擠出成型是塑料成型加工的重要成型方法之一。大部分熱塑性塑料都能用此法進(jìn)行加工，與其他成型方法相比擠出成型有下述特點：生產(chǎn)過程是連續(xù)的，生產(chǎn)效率高，應(yīng)用范圍廣，可生產(chǎn)管材、棒材、板材、薄膜、單絲、電線、電纜、異型材及中空制品等；投資少，收效快。擠出成型的產(chǎn)品可廣泛地應(yīng)用于人們?nèi)粘Ｉ钜约稗r(nóng)業(yè)、建筑業(yè)、石油化工、機(jī)械制造、國防等工業(yè)部門。

但目前在我國使用的擠出機(jī),大部分是采用傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大、能耗高,成為名副其實的“電老虎”，隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展,高效、節(jié)能，可持續(xù)發(fā)展,已成為各行各業(yè)關(guān)注的重點。

我們近期開發(fā)的低速大扭矩交流伺服電機(jī)驅(qū)動單螺桿電腦矢量稱重型擠出機(jī)，采用了當(dāng)今世界的許多先進(jìn)技術(shù),實現(xiàn)了精密擠出和節(jié)能，該項目已獲國家專利(專利號:ZL2008 2 0236920.3),下邊就其與傳統(tǒng)擠出機(jī)的比較及主要特點作簡要介紹。

傳統(tǒng)的單螺桿擠出裝置

傳統(tǒng)的單螺桿擠出裝置主要由1、上料部分，2、傳動部分，3、塑化、擠出部分，4、電氣控制（包括加熱）部分，5、冷卻部分等五部分組成，其結(jié)構(gòu)見圖1。 
 
圖1 傳統(tǒng)單螺桿擠出機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

傳統(tǒng)的單螺桿擠出機(jī)的主要結(jié)構(gòu)及存在的主要問題

上料部分

主要由料斗及裝在料斗內(nèi)的上、下兩個料位計組成，原料主要由真空上料機(jī)構(gòu)或人工加入料斗，由原料依靠自重進(jìn)入料筒。當(dāng)原料高于上料位計時，發(fā)出料滿信號，停止加料；當(dāng)原料低于下料位計時，發(fā)出缺料信號，開始加料。該機(jī)構(gòu)的主要問題是，不能精確計算料重。

傳動部分

主要由電機(jī)（交流或直流）+ 聯(lián)軸器 +減速箱+（螺桿）組成；它的作用是給螺桿提供所需的扭矩和轉(zhuǎn)速。該傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點及存在的問題：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積大，安裝維修保養(yǎng)不方便。

減速箱噪音大，易漏油。采用普通交流電機(jī)難以實現(xiàn)無級變速，無法滿足截面形狀復(fù)雜、工藝要求高的擠出成型塑料制品的成型要求。經(jīng)多級傳動，效率低能耗高。

塑化、擠出部分

主要由料筒和螺桿組成，塑料通過擠壓系統(tǒng)將塑料加熱，使之呈黏流狀態(tài)．塑化成均勻的熔體，并在這一過程中建立一定的壓力，被螺桿連續(xù)地定壓、定量、定溫地擠出機(jī)頭。

傳統(tǒng)螺桿結(jié)構(gòu)由加料段+壓縮（融熔）段+計量（均化）段三段組成,比功率、比流量偏大，螺桿轉(zhuǎn)速低，能耗高，產(chǎn)量低。

加熱系統(tǒng)

主要由溫控器和加熱圈組成。它的作用是通過對料筒(螺桿)進(jìn)行加熱，保證成型過程在工藝要求的溫度范圍內(nèi)完成。傳統(tǒng)的加熱方式，是由電阻絲繞制加熱圈通電加熱方法，其存在的主要問題是：

熱損失大，能耗高：圈的內(nèi)外雙面發(fā)熱，其內(nèi)面（緊貼料筒部分）的熱傳導(dǎo)到料筒上，而外面的熱量大部分散失到空氣中，造成電能的損失浪費(fèi)。

環(huán)境溫度上升：由于熱量大量散失，周圍環(huán)境溫度升高，尤其是夏季對生產(chǎn)環(huán)境影響很大，現(xiàn)場工作溫度有的超過了45℃，有些企業(yè)不得不采用空調(diào)降低溫度，這又造成能源的二次浪費(fèi)。

使用壽命短、維修量大：由于采用電阻絲發(fā)熱，其加熱溫度高達(dá)300℃左右，電阻絲容易因高溫老化而燒斷，常用電熱圈使用壽命約在半年左右，因此，維修的工作量相對較大。

電氣控制系統(tǒng)

大部分由傳統(tǒng)的電器元件組成，對加料、料筒溫度、螺桿轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，由于采用傳統(tǒng)的交流接觸器、繼電器控制，響應(yīng)速度慢，故障率高。

冷卻系統(tǒng)

是一個套在料筒上的冷卻水套，對加料口的料筒部分進(jìn)行冷卻，防止原料過早融化，出現(xiàn)“架橋”現(xiàn)象，堵塞加料口。

低速大扭矩交流伺服電機(jī)驅(qū)動單螺桿擠出裝置的特點及創(chuàng)新

新型低速大扭矩交流伺服電機(jī)驅(qū)動單螺桿擠出機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖2。 
 
圖2 低速大扭矩交流伺服電機(jī)驅(qū)動的單螺桿擠出機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

結(jié)構(gòu)特點及技術(shù)創(chuàng)新點

傳動系統(tǒng) ：采用國際最新技術(shù)（低速大扭矩交流伺服電機(jī)+ 交流伺服控制器）+螺桿。

螺桿驅(qū)動電機(jī)采用德國包米勒公司最新推出的DST（150）-400系列低速大扭矩交流伺服電機(jī)，其轉(zhuǎn)速范圍為100-300轉(zhuǎn)/每分鐘,其扭距范圍為110-14752Nm，（涵蓋了11KW-75KW的交流驅(qū)動電機(jī)，螺桿直徑Φ35-120規(guī)格的擠出機(jī)），由于其具有低轉(zhuǎn)速、大扭矩的特性，而且交流伺服電機(jī)前端已裝有與主軸連為一體的推力軸承箱（俗稱推力包），因此，可不需要減速箱，直接與螺桿相連。

其優(yōu)點為 ：結(jié)構(gòu)簡單，體積小，安裝維修保養(yǎng)方便。無減速箱，噪音大大減少，無漏油，工作環(huán)境改善。采用PLC+伺服控制器控制，實現(xiàn)無級變速，擠出速度和擠出量的精確控制，滿足截面形狀復(fù)雜、工藝要求高的擠出成型塑料制品的成型要求。傳動效率高，能耗大大降低。

塑化、擠出系統(tǒng) ：根據(jù)塑料原料、制品結(jié)構(gòu)、形狀、成型方法的不同，分別選用屏障型、分流型、分離型、變流道、溝槽型、組合型等新型螺桿和料筒，提高塑化能力和產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)量。

加熱系統(tǒng) ：采用國際最新技術(shù)：電磁感應(yīng)加熱圈加熱技術(shù)。

電磁感應(yīng)加熱原理是：通過先進(jìn)的控制系統(tǒng)發(fā)出高頻至感應(yīng)線圈、在被加熱的金屬料筒內(nèi)部產(chǎn)生高頻磁場、使被加熱的金屬料筒內(nèi)部產(chǎn)生高頻電子碰撞，從而使金屬料筒自身快速發(fā)熱、迅速塑化料筒內(nèi)的塑料；由于是高頻感應(yīng)加熱，高頻線圈不和被加熱金屬直接接觸，所以系統(tǒng)本身熱輻射溫度接近環(huán)境溫度，只有50℃以下，人體完全可以觸摸。它以熱效高、發(fā)熱快、省電節(jié)能、安全可靠等諸多優(yōu)點、不但可以完全代替現(xiàn)有傳統(tǒng)的電阻絲加熱方式，還比傳統(tǒng)加熱方式有著諸多的明顯優(yōu)點：

大幅度節(jié)約電能

經(jīng)過有關(guān)部門嚴(yán)格的實驗測試，電磁感應(yīng)加熱相比原電阻絲加熱圈節(jié)電效果都在30% 以上。

環(huán)保效果好，保證了設(shè)備及員工的安全

使用電磁感應(yīng)加熱系統(tǒng)后、表面的溫度在50℃以下，人體完全可以安全觸摸；避免傳統(tǒng)電阻發(fā)熱圈加熱方式輻射到空氣中的能量，可顯著降低環(huán)境溫度。完全避免傳統(tǒng)加熱方式帶來的因表面高溫而造成的燒傷、燙傷事故發(fā)生；更杜絕了因表面高溫引燃附作物發(fā)生不安全事故。由于表面溫度低，它不會燒焦吸附在它表面的異物：如塑料顆粒、油污、灰塵等，不會產(chǎn)生有害氣體，改善了車間的空氣環(huán)境，保證了設(shè)備及員工的安全。

加熱迅速，溫度控制實時準(zhǔn)確，改善了產(chǎn)品的質(zhì)量和提高了生產(chǎn)效率

傳統(tǒng)的電阻絲加熱原理是電阻絲本身產(chǎn)生高溫，然后熱量再慢慢的從料筒外表面高溫區(qū)傳導(dǎo)到料筒的中心低溫區(qū)，速度緩慢，并且位于料筒中心的塑料實際溫度和料筒表面溫度有較大誤差，當(dāng)塑料溫度達(dá)到要求時雖然電阻絲停止加熱，由于存在溫度誤差，料筒表面仍然繼續(xù)向料筒內(nèi)部傳導(dǎo)熱量，導(dǎo)致溫度控制不準(zhǔn)確，既影響了擠出成型質(zhì)量也降低了生產(chǎn)效率；而電磁感應(yīng)加熱系統(tǒng)的工作原理是高頻感應(yīng)，被加熱的金屬是通過自身發(fā)熱，熱能是由料筒金屬整體產(chǎn)生，溫度控制實時準(zhǔn)確，料筒內(nèi)外溫度一致，明顯改善了產(chǎn)品的質(zhì)量和提高了生產(chǎn)效率。

使用壽命長，降低維護(hù)成本

塑機(jī)傳統(tǒng)電阻絲在加熱位置遇到油污、和料筒金屬熱傳導(dǎo)不良、有漏膠現(xiàn)象出現(xiàn)等環(huán)境中將嚴(yán)重限制它的使用和降低它的壽命，由于電磁感應(yīng)加熱系統(tǒng)本身是在低溫下工作的，所以它不會把吸附在自身表面的油污、塑料顆粒等加熱碳化，故不會產(chǎn)生漏電、短路等故障；電磁感應(yīng)加熱系統(tǒng)的工作原理是高頻感應(yīng)，它不同于接觸傳導(dǎo)加熱原理，所以它不需要和被感應(yīng)金屬的直接接觸，故不存在傳導(dǎo)不良的問題。 電磁感應(yīng)加熱圈連續(xù)運(yùn)行溫度只有100℃左右，不存在加熱圈更換的問題。相對于原電阻絲加熱減少了二次投入，降低維護(hù)成本。

低速大扭矩交流伺服電機(jī)驅(qū)動單螺桿擠出機(jī)控制系統(tǒng)及控制原理

控制系統(tǒng)硬件組成

控制系統(tǒng)主要由上料控制系統(tǒng)、低速大扭矩交流伺服電機(jī)、電氣控制柜（包括電源、交流伺服電機(jī)啟動系統(tǒng)、交流伺服控制器、PLC控制器、溫控模塊、彩色觸摸屏、各類按鈕、開關(guān)、接觸器等電氣元件）。系統(tǒng)的整體控制原理，如圖3所示。 
 
圖3 整機(jī)PLC控制原理

控制范圍、電氣元件主要規(guī)格及技術(shù)參數(shù)

上料控制系統(tǒng)

PLC根據(jù)擠出量確定加料的間隔時間及每次加料的重量。由電腦根據(jù)各種原料按配方的比例,進(jìn)行矢量配重,得到加料信號后,進(jìn)料開關(guān)打開,原料進(jìn)入料斗,并由攪拌器混合均勻；完成每次加料的重量后, PLC給出信號，進(jìn)料開關(guān)自動關(guān)閉。

缺料報警：當(dāng)物料低于缺料限位計時，發(fā)出報警訊號。

低速大扭矩交流伺服電機(jī)

規(guī)格型號：德國包米勒公司推出的DST（150）-400系列低速大扭矩交流伺服電機(jī)，其轉(zhuǎn)速范圍為100-300轉(zhuǎn)/每分鐘,其扭距范圍為110-14752Nm，（涵蓋了11KW-75KW的交流驅(qū)動電機(jī)，螺桿直徑Φ35-120規(guī)格的擠出機(jī)）。

交流伺服控制器

規(guī)格型號：德國西門子1P20系列交流伺服控制器。

主要技術(shù)參數(shù)：額定電壓AC380V，伺服控制0-650HZ。

PLC控制器

規(guī)格型號：德國西門子S7-200可編程序控制器CPU224XP CN。

主要技術(shù)參數(shù)：額定電壓DC24V，額定功耗8W。 
數(shù)字量輸入： 14（可擴(kuò)展至128點）； 
數(shù)字量輸出： 10（可擴(kuò)展至128點）； 
模擬量輸入： 2（可擴(kuò)展至32點）； 
模擬量輸出： 1（可擴(kuò)展至32點）。

彩色觸摸屏

規(guī)格型號：德國西門子TP270 10.4”彩色STN液晶顯示屏，主要技術(shù)參數(shù)：640X480，256色。

溫控模塊

英國歐陸MINI18智能溫控模塊，英國彩色STN液晶顯示屏。