轉(zhuǎn)盤式多組分注塑機(jī)是一種雙工位或多工位操作的專用注塑機(jī)，轉(zhuǎn)盤裝置與動模板采用集成設(shè)計(jì)，多套注射裝置并行布置,模具安裝到轉(zhuǎn)盤后和轉(zhuǎn)盤一起圍繞同一軸旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)模腔換位，可實(shí)現(xiàn)多色/多料一次成型，減少多次組合加工所產(chǎn)生的品質(zhì)異常，提高了產(chǎn)品品質(zhì)、降低生產(chǎn)成本和縮短生產(chǎn)周期提升料率。轉(zhuǎn)盤式多組分注塑機(jī)是多組分注塑機(jī)中應(yīng)用最廣泛的一種技術(shù)，隨著人們對注塑制品質(zhì)量要求的提高以及注塑成型工藝的發(fā)展，轉(zhuǎn)盤式多組分注塑機(jī)得到越來越廣泛的應(yīng)用，同時(shí)市場對轉(zhuǎn)盤式多組分注塑機(jī)的轉(zhuǎn)盤回轉(zhuǎn)控制提出了更高的要求，如回轉(zhuǎn)運(yùn)動的快速、平穩(wěn)和精確，參數(shù)設(shè)定的簡單和便捷等。
本文以轉(zhuǎn)盤式多組分注塑機(jī)為研究對象，對轉(zhuǎn)盤回轉(zhuǎn)的運(yùn)動狀態(tài)、轉(zhuǎn)動慣量和轉(zhuǎn)動扭矩進(jìn)行了詳細(xì)的分析計(jì)算，規(guī)劃了伺服電機(jī)在控制多組分注塑機(jī)轉(zhuǎn)盤的控制方案和動作邏輯，為多組分轉(zhuǎn)盤系統(tǒng)提供了新的解決方案。
1.計(jì)算選型
為滿足多組分注塑機(jī)轉(zhuǎn)盤對高精度、快速響應(yīng)的要求，伺服電機(jī)應(yīng)有較小的轉(zhuǎn)動慣量和較大的轉(zhuǎn)矩，并具有盡可能小的時(shí)間常數(shù)和啟動電壓，還應(yīng)具有較長時(shí)間的過載能力，以滿足低速大轉(zhuǎn)矩的要求，能夠承受頻繁啟動制動和正反轉(zhuǎn)，如果盲目地選擇大規(guī)格的電機(jī)，不僅增加成本，也會使得設(shè)計(jì)設(shè)備的體積增大，結(jié)構(gòu)不緊湊，因此選擇電機(jī)時(shí)應(yīng)充分考慮各方面的要求，以便充分發(fā)揮伺服電機(jī)的工作性能；下面就從負(fù)載的運(yùn)動狀態(tài)和慣量匹配角度出發(fā)，按照速度、扭矩和慣量匹配原則對轉(zhuǎn)盤驅(qū)動伺服電機(jī)的選型進(jìn)行計(jì)算，從而達(dá)到伺服系統(tǒng)的優(yōu)化配置。
1.1電機(jī)轉(zhuǎn)速匹配
轉(zhuǎn)盤伺服電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)如圖1所示，伺服電機(jī)經(jīng)過減速箱和驅(qū)動齒輪帶動轉(zhuǎn)盤進(jìn)行正反轉(zhuǎn)。當(dāng)轉(zhuǎn)盤以最高轉(zhuǎn)速nmax進(jìn)行轉(zhuǎn)動時(shí)，伺服電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速n應(yīng)小于其額定轉(zhuǎn)速ne，并應(yīng)在接近伺服電機(jī)額定轉(zhuǎn)速的范圍使用，以有效利用伺服電機(jī)的功率。
實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)中，轉(zhuǎn)盤以轉(zhuǎn)半圈為一個(gè)周期，正反轉(zhuǎn)循環(huán)往復(fù)運(yùn)動，轉(zhuǎn)盤運(yùn)動特性曲線如上圖2，計(jì)算可得：
（1）式中:
to——轉(zhuǎn)盤回轉(zhuǎn)半圈時(shí)間;
tA——轉(zhuǎn)盤加減速時(shí)間。
1—伺服電機(jī)；2—減速箱；3—驅(qū)動齒輪；4—轉(zhuǎn)盤軸；5—轉(zhuǎn)盤
圖1.轉(zhuǎn)盤伺服電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)示意圖
圖2.轉(zhuǎn)盤運(yùn)動特性曲線
（2）式中：
n伺服電機(jī)——伺服電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速；
nmax——轉(zhuǎn)盤最高轉(zhuǎn)速；
Z1——轉(zhuǎn)盤齒數(shù)；
Z2——驅(qū)動齒輪齒數(shù)；
k1——減速箱減速比。
1.2電機(jī)慣量匹配
電機(jī)驅(qū)動的所有運(yùn)動部件無論是旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的部件還是直線運(yùn)動的部件，都成為電機(jī)的負(fù)載慣量,電機(jī)軸上的負(fù)載總慣量可以通過計(jì)算各個(gè)被驅(qū)動的部件的慣量，并按一定的規(guī)律將其相加得到。
可以將圖3所示的裝載有模具的轉(zhuǎn)盤裝置拆分成三個(gè)部分，即轉(zhuǎn)盤軸、轉(zhuǎn)盤和模具三個(gè)部分，先對各個(gè)部分分別進(jìn)行計(jì)算見表1，然后根據(jù)轉(zhuǎn)動慣量的線性疊加原理得出伺服電機(jī)的負(fù)載慣量。
圖3.裝載模具的轉(zhuǎn)盤裝置示意圖
因上述三個(gè)部分圍繞同一個(gè)中心旋轉(zhuǎn)，根據(jù)慣量的線性疊加原則，轉(zhuǎn)盤運(yùn)動部分的總負(fù)載慣量為三部分之和：
J總負(fù)載=J轉(zhuǎn)盤軸+J轉(zhuǎn)盤+J模具 (3)
上述轉(zhuǎn)盤運(yùn)動部分的總負(fù)載慣量通過驅(qū)動齒輪和減速箱作用在伺服電機(jī)上，伺服電機(jī)的負(fù)載慣量JL為：
（4）
根據(jù)控制環(huán)路穩(wěn)定性的要求，同時(shí)結(jié)合轉(zhuǎn)盤系統(tǒng)為非連續(xù)工作無頻繁啟動制動和正反轉(zhuǎn)，伺服電機(jī)的負(fù)載慣量JL不超過伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子慣量JM的10倍，即JL≤10JM就可滿足系統(tǒng)的控制穩(wěn)定性要求。
1.3電機(jī)扭矩匹配
轉(zhuǎn)盤運(yùn)動特性曲線如圖2所示，分為加減速時(shí)間tA和勻速時(shí)間to-2tA，由于多組分注塑機(jī)的轉(zhuǎn)盤系統(tǒng)屬于一個(gè)大慣量系統(tǒng)，勻速時(shí)的摩擦負(fù)載扭矩TL《加減速時(shí)的扭矩Ta，故可以將勻速時(shí)的摩擦負(fù)載扭矩TL忽略不計(jì)，同時(shí)伺服電機(jī)為非連續(xù)工作，轉(zhuǎn)盤回轉(zhuǎn)時(shí)間在注塑機(jī)一個(gè)周期的占比為1/10~1/20，故伺服電機(jī)的溫升沒有問題。
加減速時(shí)伺服電機(jī)的扭矩：
（5）
2.運(yùn)動控制規(guī)劃
2.1控制方案
控制系統(tǒng)配置了伺服電機(jī)和驅(qū)動器，通過減速箱和齒輪傳動實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)盤的回轉(zhuǎn)，其控制方案如圖4所示。編碼器對轉(zhuǎn)盤的位置進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，通過改變伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速和扭矩，形成精確的閉環(huán)控制。
圖4.控制方案
2.2動作邏輯
根據(jù)轉(zhuǎn)盤式多組分注塑機(jī)轉(zhuǎn)盤的動作時(shí)序，編制了如圖5轉(zhuǎn)盤伺服電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的過程控制框圖。
圖5.過程控制框圖
3.實(shí)施效果
圖6為某噸位轉(zhuǎn)盤式多組分注塑機(jī)的轉(zhuǎn)盤位置-速度控制運(yùn)動特性圖，從圖中可以看出，轉(zhuǎn)盤加速和減速段時(shí)間都很快，勻速段運(yùn)行時(shí)間很長，速度曲線接近對稱。伺服電機(jī)控制系統(tǒng)屬于是剛性傳動，由于編碼器的高分辨率和伺服電機(jī)的特性，系統(tǒng)響應(yīng)速度非常快，保證了轉(zhuǎn)盤定位精確、無沖擊、轉(zhuǎn)盤又快又穩(wěn)的工作。而且當(dāng)模具重量發(fā)生變化時(shí)候，設(shè)定的參數(shù)不需要修改，轉(zhuǎn)盤的動作時(shí)間也基本不變化。
圖6.伺服電動轉(zhuǎn)盤運(yùn)動特性
4.結(jié)束語
未來的多組分注塑機(jī)必將向精密化和智能化方向發(fā)展，轉(zhuǎn)盤的伺服電機(jī)控制系統(tǒng)不僅回轉(zhuǎn)運(yùn)動速、平穩(wěn)和精確，參數(shù)設(shè)定簡單和便捷只需設(shè)定一個(gè)速度參數(shù)即可，而且系統(tǒng)的控制特性不隨模具或環(huán)境溫度的變化而改變，伺服電機(jī)控制多組分轉(zhuǎn)盤系統(tǒng)在注塑機(jī)的成功應(yīng)用，必將為注塑機(jī)進(jìn)入國際高端市場提供強(qiáng)有力的技術(shù)支持。
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