improve the operation efficiency， to achieve the purpose of improving work efficiency and improving the quality of work results. In this paper， the working principle of injection molding machine， development， the principle of servo machine， transformation direction and application space， the overall technical advantages and characteristics of servo injection molding machine and other multi angle and multi space are discussed effectively， trying to find an effective scheme for energy-saving transformation of servo machine， which can not only promote the healthy development of injection molding industry， but also achieve the purpose of improving the efficiency of factory work.

[Keywords]injection molding machine; servo motor; energy saving transformation

注塑機(jī)是進(jìn)行塑料加工的最主要設(shè)備，其用電量占到塑料加工企業(yè)整體用電量的3/4，在部分企業(yè)中其比重甚至可以超過(guò)4/5，既是企業(yè)運(yùn)營(yíng)成本中的大部分開(kāi)支，也會(huì)對(duì)所處城市、區(qū)域的用電量和用電承載負(fù)荷造成困擾，在用電和生產(chǎn)時(shí)產(chǎn)生的廢物還會(huì)對(duì)周邊環(huán)境和大氣狀態(tài)構(gòu)成一定威脅;而伺服機(jī)系統(tǒng)是指以物體的位置、角度、移動(dòng)速度為基本控制要素，可以實(shí)現(xiàn)根據(jù)對(duì)應(yīng)物體任意的位置變化，進(jìn)行自動(dòng)化的控制，由伺服驅(qū)動(dòng)器和伺服電機(jī)共同組成，是在原有的變頻技術(shù)基礎(chǔ)上進(jìn)行技術(shù)的優(yōu)化、更新和延伸，既可以實(shí)現(xiàn)根據(jù)速度進(jìn)行加工物的有效跟蹤和控制，還可以提高加工生產(chǎn)的精確度、產(chǎn)出效率，保證較穩(wěn)定的產(chǎn)出質(zhì)量。將伺服機(jī)用于注塑機(jī)的節(jié)能改造還可以實(shí)現(xiàn)塑料生產(chǎn)企業(yè)整體工作效率的提升和耗能量的降低，從全局角度提升企業(yè)效益，促進(jìn)行業(yè)發(fā)展概念的更新，體現(xiàn)環(huán)保效益、經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益的統(tǒng)一。

1 伺服機(jī)市場(chǎng)

將伺服機(jī)的優(yōu)勢(shì)與注塑機(jī)進(jìn)行統(tǒng)一協(xié)調(diào)管理，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)于注塑機(jī)原有耗電量的大規(guī)模降低，并通過(guò)節(jié)能改造提升注塑行業(yè)原有工作效率，部分應(yīng)用伺服電機(jī)的注塑機(jī)耗電量可以實(shí)現(xiàn)在原有耗電功率基礎(chǔ)上近乎1/2的降低，改變傳統(tǒng)的普通電機(jī)加定量泵的工作原理和系統(tǒng)，換為伺服電機(jī)和螺桿泵的工作系統(tǒng)或原理，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化節(jié)能效果。該技術(shù)的創(chuàng)新和廣泛應(yīng)用越來(lái)越受到注塑行業(yè)和注塑市場(chǎng)的大力歡迎，有強(qiáng)有力的發(fā)展前景和空間，可以為企業(yè)帶來(lái)實(shí)際的收益[1]。

2 伺服機(jī)控制系統(tǒng)的構(gòu)成

伺服機(jī)控制系統(tǒng)由伺服控制器、伺服電機(jī)、油泵、編碼器、壓力傳感器等構(gòu)成[2]。在與注塑機(jī)相結(jié)合并進(jìn)行改造時(shí)，主要應(yīng)用伺服電機(jī)的能動(dòng)性以及控制器與注塑機(jī)的性質(zhì)結(jié)合與改變，實(shí)現(xiàn)對(duì)原有注塑機(jī)的節(jié)能改造。

3 注塑機(jī)的改造、發(fā)展情況及工作原理

注塑機(jī)是將已經(jīng)進(jìn)行了預(yù)塑溶化的顆粒狀高分子材料，由噴嘴高速射入模型之內(nèi)，再通過(guò)冷卻成型變成塑料制品，可以實(shí)現(xiàn)一次成型，具有生產(chǎn)效率高、后期加工量少、所制作的成品表面光潔度好、產(chǎn)生廢品的效率等一系列優(yōu)點(diǎn)，可以滿足關(guān)于塑料制品尺寸、精度、質(zhì)量、美觀度等各方面要求，是塑料生產(chǎn)行業(yè)機(jī)械化工作中最具有代表性的設(shè)備之一，其整個(gè)工藝流程可以分為預(yù)塑階段和注射成型階段兩部分（圖1）[3]。

注塑機(jī)得到高速發(fā)展的原因，有以下幾方面：①世界性能源危機(jī)的出現(xiàn)，使得塑料制品的優(yōu)勢(shì)得以展現(xiàn)，其經(jīng)濟(jì)性、耐用性和易生產(chǎn)性更利于替代原有金屬或木材，加速現(xiàn)代建筑生產(chǎn)，降低原有生產(chǎn)材料成本和運(yùn)輸成本;②石化工業(yè)在不斷前進(jìn)和發(fā)展，塑料生產(chǎn)的基本原料越來(lái)越豐富，可以滿足塑料制品的大規(guī)模生產(chǎn)，而對(duì)于塑料制品優(yōu)勢(shì)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，也直接帶動(dòng)了本行業(yè)的高速前進(jìn);③相關(guān)行業(yè)的需求量正在日益增長(zhǎng)，可以運(yùn)用塑料制品進(jìn)行制作的行業(yè)，如微電子、微機(jī)控制、汽車設(shè)備、電子元件等行業(yè)正在穩(wěn)步發(fā)展并逐步擴(kuò)大規(guī)模，對(duì)塑料制品的需求量變大，而應(yīng)用注塑機(jī)則可以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模高效率的生產(chǎn)，滿足企業(yè)發(fā)展的需求。

注塑工藝可以分為合模、射臺(tái)進(jìn)、注射、保壓、冷卻直至頂針退等一系列基本過(guò)程（圖2）。通過(guò)對(duì)不同工序的拆解及其操作流程、工藝特點(diǎn)的分析，可以方便伺服機(jī)與注塑機(jī)的合理開(kāi)發(fā)與應(yīng)用，有效改變其工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目的。

傳統(tǒng)的注塑機(jī)是使用普通電機(jī)加定量泵的工作方式，其大量的電能消耗既增加了環(huán)境負(fù)擔(dān)、企業(yè)成本，也變相降低了產(chǎn)品的價(jià)值和員工的薪酬績(jī)效水平。所以塑料生產(chǎn)行業(yè)一直在對(duì)注塑機(jī)進(jìn)行技術(shù)的更新和驅(qū)動(dòng)方式的改造，以期以能耗的有效降低和改變帶動(dòng)企業(yè)生產(chǎn)效益的提高、整體企業(yè)價(jià)值的提升，并滿足國(guó)家對(duì)于企業(yè)節(jié)能減排要求的落實(shí)。其改造過(guò)程經(jīng)過(guò)對(duì)變量泵的改造到變頻器的改造直至此階段運(yùn)用伺服機(jī)和伺服系統(tǒng)進(jìn)行工作原理的改造，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能減排的目的和工作原理的優(yōu)化。隨著科技的進(jìn)步和不斷發(fā)展，可以預(yù)見(jiàn)在不久的將來(lái)更有利于提高注塑機(jī)工作效率并降低其能耗的方式將不斷被開(kāi)發(fā)和運(yùn)用到實(shí)際工作中，真正實(shí)現(xiàn)行業(yè)現(xiàn)狀的優(yōu)化整合和產(chǎn)能的有效提升。

4 伺服系統(tǒng)的節(jié)能原理

伺服機(jī)驅(qū)動(dòng)器的最大優(yōu)點(diǎn)是可以在系統(tǒng)應(yīng)用時(shí)對(duì)注塑機(jī)的控制器給予壓力信號(hào)，而控制器會(huì)根據(jù)相應(yīng)的信號(hào)降低伺服機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)功率，實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的，同時(shí)通過(guò)伺服機(jī)的應(yīng)用提高了注塑工序的準(zhǔn)確度、速度，使得注塑機(jī)在原有運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)之上可以實(shí)現(xiàn)更高的工作效率和速度模式的優(yōu)化，通過(guò)運(yùn)轉(zhuǎn)周期的提升實(shí)現(xiàn)提高產(chǎn)能、降低能耗的目的;通過(guò)伺服系統(tǒng)的應(yīng)用，可以保證注塑機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，用壓力傳感器的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)注塑機(jī)的快速調(diào)節(jié)和相關(guān)問(wèn)題的響應(yīng)，保證壓力的穩(wěn)定性和能耗的穩(wěn)定性。

5 伺服機(jī)的技術(shù)構(gòu)成

5.1 技術(shù)原理

運(yùn)用伺服機(jī)對(duì)注塑機(jī)進(jìn)行節(jié)能改造，本質(zhì)是分為液壓傳動(dòng)和液壓控制兩方面進(jìn)行。液壓傳動(dòng)是以原有的液壓油為媒介，用動(dòng)力元件改變?cè)械臋C(jī)械運(yùn)動(dòng)形式，并利用控制設(shè)備實(shí)現(xiàn)將壓力轉(zhuǎn)換為機(jī)械運(yùn)動(dòng)能力的效果，并通過(guò)對(duì)于控制設(shè)備遙控操作、液壓油的有效調(diào)節(jié)，調(diào)整注塑機(jī)整體的運(yùn)動(dòng)速度、工作效率;而液壓控制則與液壓傳動(dòng)相似，在系統(tǒng)中包含動(dòng)力控制部分、控制設(shè)備和執(zhí)行控制的原件，同樣通過(guò)液壓油為介質(zhì)傳導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)對(duì)控制器具的有效反饋，并通過(guò)輸出量輸入量的不同設(shè)置，用比較差值進(jìn)行系統(tǒng)的整體把握，使得差值變化較為恒定，它所構(gòu)成的循環(huán)傳動(dòng)系統(tǒng)稱為液壓伺服系統(tǒng)。

5.2 項(xiàng)目原理

進(jìn)行伺服機(jī)注塑機(jī)的改造原理是將傳統(tǒng)的三相交流電機(jī)帶動(dòng)油泵進(jìn)行設(shè)定功率運(yùn)轉(zhuǎn)的方式轉(zhuǎn)變?yōu)橥ㄟ^(guò)調(diào)節(jié)壓力值與液壓油流量達(dá)到對(duì)系統(tǒng)壓力位置的控制，保證可以運(yùn)用最強(qiáng)的流量和壓力實(shí)現(xiàn)電機(jī)以額定轉(zhuǎn)速進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)，當(dāng)相配套的設(shè)備需要低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，如果原有額定的轉(zhuǎn)速功率較大，此部分功率將直接轉(zhuǎn)化為熱能量，倒回郵箱系統(tǒng)，機(jī)器會(huì)產(chǎn)生發(fā)熱、運(yùn)轉(zhuǎn)速率降低、甚至設(shè)備損壞等情況，同時(shí)增加了電能和其他能耗的使用量，但通過(guò)伺服系統(tǒng)的應(yīng)用可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)速的監(jiān)控，為相應(yīng)設(shè)備配備相應(yīng)的液壓油流量和壓力，在動(dòng)態(tài)監(jiān)管之下，根據(jù)需要進(jìn)行壓力控制，實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的。

5.3 注塑機(jī)伺服泵驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)整體分析

伺服泵驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是由電機(jī)、位置傳感器、伺服驅(qū)動(dòng)器、油泵、壓力傳感器等組成，工作原理是在注塑機(jī)不同生產(chǎn)過(guò)程和生產(chǎn)階段，用電腦控制器釋放不同的壓力和流量信號(hào)，相應(yīng)的伺服驅(qū)動(dòng)器會(huì)根據(jù)當(dāng)前的工作狀態(tài)、原材料信息等具體內(nèi)容，在閉環(huán)工作狀態(tài)中同步所給出的壓力值，并通過(guò)伺服電機(jī)設(shè)定的速度帶動(dòng)油泵和媒介油質(zhì)注入設(shè)備，使得設(shè)備出現(xiàn)自動(dòng)的負(fù)載和平衡。

在進(jìn)行控制系統(tǒng)軟硬件設(shè)置時(shí)，首先要考量控制系統(tǒng)硬件的總體結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)方案，考慮其主控電路功率、驅(qū)動(dòng)電路、電源電路，實(shí)現(xiàn)各電路、電流、電壓、串口通信等不同結(jié)構(gòu)的相應(yīng)匹配，并在設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路時(shí)實(shí)現(xiàn)各部位電阻輸出端、轉(zhuǎn)換電路、電壓信號(hào)的協(xié)調(diào)統(tǒng)一，實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳遞、控制器傳感、流量供給的一體性。

在進(jìn)行系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)時(shí)要參考各程序功能模塊的初始化狀態(tài)，保證其在生產(chǎn)時(shí)不會(huì)出現(xiàn)中斷響應(yīng)的情況，并設(shè)置相應(yīng)的倍數(shù);針對(duì)生產(chǎn)工藝和流程設(shè)定具體的中斷程序，保證設(shè)備在運(yùn)行出現(xiàn)不當(dāng)狀態(tài)時(shí)，可以通過(guò)自我保護(hù)實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器運(yùn)行狀態(tài)的有效調(diào)節(jié)。

6 案例分析與展示

以市場(chǎng)上某一節(jié)能服務(wù)公司所生產(chǎn)的注塑機(jī)為改造目標(biāo)，可以進(jìn)行伺服電機(jī)實(shí)際應(yīng)用效果和能力的驗(yàn)證：

選擇一臺(tái)已經(jīng)被改造過(guò)的注塑機(jī)和一臺(tái)沒(méi)有經(jīng)過(guò)改造的注塑機(jī)，在同一時(shí)間內(nèi)對(duì)同一種原材料進(jìn)行生產(chǎn)和加工，在同一工作量的條件下，運(yùn)用移動(dòng)式電能監(jiān)測(cè)儀器進(jìn)行能耗的數(shù)據(jù)收集整理和對(duì)比，通過(guò)差值可以計(jì)算出進(jìn)行伺服機(jī)驅(qū)動(dòng)模式改造的有效結(jié)果和相應(yīng)節(jié)約的電能。依照可查詢到的數(shù)據(jù)可以看出，兩臺(tái)設(shè)備的耗電量降比約為3/5，以某一企業(yè)一年耗電量11.1萬(wàn)kW為計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，可以為企業(yè)節(jié)省7萬(wàn)元左右的運(yùn)營(yíng)成本，而被改造過(guò)后的設(shè)備使用壽命也穩(wěn)步提升，更可以大幅提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

7 結(jié)語(yǔ)

作為帶動(dòng)塑料加工產(chǎn)業(yè)快速、穩(wěn)定、大規(guī)模發(fā)展的重要設(shè)備之一，注塑機(jī)的優(yōu)良化改造不僅可以實(shí)現(xiàn)原有生產(chǎn)效能的提高、耗電量的降低和整體工藝的發(fā)展，還可以帶動(dòng)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。在進(jìn)行節(jié)能改造時(shí)充分發(fā)揮伺服機(jī)的優(yōu)勢(shì)化作用，實(shí)現(xiàn)對(duì)耗能、工作效率的有效化、針對(duì)性把控，可以提高注塑機(jī)的生產(chǎn)效能并降低能耗，通過(guò)實(shí)際的實(shí)驗(yàn)和觀察也可以印證注塑機(jī)伺服節(jié)能改造的必要性和可取性，各技術(shù)生產(chǎn)單位可以針對(duì)實(shí)際研發(fā)情況不斷進(jìn)行技術(shù)的升級(jí)換代，推動(dòng)此設(shè)備和更新理念的大范圍推廣與應(yīng)用。

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