注塑机伺服系统培训教材(2).ppt

注塑机电液伺服系统培训教材 上海御能动力科技有限公司王宏义2010年元月 一注塑机伺服电液系统工作原理1 系统组成部件2 系统工作原理3 伺服型注塑机的性能指标4 与定量泵系统 变量泵系统 变频调速系统的比较二御能伺服系统产品系列1 驱动器系列2 电机系列3 配件系列4 常见系统配置三安装指南四调试指南五改装指南六故障处理指南七市场推广资料八应用实例 目录 第一部分 注塑机伺服电液系统工作原理 动作切换油路 开合模油缸 顶出油缸 射台油缸 射胶油缸 液压马达 压力0 10V 流量0 10V 压力反馈 转速反馈 电源 油箱 系统组成部件 电机转子 电机定子 外壳 位置传感器 定子绕组电磁设计使电机旋转时产生标准的正弦反电势 并确保电机转子静止阻力矩最小 转子磁钢采用高温强磁钕铁錋材料 内嵌式安装 退磁温度为160 高可靠性传感器适应各种各种恶劣环境工况 拉伸铝外壳 散热能力出众 也可集成风冷或水冷 温度电阻 位于定子绕组内 用于检测绕组的温度 永磁同步电机 定子三相绕组通入三相交流电 星形联接 产生合成旋转磁场 电机定子 旋转磁场的旋转速度与频率 极对数有关方向 取决于相序 调整输入电机定子三相交流电的频率就达到调速的目的 客户有时会接错相序导致电机不能正常工作 旋转磁场的速度及方向 永磁材料 钕铁錋安装方式 内嵌式退磁温度 160 电机转子 转子截面图 永磁电机的工作原理可以通俗的描述为 旋转磁场拖着转子运动 磁场旋转加速则转子的运动也加速 两者以相同的速度旋转 故称为同步电机 磁场的转速称为同步转速 由于负载的惯性 加速时同步转速高于转子转速 这时会出现什么现象 永磁电机 旋转变压器 旋转变压器可以对电机转子的位置进行检测 它的优点是结构牢固 耐高温 抗震动 抗干扰能力很强 可以确保系统在注塑机的恶劣环境下稳定可靠的工作 同时精度足以满足注塑机的控制精度需要 旋转变压器实际上是一种特制的两相电机 它有定子和转子两部分 在定子和转子上各有两套在空间上完全正交的绕组 当电机旋转时 定 转子绕组间相对位置的变化 使输出电压与转子角呈一定的函数关系 左边是一个旋转变压器的原理图 两个定子绕组S1和S2分别由两个幅值相等 相位差90度的正弦交流电压u1 u2励磁 即 由于励磁电流大小相等 相位差90度 因而在气隙中产生圆形旋转磁场 转子绕组中产生的感应电压为 从上式可以看出 旋转变压器输出电压的幅值不随转角变化 而其相位却与相等 因此可以把它看作是一个角度 相位变换器 为什么需要对旋变进行初始角校零 旋转变压器 温度电阻 由于永磁电机结构紧凑 为防止绕组的温度超过允许值 避免烧毁电机的情况出现 在定子深处放置了温度电阻 并连接至驱动器 当系统检测到温度电阻反馈的温度 注意 不是电机的表面温度 高于120 时 系统会报警停机 御能电机的温度电阻值是多少 菲仕电机的温度电阻值是多少 如果没有使用正确的驱动器 将显示什么温度值 永磁电机的主要指标和特性 额定转速 单位为 转 分 简写为RPM 在注塑机应用中常见额定转速为 1500RPM 1800RPM 2000RPM 最高转速 由电机结构决定 一般低于2500RPM 额定力矩 单位为 牛米 简写为 NM 额定功率 单位为千瓦 简写为 KW 对应额定转速和额定力矩时的电机功率 当电机工作在0速 额定转速之间 电机输出额定力矩 称为恒力矩运转 当电机工作转速高于额定转速时 电机输出额定功率 称为恒功率运转 有时称为弱磁运转 永磁电机的过载运行 按实际控制的需要 永磁电机的输出力矩可以短时间过载2 3倍 满量程保压时电机输出力矩一般过载多少倍 伺服驱动器 伺服控制单元 针对各种类型电机的控制算法及软件高性能矢量控制无位置传感器力矩控制精确位置和速度控制非线性弱磁高速控制位置校正空间矢量低速控制将高性能的电机控制算法和特殊的应用控制算法在软件上有机结合 组成高性价比的注塑机专用伺服控制系统 整流 逆变功率单元 按上位机的要求把恒压恒频的电网供电转换为电动机运转所需的SPWM电波 用于调节电动机转矩的大小 在电机控制中 施加于电机上的命令电流或电压并不是标准的正弦波 而是与正弦波冲量等效的PWM波形也称SPWM波形 为什么使用伺服系统时要求三相进线处漏电保护开关的动作值 100MA 反馈检测单元 按上位机 配套油泵 为什么叶片泵不能用于伺服型注塑机 伺服系统可以配套螺杆泵 柱塞泵 齿轮泵 油泵对比 压力传感器 功率电阻 在调速系统中 减速及停车是通过降低输出频率来实现的 在降速的瞬间 电动机的同步转速随之下降 然而由于机械惯性的原因 电动机的转子转速并未马上下降 当同步转速低于电动机的转子速度 电动机电流的相位改变180度 电动机从电动状态变为发电状态 与此同时 电动机轴上的转矩变为制动转矩 使电动机的转速迅速下降 电动机处于再生制动状态 电动机的再生电能经过逆变器的反并联二极管全波整流后反馈到直流回路 形成电容器侧的 泵升电压 使直流电压升高 过高的电压将对伺服控制器形成危害 当检测到电容器两端的电压高于设定值时 制动单元开始工作 将能量消耗在制动电阻上 功率电阻的规格 配套驱动器7501 1502 1802时 采用500W 15 的铝壳电阻 当交流母线电压很高时 对功率电阻有何要求 采用快速成型工艺参数时 对功率电阻有何要求 交流伺服系统的工作过程 驱动器从上位机接收压力 流量指令 然后将一定的电流输送给电机 电机将电流转换成转矩 将转矩传给负载 负载根据它自己的特性进行动作或加减速 旋转变压器测量电机的位置 注意 旋转编码器没有直接反映负载的位置 仅仅反馈的是电机轴的位置 把信号反馈给驱动器 将给定与反馈的误差输入到驱动器 通过一系列运算再输出电机电流 重复此过程 直至误差为零 电气传动系统运动方程式 T电机转矩 T负载转矩 T电机转矩 T负载转矩 T电机转矩 T负载转矩 加速运行T电机转矩 T负载转矩 减速运行T电机转矩 T负载转矩 恒速运行 电机转矩控制性能是影响电气传动系统性能高低的最重要因素 加减速时间和电机转矩 负载转矩以及系统惯量有关 速度模式 以保持转速恒定为目的 控制设备根据速度要求自动调整电机转矩适应外部的负载变化 恒速时电机转矩肯定等于负载转矩 转矩模式 以控制电机转矩恒定为目的 但电机的运转速度不确定 如果电机转矩始终大于负载转矩 则速度持续上升直至设备限速或损坏 如果电机转矩始终小于负载转矩 则速度为0或最低 下限 速度 伺服型注塑机的主要指标 流量 压力响应速度流量响应时间50MS 压力响应时间100MS 响应超调量制品重量重复误差 0 3 动作重复误差螺杆射胶终止位置误差 0 1mm节电率在非快速成型工艺条件下一般节电40 以上 与其他系统的比较 引入往复螺杆结构 将塑化及注射功能组合起来 降低了注塑机的成本 比例压力及流量阀采用微处理器的注塑机电脑极大地方便了注塑作业 动作压力和流量不用在阀上手调设置 注塑参数可保存 采用输出流量可自动调整的变量泵 具有节能优势 全电动型的推出大幅提高了机器的性能 具有精准 并行动作 省电 噪音小 没有漏油污染等等优势 伺服电液型注塑机具有类似于全电动机型的优势 但成本大幅下降 某专业杂志上罗列了发生在注塑机上的技术性革命 下面就伺服机型与定量泵机型 变量泵机型 变频调试机型的差异做一介绍 定量泵系统为什么浪费严重 用转速恒定的异步电机驱动定量泵 油泵会输出恒定的流量 但注塑周期中的各个动作对流量的要求都不同 多余的流量便在当时的设定压力下流回油箱 所需动作越慢 流回油量就越多 浪费的能量便越多 同样 设定的压力越大 流回油箱的浪费便越大 浪费了的能量都变为热能 将油温提高 冷却器带走的热量就是浪费的能量 以保压动作为例 保压时需要的油量很低 因螺杆前行的速度只需要足够填补成品冷却时的收缩量 一般不超过油泵流量的5 其余95 以上的流量便在保压压力下流回油箱 成品壁厚越大 保压时间便越长 浪费的能量便越多 变量泵如何调节流量 在异步电机恒速转动下变量泵能提供从零到最大的流量 最常用的变量泵采用斜盘轴向柱塞设计 按流量的需要改变斜盘的角度 从而达到流量的调节 节能的关键在于根据实际需求改变流量 变频器如何调节流量 变频器改变交流电的频率 将市电的50Hz变为5 50Hz 使异步电机的转速在10 100 中改变 配上定量泵后 液压油流量便在10 100 中改变 变量泵系统原理图 开环比例变量泵在工作时 其比例先导节流阀位于泵的出口处 且在绝大多数的工作时间内存在固定的压降 所以有功率损耗 其功率损耗在整个系统中约占10 25 之间 当负载压力小于设定压力时 比例先导溢流阀能可靠地关闭 油泵出口压力与负载压力保持一定的压差 使系统处于流量工作状态 当负载压力达到比例先导溢流阀的设定压力时 泵处在压力控制状态 此时泵输出的流量很小 只保证形成保压压力的需要及补充系统的泄漏量以此来适应注塑机各工况所需功率差别较大的情况 使之与负载所需功率自适应 以达到节能的目的 螺杆泵 永磁同步电机 伺服改装 伺服驱动器 更换注塑机上的电机和油泵 增加伺服驱动器 伺服改装完全不同于变频改装 交流异步感应电机与交流同步永磁电机的对比 鼠笼转子结构 定转子之间存在滑差来产生无功励磁电流给转子励磁 转子有附加的铜 铁损 无功损耗大 电机的效率低 电机的起动力矩一般是额定力矩的1 6倍以下 力矩惯量比也相对较低 电机起动响应慢 另外 可变损耗较大 转子铜损变化 使力矩不够平稳 低速运行 滑差太小时 力矩波动更大 速度平稳性大大下降 同步电机无滑差 无转子铜 铁损 永磁体自励磁 不需要无功励磁电流 功率因数高 进一步减少无功功率 并有效地减少定子铜损 永磁磁阻同步电动机相比异步感应电动机 无功功率节电率可达85 有功功率节电率可达23 25 节电效果十分明显 另外 永磁同步电机的起动力矩可达额定力矩的3倍以上 比异步感应电机大一倍以上 增加了系统的反应速度 力矩惯量比通常也比感应电机大3倍以上 力矩和速度的控制性能远远好于感应电机 叶片泵工作原理示意图 叶片泵在低速时输出的压力 流量不稳定 当转速低于某一临界值 400r s 时 叶片泵的吸油能力就变得较差 甚至不能出油 结论 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 变频系统在高压低流量工况下不能稳定运行 此时必须加大溢流 使得节能效果大打折扣 低速运行时 异步电机冷却不足 频繁加减速使得电机寿命缩短 变频技术使用于注塑机并不合适 电液伺服是目前最适合中国国情的解决方案 系统性能之比较 第二部分 御能伺服系统产品系列 御能伺服驱动器系列 配套电机系列 系统配件 140公斤系统压力时螺杆泵配置 175公斤系统压力时螺杆泵配置 140公斤系统压力时诚捷泵配置 175公斤系统压力时诚捷泵配置 液压动力系统PQ能力曲线 配置分析 实例 注塑工艺参数 在本例中 如果要求的保压时间超过12 5秒 则系统不能稳定工作 第三部分 安装指南 驱动器7501 1502 1802外形尺寸 2502 驱动器2502外形尺寸 3502 驱动器3502外形尺寸 制动电阻外形尺寸 压力传感器外形尺寸 KT 150 114 101 6KT 250 114 127 配套支架及联轴器尺寸一览表 QT42与NT3 QT52与NT4相同 御能电机系列 菲仕10系列 菲仕13系列 联轴器安装 总成安装 电气接线图 三相进线 制动电阻 三相进线 电机电缆 制动电阻的接线 三相进线 制动电阻 电机温度信号无极性 连接电机的U V W线必须一一对应 不得接错 否则电机不能正常工作 接地线必须牢靠连接 旋转变压器的接线 御能电机端全部采用航空插头 无须现场接线 菲仕电机需要现场接线 要注意接线的顺序 避免出错 接错菲仕电机端旋变线是经常发生的错误 菲仕电机旋变接口与驱动器端子对应关系 DB9插头定义 接口1 接口6 接口定义及菲仕电机旋转变压器的接线 上位机信号 压力传感器 使能信号的接线 接线时要分清上位机信号的正负 压力传感器要接地 第四部分 调试指南 调试工具 HMI面板 给定标定 油泵参数设置增益设置 状态监控 调试开始 检查 通电确认状态 设置油泵及电机型号 比例压力 流量调整 确认电机正反转 调试结束 压力 速度增益调整 压力 流量上升 下降斜率调整 第五部分 改装指南 改装现场记录表 注塑机使用环境 动力电接入 漏电保护开关 备注 地线处理情况 深埋 简易 无接地母线电压范围 改装现场记录图 底座图 油泵外视图 出油管示意图 进油管示意图 待改装机器流量的计算方法 伺服改装选型的原则是改装后的系统输出流量必须大于等于原机的流量 原机的流量要通过计算得到 首先要了解流量 排量 电机转速的关系 排量说明油泵的工作能力 单位为 毫升 转 表示与油泵同轴的电机每转一圈油泵可以排出多少毫升的液压油 流量的单位为 升 分钟 表示每分钟输出多少升液压油 电机转速的单位为 转 分钟 流量 升 分钟 排量 毫升 转 X转速 转 分钟 1000 除以1000是将毫升转换为升 考察待改装机器时 需要记录电机的转速和油泵的型号 一般六级电机转速为 960转 分钟 四机电机转速为 1460转 分钟 以电机铭牌的标示为准 油泵排量需要查阅资料获得 例如 某待改装注塑机的电机转速为 1470RPM 油泵为 威格仕35V25A 查威格仕油泵资料得知35V25A的排量为 81毫升 转 则该机器改装前的流量为 81毫升 转X1470转 分钟 1000 计算结果为 119升 分钟 油泵型号与排量对照表 威格仕VICKERS 油泵型号与排量对照表 油研YUKEN 油泵型号与排量对照表 东京美TOKIMEC 油泵型号与排量对照表 东京美TOKIMEC 续1 油泵型号与排量对照表 东京美TOKIMEC 续2 第六部分 故障处理指南 第七部分 市场推广资料 伺服系统的优点 流量响应时间 0 05秒压力响应时间 0 1秒 额定负载时电机转速从0加速到2500转 分仅需0 036秒 伺服系统响应速度快 减少了动作转换时间 加快了整机的运行节奏 流量反馈 压力反馈 伺服驱动器 伺服电机 油泵 流量给定 压力给定 流量输出 压力输出 采用速度和压力双闭环控制方式 压力控制误差 0 5BAR 重量重复误差 3 温度低时液压油的黏度高 泄漏降低 起压快 制品重量增加 高温时液压油黏度减低 采用与低温下相同的设定压力值实际压力会下降 射胶压力的降低导致制品重量变轻 注射材料的不均匀性造成油泵负载变化 引起压力或流量的波动 由于压力控制精准 制品的一致性高 重复精度高 良品率提高 节省原料 2 保压和冷却阶段节电效果最显著 冷却水的用量大幅减少 因为省电 所以电网容量需求也小 采用意大利原产螺杆泵 噪音远低于国家注塑机的噪音标准 80dB 工作环境改善 员工情绪安定 人员流动率降低 由于油温低 延长了整机特别是液压油 液压易损件 如油封 的寿命 减低了保养成本 很多地区都出台了节能补贴政策 注塑机伺服改造完全符合国家的政策导向 还有一些不被注意的收益有待同行总结 如伺服型注塑机用油量仅为普通机的2 3油压压力不受气候影响 注塑成型工艺条件可统一 减少操作员修改参数的次数 更易于管理 伺服机试模时间短 不仅提高效率 更节省了原料 第八部分 应用实例 日钢300吨注塑机伺服改装 改装前无法成型快餐盒 由于整个注塑周期只有7 3秒 节电效果不