全电动立式注塑机以日本为发起源,到2000年底日本生产的500t以下的立式注塑机90%以上都是全电动立式注塑机,但是,欧洲在这方面动作迟缓。台湾、香港以及一些大陆的企业利用日本技术或与日本合作开发或正在开发自己的全电动立式注塑机。全电动立式注塑机将成为立式注塑机行业的技术方向。

        所谓的全电动立式注塑机是指原来由液压系统来实现的注射保压、溶胶背压、开锁模以及顶针的控制改由电动机来实现,以满足日益增长的高精度塑料产品的市场需要。在工业领域中,广泛使用的有两类电机:永磁(交流或无刷直流)电机和交流诱导电机,在立式注塑机领域使用的是FANUC公司提案的永磁电机,亦即交流永磁同步电机。这一方案有其性能上的优势,但是由于大功率永磁同步电机的制造和控制技术不为我所掌握,因而进口价格昂贵。华人厂商多把它作为技术储备和技术广告在进行开发,在大陆难以和进口机器竞争。

        世界上最早成功开发出全电动立式注塑机的FANUC比较了两类电机的优缺点,而日本的永磁电机控制技术又处于世界领先地位,所以在日本FANUC的观点被广泛接受。和诱导电机相比永磁电机有的优点,FANUC总结了4点:①加速性能好,响应快;②大范围内的速度调节可以圆滑地进行;③制动性能好;④比诱导电机省电。实际上,上述结论是20年前的。尽管和永磁同步电机相比诱导电机有其弱点,但是过去十几年,特别是上世纪90代以来由于新型电力电子器件(如IGBT、IGCT等)的发展和性能的提高,计算机技术的发展(CPU从16位到32位,高性能DSP芯片的出现)和新控制理论的应用(如:磁芯定向矢量控制、直接扭矩控制)等原因,极大地促进了诱导电机变频控制技术的发展,使变频控制技术在控制范围、控制精度、动态响应、功率因数、使用方便等方面有了十分显著的提高。因此,我们大胆设想:使用特制的诱导电机和特别的矢量控制技术,完全有可能开发出性能价格比卓越的全电动立式注塑机。

1    控制系统原理

1.1    立式注塑机及其控制系统

        立式注塑机的基本结构由三部分组成:注射装置、开锁模装置和下架部分。注射装置用于完成熔料计量和注射保压的功能;开锁模装置完成模具的开合及产品的顶出功能;下架部分起支撑机器的作用,电气及控制装置安装在其中。

        通过熔料过程,快速、准确地计量塑料产品所需要的塑胶量;在充填过程中,有效、快速、准确地将计量好的塑胶射入已经锁紧的模具中,并实施适当的保压和冷却;最后打开模具、顶出产品,完成一个塑料产品的制作周期。

        上位控制器有三大主要功能:设定控制参数和目标;显示控制结果;协调机器各环节的动作顺序。

        运动控制器主要功能是在上位控制器的协调下,完成过程控制,如压力、位置以及速度的控制,并把控制的结果和相关状态传递给上位控制器。即实现注射电机、熔胶电机、开锁模电机和顶出电机的控制。

        控制流程可以描述为:由上位控制器指令要实现何种控制(例如注射的速度或压力控制),运动控制器将根据接受到的指令和实际状况,给出控制调节信号至变频器;变频器驱动电机旋转,电机通过永磁皮带与滚珠丝杠相连,将圆周运动转换成直线运动,从而实现速度、压力或位置的控制。

1.2    控制系统的实现

        上位控制器采用了触摸屏,从而使设定数据的操作更加简便,控制结果的显示效果更好。

        运动控制器嵌入了实时操作系统(RTOS),采用了目前在工业控制领域应用最为广泛的_iTRON实时OS,效率高、可靠性好、编程容易、移植性强。在此OS基础上,开发了适应控制对象特点的控制算法和软件。

        变频器具有矢量控制。并根据诱导电机的固有特点,我们提出了具有针对性的控制算法置于变频器之中,以提高系统的控制性能。

        因为采用了实时操作系统,所以系统控制软件中,这样就有了“任务”这一概念。

        主要控制算法,包括速度、位置和压力的控制,都是在中断服务子程序中被执行。I/O的读写、与上位控制器的通信等,以任务形式交由操作系统(RTOS)去安排执行。各任务之间的联系以及任务状态转换,由MailBox通信来建立和实施。

2    关键技术性能指标和测试结果

        由于电机及其驱动器、滚珠丝杠价格昂贵,加之生产规模不大,使得全电动立式注塑机的制造成本达到国内同样大小油压机的4~5倍。因此,用户必然对全电动立式注塑机的控制性能、生产效率、可靠性、节能效果以及清洁环保等提出更高的要求,以使投资能得到有效的回报,生产出更好的产品。

        第一,节能效果是当然的,全电动立式注塑机与相当大小的油压机进行比较,尽管与具体的注塑产品有关,但是,节能率都在在30%以上。

        第二,可靠性高,采用诱导电机比永磁(无刷直流)电机的系统有更高的可靠性。这是因为诱导电机是感应式的、有滑差存在,所以:①比永磁电机有更好的柔性,从而提高了系统的安全性,有利于保护模具、操作人员和传动部件;②不存在永磁转子退磁问题,马达寿命要比永磁电机长,因此长时间的控制性能也就能够得到保障。所以说诱导电机系统的可靠性更高。

        第三,清洁环保,由于不再使用液压元器件,油污染的问题不复存在。噪音也大为降低,甚至达到了静音效果。当然,另一方面也带来了电气污染(电磁干扰)这个新的问题。我们采取严格的抗干扰和滤波措施,同时使用先进的专用变频器,使电气污染降到最低。

        第四,控制性能好,主要是速度、压力、位置控制的响应、精度和重复性。为了提高响应,专门研制了满足要求的特制诱导变频电机,采用了专用矢量变频器;开发了专用注射、压力和位置的控制算法,使控制性能几乎达到了国内的永磁全电动立式注塑机的水平。

        第五,生产效率高,生产效率是由最高运转速度和响应时间决定的。我们所设计的诱导电机是变频调速的,可以设计到与永磁电机相当的额定转速。因此,诱导全电动立式注塑机的生产效率不会低于永磁全电动立式注塑机,而且由于是自主开发的控制系统,有可能开发出效率比国内永磁全电动立式注塑机还要高的机器来。

3    诱导全电动立式注塑机将来的课题

        开发诱导全电动立式注塑机的理由只有一个:目前国内永磁(无刷直流)电机的制造和控制技术,特别是10kW以上的,不能满足全电动立式注塑机的要求。因此,电机及其驱动部分只能依赖进口,价格和技术都为他人所掌握,利润空间小,难与日本产品竞争。

        在可以预计的未来3~5a内我国大功率的永磁电机及其控制技术将会逐渐取得进展,但关键控制元器件,只能亦步亦趋,难有迅速突破。

        因此,诱导全电动立式注塑机的未来走势应该是:制造大吨位的诱导全电动立式注塑机,把小吨位的让给永磁全电动立式注塑机。

        如此,一方面可以较快速地应答市场的需要,还能在弥补国内技术不足的同时掌握关键控制技术。更重要的是,我们能以50%左右的低成本,制造出与国内永磁全电动立式注塑机性能相当的机器来,从而有更大的利润空间。

4    结束语

        基于独到的见解和大胆的设想,使用特制诱导电机、独特控制技术、自主开发的控制算法,我们开发成功了低成本、高性能的诱导全电动立式注塑机。

        机器性能不逊于国内厂家开发的永磁同步全电动立式注塑机,与通常意义上的全电动立式注塑机相比电气的相关成本降低了50%左右。