基于ADAMS软件的全电动混合驱动式合模机构设计及优化分析

第38卷第8期 2010年8月 塑料工业 CH I NA PLASTICS I NDUSTRY 3 国家科技支撑计划项目(2007BAF13B01, 2007BAF13B05)和国家自然基金(50973009) 33 联系人yangwmmail1buct1edu1cn 作者简介:邵珠娜, 1984年生,硕士研究生,研究方向为高分子材料成型加工CAD /CAE/CAM。 基于ADAMS软件的全电动混合驱动式合模机构 设计及优化分析 3 邵珠娜,安 瑛,谢鹏程,丁玉梅,杨卫民 33 (北京化工大学机电工程学院,北京100029) 摘要:针对现有全电动注塑机肘杆式合模机构,将混合驱动理论引进合模机构中,参考现有注塑机合模机构,设 计出以常规电机和伺服电机为驱动源的二自由度混合驱动式合模机构;然后利用ADAMS (机械系统动力学自动分析) 软件对虚拟样机的开合模过程进行运动学仿真;并针对样机进行坐标参数化、设计研究分析,确定结构中各参数的灵 敏度;最后以关键参数为设计变量,对动模板的速度曲线进行优化设计。研究结果表明,将混合驱动理论引入到全电 动注塑机合模机构中具有可行性,并为全电动注塑机的大型化、超高速化和低成本化发展提供了新的方向。 关键词:混合驱动理论;机械系统动力学自动分析;运动学仿真;优化设计 中图分类号:TQ32015 文献标识码: A 文章编号: 1005 - 5770 (2010) 08 - 0047 - 03 Design and Opti m ization Analysis for Hybrid2drive Clamping Un it of All2electric Injection M ouldingMachine Based on ADAM S Software SHAO Zhu2na, AN Ying, XIE Peng2cheng, D I NG Yu2mei,YANGWei2min (College ofMechanical and Electrical Engineering, BeijingUniversity of Chemical Technology, Beijing 100029, China) Abstract: To i mprove the efficiency and reduce the cost of existing all2electric injection moulding ma2 chine with toggle clamping unit, firstly, the hybrid2drive theory was introduced into the clamping unit .W ith conventionalmotor and servo motor as driving source, two degree of freedom hybrid2drive clamping unit was designed, reference to existing clamping unit .Then the ADAMS soft ware was used for the kinematics simula2 tion on the virtual prototype clamping process, with coordinates parametric and design,study,and anolysis, sensitivity of each parameterwas obtained; Finally, with the key parameters as design variables, the optimiza2 tion design for velocity curve ofmoving template was perfor med.The results showed that itwas feasible to in2 troduce hybrid2drive theory to clamping unit of all2electric injection moulding machine, and provided a new way to develop all2electric injection moulding machine to realize its maximization, ultrahigh speed and cost degradation. Keywords: Hybrid2drive Theory; ADAMS; Kinematics Simulation; Optimization Design 1 全电动注塑机混合驱动式合模机构工作原理 全电动混合驱动式合模机构(图 1) 将混合驱动 理论引入到现有全电动合模机构(图 2) 。首次在全 电动注塑机中使用两个动力源,将原单自由度的肘杆 机构转变成二自由度机构。伺服电机通过螺纹丝杆驱 动肘杆机构的支角E做直线运动,该支角的直线运 动带动肘杆原动杆件EBC转动。常规电机通过螺纹 十字头驱动肘杆机构支角A做直线运动,该支角的 直线运动带动肘杆原动杆件AB转动。在移模过程 中,常规电机提供主动力,伺服电机提供可控输出及 自动调模;锁模过程中常规电机提供主锁模力。两种 动力源驱动运动通过二自由度的肘杆机构实现精密、 高速和高锁模力输出。由于整个移模及锁模过程主动 力是由常规电机提供的,而伺服电机主要是发挥其可 控性作用,实现自动调模和可控高速输出,所需要的 伺服电机功率小,成本低。 2 全电动注塑机混合驱动式合模机构虚拟样 机及运动学仿真 74 塑 料 工 业2010年 211 模型建立及参数化 肘杆式合模机构为对称结构,为了简化计算,只 需在ADAMS软件中建立合模机构的1 /2样机模型, 如图3所示。首先在ADAMS中设置环境变量,包括 设置单位(长度的单位为mm,质量的单位为kg,力 的单位为N等 ) , 定义直角坐标系,定义重力及其方 向为竖直向下,设置图标比例及工作格栅等。然后创 建 设 计 点:Point2A、Point2B、Point2C、Point2D、 Point2E,分别对应合模机构中的A、B、C、D、E五 个铰接点。滑块G、滑块N、滑块H均与地面之间为 移动副连接;滑块G和滑块F之间以及滑块M和滑 块N之间为锁住连接。 图1 全电动混合驱动式合模机构工作原理图 Fig 1 The working principle sketch of all2electric hybrid2drive clamping unit 图2 现有全电动合模机构工作原理图 Fig 2 The working principle sketch of existing all2electric clamping unit ADAMS/View提供了参数化建模和分析功能,将 参数值设置为可以改变的变量。在分析过程中,只需 要改变样机模型中有关参数值,程序就可以自动地更 新整个样机模型。更进一步,还可以由程序根据预先 设置的可变参数,自动地进行一系列的仿真分析,观 察在不同参数值下样机的变化 7 。由于该合模机构 的模型是依附于设计点建立的,因此对模型的参数化 只需要将机构的形状参数转化到设计点的坐标参数, 然后将设计点的坐标参数化就可以实现模型的参数 化。坐标参数化由表1所示。 212 混合驱动式合模机构运动学分析 在合模机构的移模过程中,伺服电机和常规电机 驱动机构两个支点直线运动,利用伺服电机的可控性 实现动模板的慢 快 慢的理想运动速度。设置0 1 s为开模时间, 1112 s为制品顶出时间, 112 212 s为合模时间, 211212 s为锁模力作用时间。 为了得到理想的动模板运动速度曲线,进行多次 仿真,拟合出伺服电机驱动的支点F速度、位移曲 线,如图4;根据常规电机的实际运动情况,给出主 电机M的速度位移曲线,如图5;将如图4和图5的 速度作为整个合模机构的驱动速度,通过二自由度肘 杆机构作用实现了动模板H的理想运动速度曲线, 该曲线接近于正弦曲线,如图6所示。 图3 1/2虚拟样机初始位置 Fig 3 The initial position of half the virtual prototype A、B、C、D、E-铰接点;G -伺服电机驱动的螺纹丝杠;F - 螺纹丝杆驱动的支角; N -常规电机驱动的螺纹十字头; M -螺纹十 字头驱动的支角; H -动模板 3 混合驱动式合模机构的设计研究及优化设计 图4 伺服电机驱动的支点F速度和位移曲线 Fig 4 Velocity and displacement curves of point F driven by servo motor 从全球注塑机技术发展趋势看,效率的提高即代 表效益的提高,注塑机制造商需要以超高速(短循 环周期)为技术目标,发展全电动注塑机,所以对 84 第38卷第8期邵珠娜:基于ADAMS软件的全电动混合驱动式合模机构设计及优化分析 合模机构的开合模速度曲线进行优化,提高移模速度 尤为重要。 图5 主电机驱动的支点M速度和位移曲线 Fig 5 Velocity and displacement curves of pointM driven bymain motor 图6 动模板H速度和位移曲线 Fig 6 Velocity and displacement curves ofmoving template H 311 设计研究 针对每个参数化的设计变量进行设计研究分析, 观察每个变量对动模板速度的影响,分析报表如表2 所示,由表可知,参数DV_1、DV_5和DV_6的敏感 度较高,其中DV_1呈现负相关性。在移模过程中, 对于动模板速度影响较大的参数为肘杆间铰点C(图 3) 的横坐标XC、铰点A(图 3) 的横坐XA、动模板 与肘杆连接点D(图 3) 的坐标XD。选取参数DV_1、 DV_5和DV_6为优化变量。 312 优化设计 对混合驱动式合模机构的优化任务是:设计变量 在允许范围内,对动模板的移动速度曲线进行优化, 使动模板速度曲线幅值明显增大,为寻求动模板最佳 速度曲线提供了方法;同时达到优化肘杆机构的目 的,使合模机构更加紧凑。 图7 动模板H的速度优化曲线 Fig 7 Optimal velocity curveofmoving template H 首先在Design Evaluation中使用Optimization对 DV_1、DV_5和DV _6在其可变范围内进行优化设 计。动模板速度曲线优化后如图7所示,优化之后 DV_1等于214 mm, DV_5等于11615 mm, DV_6等 于427 mm时,动模板速度由约625 mm /s (图 6) 增 加到677 mm /s,速度明显增加,提高了工作效率;C 点(图 3) 坐标由(210,- 28)变化到(214,- 28) ,D点(图 3) 坐标由(439,- 581 333) 变化到 (427,- 581333) , 肘杆CD的长度由231 mm减小到 21511 mm,实现了合模机构的紧凑性。 313 优化方案验证 利用上述优化得出的数据对混合驱动式合模机构 虚拟样机进行修改,之后再次对虚拟样机进行运动学 仿真分析。其结果表明优化后的合模机构在开合模、 锁模过程中满足设计要求,运动平稳且无干涉现象。 4 结论 1) 将混合驱动思想引入到注塑机合模机构中, 将全电动注塑机中一个大功率伺服电机更换为一个常 规电机和一个小功率伺服电机的组合,实现了动模板 的柔性、高速输出,降低了注塑机成本,为注塑机的 大型化、超高速及低成本的研发提供了新的方法。 2) 采用ADAMS软件对该全电动混合驱动式合 模机构机型三维建模并针对开合模过程进行了运动学 分析,为获得动模板理想的运动曲线,拟合出伺服电 机驱动支点的速度运动曲线。 3) 基于ADAMS软件分析动模板速度曲线基于 各设计参数值的变化情况,选择关键参数作为设计变 量进行优化设计,根据优化结果设计模型,进行模拟 仿真,所设计的合模机构满足各种工况条件;实现高 速率柔性输出;提高合模机构结构紧凑性。 (下转第53页) 94 第38卷第8期常士家:一种注射机预热阶段等时控温方法的研究 射机料筒预热阶段比未采用该方法的注射机料筒预热 阶段节省约200 W的电能。 3 结论 在实际加工时,所需要设定各个段的温度值根据 具体物料情况而定,但升温控制方式可依据本文所介 绍的方法来实现:按照未改进的注射机料筒预热方式 升温一次,就可得到各个段下次预热的延时启动时间, 该延时启动时间经过23次开机预热后,即可实现机 筒预热过程各个加热段等时到达设定温度值的功能, 大大缩短预热阶段的保温时间,节省了耗电量。 参 考 文 献 1王文林,宋执环,韩波.注塑机计算机控制系统设计 J .机电工程, 2000, 17 (2) : 85 - 86. 2吴文臻,戴莺莺,陈国华,等.挤出机预热阶段等时控 温系统研究与实现 J .橡塑技术与装备,2009,35 (4) : 44 - 48. 3朱复华.挤出理论及应用M .北京:中国轻工业出版 社, 2001. (本文于2010 - 03 - 27收到) (上接第46页) 3) 综合考虑气指程度和气道气体穿透率,获得 优化的工艺参数:模具温度50、熔体温度170、 熔体预注射量96%、气体延迟时间415 s、气体注射 压力25 MPa、气体注射时间12 s。 参 考 文 献 1柳承德.轿车保险杠气辅成型技术实用化研究D .长 春:吉林大学, 2008 2申长雨.注塑成型模拟及模具优化设计理论与方法 M .北京:科学出版社, 2009. 3毛华杰,袁乐健,史宏,等.正交试验法在气辅注射中 的应用J .塑料工业, 2006, 34 (1) : 26 - 28. 4 陈 立 周.稳 健 设 计M .北 京:机 械 工 业 出 版 社, 2005. 5邱水金,姜少飞,柴国钟,等.气辅成型工艺参数对制 品成型质量的影响趋势研究J .中国工程科学, 2008, 11 (4) : 84 - 89. (本文于2010 - 03 - 22收到) (上接第49页) 参 考 文 献 1杨卫民,丁玉梅,谢鹏程,等.注射成型新技术M . 北京:化学工业出版社, 2008: 120 - 130. 2 TOKUZ L C.Hybrid machine modeling and control D . UK: Liverpool Polytechnic, 1992. 3 CONNOR A M, Douglas S S,Gilmartin M J,et al .The synthesis of hybrid five2bar path generatingmechanisms using genetic algorithms C / / IEE.Genetic Algorithms in Engi2 neering System:Innovations and Application.UK:IEE Conf Pub, 1995: 313 - 318. 4 GREENOUGH J D.Design of hybrid machine C / / IF2 ToMM.Proceeding of the 9th IFToMM world Congress .Mi2 lan: s1n, 1995. 5孔建