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太原理工大学硕士研究生学位论文 变转速泵控注塑机锁模机构的机理建模仿真与控制特性研究 摘要 锁模机构是注塑机最主要的部件之一。注塑机锁模机构决定着机器 工作速度、生产效率、制造成本和成型精度。国内外介绍锁模机构的论 文很多，从机构的特性分析优化到锁模力计算、节点摩擦力计算、精度 控制等。他们都是只对机构中的部分性能进行论述，试验、验证，从锁 模机构的综合性能去分析的至今基本没有。为了全面掌握锁模机构的综 合性能，去优化双肘锁模机构，应该在同一个输入信号中，对肘杆的几 何特性、等效质量、动模板的锁模力、节点摩擦力、动模板的移动位移 等指数进行综合仿真，加以分析，全面掌握机构的运动特性。这样能够 更好地对锁模机构的性能进行综合分析，全面掌握锁模机构的运动特性 并加以优化。论文的前四章通过对双肘锁模机构的性能分行，导出一个 整体数学模型，利用m a t l a b 程序做成一个整体，仿真结果与实际情况相 一致。只要在主程序中输入机构的几何参数和机构力学参数，即可得到 一个整体机构的性能仿真结果。通过对两组锁模机构参数的仿真结果分 析，得到锁模机构尺寸合理配置的比例关系。如油缸的初始位移对动模 板的位移、锁模力、肘杆力影响很大；肘杆刚度准确与否，对动模板锁 模力至关重要；传动比在锁模机构中是一座由液压缸通向动模板的桥梁， 它是否合理决定了整个机构的性能，它的变化与肘杆尺寸、肘杆刚度、 油缸初始位移有关等等。这个仿真结果和结论为了对完全认识的锁模机 太原理工大学硕士研究生学位论文 构提供一条途径，也为锁模机构的设计提供了一种思路和方法。这是在 其它地方没有提到的，打破了对锁模机构的传统设计方案。 在对锁模机构的控制方案中采用了新型的节能变转速泵控方案，为 了提高泵控的精度、响应速度、灵活性等，采用了工控机。这种控制方 案，它融合了电学、计算机、机械等多个学科。它的优点突出，是未来 工业控制的发展方向。在控制系统中，采用的软件是l a b v i e w ，由于它具 有g 图形语言和对m a t l a b 程序的直接兼容，加大了泵控的灵活性。只需 在计算机里通过程序对转速泵控制就可以了。 关键词：注塑机，锁模机构，传动比，锁模力，等效质量，变转速泵 太原理工大学硕士研究生学位论文 5 m ) 】) y 嗄巳c h a n i s a 厦 嗄0 d e 江1 n gs i m u l a t i o na n dc o n t r o l a 日a r a c 承i s l l co nv a r i a b l er o t a t es p e e dp u m pi n a 。a m p 小i gi 】n r ro f 珊玳j 脚o nm o u l d i n g m a c h i n e a b s r a c t i ti so n eo fi m p o r t a n tp o r t si nc l a m p i n gu n i to f 坷e e t i o nm o u l d i n g m a c h i n e m a k ep r o d u c t i v e ，p r o d u c t i o n - e f f i c i e n c y ，c o s t so fp r o d u c t i o n ， m o u l d i n gp r e c i s i o nd e p e n d o nc l a m p i n g u n i t p a p e r s o ns t l l d y i n go n c l a m p i n gu n i t , f r o ma n a l y s i sc h a r a c t e r i s t i ci nt h ef r a m e w o r ka n do p t i m i z a t i o n t oc a l c u l a t i o ni nm o u l dc l a m pf o r c ea n dj o i n tf o r c e ，m a n i p u l a t i v ep r e c i s i o n a n ds oo n ，a r ep l e n t i f u li nt h ew o r l d t h ep e r f o r m a n c eo ft h ef r a m e w o r ka r e c a r r i e d t h r o u g hd i s s e r t a t i o n ，t e s ta n dv a l i d a t i o n ，b u tt h eg e n e r a l c a p a b i l i t i e si nc l o m p i n gu n i t sa r en o ts t u d i e dn o w i no r d e rt om a s t e ra n d o p t i m i z et h eg e n e r a lc a p a b i l i t i e si nt h ed o u b l e - e l b o we l o m p i n gu n i t ，t h e e x p o n e n t si n c l u d i n gg e o m e t r i c a lc h a r a c t e r i s t i c ，e q u i v a l e n tm a s s ，j o i n t f r i c t i o n ，m o u l dc l a m pf o r c ea n dd i s p l a c e m e n ti nt h ea c t i v em o u l d i n gb o a r d a r es i m u l a t e d ，a n a l y s e dt h ec h a r a c t e r i s t i co ft h ef r a m e w o r k i tg m n e dm o r e a n a l y s eo i lc o m p o s i t i v ec h a r a c t e r i s t i cc l o m p i n gu n i t b e f o r ef o u rc h a p t e r s ， d r a wam a t h e m a t i cc o n c l u d e ，n l a k em a t l a bi n t om a i np r o g r a r r m a e ，g a i n c o n s i l i e n tr e s u l tb e t w e e ns i m u l a t e dc o n c l u s i o na n dr e a l i s t i cc a s e s s ol o n ga s g e o m e t r i c a la n df o r c ep a r a m e t e r so ft h e f r a m e w o r ka r em p u t ，i tg a i n s i i i 太原理工大学硕士研究生学位论文 s i m u l a t e dr e s u l ta b o u tt l l em a i nf r a m e w o r k i td e s e r v e sr a t i or e l a t i o no f r e a s o n a b l ec o l l o c a t ei nc l a m p i n gu n i t t h r o n ga n a l y z i n go nt w op a r a m e t i c s i m u l a t e ds e q u e n ti nc l a m p i n gu n i t f o re x a m p l et h eh y d r a u l i co r i g i n a l d i s p l a c e m e n ta f f e c t sd i s p l a c e m e n to ft h ea c t i v em o u l d i n gb o a r d ，e s t a b l i s h e d c l a m p i n gf o r c e ，j o i n tf o r c e ；i ti sv e r yi m p o r t a n tt ob a s e dc l a m p i n gf o r c ei f t o g g l el i n ki sa c c u r a c y ；s p e e dr a t i oi nc l a m p i n gu n i ti sab r i d g ef r o m h y d r a u l i cc y l i n d e rt oa c t i v em o u l d i n gb o a r d ，i td e t e r m i n ec a p a c i t yo ft h e w h o l l yf r a m e w o r k ，i t sv a r i e t yb e a r su p o ns i z ea n ds t i f f n e s so ft h et o g g l er o d a n da tt h eb e g i n n i n go fh y d r a u l i cc y l i n d e rd i s p l a c e m e n ta n ds oo n i ti sa n a p p r o a c ht oe n t i r e l yc o g n i t i v el a m p i n gu n i tt h r o n gs i m u l a t e dr e s u l t ，a n da t h o u g h ta n dm e a n st od e s i g nc l a m p i n gu n i t i ti sab r a n - n e ww a yt od e s i g n c l a m p i n gu n i t a c c o r d i n gt oi m p r o v i n gp r e c i s i o no ft h ep u m pc o n t r o l ，r e s p o n ds p e e d ， m o b i l i t ya n ds oo n ，i n d u s t r i a lc o n t r o lc o m p u t e ri se m p l o y e dt oc o n t r o l s c h e m ei nc l a m p i n gu n i tj u s ta sn e w - s t y l ev a r i a b l e s p e e dm o t o r si n e c o n o m i z ee n e r g y t h ec o n t r o ls c h e m ei n c l u d e s e l e c t r i c i t y ，c o m p u t e r ， m e c h a n i s m i t sv i r t u e ss t a n do u ta n di n d u s t r i a lc o n t r o ld e v e l o p i n ga s p e c t o n a c c o u n to fh a v i n ggg r a p h i c sl a n g u a g ea n ds t r a i g h t c o m p a t i b l em a t l a b p r o g r a m ，a d o p t i v es o f t w a r e i nc o n t r o ls y s t e mi s l a b v i e w ，i n c r e a s i n g m o b i l i t yi np u m pc o n t r 0 1 s ol o n ga sp r o g r a mi n p u to nc o m p u t e r , v a r i a b l e r o t a t es p e e dp u m pc o n t r o li sr u n k e y w o r d s ：i n j e c t i o nm o u l d i n gm a c h i n e ，c l a m p i n gu n i t ，s p e e dr a t i o ， m o u l dc l a m pf o r c e ，e q u i v a l e n tm a s s ，v a r i a b l er o t a t es p e e dp u m p i v 太原理工大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 国外塑料机械企业历史悠久，数量不多，规模较大，而且每一个企业都有自己的 主导产品，并注重更新换代，不断创新，精益求精。例如德国的主要生产塑料机械的 企业只有5 0 多家，从业人员1 9 9 6 年为2 6 0 0 0 名。主要生产注塑机、挤出机、吹塑机、 各种建材生产线和回收再利用等塑料加工机械，德国机械制造商们供应世界塑机总需 求约1 4 的产品，多年来一直领先于意大利、美国和日本，是世界领先生产国。1 9 9 6 年德国塑料橡胶机械出口美国占总出口1 5 7 ，出口法国占总出口6 8 ，出口英国占 总出口6 1 ，出口中国占总出口5 6 ，出口意大利占总出口4 4 等等。奥地利生产 塑料机械的公司约有2 5 家，1 9 9 6 年有雇员3 4 5 0 人，总产值约为5 2 3 亿美元意大 利1 9 9 6 年生产塑料橡胶机械的企业有3 0 0 余家，从业人员不到2 0 0 0 0 名。1 9 9 6 年塑 料橡胶机械总产值为5 6 0 0 0 亿里拉，比1 9 9 5 年增长9 ；出口上升到3 8 0 0 0 亿里拉。 比1 9 9 5 年增加2 0 5 。意大利塑料橡胶机械的主要出口市场是欧洲，占整个市场的 5 5 6 ，出口美国的产品占总出口的2 0 7 ，出口亚洲1 7 7 。 目前我国生产的挤出机及辅机基本停留在较低档次上“1 。主要表现在品种少，能 耗高，控制水平低，性能不稳定等方面。就双螺杆挤出机而言，目前国内市场上出现 的产品基本上是仿制国外8 0 年代的产品，在整体技术水平、螺杆、机筒的加工精度、 性能和外观质量上均较差，规范化和系列化也不尽如人意。螺杆直径3 0 0 哪以上的大 型、高速、高效单螺杆挤出机目前还处于空白。有相当一部分挤出机不好用，这里既 有工艺调节问题，也有设备技术性能问题。由于挤出机技术性能和辅助监控技术的落 后，使得一些生产线的开发也相应受到限制。如低发泡板材生产线、三层共挤复合板 材和片材生产线，单层及多层流涎膜生产线和无纺布生产线等。国内基本为空白。另 外，大型增强双壁波纹管机组、大型造粒机组、p o p p 、b o p a 、b o p s 和b o p e t 薄膜生 产线也至今没有诞生。国内已有的发泡板、复合板、发泡管等小型管材生产线，其辅 机的设计在性能上、控制方面、外观等各方面都与国外差距很大，要不是价格方面的 太原理工大学硕士研究生学位论文 优越性，恐怕这一部分市场也会丢掉嘲。 1 1 注塑机简介 从注塑机问世起，锁模力在1 0 0 0 - - 5 0 0 0 k n ，注射量在5 0 - - 2 0 0 0 9 的中小型注射 机占绝大多数。到了7 0 年代后期，由于工程塑料的发展，特别是在汽车、船舶、宇 航、机械以及大型家用电器方面的广泛应用，使大型注射机得到了迅速发展。美国最 为明显，在1 9 8 0 年全美国约有1 4 0 台1 0 0 0 0 l ( n 以上锁模力的大型注塑机投入市场， 到1 9 8 5 年增至5 0 0 多台。日本名机公司已经成功地制造7 当今世界最大的注塑机， 其锁模力达到1 2 0 0 0 0 k n ，注射量达到9 2 0 0 0 9 。 8 0 年代以来，c a d c a e c a p p c a m 计算机应用技术在注塑机制造业的广泛采用， 促进了我国注塑机研发和制造水平的高速发展。从中国一批国家级高新技术企业都相 继引迸美国e d s 公司的u g s 软件和p t c 公司的计算机辅助设计和分析软件，实现了三 维立体参数建模，机构运动分析仿真，对关键零件分析，对高应力曲的应力分析、应 力峰值、危险区域等进行准确的分析计算，辅助设计人员迅速地了解、评估和修改设 计方案，保证了重要零件的结构合理性和可靠性；实施了c i m s 工程，实现了产品技 术数据的创建和跟踪，产品结构和版本，产品属性和关联数据的查询以及信息传递等 计算机集成管理。 从目前国际水平来看，注塑机的移模速度已从过去的2 0 一3 0 m m i n 提高到 4 0 - 5 0 m m i n ，高的甚至达到7 0 m m i n ；注射速度从过去的l o o m m s 提高到现在的 2 5 0 m s ，有的达到4 5 0 啪s 。节能方面，从过去的流量比例控制和压力控制发展到变 量控制或定量控制。变频调速控制、伺服控制技术的注塑机，其能耗仅为传统机器的 3 0 。注塑机的高效率主要体现在工作节拍快，制品周期短，普遍比过去提高2 4 倍以 上。高效注塑机的开模与预塑一般都是同步完成，开模过程中同时完成抽芯和顶出 注塑机的控制技术经历了继电器接触器控制、可编程控制器控制和专用计算机控制的 发展过程。自2 0 世纪6 0 年代末美国费洛斯公司首先应用计算机控制技术开始，经过 2 0 世纪8 0 年代以后的高速发展，它已经不再是简单动作控制，而是包括熔体温度、 注射压力、注射速度、保压时间、冷却过程及液压贿赂等各种参数的综合控制。注塑 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 机过去大多数采用开环控制，目前正在向闭环控制方向发展，德国克劳斯马菲公司的 p m 控制系统，通过合模力，模腔压力和充模过程的控制，使制品质量的误差精确到 0 1 5 。目前注塑机发展的另一个重要方面，是各种专用注塑机，如排气式注塑机、 发泡注塑机、多色注塑机等。 1 1 1 注塑机高速发展的原因 注塑机高速发展的原因主要有以下三个： 1 ) 世界性能源危机的出现，由于塑料具有优良的物理和化学性能，重量轻、易 成型和切削，并能够较好地与金属、玻璃、木材以及其他材料胶接等特点， 同时，塑料制品具有经济、耐用、质轻、易于批量生产等特性，使其能够逐 渐取代木材和金属制品，成为一种重要的现代结构材料。 2 ) 随着石化工业的发展，新型塑料材料的不断出现，原料来源更加丰富，足以 提供物料保证，促进了塑料工业的发展，尤其在工程塑料出现以后，其应用 领域也越来越广。同时，塑料制品的广泛应用要求发展相适应的加工技术和 成型设备，从而直接带动相关产业，例如，塑料机械制造业的发展。 3 ) 行业需求量的增长，质量要求越来越高，包括制品精度、自动化生产程度、 高效率及节能角度出发，要求车体轻量化，大量需求微型、精美塑料制件或 大型塑料制件等。同时，微电子技术、微机控制技术的普及应用，以及与电 液比例伺服技术的有机结合，使得高速、精确过程控制得以充分实现，为注 塑成型加工的发展提供了技术的保证。 1 1 2 注塑机发展的历程 注塑机的发展经历了以下五个阶段： ( 1 ) 2 0 世纪5 0 年代以前，第一代注塑机采用柱塞式注射机构，动力传动方式 由机械发展到液压。 ” ( 2 ) 2 0 世纪5 0 年代中期，第二代注塑机采用往复螺杆式注射机构及液压驱动 方式，其基本结构和液压工作原理一直沿用至今，主要特征是采用开关式电气元件和 继电器及开关式液压控制阀。 c 3 ) 2 0 世纪6 0 年代中期后，由于对塑料加工工艺、制品质量、生产效率提出 了更高的要求，电液伺服阀和电液比例阀( 2 0 世纪7 0 年代初出现) 逐渐为注塑机采 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 用。同时，随着大规模集成电路的发展，集成电子技术和微处理机系统也逐渐用于注 塑机。采用微机及电液比例伺服开环控制技术，成为第三带注塑机的主要特征 ( 4 ) 1 9 7 3 年，世界上出现了第一台采用闭环控制的注塑机，可以分别对温度， 注射速度、注射压力、保压压力、塑化背压、塑化转速等重要工艺参数及过程参数实 施闭环控制，并大幅度提高控制精度，确保产品质量更加稳定。微计算机技术、电液 控制技术和现代控制理论的综合应用，进一步发展了白适应控制的注塑机。微机闭环 控制成为第四代注塑机的主要特征，具有极高的技术附加值，代表注塑机的发展方向。 ( 5 ) 第五代注塑机的控制系统具有通讯和网络功能，采用多级控制结构及总线 技术，能够实施统计过程控制、优化工艺参数和生产监控。 1 2 锁模机构在国内外的研究现状 锁模装置具有模具启闭及制品顶出功能，直接影响制品质量和生产效率。按照工作 原理，锁模装置主要分为全液压式和肘杆式两大类型。肘杆式锁模机构按照模块个数可 以分为二板式和三板式。 1 2 1 二板式锁模机构 二板式注塑机有好几种类型：直压式二板注塑机，又称全液压式二板注塑机、四 缸直锁二板式、还有新型的复式缸锁模机构二板式注塑机。 直压式锁模机构：从上世纪5 0 年代开始开发的第一代注塑机锁模机构。最新的 以广东顺德秦川恒利塑机有限公司生产的一种四缸直锁全液压式精密注射成型机为 例嘲，加以介绍。锁模机构的结构原理：其四个锁模油缸利用四根拉杆作为活塞杆， 活塞与拉杆设计成一体。动模板的开合模动作由两个移模油缸实现。设计者设计了独 特的液压系统，使锁模机构液压油的压力与注射压力的变化同步，其完整的开合模行 程如1 - 1 图所示。液压机构给移模油缸施加低压油，移模油缸推动动模板闭模；当接 触到模具时，注射机构开始注射，同时增压液压系统施与锁模油缸高压油，并以1 5 倍( 由液压系统控制) 注射油压锁模，进入充模、保压、冷却阶段，在此阶段，锁模油 压一直随注射油压变化而变化；最后，移模油缸带动动模板开模。近几年，国外不少 大公司研制了全液压式锁模机构的精密注射成型机，如日本m i t s u b i s h i 公司研制了 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 m j 系列9 0 1 2 0 0 t 高速全液压注射成型机，德国 好a u s sm a f f e i 公司生产了4 4 、5 5 、 7 2 、8 8 t 全液压精密注射成型机，美国c i n c i n n a t im i l a c r o nm a r k e t i n gc o 生产了 4 0 3 0 0tc h x s 系列全液压精密注射成型机，v a nd o r n s 塑料机械公司在n p e 上展出了 其h p 系列全液压精密注射成型机。 后土撮馈模毒压_ i l i l 矗i 移梗油翻 一 ， m l1 l ，月l山 - 一 一 j 匕 r1 爿 棚 、 i、i 填i i 租缸 图1 - 1 四缸直锁式锁模机构图 f i g 1 1s t r a i g h tl o c k e dc l a m p i n gu n i tw i t hf o u rc y l i n d e r s 四缸直锁二板式锁模机构：最近我国研发的四缸直锁二板式锁模机构在二板式机 构中比较典型。它解决了传统液压的难题，具有全液压的特点，低压护模更加可靠。 但是它的工作温度不宜太高，拉杆在装模时注意保护，由于采用的阀较少而实现的功 能多。意味着有些阀起了多重作用，故增加了整机调试的难度及判断故障的难度。它 的工作原理：4 根活塞杆( 拉杆) 穿过动模板固定在定模板与后支架上，活塞固定在活 塞杆上，4 个油缸套在活塞杆上并固定在动模板上，2 个移模油缸安装在动模板与后 支架之间，移模油缸使动模板作开合模动作，4 个油缸一起进高压油完成高压锁模动 作具体如图1 - 2 。 图i - 2 四缸直锁二板式锁模机构 f i g 1 - 2s t r a i g h tl o c k e dc l a m p i n gu n i t , i t hf o u rc y l i n d e r so ft w op l a t et y p e s 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 复式缸锁模机构；近年来日本精密工程技术公司经过多年的研制，开发出了复式 缸注塑机。复式缸锁模机构采用对称分布4 个复式缸，由于其内部结构相同如图1 - 3 开合模速度快，不必外加润滑，机器生产效率高；泵的排量可以选得比较小，节能 效果明显；受力情况合理，变形对产品的形状精度影响小，成形尺寸精度高的产品嘲。 结构原理：复式缸与传统液压缸的最明显区别在与它有两个活塞及a 、b 、c 、d 四个 工作腔，而不是传统的液压缸一个活塞及a 、b 两个工作腔，拉杆既是大缸的活塞又 是小缸的缸体。复式缸的a 、b 两腔截面积小，用于快速开合模，c 腔截面积大，用 于升压锁模。快速开合模时，c 、d 两腔与油箱直接相通，利用空气使液压油进入体 积增大的一腔，节约能源。锁模时，c 腔中注入高压油，可以提供很大的锁紧力，锁 住模具 1 大缸2 拉杆3 小活塞4 定模板5 动模板 图i 一3 复式缸锁模机构工作原理图 f i g 1 - 3f u n c t i o nd i a g r a mo fc l a m p i n gu n i tw i t hm u l t i p l es y s t e mc y l i n d e r 1 2 2 三板式锁模机构 充液式锁模机构：与轴杆式发展的时间基本一致。优点是：开合模精度高、模板 受力均衡、不需调模、不需加油润滑、磨损较少、开合模行程长缺点是：容易内泄 造成升压时间长、爬行甚至让模、速度慢、漏油、能耗高、容易造成液压冲击、液压 系统复杂，成本高、大油缸加工困难，机构工作原理如卜4 图。 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 一前定模板2 一拉秆3 一动模板4 - 快速移模油缸5 一大油缸6 一后定模板7 一油箱8 一充 液阀 图l 叫充液式锁模机构工作原理图 f i g i - 4f u n c t i o nd i a g r a mo fc l a m p i n gu n i tw i t hf i l l i n gf l u i d 双肘锁模机构：7 0 年代发展起来的，8 0 年代末5 铰点斜排列肘杆式的出现似乎 预示着肘杆式的发展达到了某种极限，特别是国内及香港等地。到9 0 年代初，大量 香港这种机涌进国内市场，在满足功能情况下，尽量简化结构，以降低成本。它的结 构原理如图卜5 ，锁模时，油缸活塞杆向右移动，驱动双肘锁模机构运动，使动模板 从位置l 向位置1 1 移动，当动模板移至注塑模具上下模接触时，铰点开始进入自锁 区域，此时，连接定模板和调模板的拉杆开始拉伸，产生锁模力，且机构进入自锁状 态；开模时，是一个相反过程，但到开模终止时，要避免进入极限位置l ，以防止机 构产生自锁。优点是：速度快、能耗低、液压系统简单、成本低。缺点是：易磨损、 开合模精度差、模板受力不均、不能成型精密产品、要有复杂的调模结构和润滑系统、 开合模行程短，而且销轴等磨损后造成的受力不均，会加速机器损坏，例如：销轴和 拉杆断裂、模板开裂、调模螺母咬死等。 图卜5 双肘锁模机构结构原理图 。 f i g 1 - 5f a b r i cs c h e m a t i cd i a g r a mo fc l a m p i n gu n i tw i t hb o t he l b o w s 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 3 论文的主要内容 本文通过对双肘锁模机构的国内外研究做了介绍，分析了双肘锁模机构在注塑机 中的地位，比较了各种锁模机构建模时的不足，提出了新的建模方式。通过数学模型 的建立，运用i a t l a b 对所设值的初始信号进行仿真，所得的信号与实际相一致，并 对各种信号的曲线做了分析全文主要内容有五章： 第一章绪论介绍了注塑机在世界工业中的位置，高速发展的原因、发展的历程； 分析了国内外锁模机构的研究现状，以及课题的意义。 第二章肘杆式锁模机构的工作原理由注塑机的工作、组成介绍到锁模机构的工 作原理以及应用现状。 。第三章锁模机构的运动学分析对注塑机双肘锁模机构的运动特性加以分析，寻 找相互的运动关系和力的关系，从传动比入手，建立了液压缸和动模板的函数关系式， 的出了各种运动学、力学的函数关系。 第四章肘杆式锁模机构的建模与仿真对注塑机的给定参数加以编程设为初始 信号，运用m a t l a b 编程，建立初始信号和输出信号的函数关系，对肘杆力、摩擦力、 等效质量、传动比等进行仿真，输出的图像与实际结果相一致。并提出了对锁模机构 设计需要注意的地方，对锁模机构的参数加以优化。 第五章利用变转速泵控制锁模机构，构成控制系统。 1 4 课题的意义 锁模机构是注塑机最主要的部件之一注塑机锁模机构决定着机器工作速度、生 产效率、制造成本和成型精度。目前国内外普遍采用的是肘杆式锁模机构，这种机构 具有锁模刚度大、锁模力大、锁模速度分布合理、节能和造价低廉等特点一 为了获得更好的机构性能，在国内研究锁模机构的论文比较多，最为典型的如蒙 红在职大学报( 1 9 9 9 年第4 期) 发表的注塑机双肘锁模机构运动特性分析论 文”，对双肘锁模机构进行运动特性进行分析，求出了注塑机实现慢一快一慢的理想 运动特性的工作区间，找到了锁模瞬间产生冲击振动的本质原因，从而，提出了利于 注塑机工作平稳的双肘锁模机构和活塞行程的设计方法。廖小平、胡映宁等在广西 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 机械( 1 9 9 7 年第1 期) 发表的注塑机双肘锁模机构综合优化设计中“1 ，对注塑机 双肘锁模机构开锁模时间和材料成本两目标进行综合优化来确定机构参数尺寸，并利 用所得优化参数进行机构运动特性分析，从而合理优化设计活塞行程的两个极限工作 位置，以保证开锁模动作的良好运动特性和减少冲击振动。周文娟在塑料科技 ( 2 0 0 1 1 2 ) 发表的注塑机锁模力的计算中旧，介绍了根据制件的大小、厚薄来计 算注塑机的锁模力，并以此为依据来选择合适的注塑机生产塑料制件，才能确保制品 的质量。在国外发表的关于锁模力、锁模机构运动特性设计优化等论文很多，最有代 表的如s k e n i g ，a b e nd a v i d ，m o w e r ，a s a d 在 ( e n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n so f a r t i f i c i a l i n t e l l i g e n c e ( 1 4 ( 2 0 0 1 ) 8 1 98 2 3 ) 发表的 ( c o n 扛o lo f p r o p e r t i e si ni n j e c f i o nm o l d i n gb y n e u r a ln e t w o r k s ) 中伽，介绍了注塑机加工过程的控制精度要求，通过对注塑产品机 械特性的分析，列举了智能控制拉伸系数的变化过程。这个非线性的变化，精度可以 达到很高，提出了智能控制在注塑机中的应用，也提出了其他机械部分在智能控制中 的应用。又如w e ny il i n ，k u ow oh s i a o 在 i n t e r n a t i o n a lj o u m a lo f m e c h a n i c a ls c i e n c e ( 4 5 ( 2 0 0 3 ) 1 9 1 3 1 9 2 7 ) 发表的 ( i n v e s t i g a t i o no ft h ef r i c t i o ne f f e c ta tp i nj o i n t sf o rt h e f i v e - p o i n td o u b l e - t o g g l ec l a m p i n gm e c h a n i s m so f i n j e c t i o nm o l d i n gm a c h i n e 中“”，关于 注塑机肘杆节点摩擦力计算，通过锁模机构几何力学关系的计算，找出相互关系，得 出肘杆节点摩擦力的计算关系，通过一个例子计算了肘杆摩擦力的大小，而且还通过 计算得出了滑动摩擦力与静摩擦力的比值曲线图。 虽然国内外介绍锁模机构的论文很多，从机构的特性分析、优化到锁模力计算、 节点摩擦力计算、精度控制等。但在各个论文中都只对机构一部分进行论述，并给以 试验验证。如蒙红对机构特性分析，廖小平对机构进行优化，还有对锁模力、节点摩 擦力等进行计算的等等论文。实际中，要优化双肘锁模机构参数，必须在同一个输入 信号中，对肘杆的几何特性、等效质量、动模板的锁模力、节点摩擦力、动模板的移 动位移等指数进行综合仿真，加以分析，这才能够对锁模机构的性能进行综合分析， 能够全面了解锁模机构的运动特性并加以优化。本论文针对上述的介绍，建立一个数 学模型对锁模机构的综合性能加以仿真，从而达到锁模机构进行全面分析优化的结果。 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 第二章肘杆式锁模机构的工作原理及应用研究n 2 1 前言 锁模装置具有模具启闭及制品顶出功能，直接影响制品质量和生产效率。因此， 通常要求其具备高速、低能耗、低噪声、重量轻、锁模力容易控制、维修方便、运行 稳定、安全可靠等特点。有关控制参数包括压力、速度、位置等。按照工作原理，锁 模装置主要分为全液压式( 直压式) 和肘杆式( 液压一机械式) 两大类型。前者具有 设计简单、制造容易、无特别易损件、模板受力均匀，以及模具便于安装、开合模速 度容易调整、行程大等特点，只是在注射工况抗模具开启的阻力较肘杆式小；后者通 过机械机构进行力放大，具有锁模速度快、能耗低、节省液压缸尺寸等特点。因此， 能够提供大的锁模力，且控制准确，不易发生飞边，但同时也存在难以调整锁模行程 和保持机械精度等不足，锁模装置空间位置包括卧式和立式两种。 1 ) 肘杆式锁模机构广泛应用在大型注塑机上，例如，e n g e l 公司生产的锁模 力为1 5 0 0 0 l ( n 、2 0 0 0 0 、3 0 0 0 0 k n 、4 0 0 0 0 k n 的注塑机，均采用肘杆式锁模机 构。双曲肘五点外翻式结构允许模板的行程比内卷式大1 5 2 0 ，动模板的 质量减轻了4 0 ，但在实践中发现外翻式结构存在开模困难、刚性差和结构 复杂等不足。因此，国内外几乎所有大型注塑机均改为内翻式结构。 2 ) 直压式、全液压抱合螺母稳压式合模机构有的大型注塑机也采用直压式、 全液压抱合螺母稳压式合模机构，对提高设备灵敏度、生产效率降低能耗起 到了积极作用。例如e n g e l 公司开展的5 0 0 0 1 1 0 0 0 锁模力大型注塑机采用 双压板型快速、全液压合模装置。在动模压板上，四个高压同步油缸相连， 能够迅速增大或减小锁模力；固定在定摸压板上的拉杆作为连续的活塞杆， 确保两个高压同步油缸内的大活塞面均衡，油缸内压力相同，无外力出现。 通过两个对脚线排列的油缸，快速移动模压板，开模力提高产品质量2 5 。 借助四根拉杆、动模安装压板的导向器和导轨上光滑的支座，保证模板快速 l o 太原理工大学硕士研究生学位论文 运动，以及合模装置的压板的平行度，压板变形不到0 2 5 r a m 。油缸的两腔由 活塞隔离，并通过液压式启动溢流阀来操纵。例如一台7 0 0 0 k n 锁模力、配置 有一台7 5 k w 油泵的注塑机，开合模速度达到7 0 0 m m s ，达到最大锁模力所需 时间仅为3 0 0 m s 。因此，具有结构简单、节能，以及压力降低、高速运行、 能够迅速增家锁模力等特点，其空循环时间低于同样结构尺寸的传统肘杆式 注塑机。 3 ) 双模板锁模装置传统的锁模装置，除了定压板和压板外，往往还需要另一 种模板，即通过采用三模板结构，将锁模力传递到拉杆和压板。例如：e n g e l 公司生产的2 5 0 0 0 k n 锁模力大型注塑机，采用d k 2 型双压板锁模装置，通过 安装在定压扳和动压板侧面的按对角线方式排列的位移气缸移动模具，压板 的开模行程为4 0 0 m ，模具的最小高度为本8 0 0 m ，四根短拉杆安装在固定的 压板上( 即在承压基座上) ，不进入模具区域，在动压板上，由于压板能够准 确在机架上导向，因此，不需要拉杆衬套以及润滑油或油脂；合模后，通过 安装在动压板后侧的四个对开螺母锁模，螺母和拉杆螺纹之间的间隙为 1 5 m ，在定压板上的四个短程传压垫上的活塞杆一侧，液压锁模力达到 2 2 m p a ，四根拉杆在螺纹处首先关闭轴向动作，然后在向动压板传递锁模力。 这种锁模装置比传统的大型注塑机小2 0 - - 3 0 ，配置4 4 0 k w 驱动泵，开合模 速度达到8 6 0 m m s ，总锁模时间为1 4 s 。双模板注塑机较三模板注塑机所占 空间小3 5 ，价格更低，开放式冲程更大，喷射机构更容易接近和易于更换 模具 4 ) 套液压缸合模机构采用两套液压缸的新型合模机构的注塑机，其中，两个 小直径的液压缸可以高速开合模，四个锁模油缸直接安装在底板的后面，锁 模油缸通过底板和固定在拉杆中的四个传力活塞，把锁模力和开模力传递给 动模板，动模板重量由机器底座支撑。 5 ) 无拉杆结构1 9 8 9 年，e n g e l 公司推出了h l ，无拉杆注塑机，锁模力为3 0 0 - - 4 0 0 0 k n 。由于采用了无拉杆结构，增加了模具安装面积和减少了制品取出 时。改进的支架结构降低了应力分布，可以补偿拉杆移动。模板的平行度由 模板后面的旋转接头保证，液压式合模机构可以在低摩擦情况下工作无拉 太原理工大学硕士研究生学位论文 杆注塑机的锁模机构配置了最佳模具保护装置，保证模板的绝对平行度，其 价格仅为拉杆式标准注塑机的7 0 - - 8 0 通过设计自调节回转式接头，可以精 确地连接平行压板，误差不到0 0 5 ，补偿机架的弹性变形，使得模具内压力 分布均匀，并通过一个机械止动器精确地设值压板平行度因此，乩型无拉 杆式注塑机采用大型压板，轴向伸长和压板变形小，压板平行度精度高，并 具有高灵敏度模具保护功能 2 2 注塑机的工作原理 注塑机的基本工作原理可以理解为塑料原料在料筒内均匀塑化后，经过注射、流 动充模、保压和冷却后成型得到注塑制品。各个阶段的特点及控制要求说明如下 2 2 1 预塑阶段 在螺杆的作用下，存放在料斗中的颗粒状塑料不断沿螺槽向前运动由于受到料 筒外加热和螺杆剪切的共同作用，塑料逐步被加热软化，最终成为熔融粘流状态。同 时，螺杆头部熔料的作用力将螺杆往回推。通过改变螺杆背压( 即工作油回泄阻力) ， 来调节螺杆退回速度，改变螺纹槽内塑料流动状况，最终达到控制熔料塑化性能的目 的。例如，提高背压可以改善熔料均匀程度，同时，熔料温度升高必也会影响螺杆的 输送能力；螺杆后退，其实际工作长度发生变化，引起塑化能力下降，同时，熔化后 塑料温度在螺杆轴向偏差大，并随注射行程和螺杆转速的增加而增大因此，利用背 压于熔料温度存在的线性关系，可以根据实际料温动态调节背压大小，补偿预塑时因 螺杆有效长度的缩短引起的轴向温差。同理，通过调节背压和转速，确保在高压下具 有大的剪切力和低转速，塑化均匀；在低背压和低转速下，由于螺杆前部熔料压力得 到大部分释放，螺杆转动惯量小。 2 2 2 注射成型阶段 一 在螺杆推力的作用下，已经塑化好的熔料以一定的速率流经料筒、喷嘴、流道， 浇口等处后注入模腔，注射压力也因克服流动阻力而逐渐下降。塑料充填过程及成型 质量，除了受到注射压力影响外，还取决于熔料注射速度、熔料、模具温度，以及流 道、浇口和模具。通常，熔料压力高、速度快，则所能流过的路程越长。利用模腔压 1 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 力，能够客观描述熔料流动及其状态变化，并控制制品的质量。充模过程分为四个阶 段，同一时刻在模腔内熔料流动长度上，不同测压点获得的压力值是不一样的，但是， 压力变化具有相似的规律。 ( 1 ) 充模与压实阶段在该阶段，压力随熔料流入路径而增高，并达到最大值。同 时，注射速度迅速下降，压实模腔内的熔料。由于熔料内的流动状态会直接影响制品 的表面质量、分子去向、制品内引力等，因此，为了调节充模过程，根据塑料制品和 模具结构特点，可以采用多级注射速度，即在熔料流经浇口和充模结束时速度较低， 其它过程则采用高速注射。 ( 2 ) 保压增密阶段在该阶段，模具冷却，熔料的体积变化，引起制品收缩，需要 对螺杆施加一定的保压压力，以弥补和增密熔料。保压时间及压力大小与制品的应力 有关压力越高，制品收缩小，但压力过大，容易产生较大的残余应力，导致脱模困 难。 “ ( 3 ) 倒流阶段在该阶段，模腔压力与浇口至螺杆处熔料的压力高，模腔内的塑料 尚未完全固化，内层塑料还具有一定的流动性，有可能向浇口作微量的倒流，引起制 品产生缩孔、中空等缺陷采用多级保压压力，按时间进行切换，能够消除残余应力。 保压切换过早，引起模腔内塑料倒流，产生缩孔、中空等缺陷；保压时问过长，因浇 口已固化再进行填充，使浇口周围形成应力。 ( 4 ) 制品冷却阶段在该阶段，模腔内塑料继续冷却，使制品在脱模时具有足够的 刚度，冷却时间长短与制品的残余应力大小有关。 2 3 注塑机的组成和工作过程 2 3 1 注塑机的组成 。注塑机是使塑料熔融并在模具中成型制品的设备。具有熔化塑料的装置、把塑料 熔体向模具推进的装置以及闭合模具的装置。通用的注塑机见图2 一l ，主要由如下 几部分构成：合模与注塑的机械系统、加热冷却系统、润滑系统、液压传动系统、电 气控制系统、安全保护、监测系统以及供料等辅助系统。通用注塑机具有的基本功能： ( 1 ) 加工塑料实现塑化计量并将熔料射出的功能； 1 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 ( 2 ) 对成型模具实现启闭和锁紧的功能； ( 3 ) 实现在成型过程中所需能量的转换与传递的功能： ( 4 ) 对工作程序及工艺条件设定与控制的功能。 为此，注塑机主要有注射装置、锁模装置、液压传动和电气控制系统等组成 1 一合模液压缸；2 一调模机