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伺服节能技术概述,伺服控制系统性能及节能验证


伺服节能技术概述

    早期注塑机以全液压式为主,对于节能及环保的贡献明显较弱,全电注塑机是节能与环保贡献上最具代表性的设备技术,两者主要差异上在于伺服马达的使用,而油电混合注塑机兼具液压与伺服之优点。此外,油压机在长时间维持高压、高出力时仍有全电机无法完全取代的优势,因此具节能环保的全液压系统也是现阶段最具潜能的设备技术。

定量泵液压系统(图1)与伺服控制之液压系统(图2)对比

定量泵液压系统(图1)与伺服控制之液压系统(图2)对比

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    传统定量泵与伺服系统之差异

    注塑机从标准动作上可分解成锁模、射胶/保压、加料、冷却、开模、顶出等几个阶段,各个阶段皆需要提供不同且适当的压力和流量,对油泵马达而言,注塑机成型过程是属于变化的负载状态。在定量泵的液压系统中,马达以恒定转速持续提供恒定流量,尽管通过比例式压力流量比例阀(EFBG)可达到各阶段所需压力及流量比例配置的结果,但控制所需之外的液压油仍须排回油箱。对注塑机而言,输出功耗造成的电力消耗是持续性的,也就是说若注塑机处待机状态,定量泵仍不断提供恒定的流量并直接排回油箱,形成相当大且不必要的电力耗费。

    伺服系统的控制技术可改善上述定量泵液压系统的缺点。伺服马达通过编码器传输信号回馈至驱动器进行精准的回转控制,使受控液压油之流量需求经油泵直接输出,也就是说输出流量的大小是通过精准转速的增减控制来获得。液压油压力控制方面则通过油泵上串联的压力传感器,将压力信号结果传递回馈至驱动器端进行连续的闭回路控制,以达到压力精准控制的目的,如此一来,伺服控制系统就可精准的提供注塑成型各阶段所需要的压力与流量,比较定量泵系统,可大幅降低输出的电力消耗。

    注塑成型节能原理

    从注塑成型各阶段电力消耗状态来看,加料及冷却两阶段属于长时间动作,其电力最值得节省,尤其是冷却,伺服系统对注塑机而言完全不需做功,换言之,产品成型周期中冷却时间越长,节能效益就越显著。

    注塑机伺服节能系统之构成

    一般应用于全液压注塑机伺服节能系统的标准构成为三大组件:伺服马达、驱动器及油泵组。伺服马达分为AC感应伺服与永磁式伺服(同步伺服);驱动器的控制技术依据马达特性分为变频控制及伺服控制;油泵类型常见有齿轮泵、柱塞泵、叶片泵,齿轮泵包括外齿轮、内齿轮及螺旋式。

    除上述标准三大构成组件以外,伺服控制系统尚需要下列附属配件:

    1)控制卡(ControlCard)

    有些称PG卡,用于通讯接口之沟通与转换,使编码器信号回馈至该卡进行转速的向量控制。

    2)编码器传输线(Encoder)

    传递编码器上各端子信号至驱动器端,其驱动器端常用9pinD-sub作为通讯沟通接口。

    3)制动电阻(BreakResistance)

    又称刹车电阻或回升电阻,避免马达急转急停时因马达逆转所产生的电流直接回充至驱动器端,造成驱动器烧毁,制动电阻将消耗此回充电流转成热放走。目前已开发对回充电流进行电力储存并可重复利用的技术,是节能又一进步。

    4)压力传感器(PressureSensor)

    伺服系统对注塑成型进行压力闭回路控制的重要回馈组件,常设置在液压油泵出口端,常用压力规格为输出0-10V,对应最大压力为250bar。

    5)电磁干扰滤波器(EMIFilter)

    连接于RST与驱动器之间,避免驱动器受干扰或亦可能本体产生电磁干扰扩及RST,导致其它机台也受到干扰而影响运作。

    6)交流电抗

    降低主电源谐波、峰值电流,保护驱动机构的电子组件,也防止主电源的电压尖脉冲引起跳闸,对于电力质量较差的地区建议安装。

    7)电抗圈:用于降低辐射干扰,减少讯号因干扰造成传输的不稳定。    

    伺服控制系统性能及节能验证

    巿面上伺服节能系统包括有台湾、大陆、日本及欧美系列等多样化产品,各家系统的关键构成组件几乎具高度搭配性,惟拼凑成套的系统其性能稳定性、操控性及价格合理性仍待检视。整套伺服控制系统中,以驱动器技术门坎属较高层级,国内虽有不少业者具开发能力,其稳定性、耐用性、安全性等仍待长期检视,故目前常见系统中仍以日本及欧美系列产品居多,如大金、东芝、东京计器、安川三菱、伦茨、西门子及TDE等,国内如台达电子、赛艺等,大陆则以汇川及御能使用量较多;伺服马达则由于开发技术较成熟,整合较容易,国内已有数家厂商具制造能力,大陆当地伺服马达也发展的如火如荼;而油泵制造技术门坎更高,常见油泵技术来自德国及日本品牌居多,德制产品包括有艾克乐、弗依特、帕克、布赫等,日制产品包括有大金、SETIIMA及油研等。


    性能检验方法

    伺服节能系统对于注塑作业的执行,首要条件要具有精准控制能力与反应的灵敏度。当操控器发出压力与速度控制命令时,伺服节能系统马达油泵组需迅速从油箱内将油泵吸出,以提供各单元执行的做功需要。油压动力系统控制性能的优劣可藉由该马达油泵组于压力、速度的稳态控制能力、响应灵敏性及动态响应操控性来判别。

    注塑成型过程中,射胶与保压阶段为影响成型品质最重要的两个阶段,注塑阶段着重以速度控制为主、压力限制为辅,目的在快速完成模穴充填,速度的超越量过大或反应时间过长皆有可能造成产品的缺陷,如应力集中、成品粘模等。保压阶段因为熔胶已充填,仅需对熔胶的收缩进行稳定的补偿,因此成型着重以压力控制为主、速度限制为辅,尽可能避免因补偿压力不稳定造成成型密度不均一而衍生出如应力不均等问题。

    当伺服系统收到控制器命令时,马达油泵立即提供所需压力与流量需求。检视伺服控制系统基础性能表现的重要参考指标如下:1)反应时间:表示系统从起始动作,瞬间反应达到设定值所需要的时间,越快表示系统响应能力佳。2)超越量:起升瞬间其最大峰值超越预期设定值的量,超越量越小,表示目标控制能力稳定性高。3)瞬时响应:信号从起升瞬间,系统之时间响应部分仍属震荡,其所需花费的时间,花费时间越短表示系统恢复安定性较迅速,对成型周期时间短或需极端地高/低压开关者较具控制优势。4)稳态响应:表示瞬时响应消失后,所剩余之时间响应部分,稳态时间越长,表示系统持续负载下的安定性佳。5)下降时间:控制结束时恢复至原始待机状态下所需要的时间,此结果也将影响当控制切换至较低的压力或速度时,等同切换所需要的反应时间。6)下冲量:当控制切换由高至较低的压力或速度时,因马达反转设计造成的下冲结果,此控制目的与超越量相同,下冲量越小,目标控制能力越佳。

    还有一个很重要的参考指标称之稳态误差,压力之稳态误差主要来自油泵输送时因不断受压力闭回路控制及齿轮泵输送所产生的液压波动等综合因素造成的压力涟波现象,此波动与设计值之误差表现称为稳态误差;速度控制稳态误差表现亦受到速度闭回路控制影响,上述稳态表现结果都可通过PID的调整使更稳定输出。

    节能验证方法

    伺服节能系统应用于注塑机确实具有省能之功效,除了上述系统性能评定以外,当然省能的多寡也是受关切的议题。故针对注塑机节能规范,如欧洲Euromap60及中国大陆GB都已制订注塑机节能标准测试规范,台湾地区于2011年筹备推动注塑机节能认证规范及标志。

    欧规Euromap60注塑机能源消耗测定标准明确定义了比较特定机器的能量消耗之测定,仅需考虑注塑机包括一具往复运动螺杆一注塑单元的热塑性单元,电加热料管及一无任何辅助的水平(卧式)锁模单元,不包括提供机台及模具的冷却系统、外部空压系统等。

    大陆GB节能规范规定了注塑机的能耗检测方法、能耗等级评定和节能评价。该规范仅适用于理论注射容积大于16cm3的单螺杆。两种规范都适用于注塑机耗能(节能)测试,并可用于评定不同伺服节能系统的能效。

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