經(jīng)濟(jì)環(huán)保的汽車配件生產(chǎn)方案

震德塑料機(jī)械有限公司技術(shù)中心：黃俊軍

一、 中國(guó)汽車的塑料用量和能源的形勢(shì)

隨著汽車工業(yè)蓬勃發(fā)展，國(guó)內(nèi)車用塑料用量將從2005年的45.5萬(wàn)噸增加到2010年的72萬(wàn)噸、2015年的213萬(wàn)噸、2020年的289萬(wàn)噸，我國(guó)車用塑料正在進(jìn)入快速發(fā)展期。對(duì)國(guó)內(nèi)塑料企業(yè)來(lái)說(shuō)，面對(duì)國(guó)外大牌公司占有的市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)、雄厚的資金實(shí)力和高水平研發(fā)能力，應(yīng)更新觀念，把握機(jī)遇，注重自主開發(fā)，尋求合作共贏，努力在國(guó)際化競(jìng)爭(zhēng)中取得優(yōu)勢(shì)。中國(guó)作為世界汽車生產(chǎn)大國(guó)，現(xiàn)已形成個(gè)與汽車高度相關(guān)的產(chǎn)業(yè)群。根據(jù)汽車產(chǎn)業(yè)每增值1元，會(huì)給上游產(chǎn)業(yè)帶來(lái)0.65元的增值、給下游產(chǎn)業(yè)帶來(lái)2.63元的增值，同時(shí)帶動(dòng)上下游產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化、形成聯(lián)動(dòng)效應(yīng)這個(gè)理論，汽車相關(guān)產(chǎn)業(yè)群對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)貢獻(xiàn)率達(dá)到12%左右。塑料作為其中很重要的、不斷增長(zhǎng)的產(chǎn)業(yè)，面臨著廣闊的市場(chǎng)

中國(guó)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)高速增長(zhǎng)，使得經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展與能源緊缺的現(xiàn)實(shí)矛盾更加突出。節(jié)約能源、資源，建立節(jié)約型社會(huì)是當(dāng)代中國(guó)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的一個(gè)鮮明主題，節(jié)能已經(jīng)成為各界普遍關(guān)注的焦點(diǎn)問(wèn)題。能源問(wèn)題已經(jīng)到了非常嚴(yán)峻的地步，“保護(hù)環(huán)境，科技創(chuàng)新，提高能源資源的利用效率，是緩解我國(guó)能源資源與經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展矛盾的有效途徑之一?！爆F(xiàn)今汽車配件生產(chǎn)商競(jìng)爭(zhēng)很大，利潤(rùn)空間在減小，所以單位制品的成本決定了利潤(rùn)，而有很多的汽車配件制品又是消耗能源比較大的制品之一，可節(jié)能的空間比較大，所以經(jīng)濟(jì)環(huán)保的汽車配件生產(chǎn)方案是汽車配件生產(chǎn)商提高利潤(rùn)空間和競(jìng)爭(zhēng)力的最好選擇。

二、 二板機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)

注塑機(jī)現(xiàn)在其結(jié)構(gòu)上分為兩大類：1、立式的注塑機(jī)；2、臥式的的注塑機(jī)。而臥式的注塑機(jī)從其鎖模結(jié)構(gòu)上可分為三小類；1、三板機(jī)鉸式注塑機(jī)；2、直壓式機(jī)注塑機(jī)；3、二板式注塑機(jī)；在現(xiàn)今的注塑機(jī)技術(shù)上和市場(chǎng)上，立式的注塑機(jī)已經(jīng)不是主流，是快淘汰的技術(shù)和產(chǎn)品，因?yàn)樗慕Y(jié)構(gòu)上有很多限制其再發(fā)展的缺點(diǎn)，而是不可改進(jìn)的缺點(diǎn)。而主流是臥式的注塑機(jī)，他克服了很多立式的注塑機(jī)無(wú)法克服的缺點(diǎn)，比如大鎖模力、平穩(wěn)等方面。在現(xiàn)今臥式的注塑機(jī)中主要的鎖模結(jié)構(gòu)都是三板機(jī)鉸式注塑機(jī)，這是比較傳統(tǒng)的注塑機(jī)。這傳統(tǒng)的三板機(jī)鉸式注塑機(jī)雖然有其很多的優(yōu)點(diǎn)，也能克服注塑工藝方面的很多問(wèn)題，但也有其不可克服的缺點(diǎn)，比如：占地面積、能做最大鎖模力、高壓鎖模時(shí)的平衡度、最大開模行程、單位產(chǎn)品的能耗等方面三板機(jī)鉸式注塑機(jī)在其設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)方面都有一些缺點(diǎn)。因?yàn)楫?dāng)今的社會(huì)發(fā)展和國(guó)家都在提倡綠色環(huán)保的產(chǎn)品，而三板機(jī)鉸式注塑機(jī)在做大型的產(chǎn)品時(shí)，在占地、能耗等方面就很難達(dá)到綠色環(huán)保，所以就有了二板式注塑機(jī)結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生。它在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)就注意到三板機(jī)鉸式注塑機(jī)不能克服的問(wèn)題。所以我們?cè)跈C(jī)械結(jié)構(gòu)上也做了很多的創(chuàng)新：

1、注塑機(jī)調(diào)模結(jié)構(gòu)(見圖1）

國(guó)家專利號(hào) ZL 200720151407X

2、注塑機(jī)高壓缸活塞與哥林柱的聯(lián)接方式（見圖2）

國(guó)家專利號(hào) ZL 2007201514050

3、注塑機(jī)開合螺母夾緊機(jī)構(gòu)（見圖3）

國(guó)家專利號(hào) ZL 2007201514065

下面從機(jī)械設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)等來(lái)對(duì)比二板式注塑機(jī)相對(duì)于三板機(jī)鉸式注塑機(jī)的優(yōu)點(diǎn)(見圖4、5）

從圖（4）、圖（5）可以看出，二板機(jī)比傳統(tǒng)的三板機(jī)結(jié)構(gòu)節(jié)省占地面積達(dá)25%，能實(shí)現(xiàn)真正的二板結(jié)構(gòu)。所以在我們廠房的使用率上得到了大大的提高、廠房的租金和廠房建設(shè)成本方面得到了很大的節(jié)約。這樣對(duì)那些需要的鎖模力大的深腔的汽車配件制品更加適應(yīng)。因?yàn)?200TON二板機(jī)開模行程比3600TON三板機(jī)還要大，所以生產(chǎn)產(chǎn)品時(shí)更節(jié)能，廠房用地更節(jié)約。二板式注塑機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)，同時(shí)還兼顧了一些其它不可比擬的優(yōu)勢(shì)，比如：受力均勻，剛性高、移模速度快、動(dòng)力平衡、精度高等。模板受力均勻，這樣打出的汽車配件產(chǎn)品的合格率提升、移模速度快，運(yùn)動(dòng)平衡精度高時(shí)，配上高效的機(jī)械手能大大的提高了生產(chǎn)產(chǎn)品的效率。

三、 新控制系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)

新控制系統(tǒng)的性能穩(wěn)定，而且攻克了全數(shù)字伺服節(jié)能注塑機(jī)技術(shù)上的難題，使能這個(gè)經(jīng)濟(jì)環(huán)保的汽車配件生產(chǎn)方案上的二板注塑機(jī)重復(fù)精度高、低噪音、性價(jià)比高，代表了國(guó)內(nèi)高端注塑機(jī)的發(fā)展方面。同時(shí)可靠性高、實(shí)時(shí)性能好、完全兼容標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)協(xié)議，軟硬件配置豐富而且維護(hù)簡(jiǎn)單而且又支持高速響應(yīng)。

（一）新控制系統(tǒng)的硬件全部都是使用德國(guó)Beckhoff原裝進(jìn)口的元件。具體的配置以下；

1、主IPC：Beckhoff 15英寸觸摸屏電腦，配置Celeron 1GHz的CUP、512的內(nèi)存、4G的CF卡。所有都是工業(yè)級(jí)別的電腦硬件。

2、輸入輸出：DI 數(shù)字輸入點(diǎn)：0～48(可擴(kuò)展到480)、DO 數(shù)字輸出點(diǎn)：0～48(可擴(kuò)展到480)、AI 模擬量輸入點(diǎn)：0～8(可擴(kuò)展到32)、AO 模擬量輸出點(diǎn)：0～8(可擴(kuò)展到32)、支持熱電偶輸入點(diǎn):0～8(可擴(kuò)展到32,支持96組熱流道控制)。

3、通訊：工業(yè)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)Ethernet,CANopen 。

（二）新控制系統(tǒng)在軟件方面也是用國(guó)際的標(biāo)準(zhǔn)

1、編程環(huán)境：國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC61131-3 。

2、擁有強(qiáng)大的功能庫(kù),使程序更易擴(kuò)展：Chende PLC Controller Toolbox、Chende PLC Temperature Controller、Chende PLC Hydraulic Positioning、Chende PLC Serial Communication、Chende PLC Building Automation。

（三）新控制系統(tǒng)先進(jìn)的過(guò)程控制能力；

此新控制系統(tǒng)有著一般電腦控制系統(tǒng)所有控制能力，同時(shí)也有一些先進(jìn)的過(guò)程控制能力。在開合模方面，一般的電腦控制系統(tǒng)只有4段的控制能力，而且是開環(huán)控制的，而我們新的控制系統(tǒng)就有12段閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)高速精確控制開合模動(dòng)作的位置和速度。而且系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間能達(dá)到0.1ms。在射膠控制方面10段速度閉環(huán)控制。自動(dòng)調(diào)節(jié)PID，適用成型復(fù)雜的精密制品，同時(shí)保壓壓力閉環(huán)控制，實(shí)線無(wú)級(jí)切換，使制品有一致的收縮率，保證制品尺寸精度，這樣我們生產(chǎn)一些車燈產(chǎn)品時(shí)，通常是透明厚壁的產(chǎn)品，所以對(duì)速度和保壓的控制一定要精度很好才行，正好我們的系統(tǒng)都能做到很好的控制。這樣也能更節(jié)約原料。20組個(gè)性化自動(dòng)順序抽芯功能，同時(shí)能實(shí)現(xiàn)多種的抽芯終止方式，如：限位、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)、位置等。能實(shí)現(xiàn)各動(dòng)作的智能化能源管理，如圖（10）能把每模的產(chǎn)品都記錄在案，方便成本的計(jì)算與控制，達(dá)到節(jié)約能源為目的。能實(shí)現(xiàn)各動(dòng)作的智能化時(shí)間管理，如圖（11）通過(guò)能源和時(shí)間的管理功能，可以很容易實(shí)現(xiàn)效率和功耗的最優(yōu)操作。能把產(chǎn)品的成本控制到最低。此新系統(tǒng)還具有一些新的輔助的控制能：支持iChen車間聯(lián)網(wǎng)功能，能把每一模產(chǎn)品的品質(zhì)參數(shù)記錄在中央控制系統(tǒng)上，以方便品質(zhì)的跟蹤。能自動(dòng)的保存周期參數(shù)、報(bào)警參數(shù)到USB盤上去。每段溫度都有曲線顯示和獨(dú)立的PID設(shè)定，以達(dá)到溫度的高精度的控制等等進(jìn)控制能力。

四、加上全數(shù)字伺服泵系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)勢(shì)

全數(shù)字伺服泵系統(tǒng)集成壓力、流量雙閉環(huán)，液壓系統(tǒng)按照實(shí)際需要的流量和壓力來(lái)供油，克服了普通定量泵系統(tǒng)高壓溢流產(chǎn)生的高能耗，在預(yù)塑、合模、射膠等高流量工作階段電機(jī)按照設(shè)定的轉(zhuǎn)速工作，在保壓、冷卻等低流量工作階段降低了電機(jī)轉(zhuǎn)速，因此油泵電機(jī)實(shí)際能耗降低了20%--75%。

（一）注塑機(jī)動(dòng)力形式多種多樣，而當(dāng)今注塑機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)主要有以下形式

1、普通標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)+定量泵。2、普通標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)+變量泵控制。3、變頻電機(jī)+變頻器+定量泵。4、全電機(jī)。5、伺服電機(jī)+伺服驅(qū)動(dòng)器+定量泵。

（二）單個(gè)全數(shù)字伺服泵系統(tǒng)的原理（見圖8）

SVP系統(tǒng)由控制器、伺服電機(jī)和定量泵三大部分組成：1、控制器：根據(jù)內(nèi)部控制算法實(shí)現(xiàn)對(duì)流量和壓力的控制。2、伺服電機(jī)：轉(zhuǎn)速執(zhí)行機(jī)構(gòu)，具有比普通異步電機(jī)反應(yīng)快、轉(zhuǎn)速高和扭矩大的特點(diǎn)。3、定量泵：高壓內(nèi)嚙合齒輪泵、小泄漏、小的脈動(dòng)，從而達(dá)到更加穩(wěn)定和節(jié)能省電能。這是近年內(nèi)國(guó)內(nèi)較為火熱的一個(gè)全數(shù)字節(jié)能系統(tǒng)。這是因?yàn)樗蚱屏顺Ｒ?guī)的模擬量和IO順序信號(hào)的控制，用現(xiàn)行最先進(jìn)的工業(yè)以太網(wǎng)來(lái)通信的全數(shù)字信號(hào)來(lái)控制。 這個(gè)系統(tǒng)主要是把傳統(tǒng)的液壓系統(tǒng)與全電機(jī)兩者合二為一。 此系統(tǒng)仍沿用液壓傳動(dòng)，與傳統(tǒng)的定量泵系統(tǒng)唯一分別則是使用伺服電機(jī)代替原有的交流電機(jī)，并配上一個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，以閉環(huán)控制式，控制伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速及扭力變化。

（三）全數(shù)字伺服泵系統(tǒng)生產(chǎn)汽車配件制品的節(jié)能原理

因?yàn)樯a(chǎn)汽車配件的制器中，整個(gè)注塑周期中的保壓及冷卻占了2/3甚至更多的時(shí)間。 在這期間內(nèi)，伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速是十分緩慢地在轉(zhuǎn)動(dòng) （保壓時(shí)只有每分鐘幾十轉(zhuǎn)， 冷卻時(shí)每分鐘只有10轉(zhuǎn)甚至更低）。特別是在冷卻時(shí)，幾乎是沒有能量的消耗。所以生產(chǎn)車燈這樣的厚壁產(chǎn)品時(shí)，保壓時(shí)間長(zhǎng)，冷卻時(shí)間長(zhǎng)，這樣的話用這個(gè)的伺服系統(tǒng)的動(dòng)力源能達(dá)到更好的節(jié)約能源。利用了全數(shù)字伺服泵系統(tǒng)后，節(jié)能效果就變化很大，定量泵系統(tǒng)做能耗標(biāo)準(zhǔn)，那么變量泵系統(tǒng)能節(jié)約能源40%，變頻系統(tǒng)能節(jié)約能源40%，全電機(jī)能節(jié)約能源85%，伺服驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)能節(jié)約能源75%。從上面看出，伺服驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)的節(jié)能效果幾乎能和全機(jī)媲美了。

（四）多伺服泵并聯(lián)液壓原理圖

二板機(jī)一般都是大型的注塑機(jī)，而大型的注塑機(jī)的動(dòng)力源一般都是幾個(gè)泵來(lái)提供的，而把動(dòng)力源改成全數(shù)字的伺服泵系統(tǒng)后，那液壓原理也有些新的革新，原理圖如圖（9）所示。

（五） 經(jīng)濟(jì)環(huán)保的汽車配件生產(chǎn)多泵并聯(lián)控制策略

先從日常生活的經(jīng)驗(yàn)解釋多泵并聯(lián)控制策略：假定有一個(gè)由甲、乙兩人組成的小組，承擔(dān)某些工作任務(wù)，甲乙二人都認(rèn)為用各自最大能力的一半工作比較輕松，如果一個(gè)任務(wù)用甲的最大能力的一半可以完成，則由甲完成這個(gè)任務(wù)，乙無(wú)需工作。如果用甲的最大能力的一半不能完成該任務(wù)，則用甲的最大能力的一半承擔(dān)部分任務(wù)，其余的任務(wù)由乙完成，如果一個(gè)任務(wù)用甲和乙最大能力的一半都不能完成時(shí)，則甲乙平均承擔(dān)該任務(wù)。當(dāng)系統(tǒng)配置的油泵已定時(shí)，每個(gè)油泵的最大流量也已經(jīng)確定，這里引入最大私有比率的概念，在上面的例子中，最大私有比率=50%，每個(gè)泵都有一個(gè)理想的工作流量，稱為最大私有流量。最大私有流量 =泵最大流量 × 最大私有比率，最大私有比率需要手動(dòng)設(shè)置。這個(gè)控制策略兼顧了節(jié)能和延長(zhǎng)系統(tǒng)壽命兩個(gè)目標(biāo)。這種方法的好處是可以根據(jù)各節(jié)點(diǎn)泵和電機(jī)的高效工作區(qū)，以及系統(tǒng)的總流量需求，優(yōu)化配置參數(shù)，使各節(jié)點(diǎn)盡可能多的工作在高效模式下，以提高系統(tǒng)效率；對(duì)于從節(jié)點(diǎn)，只需要合理設(shè)置該節(jié)點(diǎn)的最低工作流量。從下列三組圖片來(lái)說(shuō)明這個(gè)原理。（圖10--12）

當(dāng)（總流量給定）<（主泵最大私有流量），主油泵啟動(dòng)，從油泵不啟動(dòng)。

當(dāng)（主泵最大私有流量）<（總流量給定）<（主泵和從泵最大私有流量之和），主油泵提供最大私有流量，從泵跟蹤給定。

當(dāng)（主泵和從泵最大私有流量之和）<（總流量給定），主油泵和從油泵等比例分配流量。

（六）滯環(huán)的引入

如果系統(tǒng)流量需求或剩余流量需求恰好在某個(gè)泵的最大私有流量附近波動(dòng)，則會(huì)使下一個(gè)泵頻繁的啟動(dòng)停止，因此需要設(shè)置某種滯環(huán)機(jī)制來(lái)避免這種情況的發(fā)生。如圖13

（七）主、從系統(tǒng)工作邏輯

根據(jù)上述的多泵并聯(lián)液壓布局，要求主機(jī)承擔(dān)系統(tǒng)控制的功能，即能根據(jù)上位機(jī)的壓力給定、流量給定和液壓系統(tǒng)的壓力反饋，實(shí)時(shí)計(jì)算出當(dāng)前液壓系統(tǒng)的總流量需求，然后合理的分配給各節(jié)點(diǎn)，多泵合流完成實(shí)時(shí)流量要求。從機(jī)只是作為主機(jī)的一個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，不參與系統(tǒng)控制。對(duì)于實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，實(shí)時(shí)性是十分關(guān)鍵的性能指標(biāo)，由于通訊速率的限制，不允許主機(jī)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)分別告之從機(jī)對(duì)應(yīng)的流量分配關(guān)系，而要求主機(jī)告訴所有從機(jī)系統(tǒng)總流量需求，由從機(jī)自行計(jì)算自身分配的流量大小，這樣就需要所有節(jié)點(diǎn)在開始運(yùn)行之前都知道整個(gè)系統(tǒng)中其它節(jié)點(diǎn)的情況，從而可以同步計(jì)算出對(duì)應(yīng)系統(tǒng)流量下自身的流量要求，完成實(shí)時(shí)流量控制的要求。在多泵并聯(lián)運(yùn)行之前，主機(jī)首先點(diǎn)對(duì)點(diǎn)依次告訴從機(jī)一些全局控制參量：最大私有比率、滯環(huán)上限、滯環(huán)下限、從節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)等。然后從機(jī)會(huì)依次反饋?zhàn)陨淼囊恍﹨?shù)信息給主機(jī)：從泵最大壓力、最大流量等。最后主機(jī)計(jì)算最大系統(tǒng)壓力（所有泵最大壓力取?。┖妥畲笙到y(tǒng)流量（所有泵最大流量求和）作為系統(tǒng)的最大能力限制，同時(shí)將統(tǒng)計(jì)到的各個(gè)節(jié)點(diǎn)的參數(shù)依次告訴所有從機(jī)，確保每個(gè)從機(jī)都能了解整個(gè)系統(tǒng)的配置情況。

經(jīng)濟(jì)環(huán)保的汽車配件生產(chǎn)這個(gè)方案，我們從機(jī)械結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)和動(dòng)力系統(tǒng)方面都做了創(chuàng)新性的改進(jìn)，所以，無(wú)論在廠房用地、性能、單位產(chǎn)品能耗等的方面都達(dá)到現(xiàn)在經(jīng)濟(jì)環(huán)保的各方面的國(guó)家指標(biāo)。