1 引言
擠出成型是塑料成型加工工藝中的主要加工方法之一，大部分熱塑性塑料均可用此方法。目前，擠出成型已經(jīng)廣泛應(yīng)用于日用品、農(nóng)業(yè)、建筑業(yè)、石油、化工、機(jī)械制造、電子等部門。在擠出成型設(shè)備中最關(guān)鍵的部分就是擠出機(jī)。塑料通過擠出機(jī)塑化成均勻的熔體，并在塑化中建立的壓力作用下，并通過螺桿連續(xù)定溫、定量、定壓地擠出機(jī)頭。本文將主要討論的就是塑料擠出機(jī)的主機(jī)變頻和伺服傳動控制的一些要點，以及安川變頻與伺服在其中的應(yīng)用特點。
2 安川變頻器在擠出機(jī)主機(jī)傳動中的應(yīng)用
主機(jī)傳動是塑料擠出機(jī)的主要組成部分之一，它的作用是驅(qū)動擠出機(jī)的螺桿，并使螺桿能在選定的工藝條件下(如機(jī)頭壓力、溫度、轉(zhuǎn)速等)，以必需的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速均勻地旋轉(zhuǎn)，完成擠出過程。它在其適用的范圍內(nèi)能夠提供最大的轉(zhuǎn)矩輸出和一定的可調(diào)速范圍，同時還應(yīng)使用可靠、維修方便。圖1為塑料擠出機(jī)主機(jī)傳動的變頻控制原理圖。
圖1 塑料擠出機(jī)變頻工作原理
擠出機(jī)的工作特性是指螺桿的轉(zhuǎn)速與驅(qū)動功率之間的關(guān)系，在擠出過程中，主傳動所消耗的功率是隨著轉(zhuǎn)速的增加而增高的，是屬于比較典型的恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載。但由于加工物料的不同，有些擠出工藝需要的轉(zhuǎn)速比較低，而有些擠出工藝所需要的轉(zhuǎn)速相對比較高。因此，對于擠出機(jī)的傳動需要在低速到額定轉(zhuǎn)速之間都必須要有相同的轉(zhuǎn)矩輸出才能達(dá)到最高效率比。
對于速度，擠出速率是描述擠出機(jī)擠出過程的一個重要參數(shù)，它的大小象征著機(jī)器生產(chǎn)率的高低，影響速率的因素很多，如機(jī)頭阻力、螺桿轉(zhuǎn)速、料桶結(jié)構(gòu)等，在機(jī)頭壓力恒定的情況下，最重要的要屬螺桿轉(zhuǎn)速。因此，控制螺桿轉(zhuǎn)速恒定無突變是最重要的。
在擠出機(jī)主傳動控制中，采用安川變頻器的g7系列可以至少滿足三個要求:
(1) 替代傳統(tǒng)的液壓耦合調(diào)速或直流電機(jī)調(diào)速;
(2) 在擠出過程中的精確速度控制;
(3) 低速時的高轉(zhuǎn)矩控制。
安川g7系列是世界上首次在通用變頻器上采用世界領(lǐng)先技術(shù)的“三電平控制方式”并一舉獲得成功的變頻器，此項成果一舉解決了400v級電機(jī)由于沖擊電壓造成的電機(jī)絕緣體損傷和由于軸電壓造成的電機(jī)主軸的電腐蝕問題。安川g7的電流矢量控制所擁有的高性能、多功能，可以使各式各樣的機(jī)械設(shè)備在高效率高精度狀態(tài)下運(yùn)行，在塑料擠出機(jī)主傳動中的表現(xiàn)尤為突出。
表1為安川g7變頻器適合擠出機(jī)主傳動運(yùn)行的特點綜述。
圖1為擠出機(jī)開環(huán)速度控制系統(tǒng)，采用無傳感器的矢量控制，適合一般的擠出機(jī)控制。對于高檔擠出機(jī)或特種擠出機(jī)種采用帶pg的速度閉環(huán)控制是最適當(dāng)?shù)模褪峭ㄟ^裝設(shè)在電機(jī)軸后端的pg編碼器來獲得電機(jī)的實時轉(zhuǎn)速(如圖2所示)，從而可以進(jìn)行速度閉環(huán)控制。帶pg的矢量控制方式與不帶pg的矢量控制方式，不僅在速度控制精度上提高了近10倍外，零頻轉(zhuǎn)矩也能獲得50％以上的提升。安川g7系列變頻器都支持以上兩種控制方式。
圖2 安川g7變頻器在塑料擠出機(jī)主機(jī)傳動中的矢量控制
另外，變頻調(diào)速作為塑料擠出機(jī)主機(jī)傳動已經(jīng)作為一種節(jié)能的發(fā)展趨勢，尤其在電動機(jī)的實際轉(zhuǎn)速低于額定轉(zhuǎn)速時，變頻器運(yùn)行在45hz以下時，節(jié)能效果更加明顯。
3 安川伺服在擠出機(jī)主機(jī)傳動中的應(yīng)用
通過上述分析我們知道對于塑料擠出機(jī)主機(jī)傳動的調(diào)速性能和轉(zhuǎn)矩控制要求非常高，隨著交流伺服技術(shù)的快速發(fā)展，采用交流伺服作為主傳動的應(yīng)用也開始走上市場。這是因為交流伺服系統(tǒng)具有比變頻器更高的低速轉(zhuǎn)矩控制性能、更精確的速度控制性能。
在塑料擠出機(jī)上采用交流伺服系統(tǒng)至少有以下幾個好處:
(1) 電機(jī)功率減小，節(jié)約電能效果明顯，用戶的使用成本降低;
(2) 機(jī)械結(jié)構(gòu)簡化，節(jié)省了金屬材料;
(3) 操作簡化，降低了維修成本;
(4) 控制范圍增大，控制精度提高，控制電機(jī)效率提高;
(5) 提升用戶的產(chǎn)品質(zhì)量，確實做到了提高塑料擠出機(jī)械的產(chǎn)品檔次。
尤其是使用安川的sigma-ⅱ系列伺服產(chǎn)品后，它能在轉(zhuǎn)矩控制、位置控制和速度控制三位一體中，自由地將控制方位切換采用參數(shù)設(shè)定切換。伺服電機(jī)從小容量到大容量，能充分考慮各種控制要求和安裝場合，環(huán)境適用性強(qiáng)。它能靈活運(yùn)用爆發(fā)力，充分發(fā)揮機(jī)械性能并迅速準(zhǔn)確地傳遞，在準(zhǔn)確性、速度等方面擁有更高的技術(shù)水平。
圖3左為安川sigma-ⅱ系列伺服產(chǎn)品的接線示意。
圖3 安川sigma-ⅱ系列伺服產(chǎn)品在塑料擠出機(jī)主機(jī)傳動中的應(yīng)用
相對于變頻器傳動而言，其傳動機(jī)構(gòu)包括交流異步變頻電機(jī)、變頻器、皮帶輪、減速機(jī)、螺桿。而采用安川伺服控制系統(tǒng)后，可以省去龐大的減速機(jī)，使系統(tǒng)機(jī)構(gòu)大為精簡(見圖3右);同時將電機(jī)的額定功率可以大幅降低，只需根據(jù)驅(qū)動螺桿的扭矩算出相應(yīng)的伺服電機(jī)型號。表2是關(guān)于在擠出機(jī)傳動中使用比較廣泛的安川sigma -ⅱ伺服的特性。
4 結(jié)束語
安川變頻器和伺服控制在單螺桿、雙螺桿擠出機(jī)主機(jī)傳動中優(yōu)異的特性得到了用戶一致的認(rèn)可，采用變頻器和伺服系統(tǒng)代換滑差調(diào)速、直流調(diào)速等傳統(tǒng)的調(diào)速系統(tǒng)，不但能節(jié)電，而且其對運(yùn)行速度的精度及穩(wěn)定性都有了顯著的提高，進(jìn)一步滿足了生產(chǎn)的需要。
采用變頻或伺服技術(shù)配用異步電動機(jī)或異步伺服電機(jī)可以降低噸塑料制品電費(fèi)，同比整流子電機(jī)節(jié)能20%-30%，同比滑差電機(jī)節(jié)能50%以上，同時變頻或伺服軟起動，無沖擊電流，起動平穩(wěn)，可提高產(chǎn)品的質(zhì)量。采用變頻或伺服控制技術(shù)還可延長了擠出機(jī)整機(jī)使用壽命，降低維修費(fèi)用。