1 前言
根據(jù)塑料制品的市場分析，目前中國塑料機械行業(yè)產(chǎn)值每年約120億元，而國內(nèi)市場需求近220億元，還有很大的需求缺口，注塑機的需求也逐步由南方向北方，東部向西部擴散，同時也帶動塑料工業(yè)等關聯(lián)產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展。
近幾年塑料行業(yè)發(fā)展越來越迅速，其中注塑行業(yè)也正迎來一個飛速發(fā)展的機遇。但同時行業(yè)內(nèi)的競爭也日漸激烈，各廠家除了重視產(chǎn)品質(zhì)量和品牌外，也越來越重視生產(chǎn)成本的控制。從注塑機工藝過程可知，電能消耗成本在注塑成型產(chǎn)品成本中占了很大的比例，因而能否有效減少電能損耗，受到了各注塑機廠家和用戶的關注。
隨著國家節(jié)能減排政策的深入，各企業(yè)都在考慮怎樣節(jié)能以響應國家號召和減少生產(chǎn)成本，注塑機行業(yè)更是如此。實現(xiàn)效果顯著的節(jié)能改造已經(jīng)成為注塑行業(yè)提升的首要課題。本文在介紹傳統(tǒng)注塑機驅(qū)動系統(tǒng)的基礎上，結(jié)合注塑機的節(jié)能發(fā)展趨勢提出三種改進方案并分析了相應優(yōu)缺點，最終基于臺達注塑機專用伺服驅(qū)動器給出一套節(jié)能型方案，值得業(yè)界參考。
2 傳統(tǒng)注塑機工藝及能耗分析
普通注塑機通常采用液壓傳動，其結(jié)構(gòu)包含注射裝置、開合模裝置、液壓傳動裝置和電氣控制裝置，后者的作用是保證注塑機預定工序的要求（壓力、速度、溫度、時間、位置）和動作程序準確有效地工作。
在傳統(tǒng)的注塑機中液壓傳動裝置主要由油泵、液壓控制閥、壓力電磁比例閥、流量電磁比例閥、各種不同的動作油缸、油泵電機及其它液壓附件和管道組成，液壓傳動系統(tǒng)中的動力由電機帶動油泵提供。其中，油泵絕大部分是定量油泵，電動機通常提供額定功率和轉(zhuǎn)速，油泵將電動機所輸入的機械能轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫δ埽缓笙蛞簤合到y(tǒng)的液壓元件輸送具有一定壓力和流量的液壓油，滿足液壓執(zhí)行機構(gòu)驅(qū)動負載所需能量的要求。
注塑機成型工藝是一個按照預定的周期性動作過程，即以合模－－-射嘴前進－－-射膠－－-保壓－－-溶膠、冷卻－－-開模－－-取出制品－－-將被注塑件放入模具中－－-合模等加工工序達到某件產(chǎn)品成型。
各個過程所需的速度和壓力因不同工藝而不同，即所需的液壓油流量不同，因而注塑機整個動作過程對油泵電機來說是個變負載過程。在定量泵注塑機液壓系統(tǒng)中，油泵電機始終以恒定轉(zhuǎn)速提供恒定流量的液壓油，各個動作中相應多余的液壓油則通過溢流閥回流，從而造成電能的浪費。
注塑機按裝模構(gòu)造分為立式注塑機和臥式注塑機，如圖1所示：
經(jīng)過測試一般單臺傳統(tǒng)注塑機能耗和所站例分別是
油壓系統(tǒng)的耗能：75-80%
加熱單元的耗能：10-15%
冷卻系統(tǒng)的耗能：5-10%
控制組件的耗能：1- 5%
其中最大能耗部分：以油壓系統(tǒng)用電量占注塑機的75%以上。同時鎖模,射出,保壓,冷卻,開模等過程需要不同的壓力和流量,對于油泵馬達都是處在于負載變動的狀態(tài)；當系統(tǒng)需求超過設定的流量及壓力,會由溢流閥或比例閥來調(diào)整壓力流量,這個過程稱之為高壓節(jié)流,造成的能量損失高達40%-75%．
3 傳統(tǒng)注塑機驅(qū)動系統(tǒng)
傳統(tǒng)注塑機的驅(qū)動系統(tǒng)通常由PQ控制器+定量泵+感應馬達三部分組成，架構(gòu)框圖如圖2所示：
傳統(tǒng)注塑機系統(tǒng)進入保壓時電機依然高速帶動油泵滿負荷運行，由于系統(tǒng)現(xiàn)在是保壓狀態(tài)所以不需要往系統(tǒng)里供油，因此通過油泵泵出的油通過安全閥又回到了油箱，這就造成了電能的浪費并且浪費的電能還會轉(zhuǎn)換成熱能使油箱的油溫上升從而減少密封圈的壽命等不良現(xiàn)象。總之，采用傳統(tǒng)注塑機驅(qū)動方式，保壓及冷卻時間越長，系統(tǒng)越耗能。
4 三種改進型驅(qū)動方式
4.1 變量泵驅(qū)動
上面介紹的傳統(tǒng)注塑機驅(qū)動方式帶來加大的電能浪費，業(yè)界又推出了變量泵驅(qū)動的注塑機，該系統(tǒng)通常由PQ控制器+變量泵+感應馬達三部分組成，如圖3所示：
改用變量泵的最大優(yōu)點是，但系統(tǒng)處于保壓時雖然電機高速運轉(zhuǎn)但變量泵會根據(jù)系統(tǒng)壓力的大小來調(diào)整自己的排量，即當系統(tǒng)壓力達到設定值時變量泵會切換成小排量從而減少保壓時泵的輸出流量以減少電機的輸出扭矩達到了減少電機功率輸出最終實現(xiàn)了節(jié)能的效果。
總之，該方案的優(yōu)點：有一定的節(jié)能效果，缺點：需要PQ控制器，并且電機還是處于高速運轉(zhuǎn)狀態(tài)，所以節(jié)能并非最佳。
4.2 變頻器驅(qū)動
采用上述方式驅(qū)動，由于電機還是處在高速運轉(zhuǎn)，所以這種方式的節(jié)能不是非常好，因此業(yè)界又研究用變頻器來驅(qū)動，該系統(tǒng)通常由PQ控制器+變頻器+變頻馬達+定量泵四部分組成，如圖4所示：
圖4 變頻器驅(qū)動系統(tǒng)架構(gòu)
改用變頻器來驅(qū)動電機最大的優(yōu)點是當系統(tǒng)處于保壓時，注塑機控制器會給一個比例流量信號給變頻器告訴變頻器現(xiàn)在要執(zhí)行低速運轉(zhuǎn)，這時變頻器就驅(qū)動電機以很低的轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)從而實現(xiàn)了節(jié)能的效果，但是由于變頻器在啟動和停止時都有加減速時間所以注塑機的運行周期要比沒有加變頻器要慢，因此對于保壓時間短和工作時間短的產(chǎn)品不適合用變頻器，只有保壓時間長噸位比較大的注塑機是可以考慮用變頻器來驅(qū)動的，并且用變頻器進行節(jié)能改造最簡單，基本上不會更改注塑機本身的機械結(jié)構(gòu)，只是在電極的三相進在線加個變頻器就可以了，目前臺達F-G注塑機專用變頻器在注塑機行業(yè)有成功的案例。
總之：此方案的優(yōu)點在于改造簡單有較好的節(jié)能效果；缺點則是在趕產(chǎn)能時，需切回市電，且依然需要PQ控制器。
4.3 伺服驅(qū)動器及伺服馬達驅(qū)動
為了能使注塑機的驅(qū)動不僅不影響產(chǎn)能甚至可以提高產(chǎn)能，業(yè)界又開始用伺服驅(qū)動器和伺服電機來驅(qū)動，該系統(tǒng)通常由內(nèi)建PQC伺服驅(qū)動器+伺服馬達+定量泵三部分組成，如圖5所示：
用伺服驅(qū)動器的最大優(yōu)點，首先是節(jié)能因為當系統(tǒng)保壓時注塑機控制器會同時給壓力和流量信號給驅(qū)動器，驅(qū)動器會根據(jù)PID換算后將低速驅(qū)動伺服電機運轉(zhuǎn)實現(xiàn)節(jié)能，其次是產(chǎn)能得到很的提高因為伺服驅(qū)動器驅(qū)動伺服電機運轉(zhuǎn)相應很快，而且伺服電機一般可以運轉(zhuǎn)到2000轉(zhuǎn)/分以上，所以注塑機在進行除保壓狀態(tài)外的其它工作狀態(tài)時基本上執(zhí)行的是速度模式其電機轉(zhuǎn)速很快就可實現(xiàn)了注塑機運轉(zhuǎn)周期加快，提高了產(chǎn)能，再次是系統(tǒng)保壓時壓力的穩(wěn)定性很好，因為該驅(qū)動系統(tǒng)是個死循環(huán)控制系統(tǒng)，注塑機系統(tǒng)壓力通過壓力傳感器傳遞到驅(qū)動器上并通過驅(qū)動器的PID快速調(diào)節(jié)響應，從而保證了系統(tǒng)壓力的穩(wěn)定性。
總之，此方案的優(yōu)點：節(jié)能，快速，節(jié)省空間不需外購PQ控制器，油溫低，油箱小；缺點：舊機改造時更換的部件比較多。
5 臺達專用伺服驅(qū)動方案
目前國內(nèi)外有很多驅(qū)動器公司推出了注塑機專用的伺服驅(qū)動器，臺達也推出了自己的VJ注塑機專用伺服驅(qū)動，系統(tǒng)圖如圖6所示：
此方案具有以下特點：
（1） 超省電節(jié)能：在一定的條件下比傳統(tǒng)定量泵油壓系統(tǒng)省電60%
（2） 系統(tǒng)油溫低：油溫可以比傳統(tǒng)的低5-10度
（3） 重復精度高：實現(xiàn)了精密的流量壓力控制
（4） 保壓時間長：對坐大尺寸塑料制品比較好
（5） 響應時間快：速度響應時間在40ms
（6） 耐惡劣環(huán)境：采用防油，防抖動，防塵的旋變編碼器
