14.11.2024
Электрические ТПА: конструктивные особенности
Эксперт компании «ПромТехнологии» рассказывает об отличиях электрических ТПА от гидравлических, используемых в электрике технологиях и областях применения, где подобные литьевые машины наиболее эффективны.
Главное отличие электрических ТПА от гидравлических — отсутствие в первых гидравлических компонентов. В классических термопластавтоматах один двигатель приводит в движение гидронасос, который обеспечивает работу всех подвижных узлов через систему РВД (рукава высокого давления) и клапанов. В электрических машинах количество электродвигателей равно числу подвижных узлов.
У разных производителей компоновка электрических машин отличается. Гибридные версии могут оснащаться встроенной гидростанцией, которая приводит в движение гидравлические знаки пресс-формы и некоторые узлы ТПА. Конкретные технические решения могут различаться в зависимости от производителя, требований заказчика, целесо-образности и экономики применения.
Типы трансмиссии
В электрических машинах применяют два типа трансмиссии для передачи крутящего момента от электродвигателя: ременную и шарико-винтовую передачу (ШВП). Зубчатые ремни работают за счет сцепления зубьев ремня с ответными зубьями на шкивах. Такая передача состоит из ведущего и ведомого шкивов. Этот тип трансмиссии популярен, поскольку обладает следующими преимуществами:
— ценовая доступность;
— компактность;
— очень низкий уровень шума;
— простота конструкции;
— легкость обслуживания;
— гарантия постоянного передаточного отношения.
Однако есть и минус: со временем ремень растягивается, а для натяжки ремня необходим специальный инструмент — тензиометр.
Шарико-винтовая передача (ШВП) эффективнее передачи «винт-гайка» за счет принципа качения. Комплект ШВП состоит из прецизионного винта и гайки с канавками, между которыми циркулируют шарики. Данный тип трансмиссии отличается следующими достоинствами:
— низкий уровень потерь, отводимых на трение;
— высокая нагрузочная способность при малых габаритах;
— высокая точность размерного поступательного перемещения;
— быстродействие;
— плавный и бесшумный ход;
— долгий срок службы.
Минусы — это прежде всего сложный и трудоемкий процесс выборки люфта (для этого необходимо заменить шарики на шарики большего диаметра), а также высокая стоимость комплекта.
Инструменты для измерения
На гидравлических машинах для измерения позиции используются аналоговые потенциометрические линейки, сигнал с которых преобразуется в цифровой вид с помощью АЦП (аналогово-цифрового преобразователя). Определение фактической позиции и скорости занимает некоторое время из-за алгоритмов фильтрации помех.
В гидравлическом ТПА с ходом впрыска 100 мм и временем впрыска 1 с при хорошем АЦП контроллер будет получать информацию о положении шнека каждые 3 мм. Однако для литья сложных изделий точности стандартного гидравлического ТПА может быть недостаточно.
В электрических ТПА для определения позиции вместо аналоговых линеек используются датчики угла поворота — энкодеры. Они устанавливаются непосредственно на валу двигателя и преобразуют угол поворота в цифровой сигнал. Сервопривод двигателя по данным энкодера контролирует скорость и позицию без участия контроллера.
Точность и повторяемость электрических станков несоизмеримо выше, чем у классических гидравлических. Если гидравлические станки допускают погрешность до 0,1 мм, то электрические — всего 0,01 мм, причем при любых скоростях.
В гидравлических ТПА давление впрыска измеряется косвенно через давление масла, проходящего через клапаны и РВД. Это дает лишь приблизительное представление о конечном давлении впрыска.
На электрических машинах за шнеком устанавливается тензодатчик, который преобразует величину деформации в удобный для измерения сигнал. Это позволяет получить точные значения давления впрыска, выдержки и противодавления. Благодаря тензодатчику и цифровому контролю позиции можно использовать справочные данные из паспорта материала без пересчета. Контроллер создает точный график давления и скорости впрыска, что значительно упрощает настройку.
Сокращение потерь
Потери энергии в гидравлических ТПА происходят вследствие следующих процессов:
— преобразования механической энергии в гидравлическую (в насосе);
— передачи гидравлической энергии через рукава высокого давления (РВД);
— регулирования гидравлической энергии гидроклапаном;
— преобразования гидравлической энергии в механическую (гидропоршень).
Эти потери связаны с трением, утечками, сопротивлением потоку и неэффективностью преобразований, что снижает общую эффективность работы машины до 45-80% — в отличие от электрических ТПА, котрые могут похвастаться уровнем эффективности 80-90%.
Полностью электрические ТПА эффективнее машин с аксиально-поршневым насосом. Если сравнивать их с современными сервоприводными гидравлическими системами, то преимущество будет в оптимальных настройках и скорости работы. Просто перенести настройки с одной машины на другую недостаточно.
В электрических ТПА используются раздельные приводы, что позволяет выполнять несколько движений одновременно. Например, во время загрузки материала можно одновременно открывать оснастку, двигать толкатель и знаки. Даже во время набора массы может начаться следующий цикл, например, закрываться пресс-форма. Это решение максимально экономит время и позволяет выпускать больше продукции за смену.
Использование энкодеров, тензодатчиков, передач шарнирно-винтового типа, серводвигателей и отсутствие гидравлического масла выводят электрические ТПА на принципиально другой уровень точности и повторяемости.
Главный фактор экономии материала — отсутствие брака. Процесс литья на электрических термопластавтоматах стабилен и не зависит от переменных факторов. У каждой пресс-формы есть диапазон корректных настроек, который может быть узким. Минимальное отклонение параметров приводит к браку, что неприемлемо для современного производства.
Высокая точность впрыска позволит избежать переуплотнения материала в пресс-форме, когда это не нужно. Это даст возможность получить значительную выгоду. Так, например, реальному производству за счет использования электрических ТПА удалось сэкономить 5,5 т материала за год, увеличить производительность и сократить потребление электроэнергии.
Электрические ТПА Tederic
Разработка электрических ТПА началась практически с самого открытия завода Tederic, так как эта китайская компания изначально позиционировала себя как производителя высокотехнологичных решений. Над разработкой конструкции электрических машин трудилась в том числе команда инженеров Tederic в Германии.
В 2023 году была выпущена перспективная и наиболее технологичная серия электрических ТПА Tederic NEO-EII. Это станки с широким диапазоном усилия смыкания: от 60 до 1400 т. Данная линейка уже отлично зарекомендовала себя на рынках Китая, стран Европы, США и России.
В базовом исполнении машины используются линейные направляющие узла впрыска и узла смыкания. Отсутствует контакт направляющей колонны и подвижной плиты. Линейные направляющие подвижной плиты обеспечивают плавное движение и высокую точность позиционирования.
Плиты создавались специально для использования в электрических ТПА, так как они должны выдерживать работу при колоссальных скоростях и предельных нагрузках. Жесткость плит была серьезно увеличена для повышения надежности.
Контроль температуры сопла осуществляется с помощью термопары штыревого типа. Термопара находится ближе к материалу, что позволяет точнее осуществлять контроль — это особенно важно для литья оптических изделий и для работы с высокотемпературными материалами.
ТПА Tederic NEO-EII оснащены 15-дюймовым сенсорным экраном. Программное обеспечение разрабатывается немецким бюро Tederic, перевод на русский язык осуществляют российские инженеры.
По сравнению с предыдущим поколением машин NEO-E инженеры смогли уменьшить габариты NEO-EII при одновременном увеличении пространства для размещения пресс-форм. Среди других улучшений можно отметить следующие:
— новое устройство разгрузки бункерной сушилки (пропускная способность увеличена с 50 кг до 100 кг);
— многообразие интерфейсов для подключения периферийного оборудования;
— быстросъемные коннекторы системы ГКС;
— продуманная конструкция для размещения дополнительного оборудования под узлом смыкания;
— увеличение мощности сервомоторов и размеров ШВП, что положительно сказалось на надежности, скорости и стабильности работы ТПА (укрупнение ШВП позволяет увеличить передающее усилие больше чем на 20%).
В новой серии NEO-EII компания Tederic добавила систему рекуперации энергии в процессе торможения, которая используется двигателем в следующем цикле. Данная система позволяет экономить дополнительно до 15% энергии по сравнению со стандартной электрической машиной и до 80% по сравнению с гидравлической машиной. Энергия торможения не рассеивается в виде тепла, в результате понижается температура внутри электрошкафа и продлевается срок службы компонентов.
Комплектация машин в базовом варианте отвечает всем требованиям точного литья, однако существует обширный список опций, которые могут получить заказчики для выполнения специализированных задач.
Приобретая Tederic NEO-EII, клиент получает производительную, экономичную машину с гарантией защиты дорогостоящей оснастки, в каком бы секторе переработки пластмасс он ни работал. Электрические ТПА — оптимальный выбор для производства упаковки, так как в данной отрасли важны скорость, точность впрыска и энергоэффективность. Электрика находит себе применение в литье изделий медицинского назначения, ведь для этого сектора очень важна чистота производства (а в электрических ТПА отсутствует масло) и высокая точность исполнения продукции.
В этой сфере производства пластавтокомпонентов требуются не совсем очевидные, на первый взгляд, подходы к литью. Например, при создании оптических изделий, линз необходим экстремально медленный впрыск, литье в приоткрытую форму с последующей компрессией и так далее, что вполне обеспечивает электрическая машина.
Tederic готов реализовать на практике и сложные проекты на базе электрических ТПА: например, компания может поставить двухплитную машину с оппозитным впрыском для многокомпонентного литья, со столом горизонтального или вертикального вращения.
Посмотреть в журнале
Михаил РУБЦОВ,
руководитель направления Tederic,
компания «ПромТехнологии»
Главное отличие электрических ТПА от гидравлических — отсутствие в первых гидравлических компонентов. В классических термопластавтоматах один двигатель приводит в движение гидронасос, который обеспечивает работу всех подвижных узлов через систему РВД (рукава высокого давления) и клапанов. В электрических машинах количество электродвигателей равно числу подвижных узлов.
У разных производителей компоновка электрических машин отличается. Гибридные версии могут оснащаться встроенной гидростанцией, которая приводит в движение гидравлические знаки пресс-формы и некоторые узлы ТПА. Конкретные технические решения могут различаться в зависимости от производителя, требований заказчика, целесо-образности и экономики применения.
Типы трансмиссии
В электрических машинах применяют два типа трансмиссии для передачи крутящего момента от электродвигателя: ременную и шарико-винтовую передачу (ШВП). Зубчатые ремни работают за счет сцепления зубьев ремня с ответными зубьями на шкивах. Такая передача состоит из ведущего и ведомого шкивов. Этот тип трансмиссии популярен, поскольку обладает следующими преимуществами:
— ценовая доступность;
— компактность;
— очень низкий уровень шума;
— простота конструкции;
— легкость обслуживания;
— гарантия постоянного передаточного отношения.
Однако есть и минус: со временем ремень растягивается, а для натяжки ремня необходим специальный инструмент — тензиометр.
Шарико-винтовая передача (ШВП) эффективнее передачи «винт-гайка» за счет принципа качения. Комплект ШВП состоит из прецизионного винта и гайки с канавками, между которыми циркулируют шарики. Данный тип трансмиссии отличается следующими достоинствами:
— низкий уровень потерь, отводимых на трение;
— высокая нагрузочная способность при малых габаритах;
— высокая точность размерного поступательного перемещения;
— быстродействие;
— плавный и бесшумный ход;
— долгий срок службы.
Минусы — это прежде всего сложный и трудоемкий процесс выборки люфта (для этого необходимо заменить шарики на шарики большего диаметра), а также высокая стоимость комплекта.
Инструменты для измерения
На гидравлических машинах для измерения позиции используются аналоговые потенциометрические линейки, сигнал с которых преобразуется в цифровой вид с помощью АЦП (аналогово-цифрового преобразователя). Определение фактической позиции и скорости занимает некоторое время из-за алгоритмов фильтрации помех.
В гидравлическом ТПА с ходом впрыска 100 мм и временем впрыска 1 с при хорошем АЦП контроллер будет получать информацию о положении шнека каждые 3 мм. Однако для литья сложных изделий точности стандартного гидравлического ТПА может быть недостаточно.
В электрических ТПА для определения позиции вместо аналоговых линеек используются датчики угла поворота — энкодеры. Они устанавливаются непосредственно на валу двигателя и преобразуют угол поворота в цифровой сигнал. Сервопривод двигателя по данным энкодера контролирует скорость и позицию без участия контроллера.
Точность и повторяемость электрических станков несоизмеримо выше, чем у классических гидравлических. Если гидравлические станки допускают погрешность до 0,1 мм, то электрические — всего 0,01 мм, причем при любых скоростях.
В гидравлических ТПА давление впрыска измеряется косвенно через давление масла, проходящего через клапаны и РВД. Это дает лишь приблизительное представление о конечном давлении впрыска.
На электрических машинах за шнеком устанавливается тензодатчик, который преобразует величину деформации в удобный для измерения сигнал. Это позволяет получить точные значения давления впрыска, выдержки и противодавления. Благодаря тензодатчику и цифровому контролю позиции можно использовать справочные данные из паспорта материала без пересчета. Контроллер создает точный график давления и скорости впрыска, что значительно упрощает настройку.
Сокращение потерь
Потери энергии в гидравлических ТПА происходят вследствие следующих процессов:
— преобразования механической энергии в гидравлическую (в насосе);
— передачи гидравлической энергии через рукава высокого давления (РВД);
— регулирования гидравлической энергии гидроклапаном;
— преобразования гидравлической энергии в механическую (гидропоршень).
Эти потери связаны с трением, утечками, сопротивлением потоку и неэффективностью преобразований, что снижает общую эффективность работы машины до 45-80% — в отличие от электрических ТПА, котрые могут похвастаться уровнем эффективности 80-90%.
Полностью электрические ТПА эффективнее машин с аксиально-поршневым насосом. Если сравнивать их с современными сервоприводными гидравлическими системами, то преимущество будет в оптимальных настройках и скорости работы. Просто перенести настройки с одной машины на другую недостаточно.
В электрических ТПА используются раздельные приводы, что позволяет выполнять несколько движений одновременно. Например, во время загрузки материала можно одновременно открывать оснастку, двигать толкатель и знаки. Даже во время набора массы может начаться следующий цикл, например, закрываться пресс-форма. Это решение максимально экономит время и позволяет выпускать больше продукции за смену.
Использование энкодеров, тензодатчиков, передач шарнирно-винтового типа, серводвигателей и отсутствие гидравлического масла выводят электрические ТПА на принципиально другой уровень точности и повторяемости.
Главный фактор экономии материала — отсутствие брака. Процесс литья на электрических термопластавтоматах стабилен и не зависит от переменных факторов. У каждой пресс-формы есть диапазон корректных настроек, который может быть узким. Минимальное отклонение параметров приводит к браку, что неприемлемо для современного производства.
Высокая точность впрыска позволит избежать переуплотнения материала в пресс-форме, когда это не нужно. Это даст возможность получить значительную выгоду. Так, например, реальному производству за счет использования электрических ТПА удалось сэкономить 5,5 т материала за год, увеличить производительность и сократить потребление электроэнергии.
Электрические ТПА Tederic
Разработка электрических ТПА началась практически с самого открытия завода Tederic, так как эта китайская компания изначально позиционировала себя как производителя высокотехнологичных решений. Над разработкой конструкции электрических машин трудилась в том числе команда инженеров Tederic в Германии.
В 2023 году была выпущена перспективная и наиболее технологичная серия электрических ТПА Tederic NEO-EII. Это станки с широким диапазоном усилия смыкания: от 60 до 1400 т. Данная линейка уже отлично зарекомендовала себя на рынках Китая, стран Европы, США и России.
В базовом исполнении машины используются линейные направляющие узла впрыска и узла смыкания. Отсутствует контакт направляющей колонны и подвижной плиты. Линейные направляющие подвижной плиты обеспечивают плавное движение и высокую точность позиционирования.
Плиты создавались специально для использования в электрических ТПА, так как они должны выдерживать работу при колоссальных скоростях и предельных нагрузках. Жесткость плит была серьезно увеличена для повышения надежности.
Контроль температуры сопла осуществляется с помощью термопары штыревого типа. Термопара находится ближе к материалу, что позволяет точнее осуществлять контроль — это особенно важно для литья оптических изделий и для работы с высокотемпературными материалами.
ТПА Tederic NEO-EII оснащены 15-дюймовым сенсорным экраном. Программное обеспечение разрабатывается немецким бюро Tederic, перевод на русский язык осуществляют российские инженеры.
По сравнению с предыдущим поколением машин NEO-E инженеры смогли уменьшить габариты NEO-EII при одновременном увеличении пространства для размещения пресс-форм. Среди других улучшений можно отметить следующие:
— новое устройство разгрузки бункерной сушилки (пропускная способность увеличена с 50 кг до 100 кг);
— многообразие интерфейсов для подключения периферийного оборудования;
— быстросъемные коннекторы системы ГКС;
— продуманная конструкция для размещения дополнительного оборудования под узлом смыкания;
— увеличение мощности сервомоторов и размеров ШВП, что положительно сказалось на надежности, скорости и стабильности работы ТПА (укрупнение ШВП позволяет увеличить передающее усилие больше чем на 20%).
В новой серии NEO-EII компания Tederic добавила систему рекуперации энергии в процессе торможения, которая используется двигателем в следующем цикле. Данная система позволяет экономить дополнительно до 15% энергии по сравнению со стандартной электрической машиной и до 80% по сравнению с гидравлической машиной. Энергия торможения не рассеивается в виде тепла, в результате понижается температура внутри электрошкафа и продлевается срок службы компонентов.
Комплектация машин в базовом варианте отвечает всем требованиям точного литья, однако существует обширный список опций, которые могут получить заказчики для выполнения специализированных задач.
Приобретая Tederic NEO-EII, клиент получает производительную, экономичную машину с гарантией защиты дорогостоящей оснастки, в каком бы секторе переработки пластмасс он ни работал. Электрические ТПА — оптимальный выбор для производства упаковки, так как в данной отрасли важны скорость, точность впрыска и энергоэффективность. Электрика находит себе применение в литье изделий медицинского назначения, ведь для этого сектора очень важна чистота производства (а в электрических ТПА отсутствует масло) и высокая точность исполнения продукции.
В этой сфере производства пластавтокомпонентов требуются не совсем очевидные, на первый взгляд, подходы к литью. Например, при создании оптических изделий, линз необходим экстремально медленный впрыск, литье в приоткрытую форму с последующей компрессией и так далее, что вполне обеспечивает электрическая машина.
Tederic готов реализовать на практике и сложные проекты на базе электрических ТПА: например, компания может поставить двухплитную машину с оппозитным впрыском для многокомпонентного литья, со столом горизонтального или вертикального вращения.
Посмотреть в журнале