SZ-注塑機(jī)節(jié)能改造與動(dòng)態(tài)特性研究-畢業(yè)論文

1、SZ-100/800注塑機(jī)節(jié)能改造與動(dòng)態(tài)特性研究SZ-100/800 Injection Molding Machine Energy Conservation Transformation and Dynamic Characteristic Research摘 要注塑機(jī)是塑料行業(yè)的重要生產(chǎn)設(shè)備，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，注塑機(jī)控制技術(shù)也隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展而日新月異。目前，國內(nèi)注塑機(jī)的控制系統(tǒng)種類繁多，但是，在我國目前很多企業(yè)仍存在著大量的傳統(tǒng)全液壓注塑機(jī)。由于其生產(chǎn)過程電源供給功率基本不變，而不同工藝過程所需工作流量和壓力不同，這種老式的注塑機(jī)其油泵的供油量卻不能隨之改變，因此產(chǎn)生了大量的能

2、源浪費(fèi)。鑒于注塑機(jī)應(yīng)用越來越廣泛和節(jié)能減排的需求，注塑機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)、控制模式，以及工藝條件進(jìn)行最小耗能優(yōu)化設(shè)計(jì)成為必然趨勢，對已有的注塑機(jī)進(jìn)行節(jié)能改造具有較大的理論意義和工程實(shí)用價(jià)值。本文針對企業(yè)大量的全液壓驅(qū)動(dòng)注塑機(jī)現(xiàn)狀，分析了節(jié)能改造的可能性，給出了基于伺服驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)的注塑機(jī)節(jié)能改造方案。該系統(tǒng)采用高性能永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)定量泵，通過改變永磁同步電機(jī)的扭矩和轉(zhuǎn)速等參數(shù)來控制定量泵的輸出流量和壓力，進(jìn)而達(dá)到調(diào)節(jié)執(zhí)行元件速度的目的。該系統(tǒng)具有閉環(huán)控制靈活、控制精度高、調(diào)速范圍廣、高效、節(jié)能、低噪音等優(yōu)點(diǎn)。在對現(xiàn)有全液壓驅(qū)動(dòng)注塑機(jī)節(jié)能改造的基礎(chǔ)上，對伺服驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行深入研究，為改善

3、其系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能和進(jìn)一步拓展廣泛應(yīng)用打下基礎(chǔ)。在查閱大量的國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)基礎(chǔ)上，分析了注塑機(jī)的組成、工作原理和工作過程，在此基礎(chǔ)上對節(jié)能系統(tǒng)進(jìn)行全面的分析，提出了適合型號SZ-100/800全液壓注塑機(jī)的節(jié)能改造方案，給出了伺服驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)，并對伺服控制元件進(jìn)行了選型。根據(jù)矢量控制原理，建立了永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型、液壓泵控執(zhí)行機(jī)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型、伺服驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型和閥控液壓缸數(shù)學(xué)模型，應(yīng)用MATLAB/Simulink對伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和閥控液壓缸系統(tǒng)分別進(jìn)行仿真研究，通過分析結(jié)構(gòu)參數(shù)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J、排量Dp、機(jī)構(gòu)參數(shù)A1、 、V1、CP等參數(shù)對其系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的影響，對伺服驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的改

4、善提出了措施(減小轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J、總泄露系數(shù)、液壓缸總?cè)莘eV1、系統(tǒng)負(fù)載和增大排量Dp、油液體積彈性模量等因素)，提高了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果對比，驗(yàn)證了模型建立的正確性。研究結(jié)果表明，基于伺服驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)的注塑機(jī)節(jié)能改造方案是合理的，節(jié)能效果顯著，達(dá)37%之多；合理的選用伺服驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)能有效的改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。關(guān) 鍵 詞：注塑機(jī)；伺服驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)；系統(tǒng)建模；結(jié)構(gòu)參數(shù)；動(dòng)態(tài)特性論文類型：應(yīng)用基礎(chǔ)研究ABSTRACTABSTRACTThe Injection Molding Machine is an important production equipment of plas

5、tics industry. Along with the progress of science and technology, the Injection Molding Machine control technology is also changing rapidly with the development of industrial technology. At present, there are so many different kinds of Injection Molding Machine control system in the domestic; howeve

6、r, a large number oftraditionalhydraulic Injection Molding Machine still exists in many enterprises in our country. In the producing process, the power supply power is basically unchanged, due to the difference of the flow and pressure, respectively, in different technological process, the fuel supp

7、ly of the pump could not change in the pace of different flow and pressure, therefore, a large amount of energy are wasted. In view ofthe application ofthe Injection Molding Machine is more and more widely and the demand of energy saving, the mechanical structure, control mode, as well as the optimi

8、zation designof the least energy consumption, become an inevitable trend, and the modification of existing Injection Molding Machine will be a great theoretical significance and practical value in the engineering.According to the statusof fully hydraulic drivenInjection Molding Machine, this paperan

9、alysis all thepossibilities ofenergy saving, then put forward the reform scheme for energy saving, based on the existing servo drivenhydraulicsystem of Injection Molding Machine. Using high-performancepermanent magnet synchronous motor driven by the dosingpump, the purpose of adjusting actuator spee

10、d will be achieved, by changing the parameters (torque, speed, etc.) of permanent magnet synchronous motorto control thepumpoutput flow and pressure. The system has advantages of flexible closed-loop control, high control precision, wide speed range, high efficiency, energy saving and low noise, etc

11、. Based ontheenergy savingof existingfull hydraulicinjection molding machine, this paper made the thorough research of dynamic performance of the servo-driven hydraulic system, in order to improve thedynamic performance of the systemandlay the foundation for the further application.On the basis of c

12、onsulting related literature domestic and abroad, this paper analyses the composition, working principle and process of the Injection Molding Machine. After thecomprehensive analysis about theenergy savingsystem, several schemes are put forward based on themodel SZ-100/800full hydraulicInjection Mol

13、ding Machine, with stating the model of modified servo-drivenhydraulic system and type selection of servo control elements. According to the principle of vector control, the mathematical model were established of permanent magnet synchronous motor, hydraulic pump control actuator, servo-driven hydra

14、ulic system and valve-controlled hydraulic cylinder, and the simulation research were performedforthe servo drive systemandhydraulic valve controlled cylinder system by use of the MATLAB/Simulink. After analysis all the system dynamic performance influenced by the structural parameters, such as the

15、moment of inertia J, displacement Dp, the mechanism parameters A1, , V1, CP, etc., some improvementmeasures are proposed (reduce themoment of inertia J, the total leakage coefficient Ctp, the hydraulic cylinder total volume V1, the system load and increase the emissions Dp, the oil bulk modulus), an

16、d also these measures could satisfy the need of improving dynamic characteristics of the system. Compared with the simulation, experimental results verified the correctness of the model.The results show that it is reasonable that energy-savingmodificationof the injection molding machine based on the

17、 servo-driven hydraulicsystem, and also the effect is remarkable, up to 37%. Reasonable selection of structural parameters ofthe servo-driven hydraulicsystem is effective to improve system dynamic performance.KEY WORDS: Injection Molding Machine;servo-driven hydraulic system;system modeling;structur

18、e parameters; dynamic characteristicsDissertation Type: Applied basic research目錄目 錄第1章 緒論11.1 研究背景與意義11.2 注塑機(jī)國內(nèi)外生產(chǎn)現(xiàn)狀31.2.1 國外注塑機(jī)生產(chǎn)現(xiàn)狀31.2.2 國內(nèi)注塑機(jī)生產(chǎn)現(xiàn)狀41.3 伺服驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)研究現(xiàn)狀41.4 課題提出及主要研究內(nèi)容61.4.1 課題的提出61.4.2 主要研究內(nèi)容6第2章 伺服驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)注塑機(jī)總體結(jié)構(gòu)分析72.1 注塑機(jī)的組成、工作原理和工作過程72.1.1 注塑機(jī)的組成72.1.2 注塑機(jī)工作原理82.1.3 注塑機(jī)成型過程92.2 SZ-10

19、0/800注塑機(jī)參數(shù)102.3 注塑機(jī)節(jié)能系統(tǒng)方案112.3.1 全電動(dòng)節(jié)能系統(tǒng)122.3.2 比例變量泵節(jié)能系統(tǒng)122.3.3 變頻技術(shù)的節(jié)能系統(tǒng)122.3.4 伺服驅(qū)動(dòng)液壓節(jié)能系統(tǒng)132.3.5 注塑機(jī)節(jié)能系統(tǒng)比較與分析132.4 伺服驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)注塑機(jī)組成及工作原理132.4.1 伺服驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)注塑機(jī)組成132.4.2 伺服驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)工作原理142.5 伺服驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)注塑機(jī)元件選型152.5.1 伺服驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)注塑機(jī)重要組成元件152.5.2 SZ-100/800注塑機(jī)改造后的控制部分重要元件選型162.6 伺服驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)注塑機(jī)和傳統(tǒng)全液壓注塑機(jī)的液壓系統(tǒng)區(qū)別192.7 本章小

20、結(jié)20第3章 注塑機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型213.1 引言213.2 矢量控制原理及其應(yīng)用213.2.1 矢量控制原理213.2.2 矢量控制應(yīng)用213.3 永磁同步伺服電機(jī)數(shù)學(xué)模型223.3.1 永磁同步伺服電機(jī)工作原理223.3.2 永磁同步伺服電機(jī)數(shù)學(xué)模型的建立223.3.3 永磁同步電機(jī)矢量控制方法263.4 定量泵控液壓缸系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型273.5 伺服驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)方框圖293.6 本章小結(jié)30第4章 伺服驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能分析314.1 引言314.2 伺服驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性仿真分析314.2.1 MATLAB/Simulink軟件簡介314.2.2 MATLAB/Simulin

21、k仿真在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用324.2.3 基于Simulink伺服驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真324.2.4 系統(tǒng)中主要物理參數(shù)對動(dòng)態(tài)性能的影響334.2.5 參數(shù)對系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能影響綜合分析364.2.6 伺服液壓系統(tǒng)仿真分析及影響系統(tǒng)性能的主要因素374.3 閥控系統(tǒng)與伺服驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性比較384.3.1 建立閥控液壓缸系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型384.3.2 閥控液壓缸系統(tǒng)與伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性比較404.3.3 提高伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的可行措施434.4 本章小結(jié)43第5章 伺服驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究455.1 引言455.2 SZ-100/800注塑機(jī)節(jié)能改造455.2.1 試驗(yàn)?zāi)康?55.2.2 S

22、Z-100/800注塑機(jī)改造方案455.2.3 伺服驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)控制系統(tǒng)硬件組成455.2.4 伺服驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)465.3 伺服驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)注塑機(jī)能耗實(shí)驗(yàn)475.3.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析495.3.2 改造后注塑機(jī)優(yōu)點(diǎn)515.4 本章小結(jié)52第6章 結(jié)論與展望536.1 研究結(jié)論536.2 進(jìn)一步展望54參考文獻(xiàn)55致 謝59攻讀學(xué)位期間的研究成果60第1章 緒論第1章 緒論1.1 研究背景與意義注塑機(jī)是塑料行業(yè)的重要生產(chǎn)設(shè)備，是對熱塑性或熱固性塑料進(jìn)行加工熔融后，以高壓、高速注射入模腔，進(jìn)而固化成型，生產(chǎn)出塑料制品的機(jī)械設(shè)備1。據(jù)統(tǒng)計(jì)，每年注塑機(jī)加工產(chǎn)出的塑料制品占全部塑料加工

23、機(jī)械的50左右，全世界70塑料制品來自于注射成型。注塑機(jī)成為塑料成型機(jī)械制造業(yè)中增長最快、產(chǎn)量最多的機(jī)型，因此注塑機(jī)已經(jīng)成為塑料加工行業(yè)中主要能源消耗設(shè)備之一2,3。目前，國內(nèi)企業(yè)正在應(yīng)用的大部分注塑機(jī)仍是傳統(tǒng)全液壓注塑機(jī)，傳統(tǒng)全液壓注塑機(jī)中液壓回路主要由定量泵、異步電機(jī)、各種不同的動(dòng)作油缸、各種換向閥、壓力和流量比例閥及其它附件組成，如圖1-1所示。全液壓注塑機(jī)液壓油泵一般為葉片泵、活塞泵和柱塞泵，它們是容積式定量油泵，定量油泵供油量與轉(zhuǎn)速成正比，由于異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速不變，所以定量油泵的供油量也是基本不變的。當(dāng)注塑機(jī)生產(chǎn)制品過程中需供油量發(fā)生變化時(shí)，由溢流閥進(jìn)行調(diào)節(jié)負(fù)載壓力和流量，來滿足注塑機(jī)

24、工藝流程變化的需求。事實(shí)上，注塑機(jī)的工作循環(huán)周期中合模、注射、保壓、塑化、冷卻、開模、制品頂出等階段所用液壓油的流量和壓力是不同的，如圖1-2、1-3所示，時(shí)大時(shí)小，有時(shí)幾乎為零。在實(shí)際所需流量較小時(shí)，油泵的供油量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于負(fù)載實(shí)際消耗量，從而供大于求，多余的液壓油經(jīng)溢流閥又流回了油箱，這種現(xiàn)象稱為高壓節(jié)流4。據(jù)統(tǒng)計(jì)，由高壓節(jié)流所造成的能量損失高達(dá)36%-68%5。由于注塑機(jī)的成型周期各個(gè)工藝流程中所需的壓力和流量是不同的，呈周期性變化，從而導(dǎo)致注塑機(jī)液壓系統(tǒng)所消耗的能量也隨工藝流程周期性的變化（如圖1-4所示）。由于全液壓注塑機(jī)電機(jī)是恒功率輸出，從而造成很大的能量浪費(fèi)。由于電價(jià)昂貴，因此電費(fèi)在

25、企業(yè)生產(chǎn)成本中占有相當(dāng)大的比重，并且已經(jīng)成為嚴(yán)重影響企業(yè)生產(chǎn)效益的重要因素。為了節(jié)約能源，很多企業(yè)采取各種節(jié)能降耗措施，盡量降低生產(chǎn)成本，以便提高市場競爭力。改善注塑機(jī)的工作性能，有助于提高我國塑料行業(yè)加工的整體發(fā)展水平，加快了國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的步伐。系統(tǒng)油泵輸出功率與工藝流程所需功率保持一致，提高電動(dòng)機(jī)的功率利用率，減少液壓系統(tǒng)功率損失，都有利于達(dá)到環(huán)保節(jié)能的目的。因此，如何進(jìn)行全液壓注塑機(jī)節(jié)能改造成為眾多塑料企業(yè)關(guān)心的熱點(diǎn)。圖1-1傳統(tǒng)液壓回路示意圖Fig. 1-1traditionalhydraulic circuit diagram圖1-2 注塑機(jī)流量循環(huán)圖Fig. 1-2 Injecti

26、on Molding Machine flow circulation chart圖1-3 注塑機(jī)壓力循環(huán)圖Fig. 1-3 Injection Molding Machine pressure circulation chart 圖1-4 全液壓注塑機(jī)能耗周期Fig. 1-4 Energy consumption cycle of Entire hydraulic Injection Molding Machine全液壓注塑機(jī)能源消耗主要是其液壓系統(tǒng)的定量油泵，定量油泵是由異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)使電機(jī)的電能轉(zhuǎn)化為液壓能，而異步電動(dòng)機(jī)的用電量占整個(gè)注塑機(jī)用電量的75%80%6-8，即注塑機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是

27、能源消耗的主要組成部分，因此對全液壓注塑機(jī)節(jié)能改造，也就是改造注塑機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。近年來，國內(nèi)大部分節(jié)能研究著重于將液壓閥控系統(tǒng)改變?yōu)楸每?，如采用比例變量泵系統(tǒng)，將傳統(tǒng)的定量泵改為變量泵，通過調(diào)整泵的排量，節(jié)能量即可達(dá)到約30%。由于排量調(diào)整范圍相對較小，如果改變電動(dòng)機(jī)的工作方式，則仍有節(jié)能潛力。因此，采用變頻調(diào)速系統(tǒng)，通過改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，進(jìn)而更節(jié)能。但變頻器具有一定的局限性，由于響應(yīng)慢、調(diào)速范圍較小，既使實(shí)現(xiàn)了節(jié)能，降低了生產(chǎn)加工速度，致使產(chǎn)品生產(chǎn)周期延長。近年來，伺服驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)是國內(nèi)外一個(gè)新的研究方向，采用永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)定量泵，將通常的閥控調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)楸每卣{(diào)速系統(tǒng)，整機(jī)控制性能有了一定改

28、善與提高。伺服驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)具有閉環(huán)控制方便、調(diào)速范圍廣、控制精度高、節(jié)能效果好等優(yōu)點(diǎn)。伺服驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)注塑機(jī)的優(yōu)越性受到國內(nèi)外廣泛關(guān)注，因其設(shè)計(jì)理念與方法在節(jié)能改造方面具有廣闊的應(yīng)用前景。1.2 注塑機(jī)國內(nèi)外生產(chǎn)現(xiàn)狀1.2.1 國外注塑機(jī)生產(chǎn)現(xiàn)狀1849年斯托格恩公司經(jīng)過長時(shí)間的研發(fā)推出了第一臺金屬壓鑄機(jī)，注射成形機(jī)的主要參照了金屬壓鑄機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)從而設(shè)計(jì)出了第一臺注塑成形機(jī)，1932年德國弗蘭茨.布勞恩(FRANZBRAUN)公司相繼生產(chǎn)出柱塞式和臥式注塑機(jī)。1947年意大利制造出了首臺液壓驅(qū)動(dòng)注塑機(jī)，1948年注塑機(jī)開始使用螺桿塑化裝置，接著1956年推出了世界上首臺螺桿式注塑機(jī)9。196

29、8年美國的費(fèi)洛斯公司(FELLOWS)開發(fā)出來注塑機(jī)控制系統(tǒng)，接著日本東芝機(jī)械、美國NEW BRITAIN、德國亞深研究所(IKV)、馬洛公司(DEMAG)和西門子公司(SIEMENS)等廠家推出了相應(yīng)的控制系統(tǒng)10。19世紀(jì)80年代初全電動(dòng)式注塑機(jī)誕生，一些日本廠家以伺服電機(jī)取代螺桿式注塑機(jī)，至今已有30多年的歷史11。2005年，Netstal公司推出了ELION系列全電動(dòng)注塑機(jī)，日本住友公司推出的SED系列全電動(dòng)注塑機(jī)提高了其系統(tǒng)的控制性能，德國Battenfeld公司推出了EM系列全電動(dòng)注塑機(jī)，其控制系統(tǒng)是由全數(shù)字伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，整機(jī)運(yùn)動(dòng)控制十分精確12。目前全電動(dòng)注塑機(jī)生產(chǎn)廠家主要集中

30、在歐洲、美國和日本，歐美一些國家(例如加拿大、德國、意大利)結(jié)合了全電動(dòng)伺服控制和液壓控制各自優(yōu)點(diǎn)，推出了電液混合型注塑機(jī)。越來越多的生產(chǎn)廠家將研究開發(fā)重點(diǎn)轉(zhuǎn)向電液混合型注塑機(jī)，例如德國的ARBURG，DEMAG、加拿大的HUSKY、日本的MEIKY，JSW，及TOSHIBA相繼推出了電液混合型注塑機(jī)，亞洲(除日本外) 注塑機(jī)還是以傳統(tǒng)全液壓為主，技術(shù)比較落后。1.2.2 國內(nèi)注塑機(jī)生產(chǎn)現(xiàn)狀我國塑料制品加工設(shè)備起始于20世紀(jì)50代末，1958年首臺注塑機(jī)在上海誕生13。20世紀(jì)50年代至70年代末是我國第一代注塑機(jī)的發(fā)展時(shí)期，而這一時(shí)期注塑機(jī)的特點(diǎn)是技術(shù)含量低、效率低、耗能高，主要操作以旋鈕控

31、制為主。20世紀(jì)80年代至90年代末是我國注塑機(jī)行業(yè)發(fā)展比較快的階段，這一時(shí)期注塑機(jī)配件生產(chǎn)批量化、專業(yè)化，其主要操作控制大多選用電腦控制。本世紀(jì)初至現(xiàn)在，注塑機(jī)向全電動(dòng)型、電液混合型和專用性方向發(fā)展。目前，最新統(tǒng)計(jì)整個(gè)中國市場上有注塑機(jī)約100萬臺，其中全液壓注塑機(jī)占了至少50%。這些全液壓型傳統(tǒng)注塑機(jī)已經(jīng)成為企業(yè)用電大戶，造成資源浪費(fèi)過大，成本居高不下。1.3 伺服驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)研究現(xiàn)狀伺服驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)是最近幾年發(fā)展起來的一種新的研究方向。它具有節(jié)能、高響應(yīng)、成本低等優(yōu)勢，因此其系統(tǒng)發(fā)展相當(dāng)快，特別是一些能源短缺國家對其系統(tǒng)更是得到重視14。所以也受到了國內(nèi)外專家和科研院校的極大重視15-1

32、8世界上對伺服驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)研究最早的國家是日本、美國和德國。日本第一電氣株式會社研究的泵控伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，節(jié)能效果比較顯著，已經(jīng)在連鑄、船用舵機(jī)和鍛壓機(jī)等裝置中得到了成功應(yīng)用19-20。日本研究設(shè)計(jì)的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)定量泵系統(tǒng)的響應(yīng)頻率已達(dá)到了5Hz，伺服驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)的性能得到了很大提高。德國與美國對其系統(tǒng)的研究主要集中于電動(dòng)靜液作動(dòng)器(EHA)、液壓機(jī)、液壓電梯上21-23。美國MOOG公司1997年研制出電動(dòng)靜液作動(dòng)器并運(yùn)用在F-18型飛機(jī)上并且進(jìn)行了飛行實(shí)驗(yàn)。20世紀(jì)末，德國奧斯布格的國際電梯展覽會上瑞士Beringer公司展出了最新研究開發(fā)的新型液壓電梯伺服控制系統(tǒng)，當(dāng)場引起了很大的轟動(dòng)24

33、,25。從日本、美國和德國對該領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀看，目前國外對伺服驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)的研究已相對成熟。國內(nèi)對伺服驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)的研究開發(fā)起步相對較晚，研究較多的單位主要集中在高校，例如廣東工業(yè)大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)26、西安交通大學(xué)、太原理工大學(xué)等。我國對伺服驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)大多數(shù)還集中在理論方面研究，目前很少將這種系統(tǒng)用于工程實(shí)際應(yīng)用，所以國內(nèi)與國外先進(jìn)國家還有很大的差距，要加大對其系統(tǒng)理論和實(shí)際工程應(yīng)用研究力度，爭取趕上技術(shù)先進(jìn)國家，并縮小差距。最近幾年廣東工業(yè)大學(xué)對伺服驅(qū)動(dòng)液壓方面做了一些探索性的研究，主要采用了一種新型的電機(jī)驅(qū)動(dòng)螺桿泵代替了異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)定量泵，結(jié)構(gòu)上更加緊湊，既而減小了控制系統(tǒng)的空間，也

34、削弱了其系統(tǒng)的噪聲。將傳統(tǒng)的液壓系統(tǒng)改變?yōu)樽冾l調(diào)速系統(tǒng)，其系統(tǒng)有一定的優(yōu)勢，但也引發(fā)了一些問題。在大范圍調(diào)速、節(jié)能減耗及系統(tǒng)可靠性進(jìn)一步提高的同時(shí)，也帶來了諸如低速性能差、響應(yīng)頻率低、不適應(yīng)響應(yīng)速度較高的應(yīng)用等問題27,28。哈爾濱工業(yè)大學(xué)在研究伺服驅(qū)動(dòng)液壓控制系統(tǒng)中采用了永磁交流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)雙向定量泵來控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)，對其系統(tǒng)建立了數(shù)學(xué)模型，并且對其系統(tǒng)進(jìn)行了動(dòng)態(tài)仿真，根據(jù)仿真結(jié)果分析出其系統(tǒng)具有一定的穩(wěn)定性；適當(dāng)控制和調(diào)整系統(tǒng)的參數(shù)可以改善系統(tǒng)性能29。這種液壓系統(tǒng)已經(jīng)開始應(yīng)用于船舶舵機(jī)，為此搭建的實(shí)驗(yàn)平臺來對控制船舶舵機(jī)進(jìn)行理論與實(shí)驗(yàn)研究30,31。西安交通大學(xué)對伺服驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)的研究

35、主要采用交流變頻容積調(diào)速，對其系統(tǒng)進(jìn)行了一些研究，通過智能控制策略，系統(tǒng)穩(wěn)定性得到了提高，基本消除了負(fù)載變化對活塞速度的影響32。對于采用變頻容積調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行了動(dòng)態(tài)特性研究33,34，經(jīng)過對其系統(tǒng)研究分析，結(jié)果表明其系統(tǒng)具有節(jié)能高效、結(jié)構(gòu)簡單、噪聲低和控制簡單易于實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制等顯著優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用前景廣闊。太原理工大學(xué)對這種新型電液伺服系統(tǒng)進(jìn)行了大量深入的研究35,36。對控制系統(tǒng)的電機(jī)與泵的采用了多種組合進(jìn)行研究，并且對各種組合進(jìn)行了研究分析和對比，對各種組合的控制系統(tǒng)的動(dòng)靜態(tài)性能進(jìn)行試驗(yàn)研究，研究結(jié)果顯示伺服驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)定量泵的控制原理具有更高節(jié)能效果。北京航空航天大學(xué)將這種新

36、型電液伺服系統(tǒng)用于電動(dòng)靜液作動(dòng)器(EHA)展開了研究，設(shè)計(jì)了一種新的EHA原理樣機(jī)方案，分析結(jié)果表明新型的EHA的動(dòng)態(tài)性能優(yōu)良，具有重大發(fā)展意義37,38。1.4 課題提出及主要研究內(nèi)容1.4.1 課題的提出我國目前市場上存在著大量的全液壓注塑機(jī)，依據(jù)注塑機(jī)加工塑料制品的工藝流程，老式傳統(tǒng)注塑機(jī)能源損失太大，隨著能源問題日益受到重視，必須降低注塑機(jī)生產(chǎn)過程中的能源損失。所以現(xiàn)在市場上出現(xiàn)了一些新型注塑機(jī)，在塑料制品加工過程中能源損失大大降低了，注塑機(jī)實(shí)現(xiàn)了節(jié)能，但是將現(xiàn)有企業(yè)內(nèi)存在的大量傳統(tǒng)全液壓注塑機(jī)報(bào)廢去購買新型注塑機(jī)，這更造成能源的極大浪費(fèi)，也不科學(xué)，本課題結(jié)合某企業(yè)實(shí)際現(xiàn)狀，對全液壓注

37、塑機(jī)進(jìn)行節(jié)能改造，以實(shí)現(xiàn)節(jié)約能源的目的。由于生產(chǎn)過程要求，希望注塑機(jī)系統(tǒng)響應(yīng)速度要盡可能的快，穩(wěn)定性要好，即系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能要好，也就是說，不僅需要節(jié)能型注塑機(jī)，同時(shí)還需要節(jié)能型注塑機(jī)系統(tǒng)具有良好的動(dòng)態(tài)性能。1.4.2 主要研究內(nèi)容1 對注塑機(jī)的生產(chǎn)現(xiàn)狀進(jìn)行全面深入的了解，進(jìn)而分析注塑機(jī)總體結(jié)構(gòu)和注塑工藝流程，對全液壓SZ-100/800注塑機(jī)進(jìn)行節(jié)能改造，提出合適SZ-100/800注塑機(jī)的伺服驅(qū)動(dòng)液壓節(jié)能改造系統(tǒng)，并根據(jù)SZ-100/800注塑機(jī)的實(shí)際情況對伺服驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)中重要元件進(jìn)行選型。2 用矢量控制的基本原理建立永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型，并在此基礎(chǔ)上建立伺服驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，采用MA

38、TLAB/Simulink軟件對其系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行仿真研究，分析系統(tǒng)響應(yīng)快速性、準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性；建立閥控系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，對閥控系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究，比較閥控系統(tǒng)與伺服驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，提出進(jìn)一步改善伺服驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的具體措施并加以實(shí)施。3 對改造后的注塑機(jī)進(jìn)行能耗實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證理論建模的正確性，比較改造前后的能耗損失，分析改造后的節(jié)能效果。7第2章 伺服驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)注塑機(jī)總體結(jié)構(gòu)分析第2章 伺服驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)注塑機(jī)總體結(jié)構(gòu)分析2.1 注塑機(jī)的組成、工作原理和工作過程2.1.1 注塑機(jī)的組成注塑機(jī)是注塑成型機(jī)的簡稱，它由加料裝置、注射部件、合模部件、機(jī)身、加熱系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和液壓系

39、統(tǒng)等組成39，其組成如圖2-1、2-2所示。主要耗能來源于驅(qū)動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)的液壓系統(tǒng)和加熱系統(tǒng)兩部分。1控制系統(tǒng)；2合模部件；3左支架；4拉桿；5中支架；6動(dòng)模板； 7定模板；8右支架；9螺桿；10加熱系統(tǒng)；11料筒；12液壓系統(tǒng)；13電機(jī)；14連軸節(jié)；15支架；16液壓馬達(dá); 17底座；18外罩圖2-1 注塑機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 2-1 Injection Molding Machine structure schematic diagram圖2-2注塑機(jī)結(jié)構(gòu)組成示意圖Fig. 2-2 Injection Molding Machine structure composition schemat

40、ic diagram2.1.2 注塑機(jī)工作原理注塑機(jī)工作原理類似于醫(yī)學(xué)注射器，它是用螺桿（或柱塞）的推力將物料向料筒中輸送，物料在螺桿剪切和加熱系統(tǒng)的雙重作用下逐漸地塑化，并最終成為熔融狀。在螺桿旋轉(zhuǎn)時(shí)，將已塑化好熔融狀態(tài)的物料向前輸送并壓實(shí)，最終推到螺桿頭部；與此同時(shí)，螺桿在物料的反作用下后退，使噴嘴前端物料聚集，形成儲料空間，完成塑化過程。注射活塞以高壓高速推動(dòng)螺桿，將已經(jīng)熔融的物料注射入模具型腔中，模具中的熔料經(jīng)過保壓、冷卻、定型后，最后開啟模具，將制品頂出，完成了整個(gè)制品的加工工藝過程，然后再進(jìn)行下一個(gè)循環(huán)。簡單的說，注射成型的周期包括：合模、注射、保壓、冷卻、預(yù)塑、開模、制品頂出等過

41、程40，注塑機(jī)成型工藝流程如圖2-3所示。圖2-3 注塑機(jī)成型工藝流程圖Fig. 2-3InjectionMolding Machinemolding process flow diagram2.1.3 注塑機(jī)成型過程1 合模鎖模注塑機(jī)工作周期從合模開始，合模系統(tǒng)首先以低壓快速進(jìn)行鎖模，當(dāng)動(dòng)模板與模具接近時(shí)，再以慢速前進(jìn)，確定模具內(nèi)無異物，最后進(jìn)行高壓鎖模，將模具鎖緊，防止鎖模力不夠造成制品出現(xiàn)溢邊現(xiàn)象。2 注射座前移和注射當(dāng)確認(rèn)模具達(dá)到所需合緊力，注射座向前移動(dòng)，保證噴嘴與模具完全貼合，接著注射螺桿前移將料筒的熔融的物料以高壓高速注入模具型腔。但在注射階段必須有足夠的速度和壓力，才能保證注射

42、過程完好，保證制品質(zhì)量。3 保壓注射階段完成后，還需繼續(xù)保持一定的壓力進(jìn)行補(bǔ)縮，為制得質(zhì)量高、密度均勻的塑料制品，螺桿前端必須向熔料施加一定的壓力，直至熔料冷卻成型。此時(shí)的壓力是保證塑料制品質(zhì)量的主要狀態(tài)參數(shù)，壓力過高制品會產(chǎn)生溢邊、應(yīng)力不集中等現(xiàn)象，反之過低收縮太大、尺寸不安定等現(xiàn)象，一般為注射階段壓力的50%65%。此時(shí)制品收縮緩慢，注射速度也相對緩慢，此時(shí)的注射速度為注射階段的10%左右。4 冷卻和預(yù)塑當(dāng)保壓進(jìn)行至模腔澆口封閉時(shí)，保壓壓力即可慢慢卸去，為了保持制品的剛度、強(qiáng)度和形狀，模腔內(nèi)的制品必須冷卻一定時(shí)間才能定型，隨著模腔溫度的降低，模腔中的熔融物料在逐漸減少，模腔內(nèi)壓力也隨之降低

43、，此階段的壓力較低。制品冷卻時(shí)間與塑化時(shí)間大部分是重疊的，物料在螺桿旋轉(zhuǎn)作用下向前輸送，使物料塑化。在螺桿頭部熔料壓力的作用下，螺桿在旋轉(zhuǎn)的同時(shí)產(chǎn)生后退。當(dāng)螺桿回退到計(jì)量值(一次成型制品所需的注射行程)時(shí)，螺桿停止轉(zhuǎn)動(dòng)，準(zhǔn)備下一次注射。5 開模頂出模腔內(nèi)的熔料經(jīng)長時(shí)間冷卻定型后，制品具有了一定的剛性和強(qiáng)度，此時(shí)合模裝置可以開模，將自動(dòng)頂出制品，一個(gè)成型周期完成。2.2 SZ-100/800注塑機(jī)參數(shù)為了研究注塑機(jī)改造后的節(jié)能率，本文將對型號SZ-100/800全液壓注塑機(jī)(見圖2-4)進(jìn)行節(jié)能改造。SZ-100/800注塑機(jī)的基本參數(shù)：理論上注塑機(jī)每次注射最大容量138cm3，最高注射壓力為1

44、395MPa，鎖模力800KN，允許模具最大厚度300mm，允許模具最小厚度180mm，螺桿直徑40mm，拉桿有效間距329mm294mm，模板行程270mm，噴嘴半徑R10mm。該注塑機(jī)控制系統(tǒng)是由三相異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)葉片泵，通過四通閥、比例閥向主油缸供油，改變四通閥可控制進(jìn)入主油缸的流量及流速。圖2-4 SZ-100/800注塑機(jī)Fig. 2-4SZ-100/800 Injection Molding MachineSZ-100/800注塑機(jī)控制系統(tǒng)各主要元件及參數(shù)如下：1 異步電機(jī)：型號Y160L-4，額定功率15kW，額定轉(zhuǎn)速1500r/min，額定電壓380V，額定電流30.3A，滿載時(shí)

45、效率88.5，功率因數(shù)0.85，最大轉(zhuǎn)矩2.3N.m，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量0.0918kg.m2，重量144kg。2 液壓泵：葉片泵，排量50ml/r。3 液壓缸：液壓缸缸內(nèi)直徑40mm，行程270mm。圖2-5 SZ-100/800注塑機(jī)液壓系統(tǒng)異步電機(jī)+定量泵Fig. 2-5Asynchronous motorand proportioning pump of SZ-100/800Injection Molding Machine hydraulicsystem從上述SZ-100/800注塑機(jī)參數(shù)及圖1-1、1-2和1-3可知，15KW電機(jī)在整個(gè)工作過程中幾乎一直處于滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，既是在保壓、冷卻階段，

46、液壓系統(tǒng)的供油量基本不變，而系統(tǒng)所需流量很小，液壓油通過溢流閥流回油箱，不僅造成能源的極大浪費(fèi)，也造成系統(tǒng)大量發(fā)熱，影響系統(tǒng)壽命。2.3 注塑機(jī)節(jié)能系統(tǒng)方案根據(jù)環(huán)保節(jié)能需要和伺服控制系統(tǒng)的日益成熟，對全液壓式SZ-100/800注塑機(jī)進(jìn)行節(jié)能改造顯得更為迫切。國內(nèi)外注塑機(jī)節(jié)能研究方向主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是開發(fā)新型注塑機(jī)進(jìn)行節(jié)能，例如全電動(dòng)注塑機(jī)；二是把閥控液壓缸系統(tǒng)替換為定量泵或變量泵控液壓缸系統(tǒng)，也是目前國內(nèi)大多數(shù)注塑機(jī)企業(yè)的為降低生產(chǎn)成本而研究的一個(gè)方向，例如比例變量泵系統(tǒng)、變頻調(diào)速系統(tǒng)和伺服驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)?？傊⑺軝C(jī)的節(jié)能關(guān)鍵主要改進(jìn)整機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，而注塑機(jī)節(jié)能重點(diǎn)主要在加工同一個(gè)制品

47、的工藝過程所消耗的電能為最少，使注塑機(jī)的電機(jī)輸出功率與負(fù)載所需的功率達(dá)到自適應(yīng)匹配調(diào)節(jié)；兩者之間輸出和所需功率盡量達(dá)成一致，這樣注塑機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)節(jié)能效果也就會更顯著。2.3.1 全電動(dòng)節(jié)能系統(tǒng)全電動(dòng)注塑機(jī)用伺服電機(jī)帶動(dòng)滾珠絲杠、齒形帶以及齒輪等元件來驅(qū)動(dòng)各個(gè)機(jī)構(gòu)41。由于全電動(dòng)注塑機(jī)無液壓系統(tǒng)，交流伺服控制具有高響應(yīng)速度，高定位精度，穩(wěn)定節(jié)能和低噪等特點(diǎn)，注塑機(jī)工作性能產(chǎn)生了質(zhì)的飛躍，全電動(dòng)注塑機(jī)成為真正的高效、精密、節(jié)能環(huán)保型機(jī)器。全電動(dòng)注塑機(jī)同樣具有制造成本太高，某些關(guān)鍵部件需進(jìn)口，而且高強(qiáng)度的滾珠絲桿使用壽命較短等缺點(diǎn)。因此，全電動(dòng)注塑機(jī)一般都是中小型機(jī)型，在國內(nèi)也難以得到廣泛應(yīng)用。2.3

48、.2 比例變量泵節(jié)能系統(tǒng)由于傳統(tǒng)全液壓注塑機(jī)系統(tǒng)能耗比較大，早期國內(nèi)很多企業(yè)研究開發(fā)了比例變量泵系統(tǒng)，并運(yùn)用到注塑機(jī)節(jié)能改造中，但節(jié)能效果不是太理想。比例變量泵系統(tǒng)是由異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)變量泵控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，此系統(tǒng)主要采用了PLC控制變量泵，通過改變泵的供油量來適應(yīng)負(fù)載所需的能量，并通過壓力比例控制供給注塑機(jī)在不同工作階段下所需的壓力、流量。該系統(tǒng)主要優(yōu)點(diǎn)是液壓系統(tǒng)發(fā)熱少，所需冷卻水較少，節(jié)能效果比較顯著。缺點(diǎn)是開環(huán)變量泵穩(wěn)定性差，響應(yīng)速度慢，變量泵對液壓油路系統(tǒng)清潔度要求高，油路清潔度會直接影響油泵的使用壽命；變量泵壽命比定量泵短；比例變量泵噪聲比較大。2.3.3 變頻技術(shù)的節(jié)能系統(tǒng)變頻調(diào)速系統(tǒng)采用

49、PLC控制變頻器，通過改變?nèi)嘟涣鳟惒诫姍C(jī)轉(zhuǎn)速控制定量泵轉(zhuǎn)速，從而改變各執(zhí)行機(jī)構(gòu)所需的壓力和流量。注塑機(jī)系統(tǒng)在不同工況下達(dá)到所需流量和壓力，這樣使溢流閥的回流量降到最小，進(jìn)而達(dá)到了節(jié)能效果。該系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是注塑機(jī)調(diào)速范圍大，穩(wěn)定性好，安裝、使用、維護(hù)方便，成本低，節(jié)能效果較好。而缺點(diǎn)是開環(huán)變頻調(diào)速系統(tǒng)響應(yīng)慢；常規(guī)定量葉片泵最低工作轉(zhuǎn)速大于600r/min，故在此系統(tǒng)轉(zhuǎn)速較小時(shí)節(jié)能效果不是太好；普通三相異步電機(jī)的過載能力較差，以至于系統(tǒng)發(fā)熱相當(dāng)嚴(yán)重。因此，該系統(tǒng)一般用于對全液壓注塑機(jī)進(jìn)行節(jié)能改造，比變量泵驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)更易于實(shí)現(xiàn)。2.3.4 伺服驅(qū)動(dòng)液壓節(jié)能系統(tǒng)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)定量泵系統(tǒng)是最近發(fā)展起來的一種

50、先進(jìn)高性能節(jié)能系統(tǒng)。該系統(tǒng)是通過改變永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)速來改變定量泵輸出的供油量進(jìn)而調(diào)節(jié)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的速度42。系統(tǒng)對永磁同步電機(jī)進(jìn)行閉環(huán)實(shí)時(shí)控制，其系統(tǒng)可以根據(jù)負(fù)載所需流量和壓力來改變電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩，電機(jī)驅(qū)動(dòng)定量泵供給系統(tǒng)所需流量與壓力，所以減少消耗多余的液壓油，即實(shí)現(xiàn)了節(jié)能。此系統(tǒng)具有響應(yīng)快，調(diào)速范圍寬，噪音低，投入成本較低，節(jié)能效果顯著等特點(diǎn)。該系統(tǒng)既能實(shí)現(xiàn)注塑機(jī)節(jié)能同時(shí)也保證了塑料制品的質(zhì)量。2.3.5 注塑機(jī)節(jié)能系統(tǒng)比較與分析在以上幾個(gè)節(jié)能方案中，從制品精度、動(dòng)態(tài)響應(yīng)、維護(hù)成本和能耗角度看，全電動(dòng)注塑機(jī)在節(jié)能效果上具有先天的優(yōu)勢，節(jié)能效果好。由于此系統(tǒng)某些關(guān)鍵零部件需進(jìn)口，且價(jià)格昂貴，并

51、且全電動(dòng)注塑機(jī)噸位一般不超過150噸，不適用于生產(chǎn)大型塑料制品，因此在應(yīng)用范圍方面受到一定的限制，難以大量推廣使用。其中，比例變量泵節(jié)能系統(tǒng)和變頻調(diào)速節(jié)能系統(tǒng)發(fā)展相對成熟，節(jié)能效果也比較明顯，但動(dòng)態(tài)響應(yīng)較慢，控制回路復(fù)雜，無法達(dá)到高響應(yīng)高精度的要求，難以適應(yīng)現(xiàn)代高效生產(chǎn)和精密注塑等要求。綜上所述，幾種節(jié)能方案各有優(yōu)缺點(diǎn)，注塑機(jī)在生產(chǎn)制件工作過程中需較長的冷卻時(shí)間和保壓時(shí)間，系統(tǒng)大部分的工作時(shí)間都處于負(fù)載狀態(tài)，考慮到企業(yè)實(shí)際狀況和對生產(chǎn)過程中節(jié)能與動(dòng)態(tài)性能的要求，因此 SZ-100/800注塑機(jī)節(jié)能改造選用伺服驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)方案。該節(jié)能系統(tǒng)是運(yùn)用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)定量泵，通過對其控制以達(dá)到液壓系統(tǒng)與負(fù)載

52、變化的匹配運(yùn)行，滿足注塑機(jī)的節(jié)能性、快速響應(yīng)性等要求。2.4 伺服驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)注塑機(jī)組成及工作原理2.4.1 伺服驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)注塑機(jī)組成伺服液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)注塑機(jī)主要組成部分為注塑機(jī)電腦板、伺服驅(qū)動(dòng)器、伺服電機(jī)、定量泵、流量傳感器、壓力傳感器、管道、流量計(jì)、方向控制閥和液壓動(dòng)力機(jī)構(gòu)等元件。如圖2-6所示。圖2-6 伺服驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)控制示意圖Fig. 2-6 Servo-drive hydraulic control system schematic diagram2.4.2 伺服驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)工作原理伺服液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)注塑機(jī)是根據(jù)注塑機(jī)電腦板的壓力和流量信號通過專用注塑卡進(jìn)行信號轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為伺服驅(qū)動(dòng)器

53、易于接收的信號，注塑機(jī)電腦板將設(shè)定好流量和壓力信號提供給伺服驅(qū)動(dòng)器，伺服驅(qū)動(dòng)器將流量和壓力信號轉(zhuǎn)換為電機(jī)所需的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，控制電機(jī)的輸出，編碼器再將電機(jī)運(yùn)行情況反饋給伺服驅(qū)動(dòng)器，然后再利用電機(jī)驅(qū)動(dòng)定量泵運(yùn)轉(zhuǎn)提供壓力和流量，通過壓力傳感器和流量傳感器的將壓力和流量反饋給伺服驅(qū)動(dòng)器，再與給定信號進(jìn)行比較，得出偏差值，進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，保證系統(tǒng)壓力和流量的穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)整個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)的閉環(huán)控制。伺服液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可根據(jù)注塑機(jī)當(dāng)前工作狀態(tài)，如鎖模、射膠、保壓、塑化、冷卻、開模頂出等階段的壓力和流量的設(shè)定要求，自動(dòng)調(diào)節(jié)定量泵的轉(zhuǎn)速和流量，使定量泵實(shí)際供油量與注塑機(jī)負(fù)載所需流量能始終保持一致，使電機(jī)在整個(gè)注

54、塑機(jī)工藝流程所消耗能量達(dá)到最小，也就徹底消除了溢流現(xiàn)象，并確保電機(jī)平穩(wěn)精確地工作。2.5 伺服驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)注塑機(jī)元件選型2.5.1 伺服驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)注塑機(jī)重要組成元件1 永磁同步伺服電機(jī)伺服控制中使用交流伺服電機(jī)，即永磁同步伺服電機(jī)，如圖2-7所示。伺服此電機(jī)具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、運(yùn)行平穩(wěn)、重量輕和節(jié)能效果顯著等優(yōu)點(diǎn)43,44。該電機(jī)沒有換向器和電刷，沒有轉(zhuǎn)子電流，轉(zhuǎn)子損耗幾乎為0。轉(zhuǎn)子采用永磁體，沒有勵(lì)磁裝置，功率因數(shù)高。此外，其輸出轉(zhuǎn)矩大，過載能力強(qiáng)。并且其控制精度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快和調(diào)速范圍寬。因此，永磁同步伺服電機(jī)應(yīng)用于注塑機(jī)節(jié)能系統(tǒng)，推動(dòng)注塑機(jī)向著高速、高精度和節(jié)能環(huán)保方向發(fā)展，具有極大

55、的優(yōu)勢。圖2-7 永磁同步伺服電機(jī)Fig. 2-7Permanent magnet synchronousservo motor2 定量泵定量泵常見的有齒輪泵、柱塞泵和螺桿泵。定量泵作為電機(jī)動(dòng)能向液壓能轉(zhuǎn)換的元件，其性能的好壞都會影響注塑機(jī)的工作性能，因此要求定量泵具備高速、低噪聲和長壽命等特點(diǎn)。此外，定量泵與伺服電機(jī)參數(shù)要匹配，才能發(fā)揮出注塑機(jī)最佳工作性能和節(jié)能效果。3 伺服驅(qū)動(dòng)器伺服驅(qū)動(dòng)器是系統(tǒng)的控制核心，根據(jù)注塑機(jī)電腦板設(shè)定的壓力和流量信號，同時(shí)，通過電機(jī)位置、速度傳感器、壓力和流量傳感器檢測到的實(shí)時(shí)壓力、速度信息反饋給伺服驅(qū)動(dòng)器，構(gòu)成了壓力閉環(huán)和流量閉環(huán)系統(tǒng)，可以精確控制伺服永磁同步電

56、機(jī)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。4 位置傳感器永磁同步電機(jī)若要實(shí)現(xiàn)精確控制，必須要獲得實(shí)時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)子的準(zhǔn)確位置。常用的位置傳感器有光電編碼器和旋轉(zhuǎn)變壓器，光電編碼器具有結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格低廉并且能獲得高精度的轉(zhuǎn)子位置，但其解碼電路固定在電機(jī)轉(zhuǎn)軸上，在注塑機(jī)工作環(huán)境溫度較高、機(jī)械振動(dòng)大、油污嚴(yán)重、加上高電磁干擾等工況下，光電編碼器調(diào)理電路信號受到影響不能穩(wěn)定工作，出現(xiàn)了丟碼、亂碼等情況，導(dǎo)致無法控制電機(jī)。旋轉(zhuǎn)變壓器結(jié)構(gòu)牢固，具有抗干擾能力強(qiáng)、抗沖擊性好和對高濕度、高溫度適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，因此使用旋轉(zhuǎn)變壓器來檢檢測電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置信息，在一定程度上也提高了注塑機(jī)工作過程中的穩(wěn)定性和可靠性。5 流量、壓力傳感器注塑機(jī)在工作過

57、程中必須采用高精度、高可靠性的流量傳感器和壓力傳感器，才能對整個(gè)液壓系統(tǒng)實(shí)施閉環(huán)控制。定量泵在工作過程中壓力會不斷變化，如果壓力傳感器內(nèi)部有氣泡，傳感器的測量精度將會嚴(yán)重受到影響，導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。因此，在安裝壓力傳感器時(shí)，壓力傳感器內(nèi)部必須充滿液壓油才能保證注塑機(jī)正常工作。2.5.2 SZ-100/800注塑機(jī)改造后的控制部分重要元件選型為了使改造后的注塑機(jī)生產(chǎn)出更好的制品，并且更能使其節(jié)能降耗，伺服驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)重要元件最優(yōu)選型是非常重要的。一般情況下，先選擇定量泵，再根據(jù)定量泵的轉(zhuǎn)速和工作壓力等參數(shù)進(jìn)行選擇永磁同步電機(jī)，最后依據(jù)永磁同步電機(jī)的參數(shù)選擇伺服驅(qū)動(dòng)器。具體選擇如下：1 定量泵選型定量泵的主要參數(shù)有排量、額定轉(zhuǎn)速、最高轉(zhuǎn)速、額定流量、額定工作壓力、最高工作壓力。首先應(yīng)考慮SZ-100/800注塑機(jī)內(nèi)部空間進(jìn)行選擇定量泵的尺寸；通過注塑機(jī)的實(shí)際工作壓力確定定量泵的額定工作壓力，并且最高工作壓力高于額定壓力20左右；再根據(jù)注塑機(jī)的技術(shù)參數(shù)選擇定量泵的額