注塑机驱动系统的全电动设计

　　一、注塑机工作过程及驱动特点机电设备的设计不仅要实现功能完善，技术先进，控制精确，而且要考虑运行费用低，节约能源和环境友好等要求，这些也是目前大力提倡的绿色设计（GfeenDesign）的重要内容。驱动系统是机电设备的重要的组成部分。液压系统是广泛应用的驱动系统之一。尽管液压驱动能以较大的作用力或转矩直接驱动工作机构、传递运动平稳、容易实现频繁而平稳的换向，能在较大范围内实现无级调速，容易实现自动控制、具有过载保护功能和结构紧凑等特点，但与机械驱动相比存在许多不足。例如，各机构动作的控制精度相对较低；传动比不如机械式传动精确；油温变化时，油的粘度也会变化，影响系统的稳定性；液压系统中的液压油在流经泵、阀和管道时，产生大量热量，导致油温的上升，油温过高时将影响液压系统的正常工作，因此需要通过油冷却器将液压油中的热量带出（有一部分由油箱通过自然散热散出），消耗了大量能量；液压系统的噪音大，同时液压油的泄漏也难以避免，给工作环境带来影响；液压系统的油冷却器需通冷却水带走液压油中的热量，造成了水资源的浪费；液压油以及液压元器件的经常更换，成为运行成本增大的因素。因此，在许多情况下，传统的液压驱动正在被更为先进的机电驱动替代。

　　注塑机是目前广泛使用的高分子材料加工机械。目前，国内生产和使用的注塑机基本上全部是液压驱动。全液压驱动注塑机的一般结构和工作过程如所示。图l（a、b）是从两个方向看上去的注塑机的结构示意图。尽管有些注塑机的合模装置采用液压一肘杆结构“，但也是液压系统驱动的。注塑机的成型操作是周期性的，一个周期内的工作过程如下：1）予塑（一b）：螺杆转动，物料进入料筒并向喷嘴移动，在料筒加热和螺杆的剪切作用下，物料逐渐塑化（即熔融），并将螺杆向后推移，当料筒前部的熔融物料量达到注塑量时，螺杆停止转动；（2）合模（一+）：予塑结束后，移动模板前移，使模具闭合并锁紧；（3）注射座前移（-d）：注射座整体前移，使喷嘴与模具流道口吻合；（4）注射（-e）：在注射力作用下，螺杆前移，将熔融物料注入模具型腔，然后保持注射压力一段时间后卸压，制品冷却；（5）开模和顶出（-f）：注射座后移，予塑开始：移动模板后移，模具开启，顶出杆将制品从模具中顶出。制品顶出后，模具又闭合，重复上述动作，进入下一个注塑操作循环。注塑过程中，每一工作部件的转动或移动速度、推力或压力的大小要根据工艺要求随时调整，调整是通过控制液压系统的流量和压力实现的。例如予塑过程要求螺杆的转速根据加工材料的性质和外部加热条件能够在一定范围内无级调节；合模时移动模板的动作要求慢一快一慢，同时在模具闭合后要提供足够的锁紧力，以防止注塑时高压物料将模具顶开；开模时移动模板的动作也要求实现慢一1快一慢；注射时的注射压力和速度按照不同材料和制品的工艺要求进行调节；顶出力和顶出速度也有一定要求。液压驱动注塑机的全部动作由液压系统的各1.喷嘴移动油缸2.料斗3.快速开合模油缸4.锁模油缸5.顶出油缸6.移动模板7、8.模具9.固定模板10.喷嘴11.熔融物料12.注射机筒13.注射螺杆14.注射油缸15.予塑油马达个回路控制。

　　机电产品开发与创新23近年来，由于具有高精度控制性能的伺服电机特别是大功率伺服电机的出现和应用，由伺服电机和机械传动机构作为驱动系统的全电动注塑机正在国外得到迅速发展全电动设计正在成为注塑机驱动的新型设计。

　　二、注塑机全电动驱动系统的类型和特点全电动注塑机的驱动系统主要由伺服电机或步进电机和各种机械传动机构组成。主要的机械传动机构有滚珠丝杠，齿轮一齿条和曲柄滑块机构等。由所示的注塑机的工作过程可以看出，除了螺杆予塑时的转动外，全电动注塑机驱动设计的关键之一是将电机的旋转运动变为执行部件的直线运动，同时满足工作过程中装置）执行机构的运动和动力要求。采用伺服电机的驱动系统可以非常方便的根据注塑工艺要求调整执行机构的运转速度。通过在合模机构的肘杆、注射机筒或螺杆传动轴上安装传感器或应变仪来测量各部件的变形或熔体压力，可以方便的实现对锁模力、注射压力、喷嘴接触压力和螺秆转矩的控制。

　　合模与开模装置的驱动形式全电动注射机的开、合模装置的驱动形式可以采用两种类型，一种是以曲肘机构为基本结构，伺服电机通过滚珠丝杠或者齿条一齿轮机构与曲肘机构的十字头联接，传动螺母与带轮联结并装在固定模板上，螺母与模板间装有轴承。电机通过齿形带带动螺母转动，丝杠则在开合模方向进行线性运动，从而推动十字头运动，实现开、合模动作5.也可以采用齿轮一齿条机构进行传动，齿条一端与曲肘机构的十字头联结，电机通过两级减速器带动齿轮转动，从而推动齿条运动，实现开，合模动作。对于所示的双曲肘开合模机构，当丝杠速转动时，合模全过程中模板的移动速度是慢-快-慢，即开始合模时模板移动速度较慢，在运行中速度较快，在模具将要闭合时速度变慢；开模过程中注射推动杆，2.曲柄-滑块机构！

　　3.曲柄-滑块机构2的模板移动速度也具有上述规律。显然，模板移动速度的分布特点非常符合注塑机开、合模时工艺要求。

　　注射装置的驱动形式注射装置的驱动可以采用两种方式。一种是电机通过丝杠传动机构驱动注射螺杆。与上述的合模机构类似，基本组成也是伺服电机齿形带滚珠或滚子丝杠传动机构。采用丝杠传动机构时，可以是传动螺母转动，丝杠往复运动，或者是丝杠转动，传动螺母往复运动。对于小型设备，也可直接由电机和丝杠传动机构直接驱动注射螺杆，不设齿形带等减速机构。注射装置的另一种驱动方式是由电机通过减速器带动曲柄滑块机构推动注射螺杆运动，进行注射。

　　图中，注射推动杆相当于滑块，通过止推轴承与螺杆尾部连接，当注射推动杆前移向左）时，推动螺杆前移，进行注射。曲柄机构1由电机通过减速系统驱动，曲柄机构2由曲柄机构1通过与曲柄转轴连接的齿轮传动。采用曲柄滑块机构传动时，机构传递的力和速度与曲柄机构的位置有关，同时传递的运动是非线性的，即滑块的运动速度和推力是位置的函数，螺杆注射时的速度和注射力是变化的，但这一特点非常适合注射机的某些动作要求，例如在注射过程中，zui初的充模需要高的注射速度，而在注射将近结束时，需要低的注射速度和高的注射压力。在设计曲柄滑块机构时，可以根据曲柄和连杆的几何尺寸、曲柄的转动角速度和输入功率，就可以得出滑块的移动速度、加速度、顶出力与滑块行程的相互关系，进行结构设计和控制选择。由电机和曲柄滑块机构组成的注射驱动装置，可以实现比液压系统驱动更高的注射速度，所以非常适合成型薄壁制品。

　　予塑装置的驱动形式注塑机的予塑螺杆可以由带有齿轮减速器如行星减速器）的伺服电机直接驱动，或者由伺服电机通过重载同步带驱动。这种驱动方式能非常方便的实现螺杆的转速调节。

　　顶出装置和注射座移动装置的驱动形式全电动注射机的顶出装置可以是曲柄滑块机构，也可以是滚珠丝杠机构。使用曲柄滑块机构时，滑块的一端与连杆连接，另一端与顶出杆或顶出板连接，滑块的运动和动力特性即为顶出装置的特性。设计方法与注射装置中的曲柄滑块机构相同。zui大顶出行程是曲柄回转直径的两倍，顶出力和速度在顶出过程中是变化的。采用滚珠丝杠顶出机构时，可以通过调节电机转速来调整顶出速度。这种顶出机构的结构简单，顶出平稳。此外喷嘴移动往射座移动）等动作，都可以由电机和滚珠丝杠机构驱动，由于电机转速可以精确调整，注射座的移动速度也可以在移动过程中根据需要调节，喷嘴与模具接触时没有冲击，有利于模具的保护，同时可以控制喷嘴接触力的大小。

　　由于在动力消耗相同或注塑机规格如注射量、销模力、机器外形尺寸等）相同条件下，电机+螺旋丝杠传动机构或电机+曲柄滑块机构的驱动系统具有远远高于液压传动的速度，所以，电动注射机就具有更高的工作效率和工艺适应性。

　　据报道，采用曲肘式合模机构、锁模力为300ton的注塑机，当生产时间为7500hr时，对应于不同的成型循环时间，全电动式消耗的总能量是液压式消耗总能量的45%-50%'4），此外，全电动系统的噪音低于65dB，与液压系统相比，噪音减少大约25%.