何和智 1绊寻，2，3悬秉， 高琦 1澄步，2，3和泌， 張濤 4
（1.華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院村缸，廣州 510000；2. 聚合物成型加工工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室武氓，廣州 510000梯皿；3. 廣東省高分子先進(jìn)制造技術(shù)及裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510000县恕；4. 廣東伊之密精密注壓科技有限公司东羹，廣東佛山 528000）
摘 要：隨著現(xiàn)代生產(chǎn)生活中航天、汽車忠烛、國(guó)防及醫(yī)療等領(lǐng)域?qū)Υ笮妥⑺苤破窇?yīng)用需求的增長(zhǎng)属提，高效、節(jié)能美尸、智能的大型 注塑機(jī)設(shè)備及其制造技術(shù)迅速發(fā)展垒拢。本文介紹了現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外大型注塑機(jī)的發(fā)展概況旬迹，以合模裝置為主線總結(jié)了大型 注塑機(jī)在輕量化方向的發(fā)展歷程，以動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為主線介紹了大型注塑機(jī)在節(jié)能化方向的發(fā)展情況求类，并結(jié)合工業(yè)4. 0的發(fā)展環(huán)境總結(jié)了智能注塑的發(fā)展趨勢(shì)。
關(guān)鍵詞：大型注塑機(jī)屹耐；輕量化尸疆；節(jié)能化；智能化惶岭；發(fā)展現(xiàn)狀
0 前言
塑料以其輕質(zhì)寿弱、耐用、易加工等優(yōu)點(diǎn)按灶，被廣泛應(yīng)用在 當(dāng)代生產(chǎn)生活的國(guó)防症革、航空、輸運(yùn)鸯旁、建筑噪矛、農(nóng)業(yè)、文教及衛(wèi) 生的各個(gè)領(lǐng)域铺罢。我國(guó)塑料制品總產(chǎn)量從1989 年的352. 3 萬噸增長(zhǎng)到2021 年的8 003. 98 萬噸艇挨，增加了22. 72 倍，年利潤(rùn)總額現(xiàn)已增長(zhǎng)至1 295.8億元韭赘，塑料加工行業(yè)的發(fā)展充滿活力［1?2］缩滨。其中，約83 %的塑料制品通過注塑加工成型［3］泉瞻。作為塑料加工的主要方法之一脉漏，注射成型不僅生產(chǎn)效率高、尺寸精確袖牙，而且對(duì)不同特性的材料表現(xiàn)出較強(qiáng)的適應(yīng)性［4］侧巨。將塑料熔體在高溫高壓條件下快速注入到成型模具型腔中，冷卻后即可獲得表面結(jié)構(gòu)復(fù)雜的塑件贼陶，或中空刃泡、薄壁制件及帶嵌件的樣品。而注射成型所依賴的加工設(shè)備——集機(jī)械碉怔、液壓烘贴、電動(dòng)自動(dòng)化于一體的注塑機(jī)，更是被視為現(xiàn)代制造業(yè)的“生產(chǎn)母機(jī)”撮胧，是塑料加工工業(yè)中十分重要的基礎(chǔ)成型設(shè)備之一桨踪。各個(gè)國(guó)家注塑機(jī)技術(shù)的發(fā)展水平與速度能夠很大程度上反映出其在機(jī)械制造、液壓裝備和自動(dòng)化控制等基礎(chǔ)工業(yè)領(lǐng)域的綜合實(shí)力［5?7］芹啥。
注塑機(jī)最初是借助金屬壓鑄機(jī)原理發(fā)展而來的锻离， 其誕生最早可追溯到 1849 年德國(guó) STURGISS 發(fā)明的Celluloid注塑機(jī)铺峭。1932年德國(guó)FRANZ. BRAUN 工廠率 先打造出第一臺(tái)全自動(dòng)柱塞式臥式注塑機(jī)。隨著螺桿作為聚合物塑化核心部件的大規(guī)模使用汽纠，1956年世界上首臺(tái)液壓驅(qū)動(dòng)的往復(fù)式螺桿注塑機(jī)問世卫键，奠定了當(dāng)代注塑機(jī)的基礎(chǔ)特征［8］。隨后虱朵，借助大規(guī)模集成電子技術(shù)和微處理器系統(tǒng)發(fā)展莉炉，搭載微機(jī)閉環(huán)自適應(yīng)控制功能的高附加值注塑機(jī)應(yīng)運(yùn)而生。自問世起碴犬，中小機(jī)型就占據(jù)了注塑機(jī)研發(fā)與應(yīng)用的絕大部分領(lǐng)域絮宁。直到20世紀(jì)70年代后期，隨著工 程塑料在汽車服协、船舶绍昂、宇航、通訊偿荷、機(jī)械及大型家用電器等方面的廣泛應(yīng)用窘游，大型注塑機(jī)才相應(yīng)迅速發(fā)展起來。
1 大型注塑機(jī)的國(guó)內(nèi)外發(fā)展水平
1. 1 大型注塑機(jī)的定義
按照額定容量及所需鎖模力的大小遭顶，注塑機(jī)被劃分為微型至特型幾個(gè)級(jí)別张峰，見表 1。其中棒旗，大型注塑機(jī)是指額定容量在4 000~24 000 cm3喘批，且鎖模力超過10000 kN的機(jī)型。通常铣揉，1臺(tái)大型注塑機(jī)主要包括注射系統(tǒng)饶深、合模裝置、液壓傳動(dòng)系統(tǒng)逛拱、電氣控制系統(tǒng)等主要功能單元敌厘，以及機(jī)身、加熱冷卻裝置和加/取料等輔助功能單元［9］朽合，如圖1所示俱两。
表 1 不同注塑機(jī)級(jí)別的劃分［10］
圖1 注塑機(jī)的各組成部分
1. 2 大型注塑機(jī)的國(guó)內(nèi)外發(fā)展趨勢(shì)
大型注塑機(jī)具有物料適應(yīng)范圍廣、生產(chǎn)模具更換便捷及生產(chǎn)效率高等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)曹步。德國(guó)宪彩、奧地利和美國(guó)等西方國(guó)家在大型注塑機(jī)生產(chǎn)與研制方面已積累了大量經(jīng)驗(yàn)，日本名機(jī)公司已生產(chǎn)出鎖模力達(dá)120000kN讲婚，注射量92000 g的超大型注塑機(jī)［11］尿孔。我國(guó)注塑機(jī)行業(yè)的發(fā)展起步雖較晚，但已由最初的測(cè)繪仿制階段升級(jí)為了自主創(chuàng)新、探索階段活合，注塑機(jī)企業(yè)的發(fā)展基本上滿足了國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)的需求雏婶，穩(wěn)步成長(zhǎng)為注塑機(jī)制造大國(guó)。
香港震雄集團(tuán)與順德新力集團(tuán)合資創(chuàng)辦的震德塑 料機(jī)械廠是國(guó)內(nèi)首批引入臥式加工中心與震雄全套技 術(shù)的企業(yè)白指，開創(chuàng)了我國(guó)注塑機(jī)行業(yè)向高檔留晚、大型變革之 先河。海天機(jī)械有限公司目前已成為我國(guó)最大的塑料機(jī)械生產(chǎn)基地 告嘲，其 MARS 系 列機(jī)型（鎖模力600~ 33 000 kN）的產(chǎn)品暢銷全球倔丈，JUPITER 系列機(jī)型（鎖模力 4500~66000 kN）和 IAPETUS系列機(jī)型（鎖模力1200~18500 kN）系列產(chǎn)品的開發(fā)豐富了我國(guó)大型注塑 機(jī)自行研發(fā)的經(jīng)驗(yàn)與自主創(chuàng)新的能力。2022年状蜗，廣東伊之密精密機(jī)械研制出了我國(guó)生產(chǎn)的注塑機(jī)中鎖模力最大的首臺(tái)產(chǎn)品，即最大鎖模力達(dá) 90000kN的超大型注塑機(jī)鹉动，它不僅在設(shè)備噸位上創(chuàng)造了國(guó)內(nèi)之最轧坎，還集成了精密微開控制、雙射臺(tái)同步塑化及注射和注射壓縮控制等先進(jìn)技術(shù)泽示，對(duì)整個(gè)大型注塑機(jī)行業(yè)的技術(shù)開發(fā)起到引領(lǐng)作用［12］缸血。此外，浙江塑料機(jī)械總廠械筛、利源公司以及山東震華塑料機(jī)械生產(chǎn)的系列注塑機(jī)均具備可靠的加工能力與使用壽命捎泻。
目前針對(duì)大型注塑機(jī)的開發(fā)投資成本通常較大，且設(shè)備能耗高而控制水平低埋哟，因此為了進(jìn)一步推廣與應(yīng)用笆豁，輕量化、節(jié)能化和智能化逐漸成為當(dāng)下大型注塑機(jī)的主流改造方向赤赊。
2 大型注塑機(jī)的輕量化進(jìn)展
合模裝置的類型及性能直接影響著注塑制品的精度闯狱、質(zhì)量以及注塑機(jī)的慣性、壽命抛计、效率等哄孤。1 套性能良好的合模裝置須能夠提供額定的鎖模力，模板具有足夠的力學(xué)強(qiáng)度吹截、剛度以及平行度瘦陈，合模響應(yīng)高效、平穩(wěn)波俄、噪音小晨逝，并能夠保持較高的位置精度和重復(fù)精度［13?14］。
2. 1 合模裝置的分類與特點(diǎn)
目前合模裝置的類型繁多弟断，可按照模板數(shù)目咏花、驅(qū)動(dòng)力源及傳動(dòng)方式等不同標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分類［15］。例如，按照傳動(dòng)方式可分為全機(jī)械式昏翰、機(jī)械連桿式苍匆、全液壓直壓式以及肘桿式（液壓機(jī)械式）等，如圖 2所示棚菊；按照模板數(shù)目可分為二板式和三板式浸踩，如圖3 所示。一般地统求，三板式合模裝置分為三板曲肘式和復(fù)合穩(wěn)壓式检碗。三板曲肘式合模裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，鎖模時(shí)肘桿機(jī)構(gòu)的動(dòng)作誤差直接反應(yīng)在鎖模力上码邻，易導(dǎo)致模具彈性變形折剃，形成制品缺陷。日精NS系列注塑機(jī)目前仍少量使用閘板穩(wěn)壓式三板合模裝置像屋。大型注塑機(jī)中三板式合模裝置的應(yīng)用整體較少怕犁。
圖 2 合模裝置（按照傳動(dòng)方式分類）
圖3 合模裝置（按照模板數(shù)目分類）
2. 2 大型注塑機(jī)中二板式合模裝置的應(yīng)用
目前絕大多數(shù)大型注塑機(jī)均采用的是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、鎖模精度高己莺、性能穩(wěn)定可靠且潔凈度高的二板式合模裝置奏甫，其在醫(yī)療衛(wèi)生、食品包裝和精密制造等領(lǐng)域已逐漸成為主流應(yīng)用凌受。
不同于三板式合模裝置阵子，二板式合模裝置去掉了后部支撐4根拉桿的模板，利用導(dǎo)軌作為動(dòng)模板的導(dǎo)向支撐胜蛉，鎖模時(shí)主要通過對(duì)角布置的2個(gè)鎖模油缸產(chǎn)生鎖模力挠进，直接作用在定模板和動(dòng)模板上，其模板受力方式如圖4所示腾么。由于這種合模裝置油缸內(nèi)活塞結(jié)構(gòu)復(fù)雜奈梳，若尺寸過小則無法安裝液壓閥，故一般不應(yīng)用于中小型注塑機(jī)解虱。目前工業(yè)中常用的二板式合模裝置有直壓式和復(fù)合式2類攘须，在大型注塑機(jī)上普遍采用后者［16］。直壓式二板合模裝置可劃分為無循環(huán)式殴泰、內(nèi)循環(huán)式和外循環(huán)式3種于宙，無需機(jī)械轉(zhuǎn)換直接高壓鎖模，其結(jié)構(gòu)如圖5所示悍汛。而復(fù)合式二板合模裝置則須通過機(jī)械轉(zhuǎn)換二次動(dòng)作進(jìn)行鎖模捞魁，其結(jié)構(gòu)如圖6所示。
圖4 合模裝置的受力方式示意圖［17］
二板式合模裝置主要具有以下特點(diǎn)：（1）拉桿無徑向載荷离咐，直徑加粗且長(zhǎng)度大大縮短谱俭，整體機(jī)構(gòu)剛性高奉件；（2）結(jié)構(gòu)緊湊，僅約為肘桿式合模機(jī)構(gòu)長(zhǎng)度的2/3昆著，制造成本較低县貌；（3）鎖模效率高，無二次復(fù)合動(dòng)作凑懂，空循環(huán)時(shí)間短煤痕；（4）合模精度高，對(duì)各模板或模具之間的平行度誤差能自適應(yīng)調(diào)節(jié)并消除熔體溢料和脹模時(shí)產(chǎn)生的尺寸誤差接谨；（5）調(diào)模方便摆碉，低壓模保功能和移模速度控制功能更強(qiáng)；（6）4 個(gè)液壓缸均衡提供鎖模力脓豪，避免了合模裝置受力偏載損壞巷帝；（7）合模行程增減操作便捷，通過增減合模缸尺寸及拉桿長(zhǎng)度即可實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用扫夜；（8）直壓式合模裝置能夠在鎖模油缸行程的任意位置建立鎖模壓力锅睛，適合成型深腔制品。搭載了二板式合模裝置的大型注塑機(jī)历谍，生產(chǎn)周期大大縮短，關(guān)鍵零件受力均勻辣垒，設(shè)備靈活易操控望侈，整機(jī)減重可達(dá)20 %，機(jī)身總長(zhǎng)減少約25 %勋桶，容模量同比增長(zhǎng)可超過10 %［18］脱衙。上述這 些綜合性特點(diǎn)使得二板式合模裝置在大型、超大型注塑機(jī)領(lǐng)域具備得天獨(dú)厚的開發(fā)潛力例驹。
圖5 直壓式二板合模裝置［16］
圖 6復(fù)合式二板合模裝置［16］
首先研發(fā)推出大型二板式注塑機(jī)的主要是歐洲及日本企業(yè)［19］捐韩，如克勞斯瑪菲的 MC 系列機(jī)型（鎖模力為400~40000 kN），宇部興產(chǎn)的大型注塑機(jī)（鎖模力為20 000~40000 kN）以及意大利MIR公司的Compact 系列機(jī)型（鎖模力為11 000~60 000kN）鹃锈。
我國(guó)二板式注塑機(jī)的制造已逐漸發(fā)展成以海天機(jī)械荤胁、伊之密、博創(chuàng)屎债、東華仅政、泰瑞、震雄等在內(nèi)的企業(yè)群體規(guī)模盆驹，可媲美國(guó)際領(lǐng)先水平的同類機(jī)型圆丹。 2016 年伊之密已自主研發(fā)出最大鎖模力超過40000kN而循環(huán)周期不超過8s的高效節(jié)能大型二板式注塑機(jī)，其注塑制品的重復(fù)精度誤差不超過±3 ‰躯喇，且設(shè)備的一級(jí)能耗低 于0. 4 kW·h/kg［20］辫封。這臺(tái)大型注塑機(jī)搭載的內(nèi)循環(huán)二板式合模裝置，其4 個(gè)鎖模油缸進(jìn)出油口相互連通，鎖模時(shí)各缸活塞兩側(cè)的壓力能保持一致倦微，大大提高了制品的合格率妻味。上述由廣東伊之密精密機(jī)械最新研制的里程碑式8500噸超大型注塑機(jī)產(chǎn)品如圖 7 所示。與國(guó)內(nèi)外同類型產(chǎn)品相比璃诀，這臺(tái)產(chǎn)品的開合模定位精度達(dá)到了0. 3 mm弧可，搭配了射出重量超過80 kg的注射系統(tǒng)，能夠一次性成型外形復(fù)雜劣欢、透光率高棕诵、尺寸精確、質(zhì)地緊密且可帶有金屬嵌件的超大型透明塑料零件凿将，不僅解決了國(guó)內(nèi)超大型透明塑件的成型難題校套，也創(chuàng)下了國(guó)內(nèi)超大型精密注塑機(jī)的紀(jì)錄。這臺(tái)超大型二板式注塑機(jī)的誕生實(shí)現(xiàn)了我國(guó)大型注塑機(jī)制造的關(guān)鍵技術(shù)突破牧抵，在全球同行中也處于領(lǐng)先地位笛匙。至此，我國(guó)注塑機(jī)制造廠商已研發(fā)并穩(wěn)定制備了鎖模力為 4 500~85000kN的高性價(jià)比系列機(jī)型犀变。
圖7 伊之密公司生產(chǎn)的DP8500超大型二板式注塑機(jī)［12］
2. 3 大型注塑機(jī)中無拉桿合模裝置的應(yīng)用
不同于其他類型的合模裝置妹孙，無拉桿合模裝置采用無拉桿結(jié)構(gòu)，降低了應(yīng)力分布获枝，容拇勒空間大，模板面積利用率高省店，鎖模力大小易于調(diào)節(jié)嚣崭，模板平行度保持良好，模板形變大大降低［21］懦傍。恩格爾公司率先推出了名為“e?motion”的首臺(tái)無拉桿電動(dòng)注塑機(jī)（鎖模力分別有600雹舀、1100、1650 kN）標(biāo)志著無拉桿合模裝置的發(fā)展粗俱。 在 FTP 2014 展會(huì)上該公司繼續(xù)推出了為無塵室設(shè)計(jì)的無拉桿ENGEL e?victory 160 combi型油電混合注塑機(jī)说榆，展示出了無拉桿合模裝置大幅提高生產(chǎn)效率的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)懈息，如圖8所示结啼。目前無拉桿式注塑機(jī)已從中型噸位向大型噸位領(lǐng)域發(fā)展氓侧。
圖8 恩格爾公司生產(chǎn)的搭載無拉桿式合模裝置的注塑機(jī)
3 大型注塑機(jī)的節(jié)能化進(jìn)展
注射成型裝備的節(jié)能化驮吱，即節(jié)能降耗承疲，是對(duì)二板式注塑機(jī)與全電動(dòng)注塑機(jī)的探索屑埋。以鎖模力 40000kN的注塑機(jī)為例幻林，機(jī)器長(zhǎng)度縮短25 %~30 %瑞你，整機(jī)重量減輕500 kN烛愧，堪稱符合國(guó)家產(chǎn)業(yè)政策的節(jié)能型注塑機(jī)典范［22］油宜。
3.1 大型注塑機(jī)的全電動(dòng)化研究
作為新型注塑機(jī)的全電動(dòng)注塑機(jī)表現(xiàn)出杰出的節(jié)能性［23］掂碱。不同于使用液壓油和液壓元件作為驅(qū)動(dòng)力來源的液壓注塑機(jī)，全電動(dòng)注塑機(jī)利用永磁式或感應(yīng)式交流伺服電機(jī)作動(dòng)力源慎冤，驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠副疼燥、齒形帶以及齒輪等機(jī)械元件以實(shí)現(xiàn)注射、塑化及合模等各個(gè)功能裝置單元的精密配合運(yùn)動(dòng)蚁堤。
相比于液壓式注塑機(jī)醉者，全電動(dòng)注塑機(jī)更加節(jié)省能源、清潔環(huán)保披诗，不僅能夠?qū)⒆⑺苎h(huán)中的減速運(yùn)動(dòng)階段釋放的能量轉(zhuǎn)化為電能再次利用撬即，還可以避免液壓注塑機(jī)中普遍存在的液壓油泄露和污染問題〕识樱基于伺服電機(jī)的速度控制范圍寬剥槐、響應(yīng)性好，通過料量微調(diào)能夠使得最終制品尺寸滿足公差要求宪摧，生產(chǎn)成本低粒竖、效率高，制品精度與重復(fù)性好几于。如生產(chǎn)LED 燈罩蕊苗，全電動(dòng)注塑機(jī)可比同類型的伺服液壓 注塑機(jī)節(jié)能43 % ~ 65 %［24］。全電動(dòng)注塑機(jī)與液壓注塑機(jī)的性能對(duì)比見表 2沿彭。
表2 全電動(dòng)注塑機(jī)與液壓注塑機(jī)的性能對(duì)比［24］
機(jī)型 效率 反應(yīng)時(shí)間/ms 耗電 a 耗水 a
全電動(dòng)注塑機(jī) 0. 84 30 0. 20~0. 75 0. 1~0. 2
液壓注塑機(jī) 0. 60 80 1 1
注：a 耗電與耗水均以液壓注塑機(jī)為參照岁歉。
目前全電動(dòng)注塑機(jī)在國(guó)際市場(chǎng)上的占有率大幅提升，日本企業(yè)主要發(fā)展以精密注射與高循環(huán)速度（短循環(huán)周期）技術(shù)為主的全電動(dòng)注塑機(jī)膝蜈，歐美企業(yè)則致力于研發(fā)液壓計(jì)量與電動(dòng)組合的混合式機(jī)型。我國(guó)對(duì)于全電動(dòng)式注塑機(jī)的研究仍處于初級(jí)階段熔掺。
如何實(shí)現(xiàn)全電動(dòng)注塑機(jī)的大型化是注塑機(jī)節(jié)能發(fā)展的一個(gè)關(guān)鍵課題饱搏。整體而言，目前大型全電動(dòng)注塑機(jī)的發(fā)展較緩慢置逻。若要在全電動(dòng)注塑機(jī)中實(shí)現(xiàn)較高的鎖模力推沸，合模裝置的絲桿與電機(jī)負(fù)荷均需相應(yīng)增大，1個(gè)電機(jī)無法滿足需要券坞，往往需要2 個(gè)電機(jī)來共同完成鬓催。這就要求 2 個(gè)工作電機(jī)之間實(shí)現(xiàn)高度同步，即2個(gè)電機(jī)的 啟動(dòng)恨锚、運(yùn)轉(zhuǎn)宇驾、停止必須一致，否則將導(dǎo)致機(jī)器運(yùn)行不穩(wěn)定與部件損壞猴伶。因此針對(duì)雙電機(jī)的同步控制理論仍需發(fā)展完善课舍。郭小龍等［25］基于現(xiàn)有伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)塌西， 提出了雙電機(jī)復(fù)合驅(qū)動(dòng)注射系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，如圖9所示筝尾。雖然雙伺服電機(jī)能夠順利完成指定的加捡需、減速運(yùn)動(dòng)，保持良好的信號(hào)跟隨性能筹淫，但其工作狀態(tài)仍存在拉扯導(dǎo)致同步性能下降的現(xiàn)象站辉。周長(zhǎng)攀［26］通過對(duì)雙三相永磁同步電機(jī)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模、諧波電流抑制及容錯(cuò)控制等方法進(jìn)行深入的理論研究损姜，為雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)提供充足的理論支撐饰剥。李方俊等［27］針對(duì)大慣量運(yùn)動(dòng)平臺(tái)剛度不足，無法實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)快速運(yùn)行與穩(wěn)定控制之間平衡的問題薛匪，研究并提出了基于速度曲線規(guī)劃的雙電機(jī)同步消隙控制策略捐川，有效抑制了大慣性撓性結(jié)構(gòu)的快速運(yùn)行抖動(dòng)問題，為大慣量運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的快速穩(wěn)定控制提供依據(jù)逸尖。此外古沥，由于電機(jī)控制系統(tǒng)、大功率電機(jī)定制娇跟、裝配工藝及工作慣性等對(duì)成型精度和工藝重復(fù)性的干擾岩齿，大型全電動(dòng)注塑機(jī)的研究成本高，其節(jié)能優(yōu)勢(shì)反而降低苞俘。相較于產(chǎn)品系列已覆蓋了從微型機(jī)型到鎖模力超過80000 kN機(jī)型的液壓注塑機(jī)而言盹沈，目前投入商業(yè)化應(yīng)用的全電動(dòng)注塑機(jī)的鎖模力較小，一般均在10000kN以下吃谣。
日本的宇部興產(chǎn)率先突破了機(jī)型的限制乞封，造出了首臺(tái)鎖模力可達(dá)20000 kN的全電動(dòng)成型機(jī)［28］。該設(shè)備用一臺(tái)交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)塑化岗憋，兩臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)肘桿鎖緊肃晚，三臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)注射，以及一臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)頂出仔戈。隨后关串，三菱重工研制出了世界首臺(tái)30000 kN 鎖模力的大型化電動(dòng)注塑機(jī)［29］，實(shí)現(xiàn)了世界上最快的大型塑料零件（如汽車保險(xiǎn)杠）高循環(huán)生產(chǎn)监徘，如圖 10 所示晋修。該大型設(shè)備搭載了三菱重工特有的二板式合模結(jié)構(gòu)及混合電力系統(tǒng)，并且它所配備的中心壓板能夠利用電氣控制模具內(nèi)的壓力波形凰盔，因此具有空間占用率低墓卦，生產(chǎn)節(jié)能化程度高，制品飛邊與毛刺少以及運(yùn)行成本低的優(yōu)勢(shì)户敬。
圖 9 雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)［25］
圖10 日本三菱重工公司研制的30 000 kN鎖模力大型全電動(dòng)
注塑機(jī)［29］全電動(dòng)塑機(jī)目前以智能化和超高速化作為發(fā)展的新方向趴拧。除了設(shè)備單元自動(dòng)控制溅漾、參數(shù)閉環(huán)控制、過程聯(lián)運(yùn)在線反饋控制等電子計(jì)算機(jī)技術(shù)著榴，基于控制計(jì)算機(jī)設(shè)備（PC）的開放式添履、模塊化控制技術(shù)越來越被各大制造商青睞［30］。同時(shí)脑又，虛擬實(shí)現(xiàn)技術(shù)的高速發(fā)展也為注塑機(jī)生產(chǎn)廠家實(shí)行虛擬合作設(shè)計(jì)與制造提供了空間環(huán)境暮胧，蘊(yùn)藏著巨大的經(jīng)濟(jì)效益［31］。雖然全電動(dòng)注塑機(jī)市場(chǎng)發(fā)展迅速问麸，但是國(guó)內(nèi)全電動(dòng)注塑機(jī)的主要配件（如伺服電機(jī)往衷、滾珠絲杠等）與核心技術(shù)（如專用控制系統(tǒng)等）均依賴進(jìn)口，再加上與歐美日相近甚至更高的零件成本严卖，國(guó)內(nèi)全電動(dòng)注塑機(jī)的自主研發(fā)及其大型化技術(shù)仍亟待探索席舍。
3. 2 大型注塑機(jī)中節(jié)能液壓系統(tǒng)的應(yīng)用
注塑機(jī)節(jié)能的重點(diǎn)是提高驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的能耗效率，即驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)輸出功率與執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作功率實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)調(diào)節(jié)哮笆，二者之間的能量利用率越高来颤，系統(tǒng)越節(jié)能。在傳統(tǒng)的液壓式注塑機(jī)中稠肘，液壓系統(tǒng)的能耗可高達(dá)加工耗能的70 %福铅，因此如何合理設(shè)計(jì)與選配液壓系統(tǒng)是注塑機(jī)節(jié)能化的又一關(guān)鍵課題。由于注塑機(jī)在工作循環(huán)中大部分處于部分負(fù)載或待機(jī)狀態(tài)项阴，若能實(shí)現(xiàn)液壓系統(tǒng)對(duì)壓力與流量的快速響應(yīng)和靈活調(diào)控將能有效促進(jìn)注塑機(jī)的節(jié)能化發(fā)展滑黔。目前，廣泛應(yīng)用于注塑機(jī)的液壓系統(tǒng)按照不同的控制實(shí)現(xiàn)方式可劃分為4種類型环揽，其組成及特點(diǎn)詳見表 3略荡。顯然，組合使用定量泵和變量泵能夠同時(shí)兼顧成本和節(jié)能的要求歉胶。
表3 不同類型液壓系統(tǒng)的組成及特點(diǎn)［32?39］
液壓系統(tǒng)從過去利用流量和壓力比例控制的原理發(fā)展到利用上述的變量或定量控制汛兜、變頻調(diào)速以及伺服控制技術(shù)，整機(jī)能耗降低到傳統(tǒng)機(jī)型的僅30%跨扮。采用變頻伺服技術(shù)的注塑機(jī)，能耗僅為傳統(tǒng)機(jī)型的50%验毡。工作節(jié)奏加快衡创，制品周期縮短，生產(chǎn)效率普遍提高超過24%晶通。我國(guó)的海天機(jī)械目前已成功研發(fā)了搭載第三代技術(shù)平臺(tái)ZE2300F?830h的集成伺服液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的節(jié)能型電動(dòng)注塑設(shè)備璃氢，如圖 11 所示［40］。液壓元件集成化狮辽、機(jī)電液一體化一也、控制系統(tǒng)自動(dòng)化與智能化巢寡、環(huán)保清潔、密封良好等特性將成為注塑機(jī)液壓系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)的發(fā)展目標(biāo)椰苟。
圖 11 海天公司研制的第三代全電動(dòng)注塑機(jī)生產(chǎn)單元［40］
4 大型注塑機(jī)的智能化進(jìn)展
自60年代末美國(guó)費(fèi)洛斯公司首先應(yīng)用計(jì)算機(jī)控制技術(shù)開始抑月，注塑機(jī)的控制技術(shù)高速發(fā)展，目前已經(jīng)形成了包括熔體溫度舆蝴、注射壓力谦絮、注射速度、保壓時(shí)間洁仗、冷卻過程及液壓回路參數(shù)等的多因素集成微處理器控制系統(tǒng)层皱。智能化儼然成為注塑機(jī)控制技術(shù)發(fā)展的必然追求。
智能化表現(xiàn)在多個(gè)方面：（1）高精度化赠潦。注塑機(jī)的控制系統(tǒng)需實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度叫胖、壓力、流量以及位置的高精度閉環(huán)控制她奥，以滿足對(duì)精密產(chǎn)品生產(chǎn)過程參數(shù)的嚴(yán)格控制∥驮觯現(xiàn)階段半閉環(huán)的位置控制已在國(guó)內(nèi)使用，而全閉環(huán)控制器仍需進(jìn)口方淤。（2）全自動(dòng)化钉赁。人工智能理論與實(shí)踐的豐富能夠?qū)崿F(xiàn)注塑生產(chǎn)過程的柔性化和自動(dòng)化，降低操作的人力成本携茂，提高管理的自動(dòng)化與信息化程度你踩，同時(shí)配備輔助性功能部件，如自動(dòng)加料機(jī)和國(guó)外比較廣泛使用的取件機(jī)械手等讳苦，能夠基本實(shí)現(xiàn)注塑過程的全自動(dòng)化带膜。（3）網(wǎng)絡(luò)化。通過網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)單臺(tái)注塑機(jī)的在線診斷鸳谜、下載升級(jí)等功能膝藕，或多臺(tái)注塑機(jī)的集中控制、程序調(diào)用等功能咐扭，能夠保障生產(chǎn)計(jì)劃的及時(shí)調(diào)度安 排與反饋芭挽，也大大節(jié)省了人力成本。（4）一體化與復(fù)合化蝗肪。所謂一體化袜爪，是指將從加入原料到取出制品之間的所有工序盡可能安排在同一系統(tǒng)中協(xié)調(diào)完成。而復(fù) 合化是指1臺(tái)注塑機(jī)在進(jìn)行簡(jiǎn)單調(diào)整后能夠滿足多種加工需求薛闪，減少設(shè)備調(diào)換產(chǎn)生的浪費(fèi)與誤差辛馆，提高控制精度和生產(chǎn)效率，縮短注塑工期豁延。
在物聯(lián)網(wǎng)昙篙、大數(shù)據(jù)腊状、云制造發(fā)展背景下，注塑行業(yè)智能化發(fā)展日益豐富苔可。在2014 年舉行的塑膠展上缴挖，威猛巴頓菲爾企業(yè)以“走向智能化”為主旨，通過 Smart Power 注塑機(jī)呈現(xiàn)了智能注塑與現(xiàn)代工藝之間的協(xié)作生產(chǎn)［32］硕蛹。歐洲塑料與橡膠機(jī)械制造商協(xié)會(huì)提出了一種面向工業(yè)4.0的新工業(yè)規(guī)范 EUROMAP77醇疼，幫助注塑 機(jī)與計(jì)算機(jī)或工廠的制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。恩格爾公司從智能機(jī)器法焰、智能生產(chǎn)和智能服務(wù)3 個(gè)層面開發(fā)了“Inject 4. 0”智能成型方案秧荆，如圖 12所示［33］。阿博格公司展現(xiàn)了多種工業(yè)4.0的應(yīng)用新方式埃仪，在2016年利用空間分割技術(shù)制造了個(gè)性化的“智能”行李箱標(biāo)牌乙濒，即把客戶的個(gè)人信息與從云端獲取的制造過程信息同步寫入近場(chǎng)通信（NFC）芯片，再對(duì)標(biāo)牌激光加工卵蛉。 2019年其又提出了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）輔助 售后功能颁股，如圖13所示。
圖 12 恩格爾公司展示的“Inject 4. 0”智能成型方案
圖 13 阿博格公司提出的 AR 輔助售后功能［42］
我國(guó)伊之密公司基于其精密的I-factory4. 0技術(shù)傻丝， 推出了搭載SmartClamp 智能鎖模系統(tǒng)的 UN500DP 兩板式注塑機(jī)甘有，同時(shí)集成了聚氨酯（PUR）設(shè)備和InPUR “1+2”模具技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了一步法成型帶局部高光表面的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)蓋板零件葡缰，如圖14所示亏掀。海天機(jī)械為每一臺(tái)注塑機(jī)安裝了用于搭建注塑智能系統(tǒng)的智能化模塊，同步采集注塑生產(chǎn)車間內(nèi)機(jī)器的信息后匯聚到網(wǎng)關(guān)并傳送到云端泛释，以此搭建注塑云平臺(tái)滤愕。泰瑞機(jī)械自主研發(fā)了基于 Linux 系統(tǒng)的多協(xié)議多功能控制平臺(tái)，同時(shí)使用分流集流閥簡(jiǎn)化了抱閘液壓機(jī)構(gòu)的液壓油回路怜校，打造了基于純二板注塑機(jī)的智能化升級(jí)產(chǎn)品间影。博創(chuàng)公司的工業(yè)4.0主要以其新一代大型二板智能注塑機(jī) BU900-II 為主體，強(qiáng)調(diào)交鑰匙與智能化方案茄茁，采用了國(guó)內(nèi)首創(chuàng)的電動(dòng)熔膠新技術(shù)魂贬，搭配橫走式機(jī)械手、視覺檢測(cè)裙顽、自動(dòng)稱重以及輸送等功能性輔助模塊付燥，助力生產(chǎn)線智能化，如圖15所示锦庸。力勁公司研發(fā)出1套節(jié)能表現(xiàn)優(yōu)異的二板式注塑生產(chǎn)系統(tǒng)机蔗，集成了當(dāng)前先進(jìn)的伺服節(jié)能技術(shù)蒲祈、單缸射膠技術(shù)甘萧、強(qiáng)力鎖模技術(shù)萝嘁、模具保護(hù)技術(shù)以及大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)分析功能，在生產(chǎn)大型垃圾桶扬卷、水桶等深腔容器類產(chǎn)品中表現(xiàn)優(yōu)異牙言，其產(chǎn)品如圖16所示。 震雄公司的iChen4. 0系統(tǒng)則主要關(guān)注制造流程中的監(jiān)視怪得、管理與智能化服務(wù)等咱枉。
圖 14 伊之密公司研制的UN500DP 兩板式注塑機(jī)成型汽車發(fā)動(dòng)機(jī)蓋板
圖 15 博創(chuàng)公司提出的注塑系統(tǒng)智能交鑰匙解決方案
圖 16 力勁公司生產(chǎn)的大型深腔容器產(chǎn)品
廣東工業(yè)大學(xué)［34］提出了1種基于云制造的區(qū)塊鏈技術(shù)，為系統(tǒng)提供在不信任環(huán)境中的安全性標(biāo)準(zhǔn)與協(xié)議徒恋，使存儲(chǔ)在私有云中的注塑模具設(shè)計(jì)制造知識(shí)得以安全共享蚕断，對(duì)于模具的再設(shè)計(jì)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
德國(guó)亞琛工業(yè)大學(xué)［35］利用計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)實(shí)現(xiàn)了注塑模具的自動(dòng)校正入挣，通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn) CAD模型與點(diǎn)云的數(shù)據(jù)交換亿乳，同樣豐富了工業(yè)4. 0的發(fā)展。
整體而言径筏，可靠的網(wǎng)絡(luò)控制平臺(tái)葛假、高精度的硬件配置與合理的軟件控制方案是實(shí)現(xiàn)注塑過程優(yōu)化的必要元素，注塑控制系統(tǒng)正朝著高精度化滋恬、高可靠性聊训、信息交互網(wǎng)絡(luò)化、一體化恢氯、復(fù)合化與開放化的智能化控制邁進(jìn)［30］带斑。將來的注塑工廠應(yīng)當(dāng)是設(shè)備、制造與服務(wù)多位一體的智能化注塑酿雪。
5 結(jié)語
大型注塑機(jī)作為當(dāng)代國(guó)際高端注塑機(jī)型而備受各大制造商青睞遏暴，其主流發(fā)展趨勢(shì)主要集中在輕量化、節(jié)能化與智能化3個(gè)方面指黎。輕量化主要通過采用二板式合模結(jié)構(gòu)或無拉桿合模結(jié)構(gòu)以簡(jiǎn)化設(shè)備朋凉，節(jié)省空間，提高生產(chǎn)效率醋安；節(jié)能化方面的發(fā)展一邊致力于突破全電動(dòng)注塑機(jī)大型化的瓶頸杂彭，尤其需要克服雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)的同步性問題，另一邊則針對(duì)目前市場(chǎng)占比高的液壓式注塑機(jī)吓揪，降低整機(jī)能耗中占比最高的液壓系統(tǒng)的能耗以滿足節(jié)能化需求亲怠；隨著工業(yè)4. 0的發(fā)展與電子信息技術(shù)不斷升級(jí)，注塑機(jī)控制系統(tǒng)日益更迭柠辞，智能化注塑已成為了各種類型注塑機(jī)集成化管理與改進(jìn)的新方向团秽。
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