1.注塑機工藝性能和能耗分析
近代注塑機的設計日趨完善成熟，為各項注塑工藝參數的調整提供十分方便的條件。盡管不同的注塑機調節方式各有所異，但是對於工藝參數的設定和調整項目基本是相同的。
在注塑機上的注射壓力、保壓壓力都是通過調節注射係統的液壓油路係統來實現的。因此， 在注射充模階段或保壓階段，任何影響油路係統壓力穩定的因素都會引起注射壓力和保壓壓力的波動，都將影響最終充模壓力曲線和注塑產品的質量。
注塑機在注塑周期中各階段所消耗的能量是大不相同的，如圖 1 所示看見，注塑工藝過程中的大部分功率消耗在注射充模、保壓補縮和塑化階段，其中以注射功率消耗為最大。注射功率和驅動油泵電機功率之間關係式 ( 1) 所示:
Ni = ηHKoNm ( 1)
式中:
Ni─ 注射功率，KW ;
ηH─係統效率;
Ko─電機超載係數;
Nm─電機功率，KW;
圖1、注射成型周期中功率消耗曲線
注:1－模具閉合時的功率消耗;2－注射座整體前進噴嘴和模具接觸時的功率消耗;3－注射時功率消耗; 4－保壓階段的功率消耗; 5 －塑化時的功率消耗; 6－注射座後退時的功率消耗;7－啟模時的功率消耗；
注塑過程的功率消耗見表 1。
注射功率由注塑速率和注射壓力所決定，如式 ( 2) 所 示 :
Ni = Qi Pi ( 2)
式中:
Qi ─注射速率;
Pi ─注射壓力。
在工藝操作中注射壓力和注射速率盡量與熔體在指定的工藝技術條件要求所消耗的注射功率相接近。
注塑機整體能耗最主要的兩大部分為驅動動力部分的液壓係統和注塑機筒外的加熱係統。文章針對液壓係統為節能改造的對象，對傳統液壓驅動式注塑機的液壓係統能耗進行分析，並對定量泵電機組動力係統的節能特點進行分析，得出電液伺服係統的節能解決方案。
2.定量泵式注塑機節能特點及能耗分析
采用伺服電機驅動定量泵式係統的注塑機最主要的節能有點有以下幾個方麵:
( 1)節能效果明顯示。相比傳統的注塑機具有極佳的節能效果，節能率最高可達 40% － 80% ， 如圖2所示，特別是在保壓和冷卻階段，效果尤其明顯。實際上節能改造最終的效果節能量直接 取決於設備的負載大小，以及功率消耗中保壓和冷卻工序所占整體功耗的比例大小。
圖2、功率消耗對比示意圖
( 2)響應速度快。響應迅速高效，借助於高性能伺服電機，啟動快速，減少動作切換時間，加快動作節拍，可提高生產效率 10%－15% ，見圖3。
圖3、係統響應對比示意圖
( 3) 重複精度高。低速穩定，製品重複精度高，采用伺服電機係統，對射膠壓力及係統流量進行閉環控製，相比傳統液壓動力控製係統穩定性及重複精度更高，提高產品成型質量。重複精度誤差一般保持在 0. 3% 以內，有效降低了產品的廢品率，有助於企業控製生產成本，見圖 4。
圖4、注射重複精度比較示意圖
( 4)延長液壓係統壽命。伺服係統能量損耗較低，降低設備運行噪音和故障率。延長液壓係統元件以及液壓泵使用壽命，綜合降低了設備的運行使用成本。
( 5)有效控製油溫。伺服電液改造後大大減少了係統產生的熱量，有效控製了油溫，見表 2。
其中最大能耗部分: 液壓係統用電量占注塑機的 75% 以上。經分析發現，在保壓補料的冷卻階段，對於傳統的定量泵係統配置注塑機來說該階段無用功能耗將非常巨大。在該階段液壓動力係統不僅需要保持注射壓力足夠和保壓冷卻補料的需求，還應保證下一周期中正在塑化中的原料的性能與壓力穩定。傳統的液壓泵係統受溢流閥開關的控製，很難保證執行係統中壓力的波動範圍及熔腔內保壓過程的穩定。
3.注塑機電液伺服控製係統的結構設計
電液伺服係統中的控製係統可采用單片機或者運放為主的電子線路係統，兩種方式均能夠很好的完成注塑工藝中各個階段對於驅動係統的實時控製任務。改造前的注塑機液壓係統如果是傳統電磁方向閥和壓力閥控製係統，注塑機主控製器向控製閥輸出的是電流信號，如果是比例閥控係統則注塑機主控製器或可編程控製器向比例壓力閥和比例流量閥輸出的控製信號可以是可變脈衝寬度調節信號，通常是24V頻率1KHz，電流值一般為0.1－1A，底電流是為了克服電磁閥開啟動作死區。在改造過程中注塑機原始液壓係統油路結構不需要進行特殊改動，普通異步電機和定量泵需更換成為伺服電機以及高速高壓泵，在油泵出口法蘭盤處外接壓力傳感器。從注塑機控製板輸出的原始信號若是電流信號，則需要配置信號轉換板，將其轉換成電壓信號，並且可以實現調整液壓係統底壓底流大小的作用，具體係統結構圖如圖 5 所示。
圖5、伺服驅動器控製係統結構圖
改造後，注塑機主控製電路板向比例壓力閥和流量閥輸出的控製信號，通過信號轉換板輸入到伺服驅動器中，再通過伺服驅動器來控製伺服電機帶動定量泵以達到直接控製係統壓力與流量的目的，其本質就是將原來液壓係統回路的閥控係統改為了泵控係統。伺服驅動器采用 PI 方式對接入的壓力和流量信號進行調節，通過調節伺服電機的輸出轉矩和轉速，從而調整油泵電機的輸出流量和壓力。同時采用電機上的旋轉編碼器和油路中的壓力傳感器進行反饋，形成高精度的雙閉環控製，不僅可以滿足注塑機在各個工序中所需的油壓大小和流量速度，而且在此基礎上大大提高了控製精度，從而得以提高生產效率。並使設備在達到工藝技術要求的基礎上更改動力係統工況從而最終達到節能效果。具體控製方框圖如圖6所示。
圖6、電液伺服係統控製方框圖
可見，改造後的電液伺服係統是一套采用前饋PD控製結構的典型伺服電機電液控製係統。該控製係統中伺服跟隨控製器信號，來自於注塑機主控製板對原始比例壓力與流量閥的壓力及流量控製輸出信號。經過光電隔離和脈寬調製電路後整形為滿足工藝操作要求的序列脈衝隨動信號，這裏增加了前饋PD控製和PI 控製模塊用來克服伺服控製跟隨信號給伺服電機造成的純滯後時間，而前饋PD控製模塊的作用則是為了加快變頻速度的響應以提高係統的動態響應指標，PI模塊則是用來改善係統靜態誤差。采用這種控製電路時可使得原注塑製品工藝周期平均縮短1S左右，因而可以提高生產效率。
4.注塑機電液伺服控製係統的特點
注塑機上的電液伺服閉環控製的核心在於完全根據係統的需要，隨動提供流量和壓力，將原來開放式閥控液壓傳動調節的係統方式更改為反饋控製的泵控驅動動力直接調控方式，從而實現按需供油節省了原來開放式的液壓係統中的大量溢流損耗。完全滿足工藝技術對注塑設備的要求，並同時達到塑料成型快速、精確和節能的效果，而該液壓係統控製策略的核心本質就是帶壓力補償的流量控製方式控製液壓係統動力驅動單元，並用泵出口的壓力反饋閉環來消除對係統流量估算的控製精度。
在係統中伺服電機的轉速控製著液壓係統動力單元的輸出流量，當係統中的流量建立了壓力之後，則由伺服驅動器的PID係統控製伺服電機轉速穩定油壓。液壓係統中的流量壓力實際上均由伺服驅動器對伺服電機的轉速控製，最終達到對液壓係統動力輸出單元的實際控製效果，在係統油壓還沒有得到完全建立的時候，液壓回路中的管路尚有部分實際空間，此時用液壓係統中的流量正比與伺服電機連帶柱塞泵同軸轉速的估算方式來控製運轉油泵伺服電機組的轉速。待管路很快充油完畢後，液壓油會受到管路的限製從而使係統很快建立油壓。當油壓建立起來之後，利用伺服驅動器 PID 調整油泵伺服電機轉速來最終將係統壓力控製在注塑機控製板中輸入的係統給定值。
5.總結
節能改造係統實際可總結為兩點: ①係統壓力未到時，伺服油泵電機組轉速由流量指令控製;②係統壓力到達後，伺服油泵電機組轉速由壓力指令和壓力反饋的差值控製。
液壓係統最終的控製對象就是壓力和流量，幾乎所有的液壓控製係統都是圍繞這兩個物理參量為核心來尋找更新、更好、更精確的控製方法，采用該電液伺服係統可以對注塑機液壓係統的壓力和流量完成雙閉環反饋控製，從而達到盡可能的保證了注射工藝對設備的壓力和流量要求，補償係統高壓時液壓泵的泄漏所產生的流量誤差，使得流量控製更加準確，並實現了按需供油節省了大量溢流損耗。
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