1  節(jié)能原理分析和討論 

    普通異步電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)的液壓式塑機(jī), 只要塑機(jī)開始工作, 作為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電機(jī)和液壓泵就會(huì)滿負(fù)荷地不停運(yùn)轉(zhuǎn), 期間大量的液壓油會(huì)通過溢流閥流回油箱, 從而作大量的無用功, 根據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)和檢測, 這些無用功占到總能耗的60 %～70 %。同時(shí),液壓系統(tǒng)中的液壓油在流經(jīng)泵、閥和管道時(shí), 會(huì)產(chǎn)生大量熱量, 導(dǎo)致油溫升高, 而油溫過高將影響液壓系統(tǒng)的正常工作; 因此, 需要通過油冷卻器將液壓油的熱量帶出, 從而消耗了大量能量。

    注塑機(jī)的理想工作曲線如圖1 所示。塑機(jī)的實(shí)際工作流量和壓力曲線并不能達(dá)到圖1 所示的理想效果。普通異步電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)的液壓式塑機(jī)塑料制品的典型工作曲線是流量和壓力隨時(shí)間的關(guān)系幾乎不變化的。好的塑機(jī)只有保證流量和壓力曲線非常接近理想的曲線, 才能使制品的質(zhì)量得以保證, 塑機(jī)的工作效率也才有可能很高。如果注塑機(jī)的實(shí)際流量和壓力能滿足圖1 的變化關(guān)系, 則從圖1 計(jì)算得出節(jié)能效果為56 %。圖1 中制品注塑的平均壓力為8 MPa , 驅(qū)動(dòng)器平均功率為11 kW, 一天工作16 h , 每天耗電176 kW·h ; 如節(jié)能56 % , 即每天節(jié)能9816 kW·h , 則每天節(jié)約100 元。一年工作250 d , 節(jié)省費(fèi)用達(dá)25 000 元。

a - 壓力- 時(shí)間的理想曲線

b - 流量- 時(shí)間的理想曲線

圖1  注塑機(jī)生產(chǎn)典型塑料制品的理想流量- 時(shí)間和壓力- 時(shí)間曲線

    2  節(jié)能型伺服注塑機(jī)設(shè)計(jì) 

    影響注塑機(jī)節(jié)能性的因素主要有三項(xiàng): 

    1） 流量設(shè)定與馬達(dá)轉(zhuǎn)速的線性（即控制器及其轉(zhuǎn)接器輸出信號(hào)的線性） 。線性越好, 節(jié)能效果越好。

    2） 控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度?？刂葡到y(tǒng)的速度響應(yīng)越快, 節(jié)能效果越好, 加工效率越高; 控制系統(tǒng)的力矩（電流） 響應(yīng)越快, 制品品質(zhì)越好。因此, AC 伺服系統(tǒng)較變頻器驅(qū)動(dòng)好。

    3） 驅(qū)動(dòng)單元的控制方式和選用。變頻器的矢量控制的低速力矩特性比V/ F 控制得好, 矢量控制低速可輸出150 %的額定力矩, 其制品質(zhì)量好; 帶PG反饋的矢量控制的動(dòng)態(tài)速降小, 動(dòng)態(tài)速降的恢復(fù)時(shí)間短, 其制品質(zhì)量更好; 伺服系統(tǒng)零速可輸出200 %的額定力矩, 動(dòng)態(tài)速降更小。采用伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)的節(jié)能型注塑機(jī), 其節(jié)能效果, 效率zui高, 制品質(zhì)量。

    根據(jù)上面的分析和討論, 提出了節(jié)能型伺服注塑機(jī)總體設(shè)計(jì)方案, 其設(shè)計(jì)原理如圖2 所示。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用以交流永磁伺服同步電機(jī)為動(dòng)力源的電液混合式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。節(jié)能型注塑機(jī)控制系統(tǒng)主要由電腦控制器及其輸出信號(hào)轉(zhuǎn)接器、驅(qū)動(dòng)器、伺服電機(jī)和油泵組成。

    圖2  節(jié)能型伺服注塑機(jī)原理圖

    2.1  驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 

    采用交流同步伺服控制器和永磁式同步伺服馬達(dá)作為控制主核心的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

    永磁式同步伺服馬達(dá)由定子、轉(zhuǎn)子、高精度反饋元件（如光電編碼器等） 組成。采用高性能稀土永磁材料形成氣隙磁場具有如下優(yōu)點(diǎn): 結(jié)構(gòu)緊湊, 功率密度高; 轉(zhuǎn)子慣量小, 響應(yīng)速度極快; 超高矯頑力稀土永磁; 抗去磁能力強(qiáng); 幾乎在整個(gè)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)可恒轉(zhuǎn)矩輸出; 低速轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小; 平衡精度高, 高速運(yùn)行平穩(wěn); 噪音低、振動(dòng)小; 全密封設(shè)計(jì); 性價(jià)比高。

    交流同步伺服驅(qū)動(dòng)器采用DSP （數(shù)字信號(hào)處理器） 芯片, 大大加快了數(shù)據(jù)的采集與處理速度, 使電機(jī)運(yùn)行性能良好; 應(yīng)用大規(guī)模門陣列電路, 使產(chǎn)品具有很高的可靠性; 使用的功率器件IPM, 使驅(qū)動(dòng)器體積大為減小; 控制方式具有開放式功能。

    系統(tǒng)特性如下: 流量與馬達(dá)轉(zhuǎn)速曲線線性好; 空載電流3～5 A ; 空載和和滿載（14 MPa） 響應(yīng)時(shí)間小于180 ms。

    2.2  控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 

    整機(jī)控制系統(tǒng)采用全數(shù)字控制, 使可控性好, 可靠性高。硬件設(shè)計(jì): 人機(jī)界面、邏輯控制器、運(yùn)動(dòng)中心、伺服驅(qū)動(dòng)、溫度控制和傳感器; 軟件控制: 通訊軟件公用模塊設(shè)計(jì)、DSP 芯片處理。

    2.3  注塑機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 

    在原有普通液壓注塑機(jī)的基礎(chǔ)上, 對機(jī)械部分作了相應(yīng)的改動(dòng)設(shè)計(jì), 使結(jié)構(gòu)緊湊實(shí)用, 從而有效提高了機(jī)械部件的剛性, 降低了慣性, 確保伺服電機(jī)的有效能可以充分發(fā)揮。

    3  能耗對比實(shí)驗(yàn)

    3.1  實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) 

    1） 在不同轉(zhuǎn)速之下逐步上升壓力, 檢測馬達(dá)的實(shí)際電流值。圖3 為馬達(dá)轉(zhuǎn)速為100～1 300 r/ min 時(shí)實(shí)測的馬達(dá)的電流隨壓力變化的曲線。