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安迪ADSD-AS異步伺服系統(tǒng)在塑料螺桿擠出機(jī)上的應(yīng)用
1、 塑料螺桿擠出機(jī)現(xiàn)狀
隨著中國(guó)塑料工業(yè)的發(fā)展，近幾年來中國(guó)塑料機(jī)械工業(yè)的年增長(zhǎng)率都在30%左右，利潤(rùn)率增長(zhǎng)也遠(yuǎn)高于工業(yè)總產(chǎn)值的增長(zhǎng)，是中國(guó)機(jī)械行業(yè)中增長(zhǎng)最快的產(chǎn)業(yè)之一。目前中國(guó)生產(chǎn)的塑料加工機(jī)械已可以滿足國(guó)內(nèi)的基本需要，但與世界先進(jìn)水平相比，中國(guó)塑料加工機(jī)械在質(zhì)量穩(wěn)定性、自動(dòng)化程度等方面還有一定差距。同時(shí)，塑料原材料和鋼材價(jià)格的不斷攀升給塑料加工業(yè)以及塑機(jī)機(jī)械生產(chǎn)行業(yè)帶來了嚴(yán)峻的考驗(yàn)， 進(jìn)一步提高擠出機(jī)械的精密度和質(zhì)量是塑料行業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。
塑料通過擠出機(jī)塑化成均勻的熔體，在塑化中建立的壓力作用下，并經(jīng)螺桿連續(xù)地定溫、定量、定壓地?cái)D出機(jī)頭。大部份熱塑性塑料均采用此方法。螺桿擠出機(jī)有多種不同的型號(hào)和規(guī)格，最常用的擠出機(jī)就是螺桿擠出機(jī) 。
一臺(tái)擠出機(jī)主機(jī)由擠壓、傳動(dòng)、加熱三部分系統(tǒng)組成。擠壓系統(tǒng)主要由螺桿和機(jī)桶組成，是擠出機(jī)的關(guān)鍵部分；傳動(dòng)系統(tǒng)中起作用是驅(qū)動(dòng)螺桿，要保證螺桿在工作過程中具備所需要的扭矩和轉(zhuǎn)速；加熱系統(tǒng)主要來保證物料和擠壓系統(tǒng)在成型加工中的溫度控制；擠出設(shè)備輔機(jī)的組成根據(jù)制品的種類而定。一般說來，輔機(jī)由劑透定型裝置、冷卻裝置、牽引裝置 、切割裝置以及制品的卷取或堆放裝置等部分組成。
由于目前塑料加工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模化加大和對(duì)生產(chǎn)工藝要求的不斷的提高，現(xiàn)有的塑料加工機(jī)械已經(jīng)無法滿足客戶的需求。因此，我公司和某塑料機(jī)械生產(chǎn)企業(yè)合作，針對(duì)他們現(xiàn)有的塑料吹膜機(jī)械進(jìn)行了改造，以提高該塑料機(jī)械的技術(shù)含量和產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力，來滿足客戶日益提高的需求。
塑料加工生產(chǎn)工藝要求螺桿擠出機(jī)的電機(jī)系統(tǒng)要低轉(zhuǎn)速(通常螺桿機(jī)工作的轉(zhuǎn)速在30-120rpm,最高不超過160rpm)、大扭矩輸出。而，目前螺桿擠出機(jī)普遍采用的電機(jī)系統(tǒng)是由普通異步電機(jī)、變頻器及減速機(jī)構(gòu)（齒輪箱及皮帶輪）組成。存在效率低、調(diào)速范圍窄、耗電大、在負(fù)載變化時(shí)響應(yīng)速度跟不上、螺桿速度不穩(wěn)導(dǎo)致吹出的薄膜厚度不均（尤其，要求精度較高的食品膜印刷膜等，無法滿足質(zhì)量要求）、而齒輪箱的定期保養(yǎng)維護(hù)工作也較繁瑣，并且在生產(chǎn)過程中減速機(jī)構(gòu)潤(rùn)滑油的泄漏也造成工作環(huán)境的污染。
我公司采用交流異步基頻制電機(jī)的伺服控制技術(shù)，對(duì)該塑料吹膜機(jī)的螺桿擠出機(jī)電機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行了改造，改善了以上的不足，為此類機(jī)械的升級(jí)換代提供了一種創(chuàng)新的思路和可廣泛推廣的解決方案。
2、大連安迪數(shù)控技術(shù)有限公司簡(jiǎn)介
公司是由留日海歸博士和國(guó)內(nèi)自動(dòng)化學(xué)者共同投資組建的
高新技術(shù)企業(yè)。位于大連市高新園區(qū)海外學(xué)子創(chuàng)業(yè)園。是一家專門從事于交流永磁同步伺服系統(tǒng)和交流異步伺服系統(tǒng)的研發(fā)、制造、銷售和服務(wù)為一體的自動(dòng)化控制企業(yè)。可為客戶提供完美的伺服解決方案。
產(chǎn)品特點(diǎn)：ADSD-AS系列交流異步伺服驅(qū)動(dòng)器基于DSP+IPM的硬件平臺(tái)，性能穩(wěn)當(dāng)、響應(yīng)速度高、功能完善，具備多種控制方式、靈活的外部端子運(yùn)行方式、方便的運(yùn)行信號(hào)自定義等，保護(hù)功能完善，提供標(biāo)準(zhǔn)RS485通訊方式等，可適配SIEMENS、FAGOR等進(jìn)口數(shù)控系統(tǒng)及國(guó)產(chǎn)的廣州數(shù)控、華中數(shù)控、臺(tái)達(dá)數(shù)控、大連數(shù)控等，性價(jià)比較高，可廣泛應(yīng)用于機(jī)床主軸、包裝印刷、紡織印染、橡塑機(jī)械等行業(yè)，可有效改善設(shè)備性能、提高產(chǎn)成品質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率、提升工藝、降低成本。
3、塑料螺桿擠出機(jī)解決方案
采用安迪異步伺服電機(jī)系統(tǒng)——低速、大扭矩基頻制電機(jī)加編碼器和安迪異步伺服驅(qū)動(dòng)器取代原有的普通交流異步電機(jī)和變頻器，并去掉了原有傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中的減速機(jī)（齒輪箱），使整套設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)得到簡(jiǎn)化，并且彌補(bǔ)了原有設(shè)備的不足，改造后的設(shè)備無論在技術(shù)含量和加工工藝上都有了明顯的改善，不僅滿足了客戶的質(zhì)量要求，而且還具備節(jié)約電能、便于維護(hù)、利于環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，提高了企業(yè)在同行中的競(jìng)爭(zhēng)力。
（1） 改造前、后系統(tǒng)構(gòu)成對(duì)比
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螺桿擠出機(jī)電機(jī) |
電機(jī)控制器 |
傳動(dòng)機(jī)構(gòu) |
減速機(jī)構(gòu) |
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改造前 |
交流異步電機(jī) |
變頻器 |
皮帶傳動(dòng) |
齒輪箱 |
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改造后 |
交流異步變頻電機(jī)＋編碼器 |
安迪ADSD-AS系列交流異步伺服驅(qū)動(dòng)器 |
皮帶傳動(dòng) |
無 |
（2） 改造前、后控制方式對(duì)比
改造前：螺桿擠出機(jī)電機(jī)——交流異步電動(dòng)機(jī)（18.5KW,50HZ基頻，4極，1470rpm，120N.m）采用變頻器驅(qū)動(dòng)，端子運(yùn)行、電位器調(diào)速，開環(huán)速度控制方式，機(jī)械系統(tǒng)中間傳動(dòng)比為1：8左右，變頻器正常運(yùn)行在30Hz左右，最高不超過40Hz。
改造后：螺桿擠出機(jī)電機(jī)——基頻制電機(jī)（11KW,25Hz基頻，8極，342rpm,310N.m）+編碼器、采用安迪異步伺服驅(qū)動(dòng)器閉環(huán)速度控制方式，保留了原來的操作習(xí)慣外部運(yùn)行、電位器調(diào)速，機(jī)械系統(tǒng)中間傳動(dòng)比為1：3，伺服驅(qū)動(dòng)器運(yùn)行在40Hz左右。
（3） 改造前、后的效果對(duì)比
由于螺桿擠出機(jī)的主軸工作轉(zhuǎn)速較低，一般在工作30～120rpm左右，最高不超過160rpm。使用普通異步電機(jī)，需要接近1:10的減速機(jī)構(gòu)。而安迪公司特別選用的基頻制電機(jī)采用增加電機(jī)極數(shù)、降低電機(jī)基頻的方法，使電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速降到350rpm以下，并且電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩大幅度提高，因而可以減小中間速比、取消齒輪箱。為防止故障堵轉(zhuǎn)損壞電機(jī)，而保留了一級(jí)皮帶傳動(dòng)。
變頻器調(diào)速在電機(jī)的基頻點(diǎn)是效率和輸出轉(zhuǎn)矩的最高點(diǎn)，根據(jù)其特征曲線，在基頻以下輸出轉(zhuǎn)矩和效率都有所下降。因此，為了低速時(shí)保證足夠的輸出轉(zhuǎn)矩，必須加大電機(jī)選型功率，造成額外的電能的浪費(fèi)；而安迪異步伺服控制器在電機(jī)基頻以下保持恒轉(zhuǎn)矩輸出，并有三倍額定轉(zhuǎn)矩以上的過載能力。因而采用安迪異步伺服控制系統(tǒng)可以保證螺桿擠出機(jī)在較低的轉(zhuǎn)速到額定轉(zhuǎn)速之間輸出轉(zhuǎn)矩不小于額定轉(zhuǎn)矩。根據(jù)變頻器控制電機(jī)低速時(shí)的轉(zhuǎn)矩下降曲線，采用伺服控制器可以將電機(jī)功率減小到變頻控制的1/2～2/5。
原系統(tǒng)采用變頻開環(huán)速度控制方式，速度精度不高，當(dāng)負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，響應(yīng)速度跟不上，且不能自動(dòng)調(diào)整系統(tǒng)積累誤差。所以，制成品厚薄不均，質(zhì)量很難保證、尤其是要求精度較高的食品、藥品薄膜，而如果使用變頻器驅(qū)動(dòng)基頻制電機(jī)，由于其調(diào)速范圍小，低速轉(zhuǎn)矩不足，在低頻時(shí)工作狀態(tài)不佳。在低于10Hz的情況下，力矩明顯不足。安迪異步伺服驅(qū)動(dòng)器具有較寬的調(diào)速范圍，且低頻力矩特性良好，可在低速時(shí)平穩(wěn)精確的控制電機(jī)，以保障螺桿速度的穩(wěn)定。對(duì)于生產(chǎn)薄膜厚度有嚴(yán)格要求的高精度吹膜機(jī)設(shè)備，可以精確控制螺桿速度，與變頻器相比具有很大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。
4、經(jīng)濟(jì)效果分析
通過廣泛比較，采用安迪異步伺服控制系統(tǒng)的成本與原變頻調(diào)速控制系統(tǒng)成本基本持平或略高。安迪異步伺服驅(qū)動(dòng)器+基頻制電機(jī)+編碼器的價(jià)格要高于原異步電動(dòng)機(jī)+變頻器的價(jià)格， 但取消了齒輪箱，降低了金屬原料成本、減少了鑄造和機(jī)加工工序、減化了安裝調(diào)試過程、降低了設(shè)備機(jī)械方面的維護(hù)成本。
經(jīng)測(cè)算，改造后的吹膜機(jī)綜合節(jié)電率達(dá)30-40%，節(jié)電的費(fèi)用對(duì)于設(shè)備的最終用戶有較大的吸引力。按上述改造案例進(jìn)行成本分析，電機(jī)功率減小7.5kw，按耗電量每小時(shí)7.5度（kwh）電，連續(xù)工作一天24小時(shí)節(jié)電180度（此類機(jī)械需要預(yù)加熱過程，故連續(xù)生產(chǎn)最為經(jīng)濟(jì)）。按工業(yè)用電0.8元/度計(jì)算，一天節(jié)電費(fèi)用140元；一個(gè)月按25天計(jì)算，每月節(jié)電費(fèi)用3500元。三個(gè)月的節(jié)電費(fèi)用已完全可以收回因采用伺服控制系統(tǒng)所增加的成本，以后的節(jié)電費(fèi)用便可以大大降低用戶的生產(chǎn)成本。并且產(chǎn)品質(zhì)量的提高也是潛在的收益。
5、結(jié)論
綜上所述，在塑料螺桿擠出機(jī)上與傳統(tǒng)變頻控制方式比，采用安迪交流異步伺服控制系統(tǒng)有較大技術(shù)優(yōu)勢(shì)，有效降低了用電量、提高了控制精度、提高了設(shè)備的效率、提高了用戶的產(chǎn)品質(zhì)量。提高了塑料螺桿擠出機(jī)的性能，提高了企業(yè)在同行中的競(jìng)爭(zhēng)力，并最終帶來一定的經(jīng)濟(jì)效益。值得在同行業(yè)中推廣。
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