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注塑機(jī)合模機(jī)構(gòu)的多功能集成設(shè)計(jì)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)
  瀏覽次數(shù):3175  發(fā)布時(shí)間:2023年02月13日 17:29:34
[導(dǎo)讀] 雙曲肘五孔斜排合模機(jī)構(gòu)因其優(yōu)異的運(yùn)動(dòng)特性和增力效果在注塑成型領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。為解決注塑機(jī)合模機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程參數(shù)眾多、計(jì)算復(fù)雜、設(shè)計(jì)低效、尋優(yōu)困難等問(wèn)題,基于開(kāi)合模過(guò)程的運(yùn)動(dòng)與受力特性細(xì)節(jié),對(duì)雙曲肘五孔斜排合模機(jī)構(gòu)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模,引入有約束非線性優(yōu)化計(jì)算,開(kāi)發(fā)了一套集結(jié)構(gòu)分析計(jì)算和多目標(biāo)優(yōu)化的合模機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)系統(tǒng)FJTC。
 趙南陽(yáng)1,許忠斌1,**,林增榮2,葉如清2,成明祥2
(1.浙江大學(xué)化工機(jī)械研究所,浙江 杭州 310027;  2.德清申達(dá)機(jī)器制造有限公司,浙江 湖州 313200)

摘要:雙曲肘五孔斜排合模機(jī)構(gòu)因其優(yōu)異的運(yùn)動(dòng)特性和增力效果在注塑成型領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。為解決注塑機(jī)合模機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程參數(shù)眾多、計(jì)算復(fù)雜、設(shè)計(jì)低效、尋優(yōu)困難等問(wèn)題,基于開(kāi)合模過(guò)程的運(yùn)動(dòng)與受力特性細(xì)節(jié),對(duì)雙曲肘五孔斜排合模機(jī)構(gòu)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模,引入有約束非線性優(yōu)化計(jì)算,開(kāi)發(fā)了一套集結(jié)構(gòu)分析計(jì)算和多目標(biāo)優(yōu)化的合模機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)系統(tǒng)FJTC。該設(shè)計(jì)系統(tǒng)可適用于不同注塑機(jī)應(yīng)用場(chǎng)景,可針對(duì)行程比(Ks)、增力倍數(shù)(M)、行程比/增力倍數(shù)等不同的需求開(kāi)展優(yōu)化設(shè)計(jì),大幅提高設(shè)計(jì)效率;另可集成在Web端,方便技術(shù)人員開(kāi)展設(shè)計(jì),滿足了企業(yè)生產(chǎn)實(shí)際需求。
關(guān)鍵詞:多功能; 集成系統(tǒng); 合模機(jī)構(gòu); 優(yōu)化設(shè)計(jì); 注塑機(jī); Matlab

注塑機(jī)合模機(jī)構(gòu)按工作原理可分為機(jī)械式、液壓式和液壓機(jī)械組合式三種形式[1]。其中機(jī)械式合模機(jī)構(gòu)利用各種形式的肘桿機(jī)構(gòu),按結(jié)構(gòu)可分為內(nèi)翻/外翻式五孔斜排雙曲肘合模機(jī)構(gòu)、內(nèi)卷式四孔斜排肘桿合模機(jī)構(gòu)、五孔直排式合模機(jī)構(gòu)等,其中,雙曲肘五孔斜排合模機(jī)構(gòu)(如圖1所示)具有增力效果好、運(yùn)動(dòng)特性優(yōu)異、機(jī)構(gòu)緊湊、油路簡(jiǎn)單、工作可靠、成本較低等優(yōu)點(diǎn)[1-6],在鎖模力5~3600t的各類(lèi)型微注塑機(jī)和大型注塑機(jī)上均取得了廣泛應(yīng)用。
      圖片 1圖片 2
a-合模機(jī)構(gòu)組件                b-合模機(jī)構(gòu)組成
圖 1 典型的雙曲肘五孔斜排合模機(jī)構(gòu)

雙曲肘五孔斜排合模系統(tǒng)的機(jī)構(gòu)參數(shù)較多,不易直觀分析,計(jì)算過(guò)程也非常復(fù)雜[7-14]。開(kāi)發(fā)出一套可方便計(jì)算合模機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)尺寸、提高設(shè)計(jì)人員效率和注塑機(jī)設(shè)計(jì)水平的新型多功能集成設(shè)計(jì)系統(tǒng)是目前國(guó)內(nèi)外注塑行業(yè)發(fā)展的迫切需要。華南理工大學(xué)在大量工程經(jīng)驗(yàn)和理論分析的基礎(chǔ)上建立了一套體系完整、簡(jiǎn)潔可靠的肘桿式合模機(jī)構(gòu)工程設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型[15-16]。但隨著注塑機(jī)品種的多樣化和不同工程應(yīng)用的發(fā)展,該模型需要根據(jù)工程實(shí)際進(jìn)行改進(jìn)。北京化工大學(xué)經(jīng)過(guò)多年的研究建立了自己的肘桿式合模機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)體系并開(kāi)發(fā)了配套的設(shè)計(jì)軟件[6,12,17],然而,該設(shè)計(jì)方法在推導(dǎo)過(guò)程中表達(dá)復(fù)雜程度高。臺(tái)灣科技大學(xué)射出成形實(shí)驗(yàn)室推出的合模機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程優(yōu)化系統(tǒng)[18]在富強(qiáng)鑫注塑機(jī)上得到了驗(yàn)證,該系統(tǒng)部分設(shè)定參數(shù)的表達(dá)和檢驗(yàn)上與中國(guó)大陸有區(qū)別,無(wú)法在中國(guó)大陸進(jìn)行推廣。針對(duì)復(fù)雜的工程應(yīng)用面向多樣化的注塑機(jī)結(jié)構(gòu),開(kāi)發(fā)集成化程度高、推導(dǎo)過(guò)程簡(jiǎn)潔、以國(guó)內(nèi)環(huán)境為依托的新一代設(shè)計(jì)系統(tǒng)符合當(dāng)下的時(shí)代需求,可為合模機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供理論窗口和技術(shù)支持,具有深遠(yuǎn)的應(yīng)用前景。

本課題組在上述研究的基礎(chǔ)上,將有約束非線性優(yōu)化引入計(jì)算模型,結(jié)合速度瞬心法和虛位移原理改進(jìn)修正合模機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)和受力分析理論,開(kāi)發(fā)了一套集結(jié)構(gòu)分析計(jì)算和多目標(biāo)優(yōu)化的集成設(shè)計(jì)系統(tǒng),大大降低了計(jì)算的復(fù)雜度,提高了設(shè)計(jì)精度。該系統(tǒng)可針對(duì)行程比(Ks)、增力倍數(shù)(M)、行程比/增力倍數(shù)等不同的功能需求開(kāi)展優(yōu)化設(shè)計(jì),可分析肘桿尺寸和夾角對(duì)與增力倍數(shù)、動(dòng)模板與十字頭速度比及動(dòng)模板加速度等多參數(shù)之間的變化關(guān)系,實(shí)現(xiàn)了合模機(jī)構(gòu)多功能集成設(shè)計(jì)。

1合模機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)與受力特性
為了對(duì)注塑機(jī)雙曲肘五孔斜排合模機(jī)構(gòu)的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算,合模機(jī)構(gòu)各桿長(zhǎng)、夾角等參數(shù)定義如圖2所示??紤]到雙曲肘五孔斜排合模機(jī)構(gòu)上下對(duì)稱(chēng)的結(jié)構(gòu),取模板中心線一側(cè)進(jìn)行分析研究[11,19-21],圖2顯示了雙曲肘五孔斜排注塑機(jī)合模機(jī)構(gòu)開(kāi)合模的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖。

圖片 3
圖 2 雙曲肘五孔斜排合模機(jī)構(gòu)開(kāi)合模運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖

LAA-后模板對(duì)稱(chēng)鉸A的中心距離;LEE-十字頭中心距;LBB-動(dòng)模板中心距;Sg-油缸行程;Sm-合模行程;  M-增力倍數(shù); ΔH-鉸A和鉸B之間的垂直 距離; h-固定鉸A與十字頭鉸座E的垂直距離; h1-鉸座D與十字頭鉸座E的垂直距離;h2-固定鉸A與鉸座D的垂直距離; L1-后連桿AC長(zhǎng)度; L2-前連桿CB長(zhǎng)度; L3-中間桿AD的長(zhǎng)度; L5-中間桿CD的長(zhǎng)度; L4-推力桿DE長(zhǎng)度; λ-肘長(zhǎng)AC和CB的比值; θ-連桿AC和CD的夾角; Φ-連桿DE與水平線的夾角; α-連桿AC和鉸A和B的連線之間的夾角;β-連桿AB和CB之間的夾角; γ-鉸A和B的連線與水平線之間的夾角; C-系統(tǒng)剛度; 腳標(biāo)“1”-開(kāi)模位置的尺寸角度信息; 腳標(biāo)“0”-最終合模位置的尺寸角度信息。


1. 1 運(yùn)動(dòng)分析
鉸座C的移動(dòng)量可用于表征動(dòng)模板的合模行程(Sm) ,鉸座E的移動(dòng)量可用于表征油缸行程 (Sg)。動(dòng)模板的Sm和Sg的數(shù)學(xué)表達(dá)式[15,22-25]:

Sm=LAB0cosγ0 -LAB1cosγ1          (1)
Sg=L5[cos (γ0+θ)-cos (γ1+α1+θ)]+L4(cos Φ1-cosΦ0)  (2)
式中,LAB0-合模時(shí)AB間的距離; LAB1-開(kāi)模時(shí)AB間的距離。
LAB0=L1+L2          (3)
LAB1=ΔH/sinγ1                 (4)
合模機(jī)構(gòu)行程比( Ks )為:
Ks = Sm/Sg

根據(jù)速度瞬心法[15,18,26],可以確定計(jì)算合模速度(Vm)和速度變化系數(shù)(Kv) :  
式中,VB和VE分別表示鉸座B和鉸座E的速度。不計(jì)合模機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中各桿件的變形,動(dòng)模板加速度(ɑm) 可表示為:
式中,w1-AC 桿的角速度; w2-CB 桿的角速度; w4-ED 桿的角速度; ε1-AC 桿的角加速度。


1.2 受力分析
根據(jù)虛位移原理[15-16],可以獲得合模機(jī)構(gòu)的增力倍數(shù)(M):
圖片 6

式中,P0-油缸推力; Pm -合模力??梢?jiàn)增力倍數(shù)M隨著α變化,為了便于比較,根據(jù)經(jīng)驗(yàn),此處取α=2°時(shí)的M作為增力倍數(shù)的參考值。

根據(jù)連桿機(jī)構(gòu)的增力倍數(shù)表達(dá)式可以得到增力倍數(shù)(M)和速度變化系數(shù)(KV)成倒數(shù)關(guān)系,表明了連桿機(jī)構(gòu)的增力和增速是相互矛盾的,因此,需要合理確定增力倍數(shù)以確保機(jī)器性能的綜合性能[15]。

2 合模機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)
2.1 目標(biāo)函數(shù)
在雙曲肘五孔斜排注塑機(jī)合模機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)過(guò)程中,通常會(huì)按如下要求對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化:1)追求最大行程比,即max{Ks},其設(shè)計(jì)思想是在合模機(jī)構(gòu)活塞行程相同的條件下,使其動(dòng)模板行程最大,即動(dòng)模板平均速度最大。此目標(biāo)函數(shù)有利于提高注射成型機(jī)的啟閉模效率,提高空循環(huán)次數(shù),縮短成型周期;2)追求最大增力倍數(shù),即max{M},追求增力倍數(shù)有利于提高合模力,降低能耗,并且有助于提高產(chǎn)品質(zhì)量; 3)追求多目標(biāo)優(yōu)化,即max{Ks,M},其設(shè)計(jì)思想是選擇合適的技術(shù)指標(biāo)參數(shù),以確保機(jī)構(gòu)性能整體最優(yōu)。目標(biāo)函數(shù)的表達(dá)式如式(14)所示:

F  ( x)  = -  ( x1 n1 K +x2 n2 M) ( 14)

式中,x1和x2分別代表合模機(jī)構(gòu)的行程比( K s ) 和增力倍數(shù)( M)的權(quán)重系數(shù),需根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整,本文中x1 = 1,x2 = 1/18; n1和n2表示優(yōu)化目標(biāo)定位系數(shù),為布爾量。

2.2 設(shè)計(jì)變量
設(shè)計(jì)變量是優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中重要的參數(shù),需要綜合考慮: 1)難度和計(jì)算量;2)機(jī)構(gòu)的綜合性能兩個(gè)指標(biāo)[17]。雙曲肘五孔斜排注塑機(jī)合模機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,參數(shù)較多,并且要排除相互干涉的參數(shù)。經(jīng)綜合分析,最終確定 L1、L2、L4、L5、h、γ0、θ七個(gè)參數(shù)為設(shè)計(jì)變量。

X=[L1,L2,L4,L5,h,γ0,θ]
=[X1,X2,X3,X4,X5,X6,X7] ( 15)

2. 3 約束與邊界條件
雙曲肘五孔斜排注塑機(jī)合模機(jī)構(gòu)的約束條件包括性能約束條件和幾何約束條件。為了避免雙曲肘合模機(jī)構(gòu)各部件的自鎖和干涉現(xiàn)象,需要對(duì)合模機(jī)構(gòu)后連桿L1與前肘桿L2的長(zhǎng)度比λ、行程比Ks、增力倍數(shù)M、臨界鎖模角αL、初始角α1和φ1、后連桿長(zhǎng)度L1、A鉸座與B鉸座之間的距離 (LAB1)進(jìn)行約束:


圖片 7
式中,Δ1-連桿L1兩肘相對(duì)間隙; Δ2-銷(xiāo)孔A和B孔壁間實(shí)體最小間距; DC-鉸C銷(xiāo)軸襯套外徑; DA-鉸A銷(xiāo)軸襯套外徑。
在不同影響收斂的前提下,設(shè)計(jì)變量的邊界條件需根據(jù)具體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行確定,本文的實(shí)例中邊界條件為:

3 實(shí)例分析
3.1 結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)與優(yōu)化設(shè)計(jì)
以1300 kN大行程比雙曲肘五孔斜排注塑機(jī)的合模機(jī)構(gòu)為例對(duì)該多功能集成系統(tǒng)開(kāi)展驗(yàn)證。依次進(jìn)行:拉桿設(shè)計(jì)、連桿設(shè)計(jì)、銷(xiāo)軸及襯套設(shè)計(jì)、模板設(shè)計(jì)、桿件長(zhǎng)度及相關(guān)角度設(shè)計(jì)、約束條件檢查及驗(yàn)算等。

初始化參數(shù)如表1所示,合模機(jī)構(gòu)拉桿模板等結(jié)構(gòu)件的材料選擇見(jiàn)表2所示,開(kāi)展結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì),獲得可行的桿件結(jié)構(gòu)參數(shù);  隨后開(kāi)展優(yōu)化設(shè)計(jì),得到的結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)結(jié)果與優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果,如表3所示,其中優(yōu)化圓整主要對(duì)后連桿AC、前連桿AB以及中間桿AD的水平與垂直距離進(jìn)行近似。
表1   初始化參數(shù)
圖片 9

表2    結(jié)構(gòu)件材料
圖片 10

表 3 結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)和優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果
圖片 11

由表3可得,本集成系統(tǒng)設(shè)計(jì)可對(duì)雙曲肘五孔斜排注塑機(jī)合模機(jī)構(gòu)拉桿、連桿長(zhǎng)度以及各桿件間的夾角進(jìn)行精確計(jì)算。本案例中,保證合模行程Sm為625mm不變,對(duì)原有的結(jié)構(gòu)參數(shù)開(kāi)展優(yōu)化。以行程比Ks為優(yōu)化目標(biāo) (n1=1,n2=0),在保證增力倍數(shù)合理的同時(shí),行程比由1.524上升至1.589,行程比得到提高。L1和L2的總和由784mm降至752mm,降低了4%,可以在保證機(jī)構(gòu)有效功能的同時(shí),降低機(jī)器的長(zhǎng)度,減少占地面積。以增力倍數(shù)M為優(yōu)化目標(biāo)( n1=0,n2=1) ,合模機(jī)構(gòu)L1和L2的總和由784mm降至752mm,降低制造成本,提高空間利用率。增力倍數(shù)M由23. 54增至29. 53,增長(zhǎng)了25. 4%,降低了能耗,優(yōu)化效果顯著。

3. 2 速度比分析
圖3表示合模過(guò)程中原設(shè)計(jì)方案與優(yōu)化方案中動(dòng)模板與十字頭之間的速度比Kv隨著合模行程的變化曲線。由圖可知,動(dòng)模板運(yùn)動(dòng)過(guò)程經(jīng)歷了“慢-快-慢-快”的過(guò)程,合模前的增速使合模機(jī)構(gòu)形成預(yù)應(yīng)力,確保前后模具間的鎖緊配合。按行程比Ks優(yōu)化的結(jié)果與原設(shè)計(jì)方案相比,在合模行程小于100mm時(shí)速度比差別較小,最大速度比由2.55增至2.56,優(yōu)化后整個(gè)過(guò)程的合模平均速度有所提高,模具的開(kāi)合模過(guò)程啟動(dòng)更加迅速,且模具速度波動(dòng)與原設(shè)計(jì)相比變化較小,按行程比 Kv優(yōu)化后的合模機(jī)構(gòu)有助于提高生產(chǎn)效率。按增力倍數(shù)M優(yōu)化后的合模機(jī)構(gòu)速度比 Kv 降低,合模行程小于100mm與合模行程大于450mm時(shí),速度比顯著低于原設(shè)計(jì)方案,最大速度比降低至2.36,平均速度降低,速度波動(dòng)程度基本不變,合模機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過(guò)程更加平穩(wěn),有效緩解前后模之間的沖擊作用。
圖片 12
圖3    速度比 K v 曲線

圖4顯示了各優(yōu)化方案與原設(shè)計(jì)方案的動(dòng)模板加速度變化規(guī)律。按行程比Kv優(yōu)化后的動(dòng)模板加速度am曲線在合模啟動(dòng)時(shí)最為陡峭,加速效果最明顯,在合模行程為180mm附近出現(xiàn)零點(diǎn),隨后合模機(jī)構(gòu)開(kāi)始減速。以增力倍數(shù)M為優(yōu)化目標(biāo)的動(dòng)模板加速度am曲線最為平滑,機(jī)構(gòu)在合模啟動(dòng)和終了時(shí)加速度為0,合模過(guò)程中加速度在合模行程為250mm時(shí)出現(xiàn)零點(diǎn),出現(xiàn)零點(diǎn)的過(guò)程也最遲緩,合模運(yùn)動(dòng)過(guò)程中啟停最平穩(wěn),沖擊更小。

圖片 13
圖4 動(dòng)模板加速度am曲線

3. 4 增力倍數(shù)分析
圖5顯示了優(yōu)化方案由原設(shè)計(jì)方案的增力倍數(shù)M曲線。以行程比 Ks為優(yōu)化目標(biāo)的合模機(jī)構(gòu)的增力倍數(shù)M(α=2°) 有所降低,從23.54降至19.98,降低了15%,提高行程比的同時(shí),保證了增力倍數(shù)有效取值。以增力倍數(shù)M為優(yōu)化目標(biāo)的合模機(jī)構(gòu)增力倍數(shù)M(α=2°) 上升至29.44,提升27%,降低能源的消耗,優(yōu)化效果顯著。

圖片 14
圖5 增力倍數(shù)M曲線

3. 5 合模機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)系統(tǒng)Web平臺(tái)部署
利用Matlab配套的MatlabWebAppServer對(duì)本多功能集成設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行Web端部署,使用者可以在不安裝Matlab的情況下,在Web端進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算,極大地便利了設(shè)計(jì)人員,系統(tǒng)在Web端運(yùn)行界面如圖6所示。

圖片 15
圖 6 多功能集成設(shè)計(jì)系統(tǒng)主頁(yè)

4 結(jié)論
本文詳細(xì)分析了雙曲肘五孔斜排注塑機(jī)合模機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)與受力特性,結(jié)合合模過(guò)程的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特性細(xì)節(jié),對(duì)合模機(jī)構(gòu)工作過(guò)程進(jìn)行建模分析,推導(dǎo)改進(jìn)了合模機(jī)構(gòu)的行程比Ks、速度比Kv、動(dòng)模板的加速度am、增力倍數(shù)M的計(jì)算過(guò)程,降低了計(jì)算的復(fù)雜度,為注塑機(jī)雙曲肘五孔斜排注塑機(jī)合模機(jī)構(gòu)的多功能集成設(shè)計(jì)系統(tǒng) (FJTC系統(tǒng)) 的開(kāi)發(fā)提供了理論基礎(chǔ)。

開(kāi)發(fā)的雙曲肘五孔斜排注塑機(jī)合模機(jī)構(gòu)的多功能集成設(shè)計(jì)系統(tǒng) (FJTC系統(tǒng)) 實(shí)現(xiàn)了合模機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、優(yōu)化設(shè)計(jì)及Web端應(yīng)用的集成整合。該系統(tǒng)的應(yīng)用將有效改進(jìn)注塑機(jī)合模機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性,降低合模保壓過(guò)程能耗,提高合模機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的精度和平穩(wěn)性,也有利于提高注塑制品的質(zhì)量和延長(zhǎng)注塑設(shè)備的使用壽命。經(jīng)相關(guān)企業(yè)的應(yīng)用實(shí)踐檢驗(yàn),它在增力倍數(shù)的改善與設(shè)備尺寸的降低上也有顯著的效果,對(duì)新型高性能注塑機(jī)的開(kāi)發(fā)具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

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