低速大扭矩交流伺服电机驱动单螺杆挤出机

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挤出成型是塑料成型加工的重要成型方法之一。大部分热塑性塑料都能用此法进行加工，与其他成型方法相比挤出成型有下述特点：生产过程是连续的，生产效率高，应用范围广，可生产管材、棒材、板材、薄膜、单丝、电线、电缆、异型材及中空制品等；投资少，收效快。挤出成型的产品可广泛地应用于人们日常生活以及农业、建筑业、石油化工、机械制造、国防等工业部门。
4 V, ~7 c- ~2 q8 L$ q# L$ Z+ ?/ s0 A但目前在我国使用的挤出机,大部分是采用传统结构，其结构复杂、体积大、能耗高,成为名副其实的“电老虎”，随着我国国民经济的高速发展,高效、节能，可持续发展,已成为各行各业关注的重点。
0 u- A/ u* `. F我们近期开发的低速大扭矩交流伺服电机驱动单螺杆电脑矢量称重型挤出机，采用了当今世界的许多先进技术,实现了精密挤出和节能，该项目已获国家专利(专利号:ZL2008 2 0236920.3),下边就其与传统挤出机的比较及主要特点作简要介绍。
传统的单螺杆挤出装置
& H& d+ ?8 U# n5 G" g# e传统的单螺杆挤出装置主要由1、上料部分，2、传动部分，3、塑化、挤出部分，4、电气控制（包括加热）部分，5、冷却部分等五部分组成，其结构见图1。

图1 传统单螺杆挤出机结构示意图传统的单螺杆挤出机的主要结构及存在的主要问题
上料部分
, g! }* x+ r( x& a, O' ]  N7 x0 I8 I主要由料斗及装在料斗内的上、下两个料位计组成，原料主要由真空上料机构或人工加入料斗，由原料依靠自重进入料筒。当原料高于上料位计时，发出料满信号，停止加料；当原料低于下料位计时，发出缺料信号，开始加料。该机构的主要问题是，不能精确计算料重。
传动部分
; T( t# m. p: j$ e( w主要由电机（交流或直流）+ 联轴器 +减速箱+（螺杆）组成；它的作用是给螺杆提供所需的扭矩和转速。该传动系统结构特点及存在的问题：结构复杂，体积大，安装维修保养不方便。
/ d2 T" U$ {' j减速箱噪音大，易漏油。采用普通交流电机难以实现无级变速，无法满足截面形状复杂、工艺要求高的挤出成型塑料制品的成型要求。经多级传动，效率低能耗高。
  L0 N6 }& T7 I! O, S1 F  _, w塑化、挤出部分
5 U; z' Z# O0 s2 m' ~主要由料筒和螺杆组成，塑料通过挤压系统将塑料加热，使之呈黏流状态．塑化成均匀的熔体，并在这一过程中建立一定的压力，被螺杆连续地定压、定量、定温地挤出机头。
传统螺杆结构由加料段+压缩（融熔）段+计量（均化）段三段组成,比功率、比流量偏大，螺杆转速低，能耗高，产量低。
4 v( d$ Y2 |- ^- ~* K, O% ]# |/ [加热系统
5 P+ U4 ]+ C( o& H9 e5 a( \# j主要由温控器和加热圈组成。它的作用是通过对料筒(螺杆)进行加热，保证成型过程在工艺要求的温度范围内完成。传统的加热方式，是由电阻丝绕制加热圈通电加热方法，其存在的主要问题是：
$ `! F/ s0 U! p0 F$ `6 _" h& I热损失大，能耗高：圈的内外双面发热，其内面（紧贴料筒部分）的热传导到料筒上，而外面的热量大部分散失到空气中，造成电能的损失浪费。
环境温度上升：由于热量大量散失，周围环境温度升高，尤其是夏季对生产环境影响很大，现场工作温度有的超过了45℃，有些企业不得不采用空调降低温度，这又造成能源的二次浪费。
使用寿命短、维修量大：由于采用电阻丝发热，其加热温度高达300℃左右，电阻丝容易因高温老化而烧断，常用电热圈使用寿命约在半年左右，因此，维修的工作量相对较大。
电气控制系统
大部分由传统的电器元件组成，对加料、料筒温度、螺杆转速进行控制，由于采用传统的交流接触器、继电器控制，响应速度慢，故障率高。
& o/ P" S# Y+ m8 ^- E4 B冷却系统
" I' V  G# m  X* r是一个套在料筒上的冷却水套，对加料口的料筒部分进行冷却，防止原料过早融化，出现“架桥”现象，堵塞加料口。
6 l9 G: `& V5 ~/ L4 ^! h, x低速大扭矩交流伺服电机驱动单螺杆挤出装置的特点及创新
! `- N* C) @' _6 |& U" k7 |0 r新型低速大扭矩交流伺服电机驱动单螺杆挤出机的结构如图2。
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- g: ^1 ]' B  F$ ^图2 低速大扭矩交流伺服电机驱动的单螺杆挤出机结构示意图结构特点及技术创新点
传动系统 ：采用国际最新技术（低速大扭矩交流伺服电机+ 交流伺服控制器）+螺杆。
+ q5 p& f0 t: ]螺杆驱动电机采用德国包米勒公司最新推出的DST（150）-400系列低速大扭矩交流伺服电机，其转速范围为100-300转/每分钟,其扭距范围为110-14752Nm，（涵盖了11KW-75KW的交流驱动电机，螺杆直径Φ35-120规格的挤出机），由于其具有低转速、大扭矩的特性，而且交流伺服电机前端已装有与主轴连为一体的推力轴承箱（俗称推力包），因此，可不需要减速箱，直接与螺杆相连。
其优点为 ：结构简单，体积小，安装维修保养方便。无减速箱，噪音大大减少，无漏油，工作环境改善。采用PLC+伺服控制器控制，实现无级变速，挤出速度和挤出量的精确控制，满足截面形状复杂、工艺要求高的挤出成型塑料制品的成型要求。传动效率高，能耗大大降低。
; ~$ A; a" z& p, S* U% r5 O& `9 z塑化、挤出系统 ：根据塑料原料、制品结构、形状、成型方法的不同，分别选用屏障型、分流型、分离型、变流道、沟槽型、组合型等新型螺杆和料筒，提高塑化能力和产品质量、产量。
加热系统 ：采用国际最新技术：电磁感应加热圈加热技术。
1 K' n3 A% \9 K' A电磁感应加热原理是：通过先进的控制系统发出高频至感应线圈、在被加热的金属料筒内部产生高频磁场、使被加热的金属料筒内部产生高频电子碰撞，从而使金属料筒自身快速发热、迅速塑化料筒内的塑料；由于是高频感应加热，高频线圈不和被加热金属直接接触，所以系统本身热辐射温度接近环境温度，只有50℃以下，人体完全可以触摸。它以热效高、发热快、省电节能、安全可靠等诸多优点、不但可以完全代替现有传统的电阻丝加热方式，还比传统加热方式有着诸多的明显优点：
大幅度节约电能
经过有关部门严格的实验测试，电磁感应加热相比原电阻丝加热圈节电效果都在30% 以上。
环保效果好，保证了设备及员工的安全
3 }! q3 r+ h- t# t使用电磁感应加热系统后、表面的温度在50℃以下，人体完全可以安全触摸；避免传统电阻发热圈加热方式辐射到空气中的能量，可显著降低环境温度。完全避免传统加热方式带来的因表面高温而造成的烧伤、烫伤事故发生；更杜绝了因表面高温引燃附作物发生不安全事故。由于表面温度低，它不会烧焦吸附在它表面的异物：如塑料颗粒、油污、灰尘等，不会产生有害气体，改善了车间的空气环境，保证了设备及员工的安全。
3 }$ K- L/ F: s0 j2 O加热迅速，温度控制实时准确，改善了产品的质量和提高了生产效率
传统的电阻丝加热原理是电阻丝本身产生高温，然后热量再慢慢的从料筒外表面高温区传导到料筒的中心低温区，速度缓慢，并且位于料筒中心的塑料实际温度和料筒表面温度有较大误差，当塑料温度达到要求时虽然电阻丝停止加热，由于存在温度误差，料筒表面仍然继续向料筒内部传导热量，导致温度控制不准确，既影响了挤出成型质量也降低了生产效率；而电磁感应加热系统的工作原理是高频感应，被加热的金属是通过自身发热，热能是由料筒金属整体产生，温度控制实时准确，料筒内外温度一致，明显改善了产品的质量和提高了生产效率。
, V5 V/ _6 u. c4 W9 x3 s( _使用寿命长，降低维护成本
塑机传统电阻丝在加热位置遇到油污、和料筒金属热传导不良、有漏胶现象出现等环境中将严重限制它的使用和降低它的寿命，由于电磁感应加热系统本身是在低温下工作的，所以它不会把吸附在自身表面的油污、塑料颗粒等加热碳化，故不会产生漏电、短路等故障；电磁感应加热系统的工作原理是高频感应，它不同于接触传导加热原理，所以它不需要和被感应金属的直接接触，故不存在传导不良的问题。 电磁感应加热圈连续运行温度只有100℃左右，不存在加热圈更换的问题。相对于原电阻丝加热减少了二次投入，降低维护成本。
低速大扭矩交流伺服电机驱动单螺杆挤出机控制系统及控制原理
控制系统硬件组成
控制系统主要由上料控制系统、低速大扭矩交流伺服电机、电气控制柜（包括电源、交流伺服电机启动系统、交流伺服控制器、PLC控制器、温控模块、彩色触摸屏、各类按钮、开关、接触器等电气元件）。系统的整体控制原理，如图3所示。

图3 整机PLC控制原理控制范围、电气元件主要规格及技术参数
2 y1 M1 ~4 U0 S, p6 L, ?上料控制系统
$ ]. A; E5 p% B2 A  @' M$ FPLC根据挤出量确定加料的间隔时间及每次加料的重量。由电脑根据各种原料按配方的比例,进行矢量配重,得到加料信号后,进料开关打开,原料进入料斗,并由搅拌器混合均匀；完成每次加料的重量后, PLC给出信号，进料开关自动关闭。
% J1 m5 Z5 A5 g8 t8 O缺料报警：当物料低于缺料限位计时，发出报警讯号。
低速大扭矩交流伺服电机
4 ]) d; P, `0 f$ t! _# n! }. d( f& H规格型号：德国包米勒公司推出的DST（150）-400系列低速大扭矩交流伺服电机，其转速范围为100-300转/每分钟,其扭距范围为110-14752Nm，（涵盖了11KW-75KW的交流驱动电机，螺杆直径Φ35-120规格的挤出机）。
5 E0 W, n0 x% p  N1 E交流伺服控制器
2 P3 d: X' N6 f) S! N2 F6 S3 n4 y规格型号：德国西门子1P20系列交流伺服控制器。
主要技术参数：额定电压AC380V，伺服控制0-650HZ。
6 b* e* _3 x  M' c+ RPLC控制器
规格型号：德国西门子S7-200可编程序控制器CPU224XP CN。
主要技术参数：额定电压DC24V，额定功耗8W。
7 q% K, \1 U2 r0 T数字量输入： 14（可扩展至128点）；
数字量输出： 10（可扩展至128点）；
9 P% ?; A9 W& N. q8 _/ Q模拟量输入： 2（可扩展至32点）；
! ^! b% R1 ^2 q' r. d' D; ^模拟量输出： 1（可扩展至32点）。
! q. O4 q! l+ v! g彩色触摸屏
规格型号：德国西门子TP270 10.4”彩色STN液晶显示屏，主要技术参数：640X480，256色。
温控模块
英国欧陆MINI18智能温控模块，英国彩色STN液晶显示屏。
系统的主要优点
1、该系统人机界面采用了彩色液晶触摸屏，负责人机对话交流，在人机界面中，设计了五幅画面，包括了主机图形、加料情况、温度设定控制、螺杆转速、扭矩、熔体压力、故障显示等，使操作人员能及时了解设备运行状况，并快捷方便的对加热温度、螺杆转速等参数进行设定修改。
2 y) ]3 ]$ \6 z2、其供料系统与失量称重装置相连,可实现精确加料。
3 U; D0 Z$ d8 l6 o3、加热系统是由机筒电磁加热圈、温控模块、PLC控制器构成，由电脑程序来控制，由温度模块配以PID温控软件取代传统温控表、系统能在加热过程中自动优化演算PID各参数，演算完成后自动赋值，温度控制精确到±1℃。并能实现大幅节能。
4、传动系统采用（低速大扭矩交流伺服电机+ 交流伺服控制器）+螺杆传动方式。
( J( s7 R' Z% _* ?) X  {" a伺服电机采用国际最新技术德国包米勒公司推出的DST（150）-400系列低速大扭矩交流伺服电机，其转速范围为100-300转/每分钟,其扭距范围为110-14752Nm，具有宽调速比，低速大扭矩恒转矩输出。
交流伺服控制器采用国际最新技术德国西门子1P20系列交流伺服控制器，以最新数字信号处理器DSP为核心、大规模可编程门阵列(CPLD)和智能化功率模块(IPM)，集成度高、体积小、保护完善、可靠性好。采用最优PID算法完成PWM。由于采用成熟智能功率模块，驱动单元具备了控制超速、主电源过压欠压、过流、过载、制动异常、编码器异常、控制电源异常、位置超差等多项在线检测与诊断，使控制过程一目了然。
1 |* `/ E, G& u, o0 S  r4 i/ C5、由于采用了新型螺杆结构及驱动装置，螺杆转速、塑化效果提高了，产量增加了，比功耗降低了。
综上所述，该机采用了上述各种当今世界的先进技术后，从原料的配比、挤出速度和挤出量均可精确控制，能满足截面形状复杂、工艺要求高的挤出成型塑料制品的成型要求，同时也实现了节能环保。
文章关键词： 电机、挤出机