注塑机伺服节能改造方案分析

袁安威

[摘    要]注塑行业正处于快速发展阶段，在实际工程开展中定量泵的使用占绝大多数，其能耗较大，既增加了运行成本，也增加了维护成本，急需要对已有的控制系统进行结合改造，模拟定量泵和变量泵的相似系统开发全新的应用模式，实现节能减排目的，并通过程序优化提高运转效率，实现工作效率提升、工作结果优质化的目的。从注塑机的工作原理、发展情况、伺服机的原理、改造方向和应用空间、伺服注塑机的整体技术优势以及特点等多角度多空间进行有效探讨，试着找到伺服机节能改造的有效方案，既推动注塑行业的健康发展，又可以实现效益提高的目的。

[关键词]注塑機;伺服电机;节能改造

[中图分类号]TQ320.5 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2021）08–0–02

[Abstract]The injection molding industry is in the stage of rapid development， in the actual engineering development， the use of quantitative pump accounts for the vast majority， and its energy consumption is large， which not only increases the operation cost， but also increases the maintenance cost. It is urgent to combine the existing control system， simulate the similar system of quantitative pump and variable displacement pump， and develop a new application mode， so as to achieve the purpose of energy saving and emission reduction， And through program optimization to improve the operation efficiency， to achieve the purpose of improving work efficiency and improving the quality of work results. In this paper， the working principle of injection molding machine， development， the principle of servo machine， transformation direction and application space， the overall technical advantages and characteristics of servo injection molding machine and other multi angle and multi space are discussed effectively， trying to find an effective scheme for energy-saving transformation of servo machine， which can not only promote the healthy development of injection molding industry， but also achieve the purpose of improving the efficiency of factory work.

[Keywords]injection molding machine; servo motor; energy saving transformation

注塑机是进行塑料加工的最主要设备，其用电量占到塑料加工企业整体用电量的3/4，在部分企业中其比重甚至可以超过4/5，既是企业运营成本中的大部分开支，也会对所处城市、区域的用电量和用电承载负荷造成困扰，在用电和生产时产生的废物还会对周边环境和大气状态构成一定威胁;而伺服机系统是指以物体的位置、角度、移动速度为基本控制要素，可以实现根据对应物体任意的位置变化，进行自动化的控制，由伺服驱动器和伺服电机共同组成，是在原有的变频技术基础上进行技术的优化、更新和延伸，既可以实现根据速度进行加工物的有效跟踪和控制，还可以提高加工生产的精确度、产出效率，保证较稳定的产出质量。将伺服机用于注塑机的节能改造还可以实现塑料生产企业整体工作效率的提升和耗能量的降低，从全局角度提升企业效益，促进行业发展概念的更新，体现环保效益、经济效益、社会效益的统一。

1 伺服机市场

将伺服机的优势与注塑机进行统一协调管理，可以实现对于注塑机原有耗电量的大规模降低，并通过节能改造提升注塑行业原有工作效率，部分应用伺服电机的注塑机耗电量可以实现在原有耗电功率基础上近乎1/2的降低，改变传统的普通电机加定量泵的工作原理和系统，换为伺服电机和螺杆泵的工作系统或原理，实现优化节能效果。该技术的创新和广泛应用越来越受到注塑行业和注塑市场的大力欢迎，有强有力的发展前景和空间，可以为企业带来实际的收益[1]。

2 伺服机控制系统的构成

伺服机控制系统由伺服控制器、伺服电机、油泵、编码器、压力传感器等构成[2]。在与注塑机相结合并进行改造时，主要应用伺服电机的能动性以及控制器与注塑机的性质结合与改变，实现对原有注塑机的节能改造。

3 注塑机的改造、发展情况及工作原理

注塑机是将已经进行了预塑溶化的颗粒状高分子材料，由喷嘴高速射入模型之内，再通过冷却成型变成塑料制品，可以实现一次成型，具有生产效率高、后期加工量少、所制作的成品表面光洁度好、产生废品的效率等一系列优点，可以满足关于塑料制品尺寸、精度、质量、美观度等各方面要求，是塑料生产行业机械化工作中最具有代表性的设备之一，其整个工艺流程可以分为预塑阶段和注射成型阶段两部分（图1）[3]。

注塑机得到高速发展的原因，有以下几方面：①世界性能源危机的出现，使得塑料制品的优势得以展现，其经济性、耐用性和易生产性更利于替代原有金属或木材，加速现代建筑生产，降低原有生产材料成本和运输成本;②石化工业在不断前进和发展，塑料生产的基本原料越来越丰富，可以满足塑料制品的大规模生产，而对于塑料制品优势的开发和应用，也直接带动了本行业的高速前进;③相关行业的需求量正在日益增长，可以运用塑料制品进行制作的行业，如微电子、微机控制、汽车设备、电子元件等行业正在稳步发展并逐步扩大规模，对塑料制品的需求量变大，而应用注塑机则可以实现大规模高效率的生产，满足企业发展的需求。

注塑工艺可以分为合模、射台进、注射、保压、冷却直至顶针退等一系列基本过程（图2）。通过对不同工序的拆解及其操作流程、工艺特点的分析，可以方便伺服机与注塑机的合理开发与应用，有效改变其工作状态，实现节能减排的目的。

传统的注塑机是使用普通电机加定量泵的工作方式，其大量的电能消耗既增加了环境负担、企业成本，也变相降低了产品的价值和员工的薪酬绩效水平。所以塑料生产行业一直在对注塑机进行技术的更新和驱动方式的改造，以期以能耗的有效降低和改变带动企业生产效益的提高、整体企业价值的提升，并满足国家对于企业节能减排要求的落实。其改造过程经过对变量泵的改造到变频器的改造直至此阶段运用伺服机和伺服系统进行工作原理的改造，实现了节能减排的目的和工作原理的优化。随着科技的进步和不断发展，可以预见在不久的将来更有利于提高注塑机工作效率并降低其能耗的方式将不断被开发和运用到实际工作中，真正实现行业现状的优化整合和产能的有效提升。

4 伺服系统的节能原理

伺服机驱动器的最大优点是可以在系统应用时对注塑机的控制器给予压力信号，而控制器会根据相应的信号降低伺服机的运转功率，实现节能的目的，同时通过伺服机的应用提高了注塑工序的准确度、速度，使得注塑机在原有运转状态之上可以实现更高的工作效率和速度模式的优化，通过运转周期的提升实现提高产能、降低能耗的目的;通过伺服系统的应用，可以保证注塑机的稳定运转，用压力传感器的方式实现对注塑机的快速调节和相关问题的响应，保证压力的稳定性和能耗的稳定性。

5 伺服机的技术构成

5.1 技术原理

运用伺服机对注塑机进行节能改造，本质是分为液压传动和液压控制两方面进行。液压传动是以原有的液压油为媒介，用动力元件改变原有的机械运动形式，并利用控制设备实现将压力转换为机械运动能力的效果，并通过对于控制设备遥控操作、液压油的有效调节，调整注塑机整体的运动速度、工作效率;而液压控制则与液压传动相似，在系统中包含动力控制部分、控制设备和执行控制的原件，同样通过液压油为介质传导，实现对控制器具的有效反馈，并通过输出量输入量的不同设置，用比较差值进行系统的整体把握，使得差值变化较为恒定，它所构成的循环传动系统称为液压伺服系统。

5.2 项目原理

进行伺服机注塑机的改造原理是将传统的三相交流电机带动油泵进行设定功率运转的方式转变为通过调节压力值与液压油流量达到对系统压力位置的控制，保证可以运用最强的流量和压力实现电机以额定转速进行运转，当相配套的设备需要低速运转时，如果原有额定的转速功率较大，此部分功率将直接转化为热能量，倒回邮箱系统，机器会产生发热、运转速率降低、甚至设备损坏等情况，同时增加了电能和其他能耗的使用量，但通过伺服系统的应用可以实现动态转速的监控，为相应设备配备相应的液压油流量和压力，在动态监管之下，根据需要进行压力控制，实现节能的目的。

5.3 注塑机伺服泵驱动系统整体分析

伺服泵驱动系统是由电机、位置传感器、伺服驱动器、油泵、压力传感器等组成，工作原理是在注塑机不同生产过程和生产阶段，用电脑控制器释放不同的压力和流量信号，相应的伺服驱动器会根据当前的工作状态、原材料信息等具体内容，在闭环工作状态中同步所给出的压力值，并通过伺服电机设定的速度带动油泵和媒介油质注入设备，使得设备出现自动的负载和平衡。

在进行控制系统软硬件设置时，首先要考量控制系统硬件的总体结构和设计方案，考虑其主控电路功率、驱动电路、电源电路，實现各电路、电流、电压、串口通信等不同结构的相应匹配，并在设计驱动电路时实现各部位电阻输出端、转换电路、电压信号的协调统一，实现信号传递、控制器传感、流量供给的一体性。

在进行系统软件设计时要参考各程序功能模块的初始化状态，保证其在生产时不会出现中断响应的情况，并设置相应的倍数;针对生产工艺和流程设定具体的中断程序，保证设备在运行出现不当状态时，可以通过自我保护实现对机器运行状态的有效调节。

6 案例分析与展示

以市场上某一节能服务公司所生产的注塑机为改造目标，可以进行伺服电机实际应用效果和能力的验证：

选择一台已经被改造过的注塑机和一台没有经过改造的注塑机，在同一时间内对同一种原材料进行生产和加工，在同一工作量的条件下，运用移动式电能监测仪器进行能耗的数据收集整理和对比，通过差值可以计算出进行伺服机驱动模式改造的有效结果和相应节约的电能。依照可查询到的数据可以看出，两台设备的耗电量降比约为3/5，以某一企业一年耗电量11.1万kW为计算标准，可以为企业节省7万元左右的运营成本，而被改造过后的设备使用寿命也稳步提升，更可以大幅提高企业的经济效益。

7 结语

作为带动塑料加工产业快速、稳定、大规模发展的重要设备之一，注塑机的优良化改造不仅可以实现原有生产效能的提高、耗电量的降低和整体工艺的发展，还可以带动产业结构的优化。在进行节能改造时充分发挥伺服机的优势化作用，实现对耗能、工作效率的有效化、针对性把控，可以提高注塑机的生产效能并降低能耗，通过实际的实验和观察也可以印证注塑机伺服节能改造的必要性和可取性，各技术生产单位可以针对实际研发情况不断进行技术的升级换代，推动此设备和更新理念的大范围推广与应用。

参考文献

[1] 王丽英.SZ-100/800注塑机节能改造与动态特性研究[D].洛阳：河南科技大学，2015.

[2] 周以翔.注塑机驱动系统的节能改造[J].现代塑料，2010（8）：63-65.

[3] 张国飞.电液伺服驱动技术在注塑机节能改造上的应用[D].苏州：苏州大学.