1、液压注塑机伺服泵控制节能技术研究摘要：介绍一种注塑机新型的液压泵伺服驱动及控制新技术，采用交流永磁同步伺服电机驱动液压油泵作为注塑机的驱动级控制系统，实现注塑机节能、动态响应快、压力控制稳定、低速性能优良等性能提升。通过实际试验和应用，新的驱动控制技术对于实现注塑机的节能技术进步和控制精度提高具有重要作用。 关键词：注塑机 伺服泵 节能技术 中图分类号： TE08 文献标识码： A 注塑机是将热塑性塑料或热固性料利用塑料成型模具制成各种形状的塑料制品的主要成型设备，市场存量和增量巨大，但是有名的“电老虎” ，耗电量大，电能浪费严重。传统定量泵注塑机通常在需要改变负载流量和压力时，用各种换向阀进
2、行控制调节，但往往是输入功率变化不大，而有效的功率却很小，大量能量以压力差或热量的形式损耗在各种阀或由于各种截流引起的热量散发上，产生溢流，造成大量的能源浪费。随着伺服节能型注塑机的性能和节能效果得到市场认可后，传统定量泵注塑机的伺服节能改造逐渐成为新的市场热点，借着国家节能减排战略的实施，在长三角和珠三角地区出现了以合同能源管理方式进行的注塑机伺服节能改造项目。 一、注塑机伺服节能设计技术探讨 注塑机液压系统是一个压力和流量波动都较大的系统，注塑机的工艺过程一般分为合模、锁模、射胶、熔胶、保压、冷却、开模、顶出等几个阶段，在不同工作阶段压力和流量都不同，各种动作的切换产生的波动都比较大。多数
3、时间负载的实际耗油量均大大小于油泵的供油量，造成高压状态下的液压油多余部分经溢流阀流回油箱，特别在冷却阶段，液压系统零压力、零流量造成电机空转，而在保压阶段，则需要高压力低流量，这对传统液压系统，液压油不断经过油泵对溢流阀和管壁做功从而产生热量，既浪费大量能量，又对液压系统产生无可避免的危害。因此在注塑机伺服节能设计改造中，我们把传统的异步电机+定量泵系统改成伺服电机+螺杆泵（或齿轮泵等） ，根据注塑机当前的工作状态，在不同工作阶段，如锁模、射胶、熔胶、开模、顶针等阶段以及压力和速度的设定要求，自动调节油泵的转速，调节油泵供油量，使油泵实际供油量与注塑机实际负载流量在任何工作阶段均能保持一致，
4、使电机在整个变化的负荷范围内的能量消耗达到所需的最小程度，彻底消除了溢流现象，并确保电机平稳、精确地运行，使注塑机运行于最佳节能状态。 二、注塑机的液压泵伺服的驱动和控制系统的构成 注塑机液压泵伺服控制系统主要由交流永磁同步伺服电机、伺服驱动器、液压油泵、压力传感器、编码器或旋转变压器构成。这种系统提供了注塑机驱动及控制系统的新概念，节能效果能够接近全电动注塑机的节能水平，反应控制精度远远高于传统注塑机。系统工作时，注塑机整机控制器将机器动作的速度和压力的设定值转换为模拟信号或数字信号输出至伺服驱动器，伺服驱动器按指令信号要求驱动伺服电机带动液压油泵工作，机器动作的速度和压力控制要求，与伺服电
5、机的转速控制和转。 三、伺服泵注塑机功率消耗分析 伺服泵注塑机液压系统是注塑机的重要组成部分。注塑机液压系统工作质量，比如系统工作的稳定性、可靠性、重复精度、灵敏性、节能效果以及低噪音性能都将直接影响注塑制品的质量，尺寸精度、塑料成型周期、生产成本，将影响工作环境、安全操作和维修工作。伺服泵注塑机液压系统具有高精度、高灵敏度、低噪音、省能化、比例、伺服控制和微处理器等特点。伺服泵注塑机液压控制系统在每一个注塑周期中系统的压力和流量是按照工艺要求而变化的，即在液压系统系统压力执行每一个具体程序时，如执行元件的驱动力和速度都有具体要求，因此，液压系统压力和流量必须与之相适应。 伺服泵注塑机液压系统
6、的能耗输出总功率是一定的，但由于执行每一个程序时所需要消耗的功率不同，注塑机在一个周期中会有功率消耗。过程中合模和开模系统所需油压较低，且时间较短，一般为一个工作周期的 40%60%，时间的长短与加工工件有关，间歇期更短，这也与加工工件的情况有关，有时可以间歇期而连续加工。 四、液压泵伺服系统的性能测试实验 （一）节能效果及其影响因素 由于伺服电机本身的能量转换效率较高、系统流量压力输出与负载需求趋于一致、机器处于制品冷却工艺环节时伺服电机可停止转动等因素，采用液压泵伺服驱动和控制技术使注塑机节电性能明显提高。与变量泵机器相比，可节电 20%50%，与定量泵机器相比，可节电 30%一60%。具
7、体节电效果与不同产品成型工艺、塑料材料性能、系统配置方案相关。节电性能在不同厂家生产的伺服电机和驱动控制系统之间存在差异。如：伺服电机转动惯量和效率存在一定差异；驱动器制动回路的设计导致节能效果存在差异；配置的液压泵的种类对液压泵伺服驱动和控制系统节电性能有直接影响，定量齿轮泵、定量柱塞泵、定量螺杆泵、双排量柱塞泵在不同的系统中都有应用，其中以双排量柱塞泵系统的节电效果最好。 （二）响应速度及其影响因素 响应速度快是液压泵伺服驱动和控制系统的技术优势之一，使机器成型精密制品的能力和运行效率得到提升。实验数据表明，系统达到最快速度和最高工作压力的响应时间在 40ms-50ms 范围内，而相同规格
8、变量泵系统的响应时间在 70ms 一 120ms。高频响应伺服阀的响应时间在25ms-40ms。 提高响应速度的主要影响因素是系统配置的液压泵的排量和伺服电Figure 机的最高转速。相同规格的机器配置的液压泵排量越大，电机最大工作转速越低，系统的响应速度越快。 （三）压力控制精度及其影晌因素 在注塑机保压及高压锁模的工艺环节。机器需要进行压力控制，系统进行压力控制时，伺服电机转速低至 20。150r/rain，低转速工作条件下，压力波动较大。实际测试发现，不同系统的压力控制精度相差较大。五、注塑机伺服变频技术问题探讨 1 低速稳定性 在注塑机液压系统中，如果液压泵的转速过低，自吸能力下降，容
9、易造成吸油不充分而形成气蚀，引起噪声和流量脉动，影响速度的稳定性。另外，低频力矩不足和异步电动机低频运行时固有的不稳定性、电动机转动部分与逆变器直流中间环节中滤波、储能元件之间能量变换中产生的谐振现象、无功功率的影响等都是引起转速不稳定的可能原因。 解决低速稳定性，可以从选择低速性能好的泵和高性能变频器来考虑，但需要付出较高的成本。也可以采用合理的控制结构和好的控制算法，通过软件补偿的办法来优化系统参数，提高系统的动态品质和低速稳定性，使变频系统满足注塑工艺过程，达到预期的节能和系统优化效果。 2 响应快速性 变频容积控制系统是通过改变电动机转速来改变液压系统的流量。由于一般的异步电动机的转动
10、惯量大于液压泵的转动惯量以及由于变频器的过载能力有限，影响了加速性能。因此一般变频容积控制系统比传统容积控制系统的响应要慢。 在注塑机变频液压驱动系统中选择性能好的变频器可以提高注塑机驱动控制系统响应的快速性。在矢量型变频器中，通过设定速度调节器的比例增益 P 和积分时间 I，可以改变矢量控制的速度响应特性，这个速度响应特性直接影响到注塑成型周期的快慢和执行动作的力度。其调节的方法是既要加快响应特性，同时避免产生电动机振荡。另外采用高响应的交流伺服电动机代替一般的异步电动机，可以很大地提高响应速度，可使用在动态响应高的注塑生产场合。当既要求大范围调速，又要求响应速度很快时，可采用综合调速控制，
11、既充分利用变转容积控制系统调速范围大、节能效果显著的特点，又保留阀控缸或阀控马达响应快的优点，组成复合调速系统，保证注塑要求的快速性。 3 控制精度 影响调速精度的一个主要原因是速度刚度。所谓速度刚度是指执行器的速度不随负载变化的能力；另一个主要原因是系统的慢时变特性，如液压系统中的油液温度、油液粘性和泄漏量的大小等都会随时间呈非线性变化，从而影响系统的输出特性，影响调速精度。 为消除或减弱负载对转速的影响以及液压系统的慢时特性对系统输出的影响，需要从两个方面来考虑，一个方面是要确保电动机转速不随负载变化而变化，另一个方面是要消除或减小液压系统的慢时变特性对系统输出的影响。对变频器设定合适的转
12、矩补偿和滑差补偿，在负载变化时适当地调整泵（电动机）的转速，即可适度补偿回路泄露的流量，维持执行器转速的稳定性，保证其速度刚度得较大提高，符合注塑工艺工程和注塑产品所需要的控制精度。 结束语 通过对液压泵伺服系统的性能测试实验，可以说明，伺服泵系统对于降低注塑机能耗，提高系统响应速度和压力控制精度，具有明显的技术优势。同时变频伺服系统也是一种新颖的节能技术，也是可探讨且可行和有一定市场的液压系统。可以预见，新的系统将取代注塑机现在配置的定量泵系统和变量泵系统，成为主流配置方案。在电能供应日趋严峻的现在，节能无疑是一比较重要的话题，注塑机的能耗比较大，节能也就势在必行了。 参考文献： 1王兴天.注塑工艺与设备M.北京：化学工业出版社，2009. 2王昌焱.全液压式注塑机液压系统的功率损耗J.2007（2） 3杜青林.液压注塑机伺服泵控制方法研究.硕士学位论文.2010
