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本文從伺服節能技術原理、構造、效果,以及國內外相關標準、巿場應用情況等,全面介紹了注塑機伺服節能系統的應用現狀,以及對伺服系統進行性能及節能驗證的方法,並指出,當前伺服節能系統技術趨於成熟,下階段的伺服節能系統導入超大型機種使用必定是趨勢之一。
This is a comprehensive review of energy-efficient servo technology, from its theory and effect, domestic and overseas safety standards through to current applications are studied. In addition, the performance and energy efficiency verifying procedure showed that this technology has matured enough to be incorporated into ultra-large machines.

在當前對環保訴求日益高漲的環境需求及政策鼓勵下,各種節能設施、設備或技術等在近幾十年一直備受重視,如注塑機領域的伺服技術。台灣地區前三大塑料注塑機器設備企業富強鑫集團注塑事業部早在2008年前就開始醞釀節能系統在注塑機的運用,於2008年2月開始第一批伺服節能環保型注塑機量產,這批機器實現了高節能、高精度、高應答、低噪音、低油溫等優異特性,在理想狀態下,與變量泵機種相比,節能達40%,與傳統定量泵機種相比,節能達70-80%,隨後陸續將伺服節能系統拓展至其它不同機種,包括快速機、電木機以及大型兩板機等,對於客戶端每年電費節省至少50-60%以上。

伺服節能技術概述

早期注塑機以全液壓式為主,對於節能及環保的貢獻明顯較弱,全電注塑機是節能與環保貢獻上最具代表性的設備技術,兩者主要差異上在於伺服馬達的使用,而油電混合注塑機兼具液壓與伺服之優點。此外,油壓機在長時間維持高壓、高出力時仍有全電機無法完全取代的優勢,因此具節能環保的全液壓系統也是現階段最具潛能的設備技術。

傳統定量泵與伺服系統之差異

注塑機從標準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的壓力和流量,對油泵馬達而言,注塑機成型過程是屬於變化的負載狀態。在定量泵的液壓系統中,馬達以恆定轉速持續提供恆定流量,儘管通過比例式壓力流量比例閥(EFBG)可達到各階段所需壓力及流量比例配置的結果,但控制所需之外的液壓油仍須排回油箱。對注塑機而言,輸出功耗造成的電力消耗是持續性的,也就是說若注塑機處待機狀態,定量泵仍不斷提供恆定的流量並直接排回油箱,形成相當大且不必要的電力耗費。


傳統定量泵與伺服節能電力消耗比較示意圖。
伺服系統的控制技術可改善上述定量泵液壓系統的缺點。伺服馬達通過編碼器傳輸信號回饋至驅動器進行精準的回轉控制,使受控液壓油之流量需求經油泵直接輸出,也就是說輸出流量的大小是通過精準轉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的壓力傳感器,將壓力信號結果傳遞回饋至驅動器端進行連續的閉回路控制,以達到壓力精準控制的目的,如此一來,伺服控制系統就可精準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,可大幅降低輸出的電力消耗。

注塑成型節能原理

從注塑成型各階段電力消耗狀態來看,加料及冷卻兩階段屬於長時間動作,其電力最值得節省,尤其是冷卻,伺服系統對注塑機而言完全不需做功,換言之,產品成型週期中冷卻時間越長,節能效益就越顯著。


伺服節能系統標準構成組件。
注塑機伺服節能系統之構成

一般應用於全液壓注塑機伺服節能系統的標準構成為三大組件:伺服馬達、驅動器及油泵組。伺服馬達分為AC感應伺服與永磁式伺服(同步伺服);驅動器的控制技術依據馬達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、內齒輪及螺旋式。

除上述標準三大構成組件以外,伺服控制系統尚需要下列附屬配件:

1)控制卡(Control Card)

有些稱PG卡,用於通訊接口之溝通與轉換,使編碼器信號回饋至該卡進行轉速的向量控制。

2)編碼器傳輸線(Encoder)

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

3)制動電阻(Break Resistance)

又稱剎車電阻或回升電阻,避免馬達急轉急停時因馬達逆轉所產生的電流直接回充至驅動器端,造成驅動器燒毀,制動電阻將消耗此回充電流轉成熱放走。目前已開發對回充電流進行電力儲存並可重複利用的技術,是節能又一進步。

4)壓力傳感器(Pressure Sensor)

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

5)電磁干擾濾波器(EMI Filter)

連接於RST與驅動器之間,避免驅動器受干擾或亦可能本體產生電磁干擾擴及RST,導致其它機台也受到干擾而影響運作。

6)交流電抗

降低主電源諧波、峰值電流,保護驅動機構的電子組件,也防止主電源的電壓尖脈衝引起跳閘,對於電力質量較差的地區建議安裝。

7)電抗圈:用於降低輻射干擾,減少訊號因干擾造成傳輸的不穩定。


伺服節能系統標準系統元件配線圖。


伺服系統壓力與流量控制的控制性能曲線示意圖。
伺服控制系統性能及節能驗證

巿面上伺服節能系統包括有台灣、大陸、日本及歐美系列等多樣化產品,各家系統的關鍵構成組件幾乎具高度搭配性,惟拼湊成套的系統其性能穩定性、操控性及價格合理性仍待檢視。整套伺服控制系統中,以驅動器技術門坎屬較高層級,國內雖有不少業者具開發能力,其穩定性、耐用性、安全性等仍待長期檢視,故目前常見系統中仍以日本及歐美系列產品居多,如大金、東芝、東京計器、安川、三菱、倫茨、西門子及TDE等,國內如台達電子、賽藝等,大陸則以匯川及禦能使用量較多;伺服馬達則由於開發技術較成熟,整合較容易,國內已有數家廠商具製造能力,大陸當地伺服馬達也發展的如火如荼;而油泵製造技術門坎更高,常見油泵技術來自德國及日本品牌居多,德制產品包括有艾克樂、弗依特、帕克、布赫等,日製產品包括有大金、SETIIMA及油研等。

面臨巿面上如此多樣化的伺服節能系統產品,如何尋獲更好且性價比高的產品,富強鑫提供一系列測試方法替客戶進行嚴格把關。

性能檢驗方法

伺服節能系統對於注塑作業的執行,首要條件要具有精準控制能力與反應的靈敏度。當操控器發出壓力與速度控制命令時,伺服節能系統馬達油泵組需迅速從油箱內將油泵吸出,以提供各單元執行的做功需要。油壓動力系統控制性能的優劣可藉由該馬達油泵組於壓力、速度的穩態控制能力、響應靈敏性及動態響應操控性來判別。


富強鑫針對巿面上伺服節能系統商所提供之伺服節能系統進行測試,廠商A為富強鑫目前的現行系統。
注塑成型過程中,射膠與保壓階段為影響成型品質最重要的兩個階段,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時間過長皆有可能造成產品的缺陷,如應力集中、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行穩定的補償,因此成型著重以壓力控制為主、速度限制為輔,盡可能避免因補償壓力不穩定造成成型密度不均一而衍生出如應力不均等問題。

當伺服系統收到控制器命令時,馬達油泵立即提供所需壓力與流量需求。檢視伺服控制系統基礎性能表現的重要參考指標如下:1)反應時間:表示系統從起始動作,瞬間反應達到設定值所需要的時間,越快表示系統響應能力佳。2)超越量:起升瞬間其最大峰值超越預期設定值的量,超越量越小,表示目標控制能力穩定性高。3)瞬時響應:信號從起升瞬間,系統之時間響應部分仍屬震蕩,其所需花費的時間,花費時間越短表示系統恢復安定性較迅速,對成型週期時間短或需極端地高/低壓開關者較具控制優勢。4)穩態響應:表示瞬時響應消失後,所剩餘之時間響應部分,穩態時間越長,表示系統持續負載下的安定性佳。5)下降時間:控制結束時恢復至原始待機狀態下所需要的時間,此結果也將影響當控制切換至較低的壓力或速度時,等同切換所需要的反應時間。6)下衝量:當控制切換由高至較低的壓力或速度時,因馬達反轉設計造成的下衝結果,此控制目的與超越量相同,下衝量越小,目標控制能力越佳。


富強鑫依GB注塑機節能認證規範進行廠商A、廠商B與廠商C的實模測試結果顯示廠商B與廠商C的實模測試皆有優於廠商A的節能效果與成型的穩定度。
還有一個很重要的參考指標稱之穩態誤差,壓力之穩態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生的液壓波動等綜合因素造成的壓力漣波現象,此波動與設計值之誤差表現稱為穩態誤差;速度控制穩態誤差表現亦受到速度閉回路控制影響,上述穩態表現結果都可通過PID的調整使更穩定輸出。

節能驗證方法

伺服節能系統應用於注塑機確實具有省能之功效,除了上述系統性能評定以外,當然省能的多寡也是受關切的議題。故針對注塑機節能規範,如歐洲Euromap 60及中國大陸GB都已制訂注塑機節能標準測試規範,台灣地區於2011年籌備推動注塑機節能認證規範及標誌。


中國大陸及歐盟注塑機節能標準測試規範比較。
歐規Euromap 60注塑機能源消耗測定標準明確定義了比較特定機器的能量消耗之測定,僅需考慮注塑機包括一具往復運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,不包括提供機台及模具的冷卻系統、外部空壓系統等。

大陸GB節能規範規定了注塑機的能耗檢測方法、能耗等級評定和節能評價。該規範僅適用於理論注射容積大於16cm3的單螺桿。兩種規範都適用於注塑機耗能(節能)測試,並可用於評定不同伺服節能系統的能效。

趨勢

回顧CHINAPLAS 2011國際橡塑展,伺服節能系統已是各注塑機展商必備的基本條件,展場中伺服節能系統整合供貨商至少10家以上,說明伺服節能系統技術趨於成熟,且已有許多廠商投入生產及製造,甚至直接垂直整合。伺服系統中關鍵的控制適配卡也已有提出應用之概念,若整合此技術資源亦表示伺服油泵控制技術將可自行掌握。另外大型兩板機也陸續被展示出,不難發現,伺服節能系統若用在高階大型機種其節能效益必然顯著,惟伺服馬達、驅動器等大功率需求仍待考驗,故下階段的伺服節能系統導入超大型機種使用必定是趨勢之一,其大功率伺服馬達、控制器以及大流量油泵將會是下階段的重要關鍵零組件。
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