伺服節(jié)能技術(shù)概述

    早期注塑機(jī)以全液壓式為主，對于節(jié)能及環(huán)保的貢獻(xiàn)明顯較弱，全電注塑機(jī)是節(jié)能與環(huán)保貢獻(xiàn)上最具代表性的設(shè)備技術(shù)，兩者主要差異上在于伺服馬達(dá)的使用，而油電混合注塑機(jī)兼具液壓與伺服之優(yōu)點(diǎn)。此外，油壓機(jī)在長時間維持高壓、高出力時仍有全電機(jī)無法完全取代的優(yōu)勢，因此具節(jié)能環(huán)保的全液壓系統(tǒng)也是現(xiàn)階段最具潛能的設(shè)備技術(shù)。

    傳統(tǒng)定量泵與伺服系統(tǒng)之差異

    注塑機(jī)從標(biāo)準(zhǔn)動作上可分解成鎖模、射膠/保壓、加料、冷卻、開模、頂出等幾個階段，各個階段皆需要提供不同且適當(dāng)?shù)膲毫�和流量，對油泵馬達(dá)而言，注塑機(jī)成型過程是屬于變化的負(fù)載狀態(tài)。在定量泵的液壓系統(tǒng)中，馬達(dá)以恒定轉(zhuǎn)速持續(xù)提供恒定流量，盡管通過比例式壓力流量比例閥（EFBG）可達(dá)到各階段所需壓力及流量比例配置的結(jié)果，但控制所需之外的液壓油仍須排回油箱。對注塑機(jī)而言，輸出功耗造成的電力消耗是持續(xù)性的，也就是說若注塑機(jī)處待機(jī)狀態(tài)，定量泵仍不斷提供恒定的流量并直接排回油箱，形成相當(dāng)大且不必要的電力耗費(fèi)。

    伺服系統(tǒng)的控制技術(shù)可改善上述定量泵液壓系統(tǒng)的缺點(diǎn)。伺服馬達(dá)通過編碼器傳輸信號回饋至驅(qū)動器進(jìn)行精準(zhǔn)的回轉(zhuǎn)控制，使受控液壓油之流量需求經(jīng)油泵直接輸出，也就是說輸出流量的大小是通過精準(zhǔn)轉(zhuǎn)速的增減控制來獲得。液壓油壓力控制方面則通過油泵上串聯(lián)的壓力傳感器，將壓力信號結(jié)果傳遞回饋至驅(qū)動器端進(jìn)行連續(xù)的閉回路控制，以達(dá)到壓力精準(zhǔn)控制的目的，如此一來，伺服控制系統(tǒng)就可精準(zhǔn)的提供注塑成型各階段所需要的壓力與流量，比較定量泵系統(tǒng)，可大幅降低輸出的電力消耗。

    注塑成型節(jié)能原理

    從注塑成型各階段電力消耗狀態(tài)來看，加料及冷卻兩階段屬于長時間動作，其電力最值得節(jié)省，尤其是冷卻，伺服系統(tǒng)對注塑機(jī)而言完全不需做功，換言之，產(chǎn)品成型周期中冷卻時間越長，節(jié)能效益就越顯著。

    注塑機(jī)伺服節(jié)能系統(tǒng)之構(gòu)成

    一般應(yīng)用于全液壓注塑機(jī)伺服節(jié)能系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)成為三大組件：伺服馬達(dá)、驅(qū)動器及油泵組。伺服馬達(dá)分為AC感應(yīng)伺服與永磁式伺服（同步伺服)；驅(qū)動器的控制技術(shù)依據(jù)馬達(dá)特性分為變頻控制及伺服控制；油泵類型常見有齒輪泵、柱塞泵、葉片泵，齒輪泵包括外齒輪、內(nèi)齒輪及螺旋式。

    除上述標(biāo)準(zhǔn)三大構(gòu)成組件以外，伺服控制系統(tǒng)尚需要下列附屬配件：

    1）控制卡（ControlCard）

    有些稱PG卡，用于通訊接口之溝通與轉(zhuǎn)換，使編碼器信號回饋至該卡進(jìn)行轉(zhuǎn)速的向量控制。

    2）編碼器傳輸線（Encoder）

    傳遞編碼器上各端子信號至驅(qū)動器端，其驅(qū)動器端常用9pinD-sub作為通訊溝通接口。

    3）制動電阻（BreakResistance）

    又稱剎車電阻或回升電阻，避免馬達(dá)急轉(zhuǎn)急停時因馬達(dá)逆轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的電流直接回充至驅(qū)動器端，造成驅(qū)動器燒毀，制動電阻將消耗此回充電流轉(zhuǎn)成熱放走。目前已開發(fā)對回充電流進(jìn)行電力儲存并可重復(fù)利用的技術(shù)，是節(jié)能又一進(jìn)步。

4）壓力傳感器（PressureSensor）

    伺服系統(tǒng)對注塑成型進(jìn)行壓力閉回路控制的重要回饋組件，常設(shè)置在液壓油泵出口端，常用壓力規(guī)格為輸出0-10V，對應(yīng)最大壓力為250bar。

    5）電磁干擾濾波器（EMIFilter）

    連接于RST與驅(qū)動器之間，避免驅(qū)動器受干擾或亦可能本體產(chǎn)生電磁干擾擴(kuò)及RST，導(dǎo)致其它機(jī)臺也受到干擾而影響運(yùn)作。

    6）交流電抗

    降低主電源諧波、峰值電流，保護(hù)驅(qū)動機(jī)構(gòu)的電子組件，也防止主電源的電壓尖脈沖引起跳閘，對于電力質(zhì)量較差的地區(qū)建議安裝。

    7）電抗圈：用于降低輻射干擾，減少訊號因干擾造成傳輸?shù)牟环�(wěn)定。   

    伺服控制系統(tǒng)性能及節(jié)能驗證

    巿面上伺服節(jié)能系統(tǒng)包括有臺灣、大陸、日本及歐美系列等多樣化產(chǎn)品，各家系統(tǒng)的關(guān)鍵構(gòu)成組件幾乎具高度搭配性，惟拼湊成套的系統(tǒng)其性能穩(wěn)定性、操控性及價格合理性仍待檢視。整套伺服控制系統(tǒng)中，以驅(qū)動器技術(shù)門坎屬較高層級，國內(nèi)雖有不少業(yè)者具開發(fā)能力，其穩(wěn)定性、耐用性、安全性等仍待長期檢視，故目前常見系統(tǒng)中仍以日本及歐美系列產(chǎn)品居多，如大金、東芝、東京計器、安川、三菱、倫茨、西門子及TDE等，國內(nèi)如臺達(dá)電子、賽藝等，大陸則以匯川及御能使用量較多；伺服馬達(dá)則由于開發(fā)技術(shù)較成熟，整合較容易，國內(nèi)已有數(shù)家廠商具制造能力，大陸當(dāng)?shù)厮欧�馬達(dá)也發(fā)展的如火如荼；而油泵制造技術(shù)門坎更高，常見油泵技術(shù)來自德國及日本品牌居多，德制產(chǎn)品包括有艾克樂、弗依特、帕克、布赫等，日制產(chǎn)品包括有大金、SETIIMA及油研等。

    面臨巿面上如此多樣化的伺服節(jié)能系統(tǒng)產(chǎn)品，如何尋獲更好且性價比高的產(chǎn)品，富強(qiáng)鑫提供一系列測試方法替客戶進(jìn)行嚴(yán)格把關(guān)。

    性能檢驗方法

    伺服節(jié)能系統(tǒng)對于注塑作業(yè)的執(zhí)行，首要條件要具有精準(zhǔn)控制能力與反應(yīng)的靈敏度。當(dāng)操控器發(fā)出壓力與速度控制命令時，伺服節(jié)能系統(tǒng)馬達(dá)油泵組需迅速從油箱內(nèi)將油泵吸出，以提供各單元執(zhí)行的做功需要。油壓動力系統(tǒng)控制性能的優(yōu)劣可藉由該馬達(dá)油泵組于壓力、速度的穩(wěn)態(tài)控制能力、響應(yīng)靈敏性及動態(tài)響應(yīng)操控性來判別。

    注塑成型過程中，射膠與保壓階段為影響成型品質(zhì)最重要的兩個階段，注塑階段著重以速度控制為主、壓力限制為輔，目的在快速完成模穴充填，速度的超越量過大或反應(yīng)時間過長皆有可能造成產(chǎn)品的缺陷，如應(yīng)力集中、成品粘模等。保壓階段因為熔膠已充填，僅需對熔膠的收縮進(jìn)行穩(wěn)定的補(bǔ)償，因此成型著重以壓力控制為主、速度限制為輔，盡可能避免因補(bǔ)償壓力不穩(wěn)定造成成型密度不均一而衍生出如應(yīng)力不均等問題。

    當(dāng)伺服系統(tǒng)收到控制器命令時，馬達(dá)油泵立即提供所需壓力與流量需求。檢視伺服控制系統(tǒng)基礎(chǔ)性能表現(xiàn)的重要參考指標(biāo)如下：1）反應(yīng)時間：表示系統(tǒng)從起始動作，瞬間反應(yīng)達(dá)到設(shè)定值所需要的時間，越快表示系統(tǒng)響應(yīng)能力佳。2）超越量：起升瞬間其最大峰值超越預(yù)期設(shè)定值的量，超越量越小，表示目標(biāo)控制能力穩(wěn)定性高。3）瞬時響應(yīng)：信號從起升瞬間，系統(tǒng)之時間響應(yīng)部分仍屬震蕩，其所需花費(fèi)的時間，花費(fèi)時間越短表示系統(tǒng)恢復(fù)安定性較迅速，對成型周期時間短或需極端地高/低壓開關(guān)者較具控制優(yōu)勢。4）穩(wěn)態(tài)響應(yīng)：表示瞬時響應(yīng)消失后，所剩余之時間響應(yīng)部分，穩(wěn)態(tài)時間越長，表示系統(tǒng)持續(xù)負(fù)載下的安定性佳。5）下降時間：控制結(jié)束時恢復(fù)至原始待機(jī)狀態(tài)下所需要的時間，此結(jié)果也將影響當(dāng)控制切換至較低的壓力或速度時，等同切換所需要的反應(yīng)時間。6）下沖量：當(dāng)控制切換由高至較低的壓力或速度時，因馬達(dá)反轉(zhuǎn)設(shè)計造成的下沖結(jié)果，此控制目的與超越量相同，下沖量越小，目標(biāo)控制能力越佳。

    還有一個很重要的參考指標(biāo)稱之穩(wěn)態(tài)誤差，壓力之穩(wěn)態(tài)誤差主要來自油泵輸送時因不斷受壓力閉回路控制及齒輪泵輸送所產(chǎn)生的液壓波動等綜合因素造成的壓力漣波現(xiàn)象，此波動與設(shè)計值之誤差表現(xiàn)稱為穩(wěn)態(tài)誤差；速度控制穩(wěn)態(tài)誤差表現(xiàn)亦受到速度閉回路控制影響，上述穩(wěn)態(tài)表現(xiàn)結(jié)果都可通過PID的調(diào)整使更穩(wěn)定輸出。

    節(jié)能驗證方法

    伺服節(jié)能系統(tǒng)應(yīng)用于注塑機(jī)確實具有省能之功效，除了上述系統(tǒng)性能評定以外，當(dāng)然省能的多寡也是受關(guān)切的議題。故針對注塑機(jī)節(jié)能規(guī)范，如歐洲Euromap60及中國大陸GB都已制訂注塑機(jī)節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)測試規(guī)范，臺灣地區(qū)于2011年籌備推動注塑機(jī)節(jié)能認(rèn)證規(guī)范及標(biāo)志。

    歐規(guī)Euromap60注塑機(jī)能源消耗測定標(biāo)準(zhǔn)明確定義了比較特定機(jī)器的能量消耗之測定，僅需考慮注塑機(jī)包括一具往復(fù)運(yùn)動螺桿一注塑單元的熱塑性單元，電加熱料管及一無任何輔助的水平（臥式）鎖模單元，不包括提供機(jī)臺及模具的冷卻系統(tǒng)、外部空壓系統(tǒng)等。

    大陸GB節(jié)能規(guī)范規(guī)定了注塑機(jī)的能耗檢測方法、能耗等級評定和節(jié)能評價。該規(guī)范僅適用于理論注射容積大于16cm3的單螺桿。兩種規(guī)范都適用于注塑機(jī)耗能（節(jié)能）測試，并可用于評定不同伺服節(jié)能系統(tǒng)的能效。

    趨勢

    回顧C(jī)HINAPLAS2011國際橡塑展，伺服節(jié)能系統(tǒng)已是各注塑機(jī)展商必備的基本條件，展場中伺服節(jié)能系統(tǒng)整合供貨商至少10家以上，說明伺服節(jié)能系統(tǒng)技術(shù)趨于成熟，且已有許多廠商投入生產(chǎn)及制造，甚至直接垂直整合。伺服系統(tǒng)中關(guān)鍵的控制適配卡也已有提出應(yīng)用之概念，若整合此技術(shù)資源亦表示伺服油泵控制技術(shù)將可自行掌握。另外大型兩板機(jī)也陸續(xù)被展示出，不難發(fā)現(xiàn)，伺服節(jié)能系統(tǒng)若用在高階大型機(jī)種其節(jié)能效益必然顯著，惟伺服馬達(dá)、驅(qū)動器等大功率需求仍待考驗，故下階段的伺服節(jié)能系統(tǒng)導(dǎo)入超大型機(jī)種使用必定是趨勢之一，其大功率伺服馬達(dá)、控制器以及大流量油泵將會是下階段的重要關(guān)鍵零組件。