sz-100800注塑机节能改造与动态特性研究-毕业论文

SZ100/800注塑机节能改造与动态特性研究SZ100/800INJECTIONMOLDINGMACHINEENERGYCONSERVATIONTRANSFORMATIONANDDYNAMICCHARACTERISTICRESEARCH摘要注塑机是塑料行业的重要生产设备，随着科学技术的不断进步，注塑机控制技术也随着工业技术的发展而日新月异。目前，国内注塑机的控制系统种类繁多，但是，在我国目前很多企业仍存在着大量的传统全液压注塑机。由于其生产过程电源供给功率基本不变，而不同工艺过程所需工作流量和压力不同，这种老式的注塑机其油泵的供油量却不能随之改变，因此产生了大量的能源浪费。鉴于注塑机应用越来越广泛和节能减排的需求，注塑机的机械结构、控制模式，以及工艺条件进行最小耗能优化设计成为必然趋势，对已有的注塑机进行节能改造具有较大的理论意义和工程实用价值。本文针对企业大量的全液压驱动注塑机现状，分析了节能改造的可能性，给出了基于伺服驱动液压系统的注塑机节能改造方案。该系统采用高性能永磁同步电机驱动定量泵，通过改变永磁同步电机的扭矩和转速等参数来控制定量泵的输出流量和压力，进而达到调节执行元件速度的目的。该系统具有闭环控制灵活、控制精度高、调速范围广、高效、节能、低噪音等优点。在对现有全液压驱动注塑机节能改造的基础上，对伺服驱动液压系统的动态性能进行深入研究，为改善其系统动态性能和进一步拓展广泛应用打下基础。在查阅大量的国内外相关文献基础上，分析了注塑机的组成、工作原理和工作过程，在此基础上对节能系统进行全面的分析，提出了适合型号SZ100/800全液压注塑机的节能改造方案，给出了伺服驱动液压系统，并对伺服控制元件进行了选型。根据矢量控制原理，建立了永磁同步电机的数学模型、液压泵控执行机构的数学模型、伺服驱动液压系统的数学模型和阀控液压缸数学模型，应用MATLAB/SIMULINK对伺服驱动系统和阀控液压缸系统分别进行仿真研究，通过分析结构参数转动惯量J、排量DP、机构参数A1、TPC、E、V1、CP等参数对其系统动态性能的影响，对伺服驱动液压系统动态性能的改善提出了措施减小转动惯量J、总泄露系数TP、液压缸总容积V1、系统负载和增大排量DP、油液体积弹性模量E等因素，提高了系统的动态特性。实验与仿真结果对比，验证了模型建立的正确性。研究结果表明，基于伺服驱动液压系统的注塑机节能改造方案是合理的，节能效果显著，达37之多；合理的选用伺服驱动液压系统的结构参数能有效的改善系统的动态性能。关键词注塑机；伺服驱动液压系统；系统建模；结构参数；动态特性论文类型应用基础研究ABSTRACTTHEINJECTIONMOLDINGMACHINEISANIMPORTANTPRODUCTIONEQUIPMENTOFPLASTICSINDUSTRYALONGWITHTHEPROGRESSOFSCIENCEANDTECHNOLOGY,THEINJECTIONMOLDINGMACHINECONTROLTECHNOLOGYISALSOCHANGINGRAPIDLYWITHTHEDEVELOPMENTOFINDUSTRIALTECHNOLOGYATPRESENT,THEREARESOMANYDIFFERENTKINDSOFINJECTIONMOLDINGMACHINECONTROLSYSTEMINTHEDOMESTICHOWEVER,ALARGENUMBEROFTRADITIONALHYDRAULICINJECTIONMOLDINGMACHINESTILLEXISTSINMANYENTERPRISESINOURCOUNTRYINTHEPRODUCINGPROCESS,THEPOWERSUPPLYPOWERISBASICALLYUNCHANGED,DUETOTHEDIFFERENCEOFTHEFLOWANDPRESSURE,RESPECTIVELY,INDIFFERENTTECHNOLOGICALPROCESS,THEFUELSUPPLYOFTHEPUMPCOULDNOTCHANGEINTHEPACEOFDIFFERENTFLOWANDPRESSURE,THEREFORE,ALARGEAMOUNTOFENERGYAREWASTEDINVIEWOFTHEAPPLICATIONOFTHEINJECTIONMOLDINGMACHINEISMOREANDMOREWIDELYANDTHEDEMANDOFENERGYSAVING,THEMECHANICALSTRUCTURE,CONTROLMODE,ASWELLASTHEOPTIMIZATIONDESIGNOFTHELEASTENERGYCONSUMPTION,BECOMEANINEVITABLETREND,ANDTHEMODIFICATIONOFEXISTINGINJECTIONMOLDINGMACHINEWILLBEAGREATTHEORETICALSIGNIFICANCEANDPRACTICALVALUEINTHEENGINEERINGACCORDINGTOTHESTATUSOFFULLYHYDRAULICDRIVENINJECTIONMOLDINGMACHINE,THISPAPERANALYSISALLTHEPOSSIBILITIESOFENERGYSAVING,THENPUTFORWARDTHEREFORMSCHEMEFORENERGYSAVING,BASEDONTHEEXISTINGSERVODRIVENHYDRAULICSYSTEMOFINJECTIONMOLDINGMACHINEUSINGHIGHPERFORMANCEPERMANENTMAGNETSYNCHRONOUSMOTORDRIVENBYTHEDOSINGPUMP,THEPURPOSEOFADJUSTINGACTUATORSPEEDWILLBEACHIEVED,BYCHANGINGTHEPARAMETERSTORQUE,SPEED,ETCOFPERMANENTMAGNETSYNCHRONOUSMOTORTOCONTROLTHEPUMPOUTPUTFLOWANDPRESSURETHESYSTEMHASADVANTAGESOFFLEXIBLECLOSEDLOOPCONTROL,HIGHCONTROLPRECISION,WIDESPEEDRANGE,HIGHEFFICIENCY,ENERGYSAVINGANDLOWNOISE,ETCBASEDONTHEENERGYSAVINGOFEXISTINGFULLHYDRAULICINJECTIONMOLDINGMACHINE,THISPAPERMADETHETHOROUGHRESEARCHOFDYNAMICPERFORMANCEOFTHESERVODRIVENHYDRAULICSYSTEM,INORDERTOIMPROVETHEDYNAMICPERFORMANCEOFTHESYSTEMANDLAYTHEFOUNDATIONFORTHEFURTHERAPPLICATIONONTHEBASISOFCONSULTINGRELATEDLITERATUREDOMESTICANDABROAD,THISPAPERANALYSESTHECOMPOSITION,WORKINGPRINCIPLEANDPROCESSOFTHEINJECTIONMOLDINGMACHINEAFTERTHECOMPREHENSIVEANALYSISABOUTTHEENERGYSAVINGSYSTEM,SEVERALSCHEMESAREPUTFORWARDBASEDONTHEMODELSZ100/800FULLHYDRAULICINJECTIONMOLDINGMACHINE,WITHSTATINGTHEMODELOFMODIFIEDSERVODRIVENHYDRAULICSYSTEMANDTYPESELECTIONOFSERVOCONTROLELEMENTSACCORDINGTOTHEPRINCIPLEOFVECTORCONTROL,THEMATHEMATICALMODELWEREESTABLISHEDOFPERMANENTMAGNETSYNCHRONOUSMOTOR,HYDRAULICPUMPCONTROLACTUATOR,SERVODRIVENHYDRAULICSYSTEMANDVALVECONTROLLEDHYDRAULICCYLINDER,ANDTHESIMULATIONRESEARCHWEREPERFORMEDFORTHESERVODRIVESYSTEMANDHYDRAULICVALVECONTROLLEDCYLINDERSYSTEMBYUSEOFTHEMATLAB/SIMULINKAFTERANALYSISALLTHESYSTEMDYNAMICPERFORMANCEINFLUENCEDBYTHESTRUCTURALPARAMETERS,SUCHASTHEMOMENTOFINERTIAJ,DISPLACEMENTDP,THEMECHANISMPARAMETERSA1,TPC,E,V1,CP,ETC,SOMEIMPROVEMENTMEASURESAREPROPOSEDREDUCETHEMOMENTOFINERTIAJ,THETOTALLEAKAGECOEFFICIENTCTP,THEHYDRAULICCYLINDERTOTALVOLUMEV1,THESYSTEMLOADANDINCREASETHEEMISSIONSDP,THEOILBULKMODULUSE,ANDALSOTHESEMEASURESCOULDSATISFYTHENEEDOFIMPROVINGDYNAMICCHARACTERISTICSOFTHESYSTEMCOMPAREDWITHTHESIMULATION,EXPERIMENTALRESULTSVERIFIEDTHECORRECTNESSOFTHEMODELTHERESULTSSHOWTHATITISREASONABLETHATENERGYSAVINGMODIFICATIONOFTHEINJECTIONMOLDINGMACHINEBASEDONTHESERVODRIVENHYDRAULICSYSTEM,ANDALSOTHEEFFECTISREMARKABLE,UPTO37REASONABLESELECTIONOFSTRUCTURALPARAMETERSOFTHESERVODRIVENHYDRAULICSYSTEMISEFFECTIVETOIMPROVESYSTEMDYNAMICPERFORMANCEKEYWORDSINJECTIONMOLDINGMACHINESERVODRIVENHYDRAULICSYSTEMSYSTEMMODELINGSTRUCTUREPARAMETERSDYNAMICCHARACTERISTICSDISSERTATIONTYPEAPPLIEDBASICRESEARCH目录第1章绪论111研究背景与意义112注塑机国内外生产现状3121国外注塑机生产现状3122国内注塑机生产现状413伺服驱动液压系统研究现状414课题提出及主要研究内容6141课题的提出6142主要研究内容6第2章伺服驱动液压系统注塑机总体结构分析721注塑机的组成、工作原理和工作过程7211注塑机的组成7212注塑机工作原理8213注塑机成型过程922SZ100/800注塑机参数1023注塑机节能系统方案11231全电动节能系统12232比例变量泵节能系统12233变频技术的节能系统12234伺服驱动液压节能系统13235注塑机节能系统比较与分析1324伺服驱动液压系统注塑机组成及工作原理13241伺服驱动液压系统注塑机组成13242伺服驱动液压系统工作原理1425伺服驱动液压系统注塑机元件选型15251伺服驱动液压系统注塑机重要组成元件15252SZ100/800注塑机改造后的控制部分重要元件选型1626伺服驱动液压系统注塑机和传统全液压注塑机的液压系统区别1927本章小结20第3章注塑机伺服驱动液压系统数学模型2131引言2132矢量控制原理及其应用21321矢量控制原理21322矢量控制应用2133永磁同步伺服电机数学模型22331永磁同步伺服电机工作原理22332永磁同步伺服电机数学模型的建立22333永磁同步电机矢量控制方法2634定量泵控液压缸系统数学模型2735伺服驱动液压系统方框图2936本章小结30第4章伺服驱动液压系统动态性能分析3141引言3142伺服驱动液压系统动态特性仿真分析31421MATLAB/SIMULINK软件简介31422MATLAB/SIMULINK仿真在控制系统中的应用32423基于SIMULINK伺服驱动液压系统动态仿真32424系统中主要物理参数对动态性能的影响33425参数对系统动态性能影响综合分析36426伺服液压系统仿真分析及影响系统性能的主要因素3743阀控系统与伺服驱动液压系统动态特性比较38431建立阀控液压缸系统数学模型38432阀控液压缸系统与伺服驱动系统动态特性比较40433提高伺服驱动系统动态特性的可行措施4344本章小结43第5章伺服驱动液压系统的实验研究4551引言4552SZ100/800注塑机节能改造45521试验目的45522SZ100/800注塑机改造方案45523伺服驱动液压系统控制系统硬件组成45524伺服驱动液压系统控制系统软件设计4653伺服驱动液压系统注塑机能耗实验47531实验结果及分析49532改造后注塑机优点5154本章小结52第6章结论与展望5361研究结论5362进一步展望54参考文献55致谢59攻读学位期间的研究成果60第1章绪论11研究背景与意义注塑机是塑料行业的重要生产设备，是对热塑性或热固性塑料进行加工熔融后，以高压、高速注射入模腔，进而固化成型，生产出塑料制品的机械设备1。据统计，每年注塑机加工产出的塑料制品占全部塑料加工机械的50左右，全世界70塑料制品来自于注射成型。注塑机成为塑料成型机械制造业中增长最快、产量最多的机型，因此注塑机已经成为塑料加工行业中主要能源消耗设备之一2,3。目前，国内企业正在应用的大部分注塑机仍是传统全液压注塑机，传统全液压注塑机中液压回路主要由定量泵、异步电机、各种不同的动作油缸、各种换向阀、压力和流量比例阀及其它附件组成，如图11所示。全液压注塑机液压油泵一般为叶片泵、活塞泵和柱塞泵，它们是容积式定量油泵，定量油泵供油量与转速成正比，由于异步电机的转速不变，所以定量油泵的供油量也是基本不变的。当注塑机生产制品过程中需供油量发生变化时，由溢流阀进行调节负载压力和流量，来满足注塑机工艺流程变化的需求。事实上，注塑机的工作循环周期中合模、注射、保压、塑化、冷却、开模、制品顶出等阶段所用液压油的流量和压力是不同的，如图12、13所示，时大时小，有时几乎为零。在实际所需流量较小时，油泵的供油量远远大于负载实际消耗量，从而供大于求，多余的液压油经溢流阀又流回了油箱，这种现象称为高压节流4。据统计，由高压节流所造成的能量损失高达36685。由于注塑机的成型周期各个工艺流程中所需的压力和流量是不同的，呈周期性变化，从而导致注塑机液压系统所消耗的能量也随工艺流程周期性的变化（如图14所示）。由于全液压注塑机电机是恒功率输出，从而造成很大的能量浪费。由于电价昂贵，因此电费在企业生产成本中占有相当大的比重，并且已经成为严重影响企业生产效益的重要因素。为了节约能源，很多企业采取各种节能降耗措施，尽量降低生产成本，以便提高市场竞争力。改善注塑机的工作性能，有助于提高我国塑料行业加工的整体发展水平，加快了国民经济建设的步伐。系统油泵输出功率与工艺流程所需功率保持一致，提高电动机的功率利用率，减少液压系统功率损失，都有利于达到环保节能的目的。因此，如何进行全液压注塑机节能改造成为众多塑料企业关心的热点。动作执行机构各动作换向阀油掣板压力、流量阀定量泵异步电机溢流阀油箱图11传统液压回路示意图FIG11TRADITIONALHYDRAULICCIRCUITDIAGRAM图12注塑机流量循环图FIG12INJECTIONMOLDINGMACHINEFLOWCIRCULATIONCHART图13注塑机压力循环图FIG13INJECTIONMOLDINGMACHINEPRESSURECIRCULATIONCHART图14全液压注塑机能耗周期FIG14ENERGYCONSUMPTIONCYCLEOFENTIREHYDRAULICINJECTIONMOLDINGMACHINE全液压注塑机能源消耗主要是其液压系统的定量油泵，定量油泵是由异步电动机驱动使电机的电能转化为液压能，而异步电动机的用电量占整个注塑机用电量的758068，即注塑机的驱动系统是能源消耗的主要组成部分，因此对全液压注塑机节能改造，也就是改造注塑机的驱动系统。近年来，国内大部分节能研究着重于将液压阀控系统改变为泵控，如采用比例变量泵系统，将传统的定量泵改为变量泵，通过调整泵的排量，节能量即可达到约30。由于排量调整范围相对较小，如果改变电动机的工作方式，则仍有节能潜力。因此，采用变频调速系统，通过改变电机转速，进而更节能。但变频器具有一定的局限性，由于响应慢、调速范围较小，既使实现了节能，降低了生产加工速度，致使产品生产周期延长。近年来，伺服驱动液压系统是国内外一个新的研究方向，采用永磁同步电机驱动定量泵，将通常的阀控调速系统转变为泵控调速系统，整机控制性能有了一定改善与提高。伺服驱动液压系统具有闭环控制方便、调速范围广、控制精度高、节能效果好等优点。伺服驱动液压系统注塑机的优越性受到国内外广泛关注，因其设计理念与方法在节能改造方面具有广阔的应用前景。12注塑机国内外生产现状121国外注塑机生产现状1849年斯托格恩公司经过长时间的研发推出了第一台金属压铸机，注射成形机的主要参照了金属压铸机的结构设计从而设计出了第一台注塑成形机，1932年德国弗兰茨布劳恩FRANZBRAUN公司相继生产出柱塞式和卧式注塑机。1947年意大利制造出了首台液压驱动注塑机，1948年注塑机开始使用螺杆塑化装置，接着1956年推出了世界上首台螺杆式注塑机9。1968年美国的费洛斯公司FELLOWS开发出来注塑机控制系统，接着日本东芝机械、美国NEWBRITAIN、德国亚深研究所IKV、马洛公司DEMAG和西门子公司SIEMENS等厂家推出了相应的控制系统10。19世纪80年代初全电动式注塑机诞生，一些日本厂家以伺服电机取代螺杆式注塑机，至今已有30多年的历史11。2005年，NETSTAL公司推出了ELION系列全电动注塑机，日本住友公司推出的SED系列全电动注塑机提高了其系统的控制性能，德国BATTENFELD公司推出了EM系列全电动注塑机，其控制系统是由全数字伺服电机驱动，整机运动控制十分精确12。目前全电动注塑机生产厂家主要集中在欧洲、美国和日本，欧美一些国家例如加拿大、德国、意大利结合了全电动伺服控制和液压控制各自优点，推出了电液混合型注塑机。越来越多的生产厂家将研究开发重点转向电液混合型注塑机，例如德国的ARBURG，DEMAG、加拿大的HUSKY、日本的MEIKY，JSW，及TOSHIBA相继推出了电液混合型注塑机，亚洲除日本外注塑机还是以传统全液压为主，技术比较落后。122国内注塑机生产现状我国塑料制品加工设备起始于20世纪50代末，1958年首台注塑机在上海诞生13。20世纪50年代至70年代末是我国第一代注塑机的发展时期，而这一时期注塑机的特点是技术含量低、效率低、耗能高，主要操作以旋钮控制为主。20世纪80年代至90年代末是我国注塑机行业发展比较快的阶段，这一时期注塑机配件生产批量化、专业化，其主要操作控制大多选用电脑控制。本世纪初至现在，注塑机向全电动型、电液混合型和专用性方向发展。目前，最新统计整个中国市场上有注塑机约100万台，其中全液压注塑机占了至少50。这些全液压型传统注塑机已经成为企业用电大户，造成资源浪费过大，成本居高不下。13伺服驱动液压系统研究现状伺服驱动液压系统是最近几年发展起来的一种新的研究方向。它具有节能、高响应、成本低等优势，因此其系统发展相当快，特别是一些能源短缺国家对其系统更是得到重视14。所以也受到了国内外专家和科研院校的极大重视1518世界上对伺服驱动液压系统研究最早的国家是日本、美国和德国。日本第一电气株式会社研究的泵控伺服驱动系统，节能效果比较显著，已经在连铸、船用舵机和锻压机等装置中得到了成功应用1920。日本研究设计的伺服电机驱动定量泵系统的响应频率已达到了5HZ，伺服驱动液压系统的性能得到了很大提高。德国与美国对其系统的研究主要集中于电动静液作动器EHA、液压机、液压电梯上2123。美国MOOG公司1997年研制出电动静液作动器并运用在F18型飞机上并且进行了飞行实验。20世纪末，德国奥斯布格的国际电梯展览会上瑞士BERINGER公司展出了最新研究开发的新型液压电梯伺服控制系统，当场引起了很大的轰动24,25。从日本、美国和德国对该领域的研究现状看，目前国外对伺服驱动液压系统的研究已相对成熟。国内对伺服驱动液压系统的研究开发起步相对较晚，研究较多的单位主要集中在高校，例如广东工业大学、哈尔滨工业大学26、西安交通大学、太原理工大学等。我国对伺服驱动液压系统大多数还集中在理论方面研究，目前很少将这种系统用于工程实际应用，所以国内与国外先进国家还有很大的差距，要加大对其系统理论和实际工程应用研究力度，争取赶上技术先进国家，并缩小差距。最近几年广东工业大学对伺服驱动液压方面做了一些探索性的研究，主要采用了一种新型的电机驱动螺杆泵代替了异步电机驱动定量泵，结构上更加紧凑，既而减小了控制系统的空间，也削弱了其系统的噪声。将传统的液压系统改变为变频调速系统，其系统有一定的优势，但也引发了一些问题。在大范围调速、节能减耗及系统可靠性进一步提高的同时，也带来了诸如低速性能差、响应频率低、不适应响应速度较高的应用等问题27,28。哈尔滨工业大学在研究伺服驱动液压控制系统中采用了永磁交流电动机驱动双向定量泵来控制执行机构的运动，对其系统建立了数学模型，并且对其系统进行了动态仿真，根据仿真结果分析出其系统具有一定的稳定性；适当控制和调整系统的参数可以改善系统性能29。这种液压系统已经开始应用于船舶舵机，为此搭建的实验平台来对控制船舶舵机进行理论与实验研究30,31。西安交通大学对伺服驱动液压系统的研究主要采用交流变频容积调速，对其系统进行了一些研究，通过智能控制策略，系统稳定性得到了提高，基本消除了负载变化对活塞速度的影响32。对于采用变频容积调速系统进行了动态特性研究33,34，经过对其系统研究分析，结果表明其系统具有节能高效、结构简单、噪声低和控制简单易于实现计算机控制等显著优点，应用前景广阔。太原理工大学对这种新型电液伺服系统进行了大量深入的研究35,36。对控制系统的电机与泵的采用了多种组合进行研究，并且对各种组合进行了研究分析和对比，对各种组合的控制系统的动静态性能进行试验研究，研究结果显示伺服驱动液压系统永磁同步电机驱动定量泵的控制原理具有更高节能效果。北京航空航天大学将这种新型电液伺服系统用于电动静液作动器EHA展开了研究，设计了一种新的EHA原理样机方案，分析结果表明新型的EHA的动态性能优良，具有重大发展意义37,38。14课题提出及主要研究内容141课题的提出我国目前市场上存在着大量的全液压注塑机，依据注塑机加工塑料制品的工艺流程，老式传统注塑机能源损失太大，随着能源问题日益受到重视，必须降低注塑机生产过程中的能源损失。所以现在市场上出现了一些新型注塑机，在塑料制品加工过程中能源损失大大降低了，注塑机实现了节能，但是将现有企业内存在的大量传统全液压注塑机报废去购买新型注塑机，这更造成能源的极大浪费，也不科学，本课题结合某企业实际现状，对全液压注塑机进行节能改造，以实现节约能源的目的。由于生产过程要求，希望注塑机系统响应速度要尽可能的快，稳定性要好，即系统的动态性能要好，也就是说，不仅需要节能型注塑机，同时还需要节能型注塑机系统具有良好的动态性能。142主要研究内容1对注塑机的生产现状进行全面深入的了解，进而分析注塑机总体结构和注塑工艺流程，对全液压SZ100/800注塑机进行节能改造，提出合适SZ100/800注塑机的伺服驱动液压节能改造系统，并根据SZ100/800注塑机的实际情况对伺服驱动液压系统中重要元件进行选型。2用矢量控制的基本原理建立永磁同步电机数学模型，并在此基础上建立伺服驱动液压系统数学模型，采用MATLAB/SIMULINK软件对其系统动态特性进行仿真研究，分析系统响应快速性、准确性和稳定性；建立阀控系统的数学模型，对阀控系统进行仿真研究，比较阀控系统与伺服驱动液压系统的动态特性，提出进一步改善伺服驱动液压系统动态特性的具体措施并加以实施。3对改造后的注塑机进行能耗实验，验证理论建模的正确性，比较改造前后的能耗损失，分析改造后的节能效果。第2章伺服驱动液压系统注塑机总体结构分析21注塑机的组成、工作原理和工作过程211注塑机的组成注塑机是注塑成型机的简称，它由加料装置、注射部件、合模部件、机身、加热系统、冷却系统、控制系统和液压系统等组成39，其组成如图21、22所示。主要耗能来源于驱动部件运动的液压系统和加热系统两部分。1控制系统；2合模部件；3左支架；4拉杆；5中支架；6动模板；7定模板；8右支架；9螺杆；10加热系统；11料筒；12液压系统；13电机；14连轴节；15支架；16液压马达17底座；18外罩图21注塑机结构示意图FIG21INJECTIONMOLDINGMACHINESTRUCTURESCHEMATICDIAGRAM注塑机加料装置注射部件合模部件机身加热系统冷却系统控制系统液压系统塑化部件注射座注射油缸座移油缸螺杆料筒螺杆头喷嘴合模装置调膜装置顶出装置动作行程料筒温度控制液压泵电机控制故障检测控制安全保护泵、液压马达、阀蓄能器、冷却器、管路图22注塑机结构组成示意图FIG22INJECTIONMOLDINGMACHINESTRUCTURECOMPOSITIONSCHEMATICDIAGRAM212注塑机工作原理注塑机工作原理类似于医学注射器，它是用螺杆（或柱塞）的推力将物料向料筒中输送，物料在螺杆剪切和加热系统的双重作用下逐渐地塑化，并最终成为熔融状。在螺杆旋转时，将已塑化好熔融状态的物料向前输送并压实，最终推到螺杆头部；与此同时，螺杆在物料的反作用下后退，使喷嘴前端物料聚集，形成储料空间，完成塑化过程。注射活塞以高压高速推动螺杆，将已经熔融的物料注射入模具型腔中，模具中的熔料经过保压、冷却、定型后，最后开启模具，将制品顶出，完成了整个制品的加工工艺过程，然后再进行下一个循环。简单的说，注射成型的周期包括合模、注射、保压、冷却、预塑、开模、制品顶出等过程40，注塑机成型工艺流程如图23所示。合模锁模注射座前进注射保压制品顶出开模冷却退回塑化塑化退回固定塑化图23注塑机成型工艺流程图FIG23INJECTIONMOLDINGMACHINEMOLDINGPROCESSFLOWDIAGRAM213注塑机成型过程1合模锁模注塑机工作周期从合模开始，合模系统首先以低压快速进行锁模，当动模板与模具接近时，再以慢速前进，确定模具内无异物，最后进行高压锁模，将模具锁紧，防止锁模力不够造成制品出现溢边现象。2注射座前移和注射当确认模具达到所需合紧力，注射座向前移动，保证喷嘴与模具完全贴合，接着注射螺杆前移将料筒的熔融的物料以高压高速注入模具型腔。但在注射阶段必须有足够的速度和压力，才能保证注射过程完好，保证制品质量。3保压注射阶段完成后，还需继续保持一定的压力进行补缩，为制得质量高、密度均匀的塑料制品，螺杆前端必须向熔料施加一定的压力，直至熔料冷却成型。此时的压力是保证塑料制品质量的主要状态参数，压力过高制品会产生溢边、应力不集中等现象，反之过低收缩太大、尺寸不安定等现象，一般为注射阶段压力的5065。此时制品收缩缓慢，注射速度也相对缓慢，此时的注射速度为注射阶段的10左右。4冷却和预塑当保压进行至模腔浇口封闭时，保压压力即可慢慢卸去，为了保持制品的刚度、强度和形状，模腔内的制品必须冷却一定时间才能定型，随着模腔温度的降低，模腔中的熔融物料在逐渐减少，模腔内压力也随之降低，此阶段的压力较低。制品冷却时间与塑化时间大部分是重叠的，物料在螺杆旋转作用下向前输送，使物料塑化。在螺杆头部熔料压力的作用下，螺杆在旋转的同时产生后退。当螺杆回退到计量值一次成型制品所需的注射行程时，螺杆停止转动，准备下一次注射。5开模顶出模腔内的熔料经长时间冷却定型后，制品具有了一定的刚性和强度，此时合模装置可以开模，将自动顶出制品，一个成型周期完成。22SZ100/800注塑机参数为了研究注塑机改造后的节能率，本文将对型号SZ100/800全液压注塑机见图24进行节能改造。SZ100/800注塑机的基本参数理论上注塑机每次注射最大容量138CM3，最高注射压力为1395MPA，锁模力800KN，允许模具最大厚度300MM，允许模具最小厚度180MM，螺杆直径40MM，拉杆有效间距329MM294MM，模板行程270MM，喷嘴半径R10MM。该注塑机控制系统是由三相异步电机驱动叶片泵，通过四通阀、比例阀向主油缸供油，改变四通阀可控制进入主油缸的流量及流速。图24SZ100/800注塑机FIG24SZ100/800INJECTIONMOLDINGMACHINESZ100/800注塑机控制系统各主要元件及参数如下1异步电机型号Y160L4，额定功率15KW，额定转速1500R/MIN，额定电压380V，额定电流303A，满载时效率885，功率因数085，最大转矩23NM，转动惯量00918KGM2，重量144KG。2液压泵叶片泵，排量50ML/R。3液压缸液压缸缸内直径40MM，行程270MM。图25SZ100/800注塑机液压系统异步电机定量泵FIG25ASYNCHRONOUSMOTORANDPROPORTIONINGPUMPOFSZ100/800INJECTIONMOLDINGMACHINEHYDRAULICSYSTEM从上述SZ100/800注塑机参数及图11、12和13可知，15KW电机在整个工作过程中几乎一直处于满负荷运转，既是在保压、冷却阶段，液压系统的供油量基本不变，而系统所需流量很小，液压油通过溢流阀流回油箱，不仅造成能源的极大浪费，也造成系统大量发热，影响系统寿命。23注塑机节能系统方案根据环保节能需要和伺服控制系统的日益成熟，对全液压式SZ100/800注塑机进行节能改造显得更为迫切。国内外注塑机节能研究方向主要体现在两个方面一是开发新型注塑机进行节能，例如全电动注塑机；二是把阀控液压缸系统替换为定量泵或变量泵控液压缸系统，也是目前国内大多数注塑机企业的为降低生产成本而研究的一个方向，例如比例变量泵系统、变频调速系统和伺服驱动液压系统。总之，注塑机的节能关键主要改进整机的驱动系统，而注塑机节能重点主要在加工同一个制品的工艺过程所消耗的电能为最少，使注塑机的电机输出功率与负载所需的功率达到自适应匹配调节；两者之间输出和所需功率尽量达成一致，这样注塑机驱动系统节能效果也就会更显著。231全电动节能系统全电动注塑机用伺服电机带动滚珠丝杠、齿形带以及齿轮等元件来驱动各个机构41。由于全电动注塑机无液压系统，交流伺服控制具有高响应速度，高定位精度，稳定节能和低噪等特点，注塑机工作性能产生了质的飞跃，全电动注塑机成为真正的高效、精密、节能环保型机器。全电动注塑机同样具有制造成本太高，某些关键部件需进口，而且高强度的滚珠丝杆使用寿命较短等缺点。因此，全电动注塑机一般都是中小型机型，在国内也难以得到广泛应用。232比例变量泵节能系统由于传统全液压注塑机系统能耗比较大，早期国内很多企业研究开发了比例变量泵系统，并运用到注塑机节能改造中，但节能效果不是太理想。比例变量泵系统是由异步电机驱动变量泵控制执行机构，此系统主要采用了PLC控制变量泵，通过改变泵的供油量来适应负载所需的能量，并通过压力比例控制供给注塑机在不同工作阶段下所需的压力、流量。该系统主要优点是液压系统发热少，所需冷却水较少，节能效果比较显著。缺点是开环变量泵稳定性差，响应速度慢，变量泵对液压油路系统清洁度要求高，油路清洁度会直接影响油泵的使用寿命；变量泵寿命比定量泵短；比例变量泵噪声比较大。233变频技术的节能系统变频调速系统采用PLC控制变频器，通过改变三相交流异步电机转速控制定量泵转速，从而改变各执行机构所需的压力和流量。注塑机系统在不同工况下达到所需流量和压力，这样使溢流阀的回流量降到最小，进而达到了节能效果。该系统的优点是注塑机调速范围大，稳定性好，安装、使用、维护方便，成本低，节能效果较好。而缺点是开环变频调速系统响应慢；常规定量叶片泵最低工作转速大于600R/MIN，故在此系统转速较小时节能效果不是太好；普通三相异步电机的过载能力较差，以至于系统发热相当严重。因此，该系统一般用于对全液压注塑机进行节能改造，比变量泵驱动系统更易于实现。234伺服驱动液压节能系统伺服电机驱动定量泵系统是最近发展起来的一种先进高性能节能系统。该系统是通过改变永磁同步电机转速来改变定量泵输出的供油量进而调节执行机构的速度42。系统对永磁同步电机进行闭环实时控制，其系统可以根据负载所需流量和压力来改变电机输出转速与转矩，电机驱动定量泵供给系统所需流量与压力，所以减少消耗多余的液压油，即实现了节能。此系统具有响应快，调速范围宽，噪音低，投入成本较低，节能效果显著等特点。该系统既能实现注塑机节能同时也保证了塑料制品的质量。235注塑机节能系统比较与分析在以上几个节能方案中，从制品精度、动态响应、维护成本和能耗角度看，全电动注塑机在节能效果上具有先天的优势，节能效果好。由于此系统某些关键零部件需进口，且价格昂贵，并且全电动注塑机吨位一般不超过150吨，不适用于生产大型塑料制品，因此在应用范围方面受到一定的限制，难以大量推广使用。其中，比例变量泵节能系统和变频调速节能系统发展相对成熟，节能效果也比较明显，但动态响应较慢，控制回路复杂，无法达到高响应高精度的要求，难以适应现代高效生产和精密注塑等要求。综上所述，几种节能方案各有优缺点，注塑机在生产制件工作过程中需较长的冷却时间和保压时间，系统大部分的工作时间都处于负载状态，考虑到企业实际状况和对生产过程中节能与动态性能的要求，因此SZ100/800注塑机节能改造选用伺服驱动液压系统方案。该节能系统是运用伺服电机驱动定量泵，通过对其控制以达到液压系统与负载变化的匹配运行，满足注塑机的节能性、快速响应性等要求。24伺服驱动液压系统注塑机组成及工作原理241伺服驱动液压系统注塑机组成伺服液压驱动系统注塑机主要组成部分为注塑机电脑板、伺服驱动器、伺服电机、定量泵、流量传感器、压力传感器、管道、流量计、方向控制阀和液压动力机构等元件。如图26所示。图26伺服驱动液压系统控制示意图FIG26SERVODRIVEHYDRAULICCONTROLSYSTEMSCHEMATICDIAGRAM242伺服驱动液压系统工作原理伺服液压驱动系统注塑机是根据注塑机电脑板的压力和流量信号通过专用注塑卡进行信号转换，转换为伺服驱动器易于接收的信号，注塑机电脑板将设定好流量和压力信号提供给伺服驱动器，伺服驱动器将流量和压力信号转换为电机所需的转速和转矩，控制电机的输出，编码器再将电机运行情况反馈给伺服驱动器，然后再利用电机驱动定量泵运转提供压力和流量，通过压力传感器和流量传感器的将压力和流量反馈给伺服驱动器，再与给定信号进行比较，得出偏差值，进行PID调节，保证系统压力和流量的稳定，实现整个伺服驱动液压系统的闭环控制。伺服液压驱动系统可根据注塑机当前工作状态，如锁模、射胶、保压、塑化、冷却、开模顶出等阶段的压力和流量的设定要求，自动调节定量泵的转速和流量，使定量泵实际供油量与注塑机负载所需流量能始终保持一致，使电机在整个注塑机工艺流程所消耗能量达到最小，也就彻底消除了溢流现象，并确保电机平稳精确地工作。25伺服驱动液压系统注塑机元件选型251伺服驱动液压系统注塑机重要组成元件1永磁同步伺服电机伺服控制中使用交流伺服电机，即永磁同步伺服电机，如图27所示。伺服此电机具有结构紧凑、体积小、运行平稳、重量轻和节能效果显著等优点43,44。该电机没有换向器和电刷，没有转子电流，转子损耗几乎为0。转子采用永磁体，没有励磁装置，功率因数高。此外，其输出转矩大，过载能力强。并且其控制精度高、动态响应快和调速范围宽。因此，永磁同步伺服电机应用于注塑机节能系统，推动注塑机向着高速、高精度和节能环保方向发展，具有极大的优势。图27永磁同步伺服电机FIG27PERMANENTMAGNETSYNCHRONOUSSERVOMOTOR2定量泵定量泵常见的有齿轮泵、柱塞泵和螺杆泵。定量泵作为电机动能向液压能转换的元件，其性能的好坏都会影响注塑机的工作性能，因此要求定量泵具备高速、低噪声和长寿命等特点。此外，定量泵与伺服电机参数要匹配，才能发挥出注塑机最佳工作性能和节能效果。3伺服驱动器伺服驱动器是系统的控制核心，根据注塑机电脑板设定的压力和流量信号，同时，通过电机位置、速度传感器、压力和流量传感器检测到的实时压力、速度信息反馈给伺服驱动器，构成了压力闭环和流量闭环系统，可以精确控制伺服永磁同步电机的转矩和转速。4位置传感器永磁同步电机若要实现精确控制，必须要获得实时电机转子的准确位置。常用的位置传感器有光电编码器和旋转变压器，光电编码器具有结构简单、价格低廉并且能获得高精度的转子位置，但其解码电路固定在电机转轴上，在注塑机工作环境温度较高、机械振动大、油污严重、加上高电磁干扰等工况下，光电编码器调理电路信号受到影响不能稳定工作，出现了丢码、乱码等情况，导致无法控制电机。旋转变压器结构牢固，具有抗干扰能力强、抗冲击性好和对高湿度、高温度适应性强等优点，因此使用旋转变压器来检检测电机转子的位置信息，在一定程度上也提高了注塑机工作过程中的稳定性和可靠性。5流量、压力传感器注塑机在工作过程中必须采用高精度、高可靠性的流量传感器和压力传感器，才能对整个液压系统实施闭环控制。定量泵在工作过程中压力会不断变化，如果压力传感器内部有气泡，传感器的测量精度将会严重受到影响，导致系统不稳定。因此，在安装压力传感器时，压力传感器内部必须充满液压油才能保证注塑机正常工作。252SZ100/800注塑机改造后的控制部分重要元件选型为了使改造后的注塑机生产出更好的制品，并且更能使其节能降耗，伺服驱动液压系统重要元件最优选型是非常重要的。一般情况下，先选择定量泵，再根据定量泵的转速和工作压力等参数进行选择永磁同步电机，最后依据永磁同步电机的参数选择伺服驱动器。具体选择如下1定量泵选型定量泵的主要参数有排量、额定转速、最高转速、额定流量、额定工作压力、最高工作压力。首先应考虑SZ100/800注塑机内部空间进行选择定量泵的尺寸；通过注塑机的实际工作压力确定定量泵的额定工作压力，并且最高工作压力高于额定压力20左右；再根据注塑机的技术参数选择定量泵的额定流量，并且留一定余量。由于注塑机的工作环境比较复杂，定量泵应具有高速、接触应力小，压力、流量脉动小，噪声低，高寿命和运转平稳等性能。根据上述原因考虑，本课题研究选用德国VOITH直线共轭内啮合齿轮泵，如图28所示，其型号是IPV550101，排量为50ML/R，额定转速为2000RPM，额定工作压力为25MPA，最高工作压力为32MPA。该齿轮泵具有使用寿命长、性能优良、噪音较低、流量与压力脉动小，并且具有径向及侧向压力补偿功能，容积效率高等优点适用于伺服驱动液压注塑机。图28IPV550101结构示意图FIG28IPV550101STRUCTUREDIAGRAM2永磁同步电机选型首先根据SZ100/800注塑机外壳和安装的形式，选择伺服电机的几何尺寸；再根据定量泵技术参数选取伺服电机的额定转速与额定工作压力，因为定量泵的额定转速决定电机所输出的转速范围，定量泵的额定压力也决定了电机在工作过程中输出的转矩。最后根据SZ100/800注塑机系统中的传动机构及负载情况来选取伺服电机的容量、扭矩、额定电流。根据以上原因先初步选定一个相对比较合适的电机。接着还需考虑电机的控制方式如速度、位置控制、电压范围和上位机控制要求。在满足上述要求选择出满意的伺服电机之后，还应考虑伺服电机与控制系统的寿命，所以要求电机与定量泵相连接的联轴器的同轴度和制造精度较高。国外生产伺服电机的厂家有日本安川、日本松下、美国科尔摩根、德国西门子、德国力士乐等公司，国内较有名的伺服电机生产厂家有山东欧瑞传动、上海登奇等公司。注塑机节能改造方面，欧瑞传动经验比较丰富，效果也比较好，所以本课题中选用的是山东欧瑞传动型号为180ST0180RF2A的伺服电机，该电机由于性能优良而广泛应用于纺织、印刷设备、包装设备、机器人、机床、自动化生产线等众多领域。型号180ST0180RF2A永磁同步伺服电机主要由定子、转子和反馈元件组成。主要的技术参数如表21所示。该型号电机具有体积小、响应快、转动惯量小、速度高、低速转矩脉动较小、功率密度高、高速运行平稳、精度高、具有很强的抗去磁能力、振动小、噪音低、全密封设计和性价比高等优点。表21型号180ST0180RF2A永磁同步伺服电机主要参数TAB21MODEL180ST0180RF2APERMANENTMAGNETSYNCHRONOUSSERVOMOTORMAINPARAMETERS参数名称（单位）数值额定转速R/MIN1500额定电流A276额定功率KW18额定转矩NM79D轴电感001MH330反电势V179转动惯量KGM2178104电机额定频率HZ100额定电压V380电极数冷却方式8强制风冷3伺服驱动器选型伺服驱动器主要接收注塑机电脑板设定好的流量和压力信号，伺服驱动器将流量和压力信号再转变为电机输出的转速和转矩，对电机进行实时控制。伺服驱动器主要有速度、转矩和位置三种控制方式，速度控制和转矩控制是通过模拟量进行控制，而位置控制是通过触发脉冲来控制。伺服驱动器主要应用于高精度的定位系统，目前主要是传动技术。为了与型号为180ST0180RF2A的永磁同步伺服电机相配套使用，本课题选择山东欧瑞传动的伺服驱动器，其型号为SDZ100180T3C3R。欧瑞传动SDZ10系列伺服驱动器是为注塑机专用交流伺服系统而自主研发的。伺服驱动器SDZ10系列主要采用了32位数字信号处理器，具有电压利用率高、频率响应佳、动态响应快、耐恶劣环境、嗓音低、控制精度高等优点。SDZ100180T3C3R伺服驱动器的技术参数如表22所示。欧瑞传动SDZ10系列产品特点1功能齐全位置、速度、转矩三种控制方式为一体；S曲线加减速功能；通过上位机窗口可显示伺服驱动器的工作状态。2性能优越速度响应带宽400HZ；可以三倍过载；在空载状况先从启动开始加速到2000R/MIN仅仅只需5MS的时间。3使用方便可以实时监控驱动器运行状态；端子采用排连接器，接线时间缩短；安装灵活方便。表22型号SDZ100180T3C3R伺服