在當(dāng)前對(duì)環(huán)保訴求日益高漲的環(huán)境需求及政策鼓勵(lì)下，各種節(jié)能設(shè)施、設(shè)備或技術(shù)等在近幾十年一直備受重視，如注塑機(jī)領(lǐng)域的伺服技術(shù)。臺(tái)灣地區(qū)前三大塑料注塑機(jī)器設(shè)備企業(yè)富強(qiáng)鑫集團(tuán)注塑事業(yè)部早在2008年前就開始醞釀節(jié)能系統(tǒng)在注塑機(jī)的運(yùn)用，于2008年2月開始第一批伺服節(jié)能環(huán)保型注塑機(jī)量產(chǎn)，這批機(jī)器實(shí)現(xiàn)了高節(jié)能、高精度、高應(yīng)答、低噪音、低油溫等優(yōu)異特性，在理想狀態(tài)下，與變量泵機(jī)種相比，節(jié)能達(dá)40%，與傳統(tǒng)定量泵機(jī)種相比，節(jié)能達(dá)70-80%，隨后陸續(xù)將伺服節(jié)能系統(tǒng)拓展至其它不同機(jī)種，包括快速機(jī)、電木機(jī)以及大型兩板機(jī)等，對(duì)于客戶端每年電費(fèi)節(jié)省至少50-60%以上。
伺服節(jié)能技術(shù)概述
早期注塑機(jī)以全液壓式為主，對(duì)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(shí)間維持高壓、高出力時(shí)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(dòng)作上可分解成鎖模、射膠/保壓、加料、冷卻、開模、頂出等幾個(gè)階段，各個(gè)階段皆需要提供不同且適當(dāng)?shù)膲毫土髁浚瑢?duì)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(duì)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(hào)回饋至驅(qū)動(dòng)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(hào)結(jié)果傳遞回饋至驅(qū)動(dòng)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(shí)間動(dòng)作，其電力最值得節(jié)省，尤其是冷卻，伺服系統(tǒng)對(duì)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(shí)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(dòng)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(dòng)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(hào)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(hào)至驅(qū)動(dòng)器端，其驅(qū)動(dòng)器端常用9pinD-sub作為通訊溝通接口。
3）制動(dòng)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(shí)因馬達(dá)逆轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的電流直接回充至驅(qū)動(dòng)器端，造成驅(qū)動(dòng)器燒毀，制動(dòng)電阻將消耗此回充電流轉(zhuǎn)成熱放走。目前已開發(fā)對(duì)回充電流進(jìn)行電力儲(chǔ)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(duì)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(duì)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(dòng)器之間，避免驅(qū)動(dòng)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(tái)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(dòng)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(duì)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(hào)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(yàn)證
巿面上伺服節(jié)能系統(tǒng)包括有臺(tái)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(jià)格合理性仍待檢視。整套伺服控制系統(tǒng)中，以驅(qū)動(dòng)器技術(shù)門坎屬較高層級(jí)，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(jì)器、安川、三菱、倫茨、西門子及TDE等，國內(nèi)如臺(tái)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R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(jià)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(yàn)方法
伺服節(jié)能系統(tǒng)對(duì)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(shí)，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(dòng)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(dòng)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(gè)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(shí)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?yàn)槿勰z已充填，僅需對(duì)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(shí)，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(shí)間：表示系統(tǒng)從起始動(dòng)作，瞬間反應(yīng)達(dá)到設(shè)定值所需要的時(shí)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(shí)響應(yīng)：信號(hào)從起升瞬間，系統(tǒng)之時(shí)間響應(yīng)部分仍屬震蕩，其所需花費(fèi)的時(shí)間，花費(fèi)時(shí)間越短表示系統(tǒng)恢復(fù)安定性較迅速，對(duì)成型周期時(shí)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(shí)響應(yīng)消失后，所剩余之時(shí)間響應(yīng)部分，穩(wěn)態(tài)時(shí)間越長，表示系統(tǒng)持續(xù)負(fù)載下的安定性佳。5）下降時(shí)間：控制結(jié)束時(shí)恢復(fù)至原始待機(jī)狀態(tài)下所需要的時(shí)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(shí)，等同切換所需要的反應(yīng)時(shí)間。6）下沖量：當(dāng)控制切換由高至較低的壓力或速度時(shí)，因馬達(dá)反轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)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(gè)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(shí)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(dòng)等綜合因素造成的壓力漣波現(xiàn)象，此波動(dòng)與設(shè)計(jì)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(yàn)證方法
伺服節(jié)能系統(tǒng)應(yīng)用于注塑機(jī)確實(shí)具有省能之功效，除了上述系統(tǒng)性能評(píng)定以外，當(dāng)然省能的多寡也是受關(guān)切的議題。故針對(duì)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(tái)灣地區(qū)于2011年籌備推動(dòng)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(dòng)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(tái)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(jí)評(píng)定和節(jié)能評(píng)價(jià)。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(píng)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(dòng)器等大功率需求仍待考驗(yàn)，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(huì)是下階段的重要關(guān)鍵零組件。
