（系统工程专业论文）伺服泵式注塑机控制方案设计与实现.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 随着社会的发展和科技的进步，注塑机的应用范围越来越广，工业生产对注 塑机的性能要求也越来越高。高速、节能、低噪声和高度自动化等特点代表着注 塑机的发展方向。注塑机的进一步发展和完善必将推动注塑成型技术的进步。 伺服泵式注塑机正是适应了目前注塑机行业的发展新趋势，成为众多注塑机 厂家和塑料产品生产商共同追求的目标，伺服泵式注塑机将是今后注塑机市场前 景非常广阔的产品。 本课题以贝加莱工业自动化( 上海) 有限公司与上海纪威机械工程有限公司 联合开发测试的伺服泵式注塑机项目为背景，对注塑机开合模、注射保压过程中 的速度和压力控制进行详细的研究和试验分析。在此基础上设计了基于前馈补偿 p i d 控制算法的注塑机控制系统解决方案，实现了预期的控制效果。论文的主要 内容如下： 1 查阅相关材料，深入探讨了塑料工业在现代工业中的重要地位、注塑机 械的发展历程和注塑机控制技术的发展特点等问题，在此基础上展开伺服泵式注 塑机项目的研究。 2 分析了伺服泵式注塑机的结构与性能，对伺服驱动器、伺服电机、变量 泵各自选型原则进行了分析和研究。详细介绍了伺服泵式注塑机的硬件配置和系 统软件组成。在利用先进伺服控制技术的基础之上，设计了优良的注塑机控制系 统架构和控制策略。 3 详细介绍了贝加莱“p c c + a c o p o s ”运动控制系统、p c c 控制器、 p o w e r p a n e l 面板和a c o p o s 驱动器。探讨和分析了a c o p o s 智能过程控制 技术( a c o p o ss m a r tp r o c e s st e c h n o l o g y ，简称s p t ) ，介绍了各功能块的功能 及编程方法。 4 针对贝加莱注塑机控制方案的特点和所要解决的关键技术，以a c o p o s 控制器为核心，完成了伺服泵式注塑机控制系统的硬件和软件设计。采用前馈补 偿p i d 控制算法解决了伺服泵式注塑机流量控制和压力控制平稳切换的要求。在 注塑机上实验表明，取得了良好的控制效果，进一步验证了算法的可行性和可靠 性。 本文的创新点在于利用伺服泵对传统液压型注塑机进行电气系统改造，提高 山东大学硕士学位论文 了注塑机控制系统的性能和可靠性，有效降低了生产成本。伺服泵式注塑机是集 液压和电驱动于一体的新型注塑机，融合了全液压注塑机的高性能和全电动注塑 机的节能特点。这种电动液压相结合的伺服泵式注塑机是业界的一大创新，代 表着注塑机发展的新方向。 关键词：注塑机；伺服泵；p c c 控制器；前馈补偿p i d 算法；s p t 流程图 i i 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs o c i e t ya n dt e c h n o l o g y , t h eu s a g eo fi n j e c t i o nm o l d i n g m a c h i n e ( i m m ) i sb e c o m i n gm o r ea n dm o r ep r e v a l e n ta n dt h ep e r f o r m a n c e r e q u i r e m e n t sa r eh i g h e ra n dh i g h e r c h a r a c t e r i s t i c ss u c ha sh i g hs p e e d ，e n e r g y c o n s e r v a t i o na n dl o wn o i s e ，r e p r e s e n tt h ed e v e l o p m e n td i r e c t i o no fi m m t h ef u r t h e r d e v e l o p m e n ta n dc o n s u m m a t i o no fi m mw i l lp r o m o t et h ep r o g r e s so fi n je c t i o n m o l d i n gt e c h n o l o g y t h es e r v o p u m pi m mi sw e l la d a p t e dt ot h en e wt r e n do fi m mf i e l da n d b e c o m e st h ec o m m o ng o a lo fm a n yi m mm a n u f a c t u r e r sa n dp r o d u c e r s s e r v o - p u m p i m mw i l lb e c o m eac e r t a i nb r o a dm a r k e tp r o d u c t s b a s e do nt h es e r v o p u m pi m mp r o je c tt o g e t h e rd e v e l o p e db yb & ri n d u s t r i a l a u t o m a t i o na n ds h a n g h a ic e n t u r yw i nm e c h a n i c a li n d u s t r yc o ，l t d t h es u b j e c ti s c o n c e n t r a t e do ns t u d y i n ga n da n a l y z i n gt h eo p e n i n ga n dc l o s i n gm o l d ，t h ev e l o c i t y a n dp r e s s u r ec o n t r o ls y s t e m sd u r i n gt h ep r o g r e s so fi n j e c t i o na n dp r e s s u r eh o l d i n g o nt h i sb a s i s ，t h ec o n t r o ls y s t e mi sd e s i g n e db a s e do nf e e d f o r w a r dc o m p e n s a t i o n p i da l g o r i t h m ，w h i c hp e r f o r m sa se x p e c t e d t h em a i nc o n t e n t so ft h i sp a p e ra r e s h o w e da sf o l l o w s ： 1 i n t r o d u c i n gt h ei m p o r t a n tp o s i t i o no fp l a s t i ci n d u s t r yi nm o d e mi n d u s t r y , t h e d e v e l o p m e n to fi n j e c t i o nm a c h i n ea n dt h ec o n t r o lt e c h n o l o g yo fi m ma c c e s st o r e l a t e dm a t e r i a l s a l la b o v el a yaf o u n d a t i o nf o rt h es t u d yo fs e r v o p u m pi m m p r o j e c t 2 a n a l y z i n gt h es t r u c t u r ea n dp e r f o r m a n c eo fs e r v o p u m pi m m ，f o c u so nt h e p r i n c i p l eo fs e l e c t i n gs e r v od r i v e s ，s e r v om o t o r sa n dp u m p sr e s p e c t i v e l y t h et h e s i s d e t a i l st h es e r v o - p u m pi m mh a r d w a r ec o n f i g u r a t i o na n ds o f t w a r es y s t e m n e w s t r u c t u r ea n ds t r a t e g yi sa l s od e s i g n e db a s e do nt h ea d v a n c e ds e r v oc o n t r o l t e c h n o l o g y 3 d e s c r i b i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so fp c c & a c o p o sm o t i o nc o n t r o ls y s t e m ，p c c c o n t r o l l e r , p o w e r p a n e la n da c o p o sd r i v ee t c a c o p o ss m a r tp r o c e s s t e c h n o l o g ya n df u n c t i o nb l o c kp r o g r a m m i n gt e c h n o l o g yi sa l s oi n t r o d u c e d 4 a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fi n je c t i o nm o l d i n gm a c h i n ec o n t r o ls c h e m e i nb ra n dt h e s e r v o - p u m pi n j e c t i k e yt e c h n o l o g y , t h ed e s i g no fh a r d w a r ea n ds o f t w a r e o ft h e o n se l e c t r i cc o n t r o ls y s t e mi s c o m p l e t e db yt a k i n ga c o p o s i i i 山东大学硕士学位论文 c o n t r o l l e ra st h ec o r e a n dt h er e q u i r e m e n t so fs m o o t hs w i t c h i n gb e t w e e nf l o w c o n t r o la n dp r e s s u r ec o n t r o la r ea c h i e v e db yu s i n gt h ef e e d - f o r w a r dc o m p e n s a t i o n p i dc o n t r o la l g o r i t h m t h ee x p e r i m e n t so nt h ei m ms h o wt h ep r e f e c tp e r f o r m a n c eo f t h es y s t e m ，w h i c hf u r t h e rv e r i f yt h ef e a s i b i l i t ya n dr e l i a b i l i t yo ft h ea l g o r i t h m u s i n gs e r v o p u m pt ou p g r a d et h ee l e c t r i c a ls y s t e mo fc o n v e n t i o n a lh y d r a u l i c i m mi st h em a i np o i n to ft h et h e s i s t h ea d v a n t a g e sa r et h a tt h ep e r f o r m a n c ea n d r e l i a b i l i t yo ft h ei m mc o n t r o ls y s t e mi si m p r o v e da n dt h ec o s to fp r o d u c t i o ni s r e d u c e de f f e c t i v e l y t h es e r v o - p u m pi m mi san e wt y p et h a td r i v e sh y d r a u l i ca n d e l e c t r i ci no n ew h i c hh a sa d v a n t a g eo v e rb o t hh y d r a u l i ci m ma n de l e c t r i ci m m t h e a d v a n t a g eo ft h en e wi m mi se n e r g yc o n s e r v a t i o na n dh i g h p e r f o r m a n c e t h e s e r v o - p u m pi m m c o m b i n e dw i t hh y d r a u l i c sa n de l e c t r i c si sam a jo ri n n o v a t i o ni nt h e i n d u s t r ya n dr e p r e s e n t san e w d i r e c t i o nf o rt e c h n o l o g yd e v e l o p m e n to fi m m k e y w o r d s ：坷e c t i o nm o l d i n gm a c h i n e ，s e r v o - p u m p ，p c cc o n t r o l l e r , f f c o m p e n s a t i o np i da l g o r i t h m ，s p ts c h e d u l e i v 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：趔茔日期：川：沙 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：型耋导师签名： 山东大学硕士学位论文 1 1 课题研究背景 1 1 1 塑料工业与注塑成型 第一章绪论 塑料工业是现代工业中的一个重要的行业，随着电子、信息、生物、交通等 各个领域产品的不断更新变化，塑料工业也得到了极大的发展。由于塑料具有密 度小、质量轻、高强度( 单位重量的机械强度) 、优异的电气性能、优越的化学 稳定性、摩擦系数小和耐磨性能、优良的减震、隔音性好等特点，再加上具有易 成型、易切削、易焊接、能很好地与金属、玻璃、木材及其它材料相粘接等性能； 同时原料来源也很丰富，因而被广泛应用于工业、农业、国防以及人们日常生活 的各个领域【l 】。 在机器制造工业中，塑料被广泛地用来制造零部件；在机电行业中，一吨塑 料大约可代替4 5 吨有色金属；在电器工业中，电视、电冰箱、微波炉等大量采 用塑料，为我国节约了大量的矿产资源；在化工设备方面，用塑料作防腐材料生 产的管道、容器、泵和阀门等在实际中的应用，解决了使用金属所无法解决的腐 蚀、磨损和环境污染等问题；至于在国防、仪表、纺织、医药以及农业等领域， 对塑料的需要也是口益增加。而在我们的日常生活中，塑料也是无处不在：塑料 盆、塑料桶、果盘、台灯灯罩等等，其重要性不言而喻。 注塑成型【2 】是成型塑料制品最为广泛使用的一种重要方法，具有生产效率 高，产品一次成型的优点。其基本过程是将树脂原料加热至熔融态( 也称为塑化 态) ，从而使其具有一定的流动性；然后用一定的压力将熔融塑料注射进模具的 型腔内，依靠冷却( 对于热塑性树脂) 或加热( 对于热固性树脂) 使熔料固化成 型，然后从模具中取出所需要的成型制品。注塑成型具有生产周期快、生产效率 高、能成型尺寸精确、形状复杂或带镶嵌件的制品，并易于实现自动化等特点， 因而在整个塑料制品生产行业中占有非常重要的地位。目前除少数几种塑料外， 几乎所有的塑料都可以采用注塑成型的方法来生产制品。 随着应用的日益广泛，塑料制品正向轻量化、复合化和功能化的方向发展。 山东大学硕士学位论文 同时，塑料制品的发展也对注塑机械提出了更高的要求，在保证制品质量的前提 下，如何利用成熟的自动化设备，提高产品精度，降低废品、次品率，节约原材 料和能源来降低成本，增强市场竞争也逐渐引起人们的高度重视。从近年来塑料 机械展览会展示的技术来看【3 】【4 】，目前注塑成型设备，正向高速高效、精密节能、 低噪声和高自动化等方向快速发展。 1 1 2 注塑机的发展及现状 注塑机自本世纪3 0 年代问世以来，主机结构及传动原理变化不大，但其发 展历程大致经历了以下几个阶段 5 】： 1 ) 2 0 世纪5 0 年代以前，第一代注塑机采用柱塞式注射机构，动力传动方式由 机械发展到液压。 2 ) 2 0 世纪5 0 年代中期，第二代注塑机采用往复式螺杆式注射机构及液压驱动 方式，其基本结构和液压工作原理一直沿用至今，主要特征是采用开关式电 气元件和继电器及开关式液压控制阀。 3 ) 2 0 世纪6 0 年代中期后，由于对塑料加工工艺、制品质量、生产效率提出了 更高的要求，电液伺服阀和电液比例阀逐渐为注塑机采用。同时，随着大规 模集成电路的发展，集成电子技术和微处理器系统也逐渐在注塑机上使用。 微控制系统、电液比例剐6 及伺服开环控制技术，成为第三代注塑机的主要 特征。目前，这类注塑机的产品在世界上占有很大的比例。 4 ) 1 9 7 3 年，世界上采用闭环控制的第一台注塑机诞生。该注塑机可以分别对温 度、注射速度、注射压力、保压压力、塑化背压、塑化转速等重要工艺参数 及工程参数实施闭环控制，并大幅度提高控制精度，确保产品质量。微计算 机技术、电液控制技术和现代控制理论的综合应用，进一步发展了自适应控 制注塑机。微机闭环技术成为第四代注塑机的主要特征，具有极高的技术附 加值。 5 ) 伺服泵注塑机在第四代注塑机的基础上，其控制系统增加了通讯及网络工 程，采用多级控制机构及总线技术，能够实施统计过程控制，优化工艺参数、 人机界面友好的操作性和全过程生产监控，保证了产品的质量和品质。 伺服泵式注塑机是目前注塑机行业的发展新趋势。伺服泵的应用，提升了传 统注塑机的整体性能。优异的节能效果、快速的响应特性以及良好的制品质量等 2 山东大学硕士学位论文 优点，使得众多注塑机厂家都在进行测试或者开始把伺服泵式注塑机推向市场。 希望能够从这方面获得新的市场份额，抢占市场先机。 1 1 3 注塑机控制技术的发展特点 随着社会的发展，塑料制品的应用越来越广泛，产品形状也朝着多样化、个 体化、小型化方向发展。以上这些要求，均促进了注塑机控制技术【7 】的快速发展， 不同时期的控制技术特点如下： 1 ) 继电器、接触器控制 2 0 世纪6 0 年代采用继电器、接触器进行控制，多数情况下为开环方式，由 行程开关和挡块进行动作程序进行切换控制。由于这种控制方式采用导线连接， 仅适用于一个固定的工艺过程，一旦工艺过程发生变化就必须重新连接、存在研 制和设计时间长、修改不方便、寿命短、可靠性差、故障检查困难、控制精度低 等问题，因而，这类注塑机的工艺水平难以提高，缺乏市场竞争力。 2 ) 电子电路顺序控制 电子电路顺序控制采用分立元件或部分采用集成电路，以门电路来代替继电 器，用直流电磁阀代替交流电磁阀，用无触点行程开关及挡块实现动作程序的切 换，具有感应快、体积小、成本低等优点。 3 ) 可编程控制器控制8 】【9 】 2 0 世纪6 0 年代末发展起来的可编程序控制器( p l c ) 是一种较好的控制装置， 它由中央处理单元( c p u ) 、输入输出( i 0 ) 、存贮器、编程器等组成。控制程序由 用户输入到存贮器中，c p u 以扫描工作方式按照程序判断输出状态，来实施对 现场设备的控制。 我国用p l c 控制装置来实施在注塑机中的应用大多是从对传统控制系统的 改造开始，目前国内的注塑机大部分采用p l c 控制系统。采用p l c 控制可以实 现注塑机的自动化控制与调节，注射成型过程的工艺参数控制也能够得到基本保 证。p l c 控制主要是利用位移传感器等进行动作程序和过程程序的切换，并能够 实现比例压力和比例流量控制。 同时可以进行开关量逻辑控制，也可以兼有模拟量( 如温度、压力、流量、 转速等) 的闭环控制。借助键盘和液晶或数码显示，可设定或修改工艺过程参数， 并设有预警系统和故障显示指示灯以监测生产过程，从而大大提高了整机性能， 山东大学硕士学位论文 适合加工高精度注塑制品。 由于p l c 控制方式可使注塑机实现闭环控制，即按照在线测量值与设定值 的偏差通过负反馈回路进行控制，因此当注射速度、注射压力、模腔温度、模腔 压力、熔体温度和油压等参数在生产过程中因干扰出现偏差时，机器可通过自适 应控制系统针对干扰自动进行修正。从而使p l c 控制方式较传统方式的抗干扰 能力及控制精度有了很大程度的提高。 然而p l c 控制方式也有其不足的地方，如它的抗干扰性、可靠性和温度控 制精度在有些时候还显得不够理想。对此，华南理工大学聚合物新型成型装备国 家工程研究中心刘跃军、瞿金平教授等人采用了新型的p l c 装置，即贝加莱可 编程计算机控制器( p c c ) ，使液压机械式大型注塑机得到成功的升级，这是我国 注塑机控制系统开发的一种新思路。 4 ) 电脑控制系统 利用液晶( l c d ) 显示设定参数和过程参数及过程变化曲线，通过图形动画 及菜单，使得成型过程可视化，具有信息容量大、操作直观、方便等特点。同时， 还具有较强的计算能力和自诊断、故障报警、模具参数存储、压力和流量无极可 调、在线设定修改参数、人机会话方式、在线监测动作状态、中文提示等功能。 具有中英文等多种语言，可自由进行选择切换。该系统能够实现成型过程开环及 闭环控制，提高了注塑机的性能，并能够成型出质量极高的塑料制品。高性能嵌 入式系统控制由开环控制逐步发展为带比例伺服系统的开环控制，并推广群控技 术。注塑机可通过专用键盘及液晶显示屏，设定若干级压力、速度及温度参数， 以曲线形式显示各参数变化情况。系统可具有数套或数十套模具( 含工艺参数) 的存储能力，还可以对若干种故障进行报警。 伺服泉注塑机上位机所采用的人机面板，兼有p l c 和电脑控制系统的功能， 能够方便地进行操作：设定控制参数( 压力、速度、温度等) 、获得监控数据( 压 力、速度、温度、油压) 、实时监控系统的运行过程、保存配方以便用户开机时 系统自动地读取、并且能够方便地用中英文在线设定、修改参数；故障报警并打 印等。上位机设定的参数，能非常方便地通过总线下载到下位机的控制系统中， 进行基本的运算，输出控制信号到伺服驱动器，驱动伺服电机控制油泵来控制注 塑机动作，获得良好的控制性能。 4 山东大学硕士学位论文 1 2 课题的来源、研究内容及安排 1 2 1 课题来源 在注塑机发展过程中有两类机型比较突出：传统液压型和最新的全电动型。 液压型注塑机在成型精密、形状复杂的制品方面有许多独特优势：其价格低廉， 但是精度和速度难以再提升，而且由于液压系统的特点等会带来环保和维护的困 难。全电动型注塑机由于使用了伺服电机，注射控制精度较高，转速高且稳定， 还可以多级调节，并且在环保和节能方面有巨大优势。但是其价格远高于液压型 注塑机，而且维修、使用费用也比较高等阻碍了全电动注塑机的推广和使用。 贝加莱工业自动化( 上海) 有限公司与上海纪威机械工程有限公司联合开发 测试的伺服泵式注塑机，它是集液压和电驱动于一体的新型注塑机，融合了全液 压注塑机的高性能和全电动注塑机的节能特点。这种电动液压相结合的伺服泵 式注塑机是业界的一大创新，代表着注塑机发展的新方向。 1 2 2 研究内容 在注塑生产过程中，电气液压系统控制的效果是决定注塑机整体性能的关 键因素之一。在注塑机进行射胶、保压、背压时，下位伺服控制系统通过上位机 设定各个动作的速度( 流量) 和压力( 注射压力和保压压力) 参数进行控制，保 证主控部分速度设定和压力设定合理的斜坡处理及数据传送，液压系统的合理设 计是电气控制系统的关键。伺服泵控制的准确性和稳定性决定了注塑机制造出来 塑料制品质量的好坏。 鉴于注塑机速度与压力控制系统的重要作用，本文将以该伺服泵式注塑机项 目的注塑工艺流程为试验对象，以流量开环、压力闭环，使用前馈补偿p i d 控制 算法，实现流量控制到压力控制的平稳切换( 要求尽可能的避免过冲现象) 。提 高系统的响应速度、控制精度、保证注塑动作的稳定性和准确性，产品尺寸精度 以及产品质量。 1 2 3 论文章节安排 本文主要研究了基于伺服泵为核心的注塑机软硬件设计方案，并对注塑机控 制难点之一的流量控制和压力控制的切换进行了仔细的分析和研究。在上海纪威 山东大学硕士学位论文 机械工程有限公司注塑机上试验的结果表明，以伺服泵为基础的电气控制系统， 能较好的满足注塑机速度和压力的控制要求，具有极高的市场推广价值。 第一章：介绍了课题的研究背景、注塑机控制技术的发展、研究现状及方向， 结合本课题的来源，提出本课题研究的内容，明确了课题研究的任务。 第二章：通过介绍什么是伺服泵、伺服泵的选型及应用；伺服泵注塑机的机 械结构以及控制系统的架构，将传统的高压“耗能型”注塑机升级为无高压节流 的“节能型 注塑机。随着国家在环保( 节能、噪音、液压油泄漏) 等方面的要 求，伺服泵注塑机必将成为将来研究的重点，也将成为注塑机制造业的新卖点。 第三章：介绍了贝加莱运动控制系统：对注塑机运动控制所需要的硬件系统 和软件系统进行了详细的说明，为项目的顺利实施奠定了基础。了解a c o p o s 驱动器和伺服驱动函数库、编写任务程序、了解测试流程、采集测试数据图，对 可能遇到的问题进行了总结。 第四章：在贝加莱注塑机控制方案的基础上，对注塑机注射速度和注射压力 控制系统进行总体介绍、分析、设计。运用基于前馈补偿p i d 控制算法技术，通 过对采样图和实验数据的分析，较好地实现了对保压压力和速度的控制，达到了 方案的目的。 第五章：对论文的研究成果做出总结，为将来的研究做进一步的探讨和说明。 6 山东大学硕士学位论文 第二章伺服泵式注塑机的结构与性能分析 相对于传统的液压型注塑机来说，伺服泵式注塑机无论在结构设计、动力系 统的构成还是控制系统的结构与组成上，都有了一定的改变。这些改变与伺服泵 式注塑机所获得的优异控制特性是紧密联系的，使其具备了新的特性与优点。本 章将对伺服泵式注塑机的结构组成进行整体介绍及分析，并对伺服泵式注塑机 的控制性能加以说明。 2 1 伺服泵组成及选型 2 1 1 伺服泵的组成 伺服泵是由伺服驱动器、伺服电机和伺服定量泵( 或伺服变量泵) 组成的， 简称伺服泵【12 1 。如图2 1 所示： 图2 - 1 伺服泵组成 a ) 伺服驱动器 伺服驱动器的主要目的是处理来自上位机的电信号，使电机控制的各种机械 机构能准确与快速的达到某种控制要求。例如：位置控制、速度控制、转矩控制 和压力控制等。 b ) 伺服电机 伺服电机主要分为交流伺服电机和直流伺服电机。 伺服电机又称为执行电机( 在自动控制系统中作为执行元件) ，它接收伺服 驱动器输出的信号( 控制电压或相位) ，把信号变成机械位移( 也就是把信号转 换成电机的角位移或角速度) 。改变输入信号的大小和极性，可以改变电机的转 速和方向。在流量和压力控制中，此特性得到了极大的应用。 7 山东大学硕士学位论文 c ) 伺服定量泵( 柱塞式) 伺服定量泵是指定量泵在旋转时，每转一圈提供固定的液压流量。 在液压系统中，柱塞定量泵利用柱塞旋转启闭进、出口通道的同时，精确同 步地控制往复运动而形成液压缸内容积变化，吸、排液体介质，具备转子泵结构 特征，无需进、出口阀组。实现了通过调节转速控制泵液压流量和精确计量的功 能。具有运转平稳、流量均匀性好、噪声低和工作压力高等优点。 柱塞定量泵可以在高转速情况下运行，并且单位流量内的效率随转速的提高 而提高。也就是说：只有在高速旋转的条件下旋转柱塞定量泵的经济运行经济效 率才高。在实际应用中，就是考虑了经济运行情况，选用了流量较小的定量泵在 高速下运行，提高泵的工作效率，节省运行成本。 2 1 2 伺服泵的选型 由图2 1 知，伺服泵的选型，可以按伺服定量泵、伺服电机和伺服驱动器三 部分分别来选择。一般情况下，我们首先选择伺服定量泵，后选与泵的转速尽量 相接近的电机，然后再根据电机的电流来选择所需要的驱动器。具体如下： ( 一) 伺服定量泵( 柱塞泵) 的选型。 1 考虑定量泵的形式( 卧式、立式和其他形式) ，要符合注塑机设备要求。 2 确定合理的流量范围，柱塞泵型号标称的是额定流量，选用时应考虑适 当的余量范围。 3 根据系统工作压力，确定使用的压力等级并要留有一定的压力储备量。 通常泵的额定压力可比工作压力要高2 5 6 0 。 4 机械方面可靠性高、噪声低、振动小。 5 经济方面要综合考虑到设备费、运转费、维修费和管理费等。 6 。根据以上各方面的要求，按宁大勿小的选型原则。确定采用哪个厂家、 哪一系列的定量泵，然后选择泵的具体型号。 在国内，生产定量泵的企业有宜宾普什驱动有限责任公司、武汉兴达液压气 动有限公司、天津市海盛泵业制造有限公司等；国外的有美国、德国、意大利等 国的各大品牌生产商。 考虑到定量泵与伺服电机转速之间的匹配问题，轴之间的连接等问题。我们 采用了普什驱动的h k 3 5 系列的柱塞式定量泵，其额定转速的排量为3 5 c c r e v ， 8 山东大学硕士学位论文 型号为：h k 3 5 一f r 。其性能技术参数如表( 2 - 1 ) 所示： 表2 - 1h k 3 5 系列性能技术参数 额定工作压力 1 6 0 m b a r 排量 最高工作压力 1 8 5 m b a r 耐温 额定转速0 - 2 0 0 0 r m p 噪音 最高转速2 5 0 0 7 叩 。誊：零 图2 - 2 普什柱寒式定量泵 7 5 0 7 2 d b 仁) 伺服电机的选型： i 首先要是根据设各的传动机构、负载的运动要求对电机的扭矩、速度、 电流、负载和转子之间的惯性比进行计算。根据计算的结果，通过电机 的扭矩，速度曲线、转子惯量，初步查找出符合要求的伺服电机。 2 考虑上位控制要求( 如对端口界面和通讯方面的要求) ，主要是控制方式 是位置、转矩还是速度控制方式。 3 供电电源是直流还是交流，以及电压( 2 2 0 f ，3 8 0 r ) 的范围。 4 屠终确定符合要求的伺服电机。 5 注意安装的时候伺服电机与伺服泉之间联轴器的对中要好，否则将影响 伺服电机的寿命。 国内生产伺服电机的有南京苏强数控机电有限公司、上海瑞克科技发展有限 公司等企业。国外比较有名的是：口本安川德国百格拉，奥地利贝加莱工业自 动化公司等企业。 为r 有效提高机械部件的h 性，确保伺服电机的有效能可以充分发挥，即让 电机的转速尽量与柱塞泵( 2 0 0 0 r m p ) 保持一致，我们选用了登奇g k 6 系列交 省耋盔主量主主笙鎏耋 流永磁同步伺服电机。其技术参数如表2 0 实物图如图2 - 3 所不： 表2 - 2g k 6 1 0 7 8 a c 6 1 参数 型号：g k 6 1 0 7 8 a c 6 1 参数 额定转速( r m m ) 转矩常数足，以a 最高转速( r g r i n 】 2 5 0 0电压常数k ( m v r e f )1 5 3 静转矩m 。( n m ) 5 5 电机转子惯量k g m 2 相电流1 ( a ) 蕈量k g 2 6 g k 6 交流永磁同步旬服电机 图2 - 3 g k 交流水磁同步伺服电机 ( 三1 伺服驱动器的选型： 伺月k 驱动器，又称伺服电机驱动器、伺服马达驱动器、全数字交流伺服驱 动器等。 伺服驱动器一般有三种控制方式：速度控制方式、转矩控制方式、位置控制 方式。其中，速度控制和转矩控制都是用模拟量来控制的，位置控制是通过触发 脉冲来挎制的。具体采用什么控制方式要根据客户的要求，满足何种运动功能来 选择。 儿加菜a c o p o s 伺服驱动器系列涵盖了电流范围从1 0 1 2 8 a ，功率从 0 5 6 4 k w 。提供连接标准编码器系统和模块现场总线的接口。其适用于同步和 异步伺服电机。其系统特性为； 1 ) 高性能的伺服驱动设计 a c o p o s 系列伺服( 如表2 - 3 所示) 驱动器能在应用程序或者生产过程发生 瞬变时既快速又精确地产生事件响应。它在运行时扫描时间非常短且通信循环周 期仅4 0 0 u s ，控制循环仅5 0 u s 。 l o 山东大学硕士学位论文 2 ) 广阔的应用空间 3 1 模块化，精确性和超强的通信能力 4 1 配置取代编程 5 、提高生产率的智能控制技术 6 ) 简单快速的调试 7 1 直观有效的诊断工具等 表2 - 3 a c o p o s 系列伺服驱动器型号 8 v 1 0 1 05 0 2 8 v 1 0 1 65 0 2 型号8 v 1 0 4 50 0 2 8 v 1 0 1 00 02 电源连接捅头连接插头连接插头连接插头连接 集成电源滤波器 肯 电源故障监视有 i x ；总线连接 2 4 v i ) c 电源外部提供外部提供外部提供外部提供 2 4 v i ) c 输出 电机抱刚的监视 输f f 岢有青有 电机强度传感器有有仃有 插入式模块数量 34 44 考虑叭加莱a c o p o s 伺服驱动器的电流和功率，并结合项目测试的要求， 我们采用了贝加莱工业自动化有限公_ j 的a c o p o s 伺服驱动系列中的 8 v 1 3 2 00 0 2 伺服驱动器( 额定功率1 6 k w ，额定电流3 2 a ) 。图2 - 4 是测试伺服 泵项目所采用的伺服驱动器( 型号：8 v 1 3 2 00 0 2 ) 的实物图： 图2 4 伺服驱动器8 v 1 3 2 0 0 0 2 山东大学硕士学位论文 2 2 伺服泵式注塑机的机械结构组成 2 2 1 伺服泵式注塑机的整体架构 无论是伺服泵式注塑机还是传统的液压注塑机，为了实现塑料制品的成型生 产，都必须按照注射成型的工艺要求完成相同的单元操作。以最通用的螺杆式液 压注塑机为例，通常一个周期可分为：合模、注射座前进、注射、保压、冷却定 型、开模和顶出等几个阶段15 1 。这一周期性的过程如图2 5 所示。 1 2 图2 5 注塑机一个周期工作流程图 山东大学硕士学位论文 图2 - 6 是注塑机的实物图片 图2 - 6 卧式注塑机实物图 与注塑机实物图相对应的注塑运动结构图如图2 7 所示 台模装置( 连轩式) 模具 注射装置 止】苎环 阿2 - 7 卧式注塑机简化罔 2 2 2 伺服泵式注塑机注射装置结构 伺服泉式注塑机的注射装置【】”与传统型注塑机差别小大，注射装置的主要作 用是使塑料均匀地塑化成熔融状态，并以足够的压力和速度将熔料注射入模具 中。它主要由塑化部件( 机筒、螺杆、喷嘴等) 、料斗、螺杆传动装置( 马达) 、 注射油缸、注射座移动油缸等组成( 如图2 7 所示) 。 小管是传统型还是伺服泉式注塑机，注射装置的结构和采用的控制方法对制 品的质量部起着决定性的作用。不仅如此，注射装置及工作性能还直接影响着制 品的生产成本，因此注射装置是注塑机中非常关键的部分。 注射装置通常有两种驱动方式：皮带式驱动和直接驱动。直接驱动式的结构 优点在于结构比较紧凑驱动精度也比较高。我们采用的贝加莱伺服电机提供 山东大学硕士学位论文 “带键槽的伸出轴”连接方式，而使用的伺服定量泉( 柱塞泉) 所提供的也是“带 键槽的伸出轴”，故伺服定量泵和伺服电机之间的连接，只能通过联轴器连接。 这样，伺服电机的控制精度得到了提高，而且能提供足够高的转矩来使螺杆正常 的完成注射、计量，塑化等动作。 2 2 3 伺服泵式注塑机开、合模装置结构 合模装置【1 7 】【1 8 】主要包括固定模板、移动模板、连接前后模板用的拉杆、合 模油缸、顶出油缸、调模装置等组成( 如图2 7 所示) 。 合模装置是注塑机的重要部件之一，其功能是保证成型模具安全的闭合和实 现开闭模动作以及取出制品的部件。由于熔料以很高的压力注入模腔中，为了锁 紧模具而不致使制品产生飞边或影响制品的质量，就要对模具施加足够的锁紧力 ( 也就是合模力) 。所以对于一个比较好的合模装置应该具备三个方面的特性： 1 ) 足够的锁模力和系统刚性，保证模具在熔料压力作用下，不会产生飞边、溢 料等现象； 2 ) 模板要有足够的模具安装空间及模具开启行程； 3 ) 快速的移模速度及较慢的合紧模具速度，移模时要具备慢快慢的运动特性。 注塑机开模1 9 1 是指注射完毕，冷却产品后的开模顶出制品的动作，模具正常 打开的条件是注塑机提供的开模压力大于开模时的阻力。阻力是指开模打开时， 制品从模具型腔表面脱离时需要克服的力，包含摩擦力、型腔内的残余应力等。 开模机构工作原理与合模装置机构基本上相反，在此不再讨论。 1 4 山东大学硕士学位论文 2 3 伺服泵式注塑机控制系统的架构 2 3 1 伺服泵式注塑机控制系统硬件结构 匦固仁冷 墅口仨令 圈圈 匝亟尘号回 图2 8 伺服泵式注塑机控制系统硬件结构图 以伺服电机作为驱动装置的伺服泵式注塑机硬件结构【2 0 】如图2 8 所示。它由 人机界面、p c c 控制器、i p c 2 0 0 1 ( r o i 控机) 、伺服驱动器、伺服电机、温度模 块、d f d o 模块、a f a o 模块和传感器等部分构成。 上位机由工控机、面板及键盘组成，用于实现控制系统与操作者之间的信息 交互，其主要的工作是接受操作人员设定的各种注射成型工艺参数；将控制系统 所收集到的注塑机在工作过程中的状态信息反馈给操作者；在不同的工作模式 下，将接收到的按键指令传递给p c c 控制器以及运动控制中心( a c o p o s l 3 2 0 ) ， 使注塑机能够按照操作者的命令进行工作。 p c c 控制器的主要功能是从人机界面中获取控制电信号，按一定的时间顺 序向各个功能单元发出动作命令，使注塑机能按照控制要求、准确地完成注塑成 型的工艺过程。 运动控制中心的主要功能是接收p c c 控制器传输过来的动作命令，将这些 命令转化为各个伺服控制单元的控制指令、控制参数。并将各个伺服控制单元反 馈的信息传送到人机界面，作为操作人员进行正确判断和修正的依据。 伺服驱动器接受来自p c c 控制器的控制信号，直接控制伺服电机的运转， 伺服电机通过联轴器带动执行元件，为注塑机完成工艺流程提供驱动力。 山东大学硕士学位论文 2 3 2 伺服泵式注塑机控制系统软件 图2 - 9 是伺服泵式注塑机控制系统软件的基本构成【2 1 】【2 2 1 ，系统以贝加莱工业 自动化( 上海) 有限公司的软件a u t o m a t i o ns t u d i o 为基础，所有的程序性工作都 可以在a u t o m a t i o ns t u d i o 上进行编写、调试和下装，这个软件采用了现行通用的 网络通讯协议，在层与层之间建立了良好的数据接口。因此软件功能模块可以根 据各个层的分工规定，进行独立设计。这样就节约了项目的开发时间，也便于系 统的修改和维护。 图2 - 9 伺服泵式注塑机控制系统软件组成图 系统监控、显示层主要承担人机接口参数设置、状态监控、安全报警和人机 交互等工作，此模块用于接收系统所需要的参数和注塑工艺过程要求，同时通过 数据通信来监控各个工作单元的工作状态。 注塑工艺流程控制层主要是接受来自控制系统的具体指示，完成注塑工艺的 选择和组合，对各种符合工艺进行解释和i o 输出控制，同时通过检测各个传感 器信号是否正常来维护系统和机器的安全运作。 伺服控制软件主要承担伺服系统的位置控制、速度控制和电流控制。伺服控 制软件和工艺流程控制软件关系密切，它们之间的协调使用，能达到自由度很高 的工艺程序控制。 2 3 3 伺服泵式注塑机电动伺服控制单元 伺服泵式注塑机的性能在很大程度上依赖于伺服驱动控制器的精密性和稳 1 6 山东大学硕士学位论文 定性、伺服电机的响应速度和刚性特性2 3 1 。伺服泵式注塑机所希望获得的高速高 精密的生产也对伺服驱动控制器提出了很高的要求。对伺服驱动器和伺服电机， 大致要满足以下四个方面的要求： ( 1 ) 精度高 为保证注射制品的成型能满足精密注射的要求，并具有高的质量和稳定性， 必须保证射胶等动作的执行具有很高的精度，因此，在伺服控制中，位置控制要 求有高的定位精度；而在速度控制中，要求伺服控制能提供高的调速精度。 ( 2 ) 响应速度快 在注射成型过程中，为了成型具有复杂结构的制品，常常需要进行多级注射， 为了保证执行机构能严格按照设定的要求进行成型参数的切换，要求系统除了具 有高定位精度外，还应具有良好的快速响应特性，即要求跟踪指令信号的响应要 快，跟踪误差要小。 ( 3 ) 调速范围宽 无论是对于注射单元还是锁模单元，在工作过程中，执行机构( 也就是伺服 电机) 需要在较大的速度范围内进行工作，例如：为了保护模具的安全，锁模机 构在驱动动模板进行合模的过程中，需要从移模阶段的高速切换到即将闭紧模具 时的低速。因此，驱动锁模机构运行的伺服驱动器必