全电动注塑机研究进展及在汽配电子行业中的应用

自1983年日本制造出第一台全电动注塑机以来，世界各大注塑机厂商不断对全电动注塑机进行改进和升级，全电动注塑机在市场上获得了越来越广泛的应用。目前国内注塑机市场还是液压式注塑机占据主导地位，然而对比国外市场，尤其是欧美、日本等发达国家，全电动注塑机以及油电复合式的注塑机是市场上的主要使用机型。随着伺服电机、滚珠丝杠等关键问题得到解决［1］ ，汽配电子、医疗等行业对精密注塑的需求日益迫切，全电动注塑机在国内市场的应用也越来越广泛。我国全电动注塑机的相关专利近年来也呈现较大的增长，2018年全电动注塑机相关专利申请数量和公开数量分别为54项和124项。全电动注塑机具有高效、精密、节能、环保的特点［2?5］ ，能达到汽车、电子、医疗等行业的要求，而传统的液压式注塑机则难以满足［6］ 。

全电动注塑机特色

与传统的液压注塑机［8?9］ 相比，全电动注塑机最显著的优点就是高效、精密、节能、环保［10?13］ 。液压注塑机由于液压油具有可压缩性以及系统中存在多次机械能与液压能之间的能量转换，导致其效率低下。并且管路、液压元件中存在较多的能量损失。而全电动注塑机由于采用电机直接驱动，能量损失小，传动精度高。全电动注塑机的精度高，生产的制品重复精度高，因此通过料量微调可更接近下公差，从而节省胶料。

表1 全电动注塑机与液压注塑机的性能对比

全电动注塑机与汽配电子行业

全电动注塑机的研究进展

精密注塑

精度高是全电动注塑机显著的优点，其关键在于采用了伺服电机和滚珠丝杠。因此，提高伺服电机的控制精度是改善全电动注塑机性能的一项有效手段。

从技术上来说，全电动注塑机实现精密注塑较为关键的一点是实现对注射速度的精密控制［14?17］ 。实际注射过程中对注射速度的需求往往跟物料的特性、产品结构特征、工作环境等因素有着错综复杂的联系，国内外学者对注射速度的优化进行了一系列研究。针对目前全电动注塑机中采用的人工智能优化PID算法、神经 络自适应PID算法［18］ 等存在的先导数据不足、缺乏经验等问题，马立军等［19］ 提出了一种变论域模糊PID闭环控制算法，并引入粒子群种群算法优化变论域参数，为改善全电动注塑机的控制系统做出了贡献，这对于汽配电子行业的精密配件的注塑成型具有重要的价值。

螺杆转速的控制与注塑制品的精度密切相关［20］ 。WU［21］ 从永磁同步电机的驱动控制着手进行相关研究和算法设计改进，实现了转速和电流的双闭环控制及永磁同步电机在浮点算法中的应用，提高了代码的效率，为全电动注塑机提供了更可靠的驱动保障，这对于汽配电子行业大批量生产制品并保证高重复精度具有重要意义。胡浪［22］ 研究分析出螺杆转速对塑化计量时间有影响，并且提出可以通过优化对螺杆转速的控制来优化塑化计量时间。同时还通过设定提前量和使用开合模电机实现调模量的方法来提高定位精度，为高表面质量的电子类部件注射成型提供了有效的理论指导方法。

合模机构的分析和优化也是实现精密注塑的一项重要手段［23?25］ 。刘晓彬 ［26］ 设计了1 300 kN全电动注塑机合模机构并对合模机构进行建模、分析和优化，完成了合模机构的自主优化设计。李波［27］ 以全电动注塑机合模机构为研究对象，对合模机构的关键零部件进行了受力分析，并以前模板的质量和变形最小化为目标对整个合模机构进行了优化。何添成［28］ 先根据负后角型肘杆合模机构的工作原理建立了合模机构运动的数学表达式，然后从3个方面对合模机构进行了优化。李辰先［29］ 对合模机构的运动和力学特性进行了分析，并将其中的变量进行了参数化处理，经过分析后得出了各变量对目标函数的影响程度，得到了约束范围内优化的机构设计参数。

智能注塑

随着工业4. 0的到来，注塑行业对智能化生产模式的需求日益增长。无论是对注塑机设备本身的改进升级还是从配套的辅助设备上来看， “智能化”已经是高端注塑机的一项重要标志，并且这一特点在全电动注塑机上的体现尤为明显。

从对全电动注塑机的改进升级上来看，智能注塑［30?32］ 的概念与精密控制密不可分。前面所提到的对注射速度的精密控制，其中就涉及了人工智能优化的控制算法。除了对注射速度的精密控制，众多学者为实现全电动注塑机智能化做了许多工作。

Veligorskyi等［33］ 基于神经 络算法提出了一种用于全电动注塑机注射螺杆和喷嘴的定位控制器，使用了三阶传递函数，并对不同的三相电机的传递函数进行了分析，利用系统辨识工具箱和实际所得实验数据在MATLAB软件中对传递函数进行辨识，训练出一个双输入参数的神经 络控制器。Li等［34］ 设计了一种稳定可靠的全电动注塑机控制系统，更好地满足了全电动注塑机的精度和稳定性要求。姜思佳等［35］ 也在目前全电动注塑机采用的算法基础上进行研究，并提出了一种蚁群控制算法，提高了全电动注塑机的响应速度。

除了对全电动注塑机设备本身的改进之外，国内外众多注塑机公司也开始注塑4. 0、智能工厂的创建和运营。如国内的泰瑞机器股份有限公司与上海智引合作创建了“智塑云”智能管理系统，将物联 +大数据+智能制造应用到注塑生产领域，为企业客户提供注塑机物联方案和注塑智能制造整体信息化方案，企业客户通过该系统可实现实时的全生产线运行状态的在线监测。随着工业4. 0的到来，注塑行业对智能化生产模式的需求日益增长。无论是对注塑机设备本身的改进升级还是从配套的辅助设备上来看， “智能化”已经是高端注塑机的一项重要标志，并且这一特点在全电动注塑机上的体现尤为明显。从对全电动注塑机的改进升级上来看，智能注塑［30?32］ 的概念与精密控制密不可分。前面所提到的对注射速度的精密控制，其中就涉及了人工智能优化的控制算法。除了对注射速度的精密控制，众多学者为实现全电动注塑机智能化做了许多工作。Veligorskyi等［33］ 基于神经 络算法提出了一种用于全电动注塑机注射螺杆和喷嘴的定位控制器，使用了三阶传递函数，并对不同的三相电机的传递函数进行了分析，利用系统辨识工具箱和实际所得实验数据在MATLAB软件中对传递函数进行辨识，训练出一个

高效注塑

全电动注塑机的响应速度快、动作精度高，各部分动作由独立的伺服电机控制，可以实现多种动作同步从而缩短注塑周期。因而广泛应用于薄壁汽配件、开关按钮等部件的注射成型。

北京化工大学邱扬法通过实验得出了导光板质量重复精度与高速注射成型工艺之间的关系，其研究结果为薄壁类及改性类材料的高速注射成型提供了参考［36］ ，这对于注射成型汽车保险杠一类的薄壁汽配件［37］ 具有重要意义。

绿色注塑

随着时代的发展和人类居住环境的变化，节能环保的概念显然已经渗透到注塑成型领域中［38?42］ 。通过自适应的驱动单元和模块化的设计，全电动注塑机可以在低能耗的前提下快速高效地运行，达到理想的效率值。

降低能耗和提高资源利用率在汽车行业显得尤为重要，Spiering等［43］ 提出了一种系统的注射成型能效评估方法，用于注射成型过程中对环境影响和能耗的评估。Elduque等［44］ 对于影响能耗的因素做了一系列研究工作，通过在不同的模具中注射成型不同的热塑性塑料制品，并对注塑过程的电能消耗进行了机上实验研究，实验结果表明注塑成型的能耗与注塑机的选型有关，并且全电动注塑机的节能效果显著。

Klaus［45］ 提出按照塑料工业 （前身为SPI）的标准，全电动注塑机是至少有三个主轴由伺服电机驱动，而其余3个轴可以由液压驱动，并且介绍了一种动能回收系统（KERS），可以将减速箱内各个轴上损耗的能量进行回收，并将其转化为电能用于控制或者加热功能。

全电动注塑机在汽配电子行业的应用

全电动注塑机精密度改善的相关工作有效拓宽了精密注塑行业的应用市场［46］ ，汽配电子行业是精密注塑成型的重要应用领域之一［47］ ，具体应用包括汽车前大灯、用于前大灯的扩散透镜等。图1展示了2019 K展上住友德玛格全电动注塑机生产的一款LSR矩阵灯。

图1 LSR矩阵灯

汽配电子行业不仅要满足大批量生产需求，而且对制品的精度和稳定性有严格的要求。全电动注塑机能保持精准的压力环控制，并且在全速射胶时能够实现快速准确的V/P切换，保证了设备精度和制品的稳定性。因此广泛应用于车灯导光条、LED套件等精密制品的生产。

图2 车灯导光条

图3 LED套件

全电动注塑机能够快速实现动模板与机械手精确的定位配合，因而广泛应用于模内电子（IME）产品的加工。

图4 汽车保险杠

［48］ 所示的模内电子产品是科思创与 TAC?TOTEK合作在汽车预定控制器上的应用。图6 ［48］ 是PolyLC公司将IMD技术应用在汽车门板上，将预制箔组分放置在模塑件后侧，更好地实现了整合调光和照明开关的功能。

图5 汽车预定控制器

图6 汽车门板

近年来人们越来越注降低重注塑机的能耗。生产如图7所示的一种LED灯罩，相比于同类型的伺服液压注塑机，全电动注塑机可节能43 %~65 %［49］ 。

图7 LED灯罩

结 语

相比液压注塑机，全电动注塑机具有高效、精密、智能、节能、环保的优势。为了实现全电动注塑机性能的进一步提升，大量专家和学者进行了一系列的研究工作。当前伺服电机和滚珠丝杠成本大大降低，合模机构设计不断优化改进，对双电机的同步控制技术越来越成熟，大型化也将成为全电动注塑机的发展方向。

汽配电子行业是全电动注塑机的一个应用领域，在传统汽车行业低迷、智能汽车兴起的大背景下，汽配电子市场对于大型一体化汽配件、精密化汽配电子产品的需求日益迫切。全电动注塑机有望在未来得到更深入、更广泛的研究和应用。

论国内塑料机械技术融合创新和产业高质量发展，从产业发展新思路、装备软硬件结合新技术、数字化转型新趋势、融合创新新模式等多个角度共同探讨！—— 2022年3月17-18日 “ 第二届中国（宁波）塑机产业创新发展高峰论坛 ” 与您不见不散！

论坛概况

主办单位：

宁波市塑料机械行业 、InfoCon|易肯资讯

承办单位：

北京化工大学英蓝实验室 、宁波易肯资讯科技有限公司

支持单位：

北京化工大学机电工程学院、海天塑机集团有限公司、宁波海太工贸有限公司、宁波甬华塑料机械制造有限公司、宁波创基机械有限公司、宁波市海达塑料机械有限公司、震雄机械（宁波）有限公司、伯乐智能装备有限公司、宁波海星机械制造有限公司、宁波弘讯科技股份有限公司、宁波海雄塑料机械有限公司、浙江金鹰塑料机械有限公司、宁波华美达机械制造有限公司、富强鑫（宁波）机器制造有限公司、宁波方力科技股份有限公司、国家塑料机械产品质量监督检验中心

论坛时间：2022年3月17-18日

论坛地点：宁波 · 国大雷迪森广场酒店

论坛规模：400人

活 动 亮 点

10+场技术前沿 告

20+家科研机构参与

100+家塑机企业大咖

400+位参会代表

论坛 规划

3月17日上午

主题一：塑机产业的发展洞察与数字化变革机遇

3月17日下午

主题二：数字科技赋能产业发展

主题三：塑机装备关键技术突破

3月17日晚上

招待晚宴

3月18日上午

私享会

（仅限特邀人员参与）

四、演讲单位，展商（部分）

海天塑机集团 北京化工大学 香港科技大学 TUV南德

利时集团 浙江大学 山东大学 上海智引

德国帝尔 倍福自动化 老狗科技 上海泛盾

老狗科技 恩格尔 鼎捷软件 益模科技

艾克森 中创智造 宁波华热 中科晟达

参会单位（部分）

塑 机 企 业

海天 京琼 台意德 福莱士 爱科 海太 亚力士 泰立克 佳通 大禹 甬华 海涌明大 博纳 海航 德耐 创基 甬江洲丞 优灿 捷泰迩 捷立 海达 双盛 艾力士 京琼 宝氏 震雄 力松 科隆阁 明震 大牌 伯乐 可司曼 弘创嘉德 瑞宝 立注 海星 宁塑 艾尔法 海达 同大 海雄 泰瑞 力信 双盛 百塑 金鹰 申达 德库玛 震飞 米拉克龙 富强鑫 力维 希格玛 金益 瑞塑 华美达 力劲 至上重工 捷豪 胜沃 恒威 海江 科力 金海 通佳 三顺 优诺姆 明广伟业 鸿正联塑 光塑 威力仕 海晶 大爱 力劲 华模 海鹰 永生 迪本 华泰 亨润 恩格 鼎丰 华亿

其 他 企 业

弘讯 威克斯 华热 加鑫 诚尚 方力 协力 大生 徳而森 大利 利拓 艾盟 艾克森 望腾 亿达 伊士通 伊顿 亚启 新星 睿能高齐 华泰 太重集团 意宁 诺我宏发 天星 润倍万灵 蓝润 天泰美克 山海 信易 博世力士乐 东亚 华崯 藦卡 康润 新会北部 合一 克萨斯 华锚 金星 帝洲 富冈 贝加莱 迅达 华业 和卓智物 莱恩广电 大工 宇劲 嘉善德诺 卡松 德垦 金亿 德玛吉 沃伏龙 欧易 久润 佳塑 拓铁 中茂 双工 锐诺 德鑫 菲仕 埃斯顿 安美 科强 金腾 丹顿 ABB 易封 欧瑞 永成 通达 固特 创源 佳震 鸿途 精劲 安德路 澳泊 荣睿鑫 锐捷 兴泰 中达电通 伯虎 星辉 德热 海特克 海菱 锦珂 伟立

科 研 机 构

北京化工大学 华南理工大学 中南大学 华中科技大学 香港科技大学 山东大学 浙江大学 中北大学 哈尔滨工业大学 华东理工大学 青岛科技大学 苏州大学 四川大学 大连理工大学 南昌大学 郑州大学 太原理工大学 上海工程技术大学 武汉理工大学 广东工业大学

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