摘要：全电动注塑机的高端注塑工程的科技创新的技术水平表征了一个国家现代工业技术水平。全电动注塑机是现代的伺服动力驱动与控制技术为一体化的高科技设备，服务于高端注塑工程的可持续发展理念，科技创新其潜在的功能和性能达到推动高端注塑工程的发展才能体现其高科技的价值。提出了全电动注塑机基于服务于高端注塑工程理念的科技创新发展观的内涵，研究了基于服务于高端注塑工程的绿色化技术、设计理论、控制技术、注塑工程技术等方面全电动注塑机科技创新进展及研发要点，分析了高端注塑工程全套方案科技创新的关键技术，指出服务于“现实需求”和“潜在需求”的高端注塑工程是全电动注塑机的可持续发展的核心战略。文中针对全电动注塑机科技创新中存在的实际问题，介绍了作者富有创新的设计理论及科学的实用技术，可供有关专业人士参考。

全电动注塑机是现代的伺服动力驱动与控制技术为一体化的高科技设备。全电动注塑机的发展与现代工业革命紧密联为一体。全电动注塑机的高端注塑工程的科技创新的技术水平表征了一个国家现代工业技术水平。服务于医疗行业、光学部件、电子行业等高端注塑工程的科技创新是全电动注塑机可持续发展的核心策略。本文论述了全电动注塑机基于服务型制造理念的科技创新发展观，从以下若干方面研究了全电动注塑机科技创新进展及研发要点：技术设计绿色化；设计理论自主化；控制技术创新化；高端注塑工程技术拓展化；研发队伍科学化。文中针对科技创新中存在的实际问题，列举了较多的科学的实用技术的理论及实践，可供有关专业人士参考。

1全电动注塑机基于服务于高端注塑工程理念的科技创新发展观的研究^[1]

服务于高端注塑工程是全电动注塑机的“纲”，科技创新是全电动注塑机的“目”。

全电动注塑机在服务于高端注塑工程中发展，在科技创新高端注塑工程中拓展。日本注塑机制造商从上世纪八十年代初以服务于现代高科技工业对高端注塑工程为目标，率先开发并实现全电动注塑机的商品化，经过二十多年的科技创新，实现了高端注塑工程的“现实需求”，并持续开发高端注塑工程的“潜在需求”，成就了医疗、电子、电气、通讯、航空航天、家电等现代工业的革命，同时促进了全电动注塑机的科技创新。日本不但在国内基本上取代了液压注塑机，而且几乎占领了北美、中国全电动注塑机的市场份额，并继续巩固和发展市场份额。

全电动注塑机的特征说明唯有服务于高端注塑工程才能持续发展。伺服电机动力驱动的全电动注塑机，科技创新有其本身的特点和特征。全电动注塑机在价格上无法同液压驱动注塑机竞争，只有服务于高端注塑工程上才能体现其应用和发展的价值，在服务中科技创新，在科技创新中发展注塑工程技术而持续。全电动注塑机伺服电机驱动的的成型加工运动性能不受外界干扰和互相制约，具备高速动态响应性能和精密的定位等液压驱动所不能达到的动力学和运动学的性能。伺服驱动的这些性能正是高附加值高端注塑工程所追求，也是全电动注塑机实现其在高端注塑工程领域内价值高端性的持续科学发展的体现。全电动注塑机成型加工科技创新目的是实现传统液压注塑机无法实现的注塑成型加工技术，如它的成型性能等同于普通注塑机，仅为“节能”而开发，必然会走向死路。

全电动注塑机高端注塑工程的科技创新就是把现代工业技术与高端注塑工程相结合，拓展高端注塑工程技术。以现代能源技术、材料技术、生物技术、污染治理技术、资源回收技术、环境监测技术、清洁生产技术、网络技术、数字技术等科学技术为指导，充分发挥和挖掘全电动注塑机的成型加工能力，实现液压驱动注塑机无法实现的高端注塑工程，推动工业技术的持续发展，创造高的社会效益带来高的经济效益。

2 全电动注塑机技术设计绿色化科技创新进展及研发要点^[2]

全电动注塑机的技术设计绿色化科技创新就是把伺服动力驱动系统的设计与高端注塑工程技术相结合，开发“现实需求”及“潜在需求”的高端注塑工程的成型加工技术。

全电动注塑机技术设计绿色化基于服务于高端注塑工程“潜在需求”为目的，在设计阶段纳入设备在整个生命周期内(设计、制造、运输、销售、使用或消费、废弃处理)产品的生态环境属性(自然资源的利用、对环境和人的影响、可拆卸性、可回收性、可重复利用性等)，从设备及其系统、部件，直至高端注塑件的设计，实施从方案的确定、设计的方法、材料的选择、加工型式及工艺、回收利用及处理等生命周期的各个环节，围绕绿色材料、绿色结构、绿色制造、绿色成型加工、绿色能耗、绿色包装、绿色再制造、绿色维修、绿色服务等全套绿色方案进行发展和研发，预先防止设备对生态、环境、能耗、资源、清洁等产生负作用，实现设备与人、自然环境、社会环境的和谐关系，建立“低消耗、高收益、低污染、高效益”的良性循环发展模式。

    本节研究了以下技术设计绿色化科技创新进展及研发要点：执行机构；污染设计；设备清洁化；资源节约型的模块化制造；能量回收利用技术。对于注射执行机构如何实现超高注射速度、超高负荷，提出了多组滚珠丝杠副传动的创新方案，并做了较为详细的理论分析并提出实施的技术措施。

2.1 全电动注塑机驱动机构的绿色化技术的科技创新进展及研发要点

根据伺服电机动力驱动的特点及成型加工的性能，创新执行机构，提高注塑成型加工的性能，扩展注塑成型加工领域。

全电动注塑机执行机构主要包括塑化注射和合模两大部分。

目前存在的问题是，对全电动注塑机的执行机构的特有功能和需达到的性能两个方面的认识不足，纯粹移植传统的液压驱动的执行机构，达不到高端注塑工程的需求。

全电动注塑机驱动机构的研发要点：机构达到绿色化精密注塑成型的功能和性能。

2.1.1 塑化注射驱动机构绿色化技术的科技创新进展及研发要点

    塑化注射机构包括注射和塑化两个部分，科技创新研发要点：提高系统的动态响应性能，实现高速注射；创新结构，提高精密注塑水准。

2.1.1.1注射机构绿色化技术的科技进展及研发要点

全电动注塑机注射机构根据注射性能要求采用两种伺服电机驱动型式：一种是采用旋转伺服电机驱动，可以很容易产生高速度和高的充模压力；另一种采用直线伺服电机驱动，可以实现超高速度注塑。

注塑机构绿色化技术的科技创新研发要点：高速、超高速注射机构；高负荷、超高负荷注射机构。

2.1.1.1.1 旋转伺服电机驱动的高速注塑机构

全电动注塑机的注射装置所采用的旋转伺服电机驱动有两种结构：

普通的旋转式伺服电机传动同步带机构驱动螺杆。这种传动方式已绝大多数精密注塑工程的要求。使用宽同步带有利于消除偏心力及抑制张力的变化。同步带传动的碎屑微粒会给无尘室带来污染；如在安装过程中没有控制好同步带的张力，系统的动态响应性能和传动效率会受到严重影响。

高速化注塑结构的发展。日精树脂工业株式会社全电动薄壁成形专用机，配备低惯性高扭矩伺服马达和新开发的薄壁成形用超高速射出机构，在射出速度达到同级最高水准的1000mm/s的同时，使射出加速度提高到以前设备的3.5倍，还实现了使射出压力达到295MPa的高压化。东芝机械制造有限公司推出了EC—SX全电动注塑机采用伺服电机直接驱动螺杆，注射速度可达1100 mm／s。Fanuc 2000il00B 超高速注塑机，通过在射出轴配备超高输出伺服电机，直连式驱动超高速注注射速度可达1000 mm／s。

2.1.1.1.2直线伺服电机驱动的超高速注射机构 

旋转伺服电机受到结构、轴承性能等的限制，动态性能和转速受到限制，所以注射速度受到约束，超高注射速度很难达到2mm/s。

直线伺服电机能把输入电信号(又称为控制信号)变换成位移或速度输出，改变控制信号就可改变动子的直线位移量、位移方向和速度，从而改变直线伺服电机的位移量、位移方向和速度。直线伺服电机驱动具有非凡的高性能及极高的刚性，消除了所有机械传动装置例如滚珠/导向丝杠、同皮带/齿轮等传动机构，还依次消除了由机械传动的中间环节带来的间隙、柔度以及与之相关的如磨损等环境污染等其它问题。峰值加速度可达到10G（G为重力加速度，以下同）以上、速度可达到4m/s、分辨率可实现0.01μm、零接触的静音运行、高定位精度、更高的效率、紧凑的机械装配尺寸、平滑无误的运动、零维护和安静的运行。直线电机驱动注射可提高动态响应特性，实现2mm/s以上超高注射速度。

日本住友公司应用SUMITOMO开发直线伺服电机驱动机构，移模速度达到1200mm/s、顶针速度达到330mm/s。目前日本部分厂商和欧洲大部分厂商均用此种型式。国内还无此种注射机构。

日本Fanuc公司运用了磁悬浮列车技术，注射速度可达2000mm／s，加速度可达17 G。

2.1.1.2 注射机构滚珠丝杆副驱动形式

全电动注塑机注射机构驱动注射螺杆的滚珠丝杆副驱动形式取决于滚珠丝杠副科技创新及其注射功能。注射机构滚珠丝杆副驱动形式分为两种：单滚珠丝杆副驱动注射机构；多滚珠丝杆副同步驱动注射机构。

2.1.1.2.1 单组滚珠丝杆副传动注射机构

     单组滚珠丝杆副传动注射机构是常见的形式，运用于常规注射性能要求的中小型注塑机。由于受到滚珠丝杆副5m/s的线速度限制，以及注射重负荷的约束，难以达到500mm/s以上的超高注射速度，应用受到一定约束。

2.1.1.2.2  多组滚珠丝杆副同步驱动注射机构

超高注射速度及超高注射压力是高端精密注塑的注射参数的特征。多组滚珠丝杆副同步传动发挥其特有的功能，实现单组滚珠丝杆副传动无法实现的超高注射速度及超高注射压力，拓展了全电动注塑机的高端注塑工程的服务能力。

2.1.1.3 塑化机构绿色化技术的科技创新发展及研发要点

往复式塑化注射的伺服驱动由于受到结构设计的限制，塑化机构主要为三种形式：高速低扭矩伺服电机通过同步带减速机构驱动螺杆旋转塑化；高速低扭矩伺服电机传动滚珠丝杆副驱动螺杆旋转塑化；低速高扭矩的力矩伺服电机直接驱动螺杆旋转塑化。

伺服电机驱动塑化，塑化计量精度较高，转速稳定，还可以多级调节。

2.1.1.3.1塑化背压的控制方式

两种控制方式：压力环；电磁感应。压力环的控制分辨率为0.1MPa。电磁感应可实现无级控制，而且控制精度高于压力环。一般都为压力环作为塑化变压的控制方式。

2.1.1.3.2 加热系统的绿色设计

 全电动注塑机塑化加热系统必需采用高科技的加热系统，才能体现出高端注塑机的塑化加热特征及其价值观。绿色设计的科技创新研发要点：加热系统实现节能、环保，提高电能利用率，实现清洁化塑化加热生产；应用现代节能绿色化技术的加热系统；创新加热控制理论；开发实时性控制软件和系统。

电磁感应加热的工作原理是高频电磁感应原理，交变磁场的磁力线通过金属材料时产生强大的涡流，导致金属材料自行快速发热，具有优异的节能、环保、实时的绿色化性能。

广州能之原节能技术有限公司为配合国家节能减排战略的实施，节约物质资源和能量资源，于2012年10月份推出了第三代超低表面温度纳米红外电热圈：表面进行喷涂防高温、防辐射的材料达到了热量不外泄，继续深化了之前能之原电热圈安全、无辐射的绿色理念。红外传热方式是在电热圈表面经过高分子远红外材料做特殊处理后，能够产生相对于辐射源特定的红外线，这就是传热过程热损耗降低到了最小，传热率高达99%。传热率远远高于普通注塑机电热圈。而且纳米红外电热圈安装简单便捷，无任何外接设备，可以直接取代传统的电热圈，产品可靠性高，节能率达到70%左右。

发那科采用降低峰值功率的方法，降低加热能耗。调整峰值功率需求的一个方法是延长设备起动时间，加热部件在低功率消耗下运行得更慢。通常该公司的Roboshot S-2000i-100B注塑机以22.6kW的功率将喷嘴和机筒加热到280℃需要33min。通过将加热时间延长至75min，功率消耗可降至10.3kW。控制器带有显示屏，能够显示实际功耗，以及从制动系统中获得的再生能量。

2.1.1.4 高性能挤注塑化注塑机构

现行的全电动塑化注射机构型式基本上停留在传统的液压驱动的往复式塑化注射机构。

传统的往复式塑化注射机构，塑化质量不均一，对精密制品成型的质量带来一定影响，如制品内部应力不均影响尺寸的稳定性和生命周期。全电动注塑机在塑化计量精度方面高于液压注塑机，如在塑化质量方面得不到提高，还是影响推广应用和注塑技术的发展。往复式塑化注射机构对于塑化量在理论额定塑化量的10%以下，对塑化质量影响还不大，但对设备的功能是浪费；在塑化量较大工况下，对塑化质量有明显影响，不适宜精密注塑成型。

事实证明，挤注塑化注射机构，能达到塑化质量均一的理想水准。意大利PRESMA公司利用伺服电机驱动开发“非标准技术”，锁模力60kN的洁净化的微型全电动注塑机，实现橡胶或者是固体和液态硅胶的成型加工。塑化注塑结构为挤注储料型式，由三台伺服电机独立驱动：一台伺服电机实现挤出塑化；一台伺服电机实现储料；一台伺服电机实现注射。塑化的熔融料由挤出进入储料缸，再由储料缸进入注射缸，这样，熔融料经过二次来回流动，做到先塑化的料先进入模腔，即所谓“先进先出”。“先进先出”的功能在液压注塑机上也可实现，但计量精度低于伺服动力驱动。

2.1.1.5 高效率的伺服电机直接驱动螺杆的塑化注射机构

低速大转矩交流力矩伺服电机直接驱动螺杆塑化注射，省去同步带等中间减速传递机构，提高传动效率。Krauss Maffei公司EX 系列全电动注塑成型机，塑化和注射的两个装置安装在不带同步带传动装置的同一轴上的两台相联直接驱动器驱动，每根轴分别由单独的电机驱动，保证了运行方向直接将力传递给螺杆，减少了运动链和横向力，伺服电机直接驱动滚珠丝杆，提高了传动精度及传动效率。日本住友SE—DU Direct— Drive新型全电动注塑机由4个闭环控制和数字传感器的直接驱动交流伺服电机作为动力源。直驱电机均无需同步带传动，除塑化外直接采用滚珠丝杠和螺母传动，传动效率、重复性能和持久性能显著提高。

2.1.1.6 高质量的塑化排汽机构

精密注塑的塑化质量要求更高，对熔融料的含水量由严格的标准。一般塑化的螺杆机筒没有排汽功能，不利于熔融料的质量控制。熔融料的水汽含量变化影响材料的粘度，影响制品的密度，密度的变化将表现为制品的尺寸和重量的变化，而且很难建立一个稳定的成型过程。在极端的情况下，溢料和缺胶可能会发生。塑料原料虽经干燥后进行塑化，但由于大多数耐高温塑料度具有吸湿性，一些不可预见的原因，塑料原料的干燥度发生变化，所以螺杆机筒设计具有排汽功能，确保熔融料中的水分在严格的控制范围之内。

2.1.2 合模驱动系统绿色化技术的科技创新进展及研发要点

全电动合模机构为肘杆机构型式根据伺服电机驱动的特点，肘杆机构设计上具有其不同于液压驱动的肘杆机构特点，以发挥伺服电机驱动的优点。

合模机构绿色化技术的科技创新研发要点：提高机构的刚度；锁模运动及动力性能的可控性；提高机构的清洁环保化；提高机构抗变形性能；机构精密化、大型化；提高机构的性价比。

2.1.2.1合模滚珠丝杆副传动机构的分析研究^[3]

   滚珠丝杆副传动机构是实现伺服动力驱动推力座之间的中间传动环节。

合模滚珠丝杆副传动机构的科技创新研发要点：创新传动型式，提高机构的承载能力，实现伺服电机驱动肘杆合模机构的大型化、高速化。

2.1.2.1.1 中心单滚珠丝杆副传动

2.1.2.1.1.1 滚珠螺母旋转式

滚珠螺母和滚珠丝杆安装于尾板的中心，由滚珠螺母带动丝杆运动，即滚珠螺母转动，丝杆只作直线运动。滚珠螺母通过轴承和轴承座装配于尾板中心，丝杆直接固定于推力座中心，并通过平键防止丝杆转动。伺服电机驱动滚珠螺母转动，以推动丝杆前后运动，从而带动整个肘杆机构运动。

机构特点：滚珠丝杠不承受弯矩；滚珠螺母不做轴向运动，润滑方便且可靠设计简便；滚珠丝杠需前后运动，尾板后部需给丝杠后伸预留空间。

2.1.2.1.1.2 滚珠丝杆旋转式

滚珠丝杠和滚珠螺母安装于尾板的中心，由丝杠带动滚珠螺母运动，即丝杆转动，滚珠螺母只作直线运动。滚珠丝杆通过轴承和轴承座装配于尾板中心，滚珠螺母通过螺钉直接固定于十字头中心。伺服电机驱动滚珠丝杆转动推动滚珠螺母前后运动，从而带动整个机构运动。

机构特点：滚珠丝杠不承受弯矩；滚珠螺母做轴向运动，润滑较复杂。

2.1.2.1.2 两侧双滚珠丝杆副传动

合模两侧双滚珠丝杆副传动设计思想类同多滚珠丝杆副同步驱动注射机构，在单滚珠丝杆副不能满足合模性能和功能情况下被采用。

二根滚珠丝杠副分别安装于合模机构尾板中心两侧不与曲肘干涉的位置处，由二根丝杆杠同时带动各自的滚珠螺母运动，即丝杠转动，滚珠螺母不转动只作直线运动。

实现超高速移模，缩短成型周期。高动态反映伺服电机驱动，可实现高速精密制动。单组普通滚珠丝杠副传动，导程受到轴向负荷的限制，不能任意扩大，因此传动速度受到限制，移模速度难以突破24m/min。采用双组普通滚珠丝杠副传动，则导程可根据移模速度的需要而在运动范围内加大，达到增大移模速度。

实现大型机制造成本绿色化。用二根滚珠丝杆副代替一根滚珠丝杆副传动动力和运动，可选用较细的丝杆，这对大型的注塑机尤为重要，因为大直径滚珠丝杆比小直径滚珠丝杆的加工成本要高很多。如选用的丝杆副的在抗弯刚度不够，还需增设推力座的导向副。如选用的丝杆副的在抗弯刚度在可靠度内，可不必增设推力座的导向副，滚珠螺母做轴向运动，润滑较复杂。

2.1.2.2 全电动注塑机肘杆合模机构的刚度特性^[4]

肘杆合模机构是一个弹性变形体系，根据弹性变形力与刚度和变形量之积成正比，提高体系的刚度达到减小变形量，有利于减小涨模量，达到提高注塑加工的能力。伺服动力驱动肘杆合模机构为适应精密注塑，高刚度的肘杆合模体系是机构弹性力学的特征。高刚度不但体现在模板刚度上，更重要体现在合模机构各弹性变形件的关联刚度的设计上。

合模机构刚度设计以拉杆刚度作为基准刚度，其余弹性变形件的刚度设计直接与拉杆刚度关联。普通注塑机的拉杆刚度按精密注塑要求的拉杆延伸率0.042mm~0.044mm/100mm原则确定，全电动注塑机的拉杆刚度按精密注塑要求的拉杆延伸率0.036mm~0.038mm/100mm原则确定。普通注塑机的肘杆刚度为3.6倍的拉杆刚度，全电动注塑机的肘杆刚度为4倍的拉杆刚度。

2.1.2.3 全电动注塑机肘杆合模机构的行程比特性

行程比为移动模板行程与动力驱动行程之比。伺服动力驱动系统，在达到同样移动模板行程技术参数下，减短滚珠丝杆行程有利于提高传动精度和能力，有利于提高传动系统的性价比，减少资源消耗。

国内肘杆机构大多沿用上世纪八十年代的行程比较小的肘杆机构，而国际上已广泛采用大行程比的肘杆机构，实现以较小的动力驱动行程达到较大的移动模板行程。例如，移模行程500mm，采用先进的1.35大行程比设计，滚珠丝杆副行程仅需500mm÷1.35≈370mm；采用常规的0.9小行程比设计，滚珠丝杆副行程需500mm÷0.9≈556mm。后者比前者的滚珠丝杆副行程减短了186mm，即约50%。

2.1.2.4 全电动注塑机模板结构绿色化科技创新设计

模板结构绿色化研发要点：减小模板受力绕度对模具的影响；减小模板运行对模具平行度的影响；提高模板运行的清洁度。

2.1.2.4.1功能分离型连体模板

模板有两个功能：受力锁紧模具和安装模具。传统肘杆合模机构的固定模板和移动模板模板为一体化结构，模具锁紧后，模板在锁模力作用下，产生的变形绕度直接作用于模具，影响模具的锁紧精度和使用寿命。

功能分离型连体模板也有称之为悬臂式模板。通过模板结构的设计，把模板的受力锁紧模具和安装模具的两个功能分开，改变模具受力型式，减小模板绕度对模具的影响。日本东芝公司EC-S系列全电动注塑机、欧洲BOY公司的E系列注塑机等移动模板采用这种结构。作者在2001年[广东塑料]第六期杂志上做过功能分离型连体模板的结构和技术设计理论的介绍，当时还未引起国内注塑机制造行业的重视，后来有的企业据此还申请了专利，一些企业直到2008年才开始运用。

2.1.2.4.1.1功能分离型连体移动模板

传统的一体化移动模板结构，锁模力集中在上下两侧，导致传递到模具的锁模力不均，两端大，中间小，为使模具中央达到不要的锁模力，必须加大提供的锁模力，造成锁模力浪费，而且模板变形更加严重，为了减小模板的变形，不得不加大模板的刚度，即增加模板的厚度，造成资源浪费。功能分离型连体移动模板(图1),综合了肘杆式和直压式的优点，把两个功能在结构上分开，由模具安装板、受力支架（模板本体）、固定螺钉、定位销、直线导轨等组成。移动模板与拉个无接触。受力支架承受锁模力，锁模力作用于模具安装板中心圆形区域，不同于普通整体模板产生绕度作用于模板上下两则，因而受力支架产生绕度基本不影响模具安装板,同时可减小上下二支架受力可能不均而对模具的影响。移动模板运行导向为两直线导轨，导向长度约为拉杆直接的4倍，移动模板与拉杆无接触设计，不同于普通移动模板依靠拉杆与安装于移动模板拉杆孔内的导向套导向，无需润滑油，完全杜绝了润滑油污染生产区域的可能性。提高了清洁度，

           

1 模具安装板；2 受力支架（模板本体）；3 拉杆；4 固定螺钉；5 定位销；6 滚珠导轨运动副。

图1  功能分离型连体移动模板

2.1.2.4.1.2 功能分离型连体固定模板

传统的一体化固定模板结构，锁模力集中在拉杆处的四角，模板对模具的作用力作用于模具刚度作薄弱的外侧的模脚（模架）上，不利于模具的锁模、成型精度。功能分离型连体固定模板(图2),把模板作用力的作用方式由外侧改为中心，达到作用力作用于模具刚度最大的中心区域，减小模板绕度对模具的影响,同时可减小四根拉杆延伸量可能不均而对模具的影响。

1 模具安装板；2 模板本体； 3 固定螺钉；4 定位销。

图2  功能分离型连体固定模板

2.1.2.4.2 模板的精密导向及定位机构

在超精密的镜片之类成型过程中，防止制品的轴心偏移是非常重要的。在保持模具平行度的条件下，控制模具开闭时在上下、左右方向保持不偏移（保持整体直线位移）是非常重要的。对合模机构的平行度、直线度的运行重复精度由特殊的严格要求。普通肘杆合模机构的的运动结构的设计难以实现平行度、直线度的超高重复精度的要求。

2.1.2.4.2.1平行度高重复精度的支撑导向副

日本新泻公司为适应以iphone4S为代表的最新型智能手机搭载了解析度高达800万像素的摄像镜头的精密成型。根据其其镜头的成型与以往相比对锁模侧平行度的要求大大提高、特别是模具咬合附近的固定盘与可动盘之间的平行度需保持非常高的精度、且对重复精度的稳定性要求极高的成型特点。专门研发了采用其专利技术“M支撑系统”的合模部件（图3）。固定模板M精密定位支撑：在其中央部分进行支撑即固定，减小常规的固定模板底部固定不能消除模板受力产生的中部绕度的缺陷；移动模板M精密导向支撑：导向副有常规的底部移到模板中部，减小了模板上部受力的偏移量，并提高了导向精度，从而实现了移动模板高精度平行地运动。两种“M支撑系统”满足高解析度摄像镜头成型时所要求的极为严格的模腔与模芯间隙距离，确保良品的量产。

1 固定模板M精密定位支撑；2 滚珠导轨运动副；3 移动模板M精密导向支撑。

图3  日本新泻公司M支撑系统的合模部件

2.1.2.4.2.2 复合精密导向机构

ANUC ROBOSHOT S-2000i 50Bp全电动镜片注塑机的肘杆合模机构，移动模板与拉杆的导向副采用滚珠花键副结构，实现精密导向，为保证精密的开闭模平行度提供了条件，同时降低了摩檫能耗。移动模板下部用滚珠导轨上，增加了高刚性辅助托盘，用以精密的引导移动模板的直线运动。由于增加了高刚性辅助托盘，移动模板和模具的重量由辅助托盘承担，大大降低了在上下方向的偏移。并且由于高刚性的滚珠导轨的导向，大大降低了左右方向偏移的可能，使动模板在运动中实现了精密的直线性。平行度误差降低到了0.01mm以内；直线性误差降低到0.005mm以内，为超精密镜片的稳定成型提供了保证。

2.1.2.4.2.3 连杆转动副温度控制与模具平行度的稳定性

    肘杆机构的连杆转动副高速转动发热引起连杆受热而线膨胀，特别是当上下两排连杆受热不均，线膨胀量不一至，影响模具平行度的稳定性，从而影响高端的精密注塑精度。PSG公司一套注塑机生产的部件质量不稳定，花了3个月的时间来寻找问题的根源，后来采用热成像法对连杆拍了一幅热成像快照，发现其中的一个连杆由于没有润滑而引起发热，线膨胀不一致，从而导致移动模板在注塑过程中过度偏转，破坏原有的模具平行度。寻找到问题根源后，改进润滑结构，消除热能源，保证了模具平行度的稳定性。

2.1.2.4.3 混合电驱动肘杆合模机构

北京化工大学^[5]在现有注塑机合模系统的基础上，创新性地将混合驱动机构与全电动注塑机合模机构结合，研发出一种全电动注塑机混合驱动式合模机构，由大功率常规电机取代原有大功率伺服电机，与小功率伺服电机共同驱动合模机构。在合模机构开合模的过程中，伺服电机只能提供小功率，而常规电机提供大功率锁模力，二者的结合实现了动模板慢-快-慢的理想运动曲线，以优化动模板速度曲线为目标，在常规电机速度曲线确定的情况下，改变伺服电机的速度曲线来得到较为理想的动模板速度/位移曲线。该结构较大程度地降低了成本，增强了合模系统的可控性，该研究成果有助于我国全电动注塑机的快速发展。

2.1.2.5 合模机构的弹性变形零件材料的热处理质量与锁模力

合模机构是一个弹性变形体，零件的热处理质量直接影响到其刚度，即锁模力。

国内模板、肘杆基本上都为球墨铸铁件，热处理强度往往度达不到设计要求，而且同一批铸件之间热处理强度相差近20%；四根拉杆材料的热处理同样存在这种状况，往往同一台注塑机的四根拉杆材料的热处理强度不一致，导致延伸率不一致。在这种情况下，即使设计计算再合理、装配水平再高，由于热处理达不到标准，同样的伺服电机驱动系统，而实际锁模力相差较大。

加强热处理质量的控制和检验，保证热处理强度符合设计要求，才能使伺服动力驱动系统稳定地实现锁模力。

2.1.3总体驱动系统绿色技术的科技创新多样化进展^[6]

实现不同注塑工艺要求的多种总体驱动系统型式。

为适应多样化及特殊制品生产需求，立式和角尺式电动注塑机得到相应的发展，并且性能不断提高。Niigata的MDVs-IV 和MDVRs-IV立式电动注塑机 (锁模力550kN~1100kN)配有新开发的软件，能提高注射速度、反应灵敏度和注射精度，切换或转盘的反应提高了20%，操作台振动降低了20%。A U.S.的ET-90HR4 全电动垂直合模、水平注射，四工位1秒左右旋转90°。Toyo/Maruka 900kN锁模力的立式电动注塑机ET-90VR2连接在一个45吨的模头，允许操作工为不同模具设定不同的注塑过程。

伺服电机通过同步带驱动滚珠丝杠副的传动型式，由于受到同步带柔性系统的干扰，响应时间约降低20%，但对动态响应性能要求不高的驱动系统的影响不大。力矩伺服电机直接驱动滚珠丝杠副系统，虽然没有同步带的传动环节，但由于力矩伺服电机的惯量大，响应速度反而低于高速伺服电机驱动同步带系统。

服务型伺服驱动配置。德马格节能高效的全电动注塑机IntElect系列有两种配置机型，即智能化配置(smart)和效能化配置(performance)，锁模力分别达到500kN，1000 kN，1600 kN和2100 kN。两种配置机型都配备全电动直接驱动系统(DD)用于锁模单元和注射单元的主轴驱动。皮带驱动顶出运用于智能化配置，直接顶出用于效能化配置。而IntElect智能化配置使用特定的低惯性和空气冷却驱动，IntElect效能化配置使用水冷式直接驱动。结合直接顶出，因此特别为洁净室或高度清洁环境下推荐。IntElect智能化配置也适合于洁净室的应用，却由于动态空气冷却驱动和入门级的低价格而广受欢迎。这些动态驱动器是高精度和可重复性的基础。多种不同塑化单元可直接通过自动识别系统进行快速更换。提供自动化系统充分的选配件和标准化的解决方案。

2.2 清洁化设计的科技创新进展及研发要点

塑料制品加工的污染已列入环境保护部、发展改革委、财政部三部委去年12月发布的《重点区域大气污染防治“十二五”规划》中的重点监测对象。清洁化设计是开发同环境友善的技术、发展同自然相容的产业体系的重要举措。全电动注塑机服务对象决定其清洁化设计注重于微观领域。微观领域的污染解决了，进一步提高了宏观领域的清洁环境质量。

全电动注塑机的主要加工对象为高端的塑料制品。清洁化直接影响到高端塑料制品的性能、功能等质量指标。全电动注塑机绿色化技术的发展和研发重点是清洁化的环境污染的绿色设计，目标是减少生产环境中的污染物排放。预防是环境污染的绿色设计的重点，设计人员从一开始就考虑到产品全生命周期，综合考虑污染各相关因素的影响，使后续环节中可能出现的污染问题在设计的早期阶段就被发现，以避免或减少那些导致方案运行到后期不得不返工的设计错误。

全电动注塑机污染设计的研发重点：成型原料污染；热污染；静电污染；润滑污染；空气污染；磨损污染；水污染；电磁波污染。

2.2.1成型原料清洁化加料设计

成型原料在进入机筒塑化前受到污染，严重影响制品的质量。成型原料污染的绿色设计重点为保证塑化塑料原料不受外界的污染。TSM Auto-Clean独家设计的自动控制并监视清洁处理的自洁性上料系统，包括吸料机到混料槽的完整的清洁系统，自动清洁程序的计量混料机，在配方转换之间，不会造成物料间的交叉污染；五段控制程序利用自动气阀清除整个混料线统残留的塑料粒子；特别设计的自动分流进料管阀，在清洁过程中，仍然可以供给主原料进入机筒塑化。

2.2.2 热能清洁化设计

设备运行就会发热，热量超过一定温度就会产生污染。能源未能被最有效、最合理地利用，产生热污染。事实表明，如果把热能利用率提高10％，就意味着热污染的15％得到控制。

热能清洁化设计主要体现在以下二个方面：

2.2.2.1 科学控制合理的发热温度范围

伺服电机采用水冷式，保证有效的热分散，杜绝由于局部高温而产生有害气体。奈斐耐驰特ELION系列全电动注塑机，应用瑞士ef cooling Ernst H. Furrer公司的囊式水冷伺服电机，杜绝溅射现象和微粒散发等环境污染现象的产生。德马格的最新电脑技术的NC5控制器的Systec 160-600 C注塑机，智能化配备全电动直接驱动系统(DD)用于锁模单元和注射单元的主轴驱动，使用特定的低惯性和空气冷却驱动，为洁净室或高度清洁环境下推荐。东芝机械EC—SX系列智能化全电动注塑机配备了永磁同步水冷电机，

2.2.2.2 热能的回收利用^[7]

造成热污染最根本的原因是能源未能被最有效、最合理地利用。塑化余热是可以利用的二次能源,同时也是减少热污染的最主要措施。废热用于加热需要升温的原料；既回收了废热，节约了能源，又防止了环境的热污染。把塑化机筒的电阻丝加热圈辐射散发的热量收集起来，送入干燥加料斗，转为烘料热量使用，节省干燥料斗原需电加热供给的烘料热能。苏州纬吉精机有限公司WMCH系列水循环急冷急热模具温度控制系统，具备热水回收功能，能够有效回收热水能量，节水省电；并可用于洁净室注塑。OTH模具油温控制系统，采用多段加热的特殊设计，可避免在传热油时发生氧化，不产生对环境的污染。

2.2.2.3 高效率热能绿色化

传统的电阻丝加热装置，热效率仅60%，能耗损失大，加热件本体向周围环境散发热量，恶化工作环境，造成热污染。电磁感应加热的工作原理是高频电磁感应原理，交变磁场的磁力线通过金属材料时产生强大的涡流，导致金属材料自行快速发热，热效率能够达到98%。具有优异的节能、环保、实时的绿色化性能，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。纳米红外节能加热圈采用高分子纳米发热合金，加热圈表面经高分子远红外材料做特殊处理后，能够产生特定波长红外线，传热过程热损耗小，传热效率在98%以上，并有效提升加热速度；加热圈的表面温度仅为50℃~70℃，对环境温度影响小，且能有效的降低工作车间的室温5℃~10℃。节能率高达40%~70%。

2.2.3静电清洁化设计

伺服电机驱动高速旋转产生静电，塑料原料在快速上料过程中会因摩檫而产生静电，运动件的高速移动摩擦也会产生静电。

静电污染的绿色设计有效提高环境质量。静电放电会导致微粒污染，导致电子电气设备故障，也可能会影响到附近其他设备的运转。静电吸引会造成关键性产品和设备的表面污染增加，从而导致产品出现瑕疵并增加维护费用。静电放电也会产生电磁干扰数控系统，妨碍到控制系统（特别是基于微处理器的机器人技术）的正常工作。物体表面带了静电，由于静电吸引就会吸附在洁净室层流中传播的粉尘，亚微米级的尘粒会影响到高科技产品的质量，它们一旦被吸附，产品表面就很难清除。计算机控制系统的推广应用，静电污染设计显得越来越重要，静电会导致污染和设备故障等问题。

在处理静电问题上存在着各种各样的方法。现代的洁净室环境广泛地使用了接地技术，其中使用具有导电性和静电耗散性能的材料。设备上所有易产生静电的部位都应可靠的接地。对于带静电、孤立的且具有导电性和静电耗散性的物体，接地可以将静电荷从它们上面移走。洁净室避免使用诸如碳颗粒和化学添加剂的方法来让这些绝缘体具有静电耗散性能。

2.2.4 润滑清洁化设计

机构运行离不开润滑油。润滑油运行经过一段时期后，由于润滑油内部分子的破坏，同时受到空气的污染，润滑油干枯成污垢，不但降低了润滑质量，而且这部分污垢在运转中产生热分解而污染环境。

润滑流道、密封、清冼是润滑污染绿色设计的重点。润滑污染的绿色设计主要体现在以下三个方面：

2.2.4.1润滑清洗设计

传统的润滑设计普遍存在润滑油只进不出，造成无法清洗的绿色缺陷。

2.2.4.2 润滑防尘设计

注射部件的导柱及肘杆合模机构的推力座的移动润滑副，国内为降低制造成本，去掉了防尘装置，经过一段时期运行后，外界尘埃进入润滑副，加速了润滑油污垢的产生。

2.2.4.3 循环润滑设计

KraussMaffei公司医疗瓶盖注塑机的合模机构，设计循环油润滑的方式，使得这些润滑点被完全包封起来形成一个封闭系统，完全杜绝了润滑油受外界污染情况的发生。

日本日精公司注射滚珠丝杠副润滑系统采用高压强制循环，同时配备了可抑制飞溅的润滑油排放机构，既杜绝了润滑污染，又实现了无磨损污染。

NSK公司滚珠丝杠副的螺母采用端部循环方式，润滑油存储式密封，没有油脂飞散，实现清洁环境并降低噪声。

2.2.4.4 移动式废油收集装置

肘杆润滑区域采用移动式废油收集装置，使合模区域的废油清洁十分简便、工作环境更加清洁。

2.2.4.5 免润滑设计

    日本宇部公司MD系列全电动注塑机的肘杆旋转部分采用免润滑钢套，省却了润滑系统，实现了清洁生产。

2.2.5 空气清洁化设计

空气污染（尘埃、水汽等）的清洁化设计主要体现在以下二个方面：

2.2.5.1空气清洁化的结构设计

空气污染结构设计在电气控制箱结构绿色设计中尤为重要，直接关系到可靠性和生命周期。常规的电气控制箱的通风设计，都没有对吸入空气洁净化的处理设计，外界空气的污染物直接被吸入，污染电气元器件，特别是易受污染的集成块一经发生污染故障即失去功能。

2.2.5.2 空气清洁化的防尘装置设计

滚珠丝杠粿裸的表面极易受空气尘埃的粘附污染，一般都没有轴向伸缩式防尘套，表面虽经涂铬，经一段时期使用后，粘附污染破坏密封副，甚至涂铬层也受到破坏。

全电动交流伺服电机同步带传动机构，普遍无空气污染的固定式绿色防尘装置设计，影响了传动机构的使用寿命，不利于低碳排放的设计。

2.2.6 磨损清洁化的设计

耐磨型表面热处理。机构运行就会产生磨损，磨损就会产生微粒而污染环境。磨损污染的设计原则为：科学表面热处理及采用高科技润滑介质，降低磨损率；改进机构运行机构。电动注塑机上利用的是同步带驱动,会在发生磨损之后向空气排放出微小颗粒。

减少磨损副。图1中拉杆与移动模板不接触运行的机构，彻底消除了磨损。“C”型无拉杆立式合模机构，同样杜绝了拉杆型立式合模机构的拉杆磨损。震雄公司与MOOG瑞士公司开发不需滚珠丝杆的非线性注射系统，彻底解决了因滚珠丝杆磨损影响射出精度，同时可实现超长时间保压。

2.2.7水份稳定性控制技术

塑化原料含水量没有保持在一个严格的控制范围之内，很难建立一个稳定的成型工程，足以引起尺寸和外观问题。水分含量发生变化，而成型工艺使用一个稳定的保压压力和保压时间进行成型，那么制品的密度就会有变化。密度的变化将表现为制品的尺寸和重量的变化。与高水分含量相关的一些常见的制品缺陷包括：脆性、焦烧迹印、喷嘴流延以及模具积垢、粗糙度、不良融合线强度等。

水份稳定性控制技术科技创新关键是控制注射成型加工要素，包括塑化熔融料的含水量、模具的成型环境、模具的排汽结构等。

2.2.8电磁波清洁化设计

电磁加热、伺服电机运行产生电磁波极易干扰电子控制器的正常运行。大部分伺服电机采用结构简单、价格低、易获得较高精度的光电编码器作为位置速度传感器，但由于其处理电路与电机集成在一起，在温度高、震动大的工况下，在加上电磁干扰，其电子电路往往不能正常工作，出现丢码，导致控制系统紊乱甚至损坏电机。采用先进的可靠的电磁干扰滤波器，屏蔽电磁波干扰。电磁干扰滤波器连接于RST与驱动器之间，避免驱动器受干扰或亦可能本体产生电磁干扰扩及RST，杜绝电磁波导致其它机台也受到干扰而影响运行的可能。

高性能的抗电磁波干扰的旋转变压器作为速度反馈传感器，确保电机稳定可靠的工作。且精度可达4096个脉冲。