CN201325165Y - 低速大扭矩交流伺服电机驱动的单螺杆挤出机 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种低速大扭矩交流伺服电机驱动的单螺杆挤出机，包括机架，机架上装交流伺服控制器控制的低速大扭矩交流伺服电机，低速大扭矩交流伺服电机通过联轴器与装在料筒中的螺杆连接，料筒的进料端与料斗连接，料筒上装电磁感应加热圈。本实用新型结构合理，工作效果好。

Description

低速大扭矩交流伺服电机驱动的单螺杆挤出机

技术领域：

本实用新型涉及一种塑料挤出成型机械。

背景技术：

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，因产品都是连续的；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。用挤出成型生产的产品广泛地应用于人民生活以及农业、建筑业、石油化工、机械制造、国防等工业部门。

挤出成型在挤出机上进行，挤出机是塑料成型加工机械的重要机台之一。

塑料挤出主要工作原理：

将高分子聚合物物料及所需的添加填充料、增塑剂、热稳定剂及其他塑料助剂等，经混合、搅拌、混合、干燥，吸入料斗，进入料筒螺杆。塑料由料斗进入料筒后，随着螺杆的旋转而被逐渐推向机头方向。在加料段，螺槽为松散的固体粒子(或粉末)所充满.物料开始被压实；当物料进入压缩段后，由于螺槽逐渐变浅，及滤网、分流板和机头的阻力.在塑料中形成了很高的压力.把物料压得很密实，同时，在料筒外热和螺杆、料筒对物料的混合、剪切作用所产生的内摩擦热的作用下，物料的温度逐渐升高。大约在压缩段的三分之一处，开始熔融。随着物料的向前输送，熔融的物料量逐渐增多，大约在压缩段的结束处，全部物料熔融而转变为黏流态；经过均化段的均化作用，熔融物料的压力、温度就比较均匀了；最后螺杆将熔融物料定量、定温、定压地挤入机头。获得一定截面的几何形状和尺寸，再经过冷却定型和其他工序，得到成型好的制品。

传统的单螺杆挤出装置的结构特点及存在的问题：

1、传动系统：电机(交流或直流)+联轴器+减速箱+螺杆；它的怍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：

1)、结构复杂，体积大，安装维修保养不方便。

2)、减速箱噪音大，易漏油。

3)、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。

4)、经多级传动，效率低能耗高。

2、塑化、挤出系统：主要由料筒和螺杆组成，塑料通过挤压系统将塑料加热，使之呈黏流状案态.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。

传统结构：传动的加料段+压缩(融熔)段+计量(均化)段三段式螺杆、料筒设计，比功率、比流量偏大，能耗高，产量低。

3、加热系统：主要由温控器和加热圈组成。它的作用是通过对料简(或螺杆)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：

1)、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

2)、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，现场工作温度都超过了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。

3)、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。

4、电气控制系统，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，度响应速度慢，故障率高。

5、冷却系统：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。

发明内容：

本实用新型的目的在于提供一种结构合理，工作效果好的低速大扭矩交流伺服电机驱动的单螺杆挤出机。

本实用新型的技术解决方案是：

一种低速大扭矩交流伺服电机驱动的单螺杆挤出机，其特征是：包括机架，机架上装交流伺服控制器控制的低速大扭矩交流伺服电机，低速大扭矩交流伺服电机通过联轴器与装在料筒中的螺杆连接，料筒的进料端与料斗连接，料筒上装电磁感应加热圈。

本实用新型结构合理，工作效果好。结构特点及技术创新点：

1)、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)+联轴器+螺杆，与传统传动系统相比，省去了减速箱，其优点为：

(1)、结构简单，体积小，安装维修保养方便。

(2)、无减速箱，噪音大大减少，无漏油，工作环境改善。

(3)、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。

(4)、传动效率高，能耗大大降低。

2)、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。

3)加热系统：采用国际最新技术：电磁感应加热圈加热技术。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：

①、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，相对不同的原料、生产不同的产品，节电效果有所变化。但在目前已使用的产品中节电效率最大可达75％。

②、环保效果好，保证了设备及员工的安全。

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、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。

④、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。

附图说明：

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。

图1是本实用新型一个实施例的结构示图。

图2是控制系统原理图。

图3是系统控制程序图。

具体实施方式：

一种低速大扭矩交流伺服电机驱动的单螺杆挤出机，包括机架1，机架上装交流伺服控制器控制的低速大扭矩交流伺服电机2，低速大扭矩交流伺服电机通过联轴器3与装在料筒4中的螺杆5连接，料筒的进料端与料斗6连接，料筒上装电磁感应加热圈7。图中还有常规冷却水套8及上、下料位计9、10、控制系统柜11。

低速大扭矩交流伺服电机驱动单螺杆挤出机的控制系统及控制原理：

(1)、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2所示：

(2)、控制范围、电气元件主要规格及技术参数：

①、上料控制系统：

上料位限位计：当物料超过上限位计时，发出讯号，使供料机构停止进料。

下料位限位计：当物料低于下限位计时，发出讯号，使供料机构开始进料。

缺料报警：当物料低于缺料限位计时，发出报警讯号。

②、低速大扭矩交流伺服电机：

规格型号：德国西门子1PH7系列低速大扭矩交流异步伺服电机：

主要技术参数：额定电压：AC380V，频率：0-650HZ，；

              额定转速：400r/min，额定功率：3.7-385KW；

              额定转矩：22-2480Nm。

③、交流伺服控制器：

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，；

额定功率：1.6-600KW；

适合于挤出螺杆直径：Φ30-200mm，螺杆转速：20-200r/min；

挤出量：20--1000Kg/h，驱动电机功率：7.5--250kW。

④、PLC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；

数字量输入：14，(可扩展至128点)；

数字量输出：10，(可扩展至128点)；

模拟量输入：2，(可扩展至32点)；

模拟量输出：1，(可扩展至32点)；版

⑤、彩色触摸屏、

规格型号：德国西门子TP27010.4”彩色STN液晶显示屏，

主要技术参数：640X480，256色，

⑥、温控模块：

规格型号：英国彩色STN液晶显示屏，

主要技术参数：640X480，256色，

②、整机的工作程序：如图3所示：

(4)、系统的各部分工作原理：

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，使操作人员操作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。

①、供料系统，是由料位计来传输信号控制的，当缺料时料位计传输信号，系统开始供料，供料满后料位计信号中断，供料停止。

②、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±℃。其工作原理是在各区加热段设定一个温度值如200℃，由热电偶测得数据。加热时随温度的逐渐升高，在接近200℃时，其加热的频率逐渐降低，加热时间也逐渐缩短，当≥200℃时，该区电磁加热圈断电，开始冷却，当≤200℃又开始加热，周而复始，最终达到平衡。

伺服电机采用国际最新技术德国西门子1PH7系列低速大扭矩交流异步伺服电机，具有宽调速比，恒转矩输出，二倍过载能力，具有400rpm的低转速，大扭矩，2500p/r的码盘反馈脉冲精度。

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。驱动单元具备标准位置控制与速度控制，可接收脉冲信号及模拟信号，脉冲信号兼容脉冲方向信号与正反脉冲信号两种。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。实现无级变速，挤出速度和挤出量的精确控制，可满足截面形状复杂、工艺要求高的挤出成型塑料制品的成型要求。设备的操作运行：

1、开机：

1)、合上电源及接通PLC控制电源。

2)、在负责人机对话交流彩色液晶触摸屏上，按五幅工作画面的要求，(包括加料情况，温度设定控制，螺杆转速、扭矩、熔体压力等)，逐一设定起始工作状态及所需的控制参数。

3)、启动上料设备，将原料加入料斗。

4)、启动电磁加热系统，对料筒进行加热，在加热温度到达设定温度后，

仍需保温10-20分钟，使各区温度基本稳定在设定温度范围内。

5)、起动低速大扭矩交流伺服电机，并逐步提高螺杆转速至所需值。

6)、调整和修正各参数，使设备运行在正常状态。

2、停机：

1)、停止上料。

2)、逐步降低低速大扭矩交流伺服电机转速，让螺杆转速逐步降低至零。

3)、关闭电磁加热系统，停止对料筒进行加热。

4)、关闭PLC控制电源及断开主电源。

Claims (1)

1、一种低速大扭矩交流伺服电机驱动的单螺杆挤出机，其特征是：包括机架，机架上装交流伺服控制器控制的低速大扭矩交流伺服电机，低速大扭矩交流伺服电机通过联轴器与装在料筒中的螺杆连接，料筒的进料端与料斗连接，料筒上装电磁感应加热圈。

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