（机械制造及其自动化专业论文）注射机五孔斜排双曲肘合模机构的优化设计.pdf

沈阳工业大学硕士学位论文 摘要 本文利用机构学的方法对注射机五孔斜排双曲肘合模机构进行了运动和力学特性分 析，系统地建立了运动及力学模型，包括模板行程、油缸行程、行程比、速度变化系 数、力的放大倍数、最大启模角、合模力、临界角、系统刚度、合模油缸推力等。并在 此基础上对合模力为1 0 0 0 k n 的合模机构进行了全面系统的优化设计。 在对肘杆增力机构进行优化设计时，将多目标函数中力的放大倍数作为目标函数， 而将其余的目标函数变换为约束条件。采用可自行进行优化的软件m a t h c a d 对肘杆增 力机构进行了优化设计，无需自己编制计算程序，只要将原始参数、目标函数及约束条 件输入，即可按要求输出结果，省时省力。将优化前后的结果相比较，行程比增加 4 ，力的放大倍数增加1 4 5 。 采用a n s y s 软件对前、后固定模板及动模板的挠度进行了有限元计算，进而求解 了合模机构的系统刚度及临界角计算中假设：模具为刚体；前、后固定模板在拉杆孔 处位移为零：动模板支座处位移为零。计算结果满足技术要求。此外，对合模机构中各 构件刚度的合理分配进行了初步探讨。 以往是凭经验通过做图试算的方法来求解合模油缸推力，既不准确又费时费力，若 采用解析法也将极其困难。求解合模油缸推力属于一维极值问题，本文采用优化设计中 收敛速度较快的黄金分割法来计算合模油缸推力。 无论是中小型注射机还是大型注射机，都要求具有较大的行程比和力的放大倍数， 这不仅可以获得最大的模板平均速度，而且可以省力，降低能耗。从优化结果看，优化 后的行程比和力的放大倍数都有明显提高，) , i i i t i 高了合模机构的运动及力学性能，这 将使注射机以最低的能耗获得最高的效率 优化设计方法彻底改变了以往注射机设计中凭经验、考类比以及近似计算等不准 确的设计方法，还可将设计人员从繁琐的计算及辅助工作中解放出来，并为注射机的 c a d 奠定基础。 关键词：注射机，合模机构，优化设计 沈阳工业大学硕士学位论文 o p t i m i z a t i o nd e s i g n f o r o b f i q u ef i v e - h i n g e j o i n t - d o u b l e t o g g l e c l a m p i n g u n i to f l n j e c t i o nm o l d i n g m a c h i n e a b s t r a c t h lt l l i sa r t i c l e a n a n a l y s i so f m o t i o n a la n d m e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i c sf o r o p t i m i z a t i o n d e s i g n f o r o b l i q u e f i v eh i n g e j o i n t - d o u b l et o g g l ec l a m p i n gu n i to f i n j e c t i o n m o l d i n g m a c h i n ei s m a d e b y s t n l e t u r em e t h o d , s y s t a m a t y m a k i n g e s t a b l i s h m e n to f m o t i o n a la n dm e c h a n i c a l m o d e l w h i c h i n c l u d e s t h e m o l d b o a r d s t r o k e , t h e o i l c y l i n d e r s t r o k e ，r a t i o o f s t r o k e ，t h e s p e e d v a r i a t i o nc c e f f i c i e n t , t h ef o r c ea m p l i f i c a t i o n ，t h em a x i m u m o p e n i n ga n g l e , t h e f o r c eo f c l a m p i n g ，t h e c r i t i c a la n g l e ，t h es y s t e x n a t i c a ls t i 觚，t h e p u s h i n g f o r c eo f c l o s u r eo i lc y l i n d e r a n d e l s e b a s e d 0 1 1 a b o v e r o v c r a l l a n d s y s t e m a t i c a l o p t i m i z a t i o n t o c l a m p i n g u n i t o f w h i c h * h e f o r c e o f d a m p i n g i s1 0 0 0 k nh a sb e e n p r o d u c e d d u r i n g t h eo p l i m i z a f i o nd e s i g n o f t o g g l ei 1 1 c r e a s m gf o r c eu n i t , m a g n i f y i n g t i m e so f f o r c e i sr e g a r d e d8 8t h e o b j e c t i v e f u n c t i o ni na l lm u l t i p l e o b j e c t i v ef u n c t i o n s , o t h e ro b j e c t i v e s f u n c t i o n sa r ec o n v e r ti n t oc o n d i t i o no f c o n s l x a i n t s a d o p tm a t h c a ds o f tt h a ti sa b l e a u t o m a t i c a l l y t oo p t i m i z e g o a l s t oo p t i m i g g ：d a m p i n gu n i tw i ( h o u t m a k i n gp r o g r a mb yy o u p r o v i d e dt h a t i n p u t t i n g 鲥百l l a lp a r a m e t e r s ，o b j e c t i v e f u n c t i o l la sw o l la sc o n d i t i o no f c o n s t m i m t oc o m p u t e r , y o uw i l l p r o m p t l yg a i n r e s u l t sa c c o r d i n gt oy o u ra i m s s a v ey o u rt i m ea n d e n e r g y c o m p a r e d w i t h b e f o r e o p t i m i z a t i o n , o u t c o m e s o f o p t i m i z a t i o n m c r e a s e 4 i n t h e r a t i o o f s l r o k c a n d1 4 5 i nt h ef o r c ea m p l i f i c a t i o n u t i l i z ea n s y st oc o m p u t ed e f l e c t i o no f t h ee a c ho f m o l d b o a r ds t r o k ei ni n f i n i t e e l e m e n t s m e t h o da n dt h e ns o l v et h es y s t e m a t i c a ls t i f f n e s sa n dt h ec r i t i c a la n g l eo f c l a m p i n g u n i t m a k ea n a s s u m p t i o n t h a tm o u l di sr i g i db o d y ；d i s p l a c e m e n to f f r o n ta n db a c km o u l db o a r d i sz e r oi nt h en e a ro f h o l eo f d r a g l i n k ；d i s p l a c e m e n t o f m o t i o n a lm o u l db r o a ds u p p o r t i n gs e a ti s a l s oz e r o o u t c o m e so f c a l c u l a t i n ga r es o u l o bo f s a t i s f a c t i o nt ot e c h n i c a ld e n m n d s i na d d i t i o n ， p r e l i m i n a r yi n v e s t i g a t i o n i sp r o d u c e dt or e a s o n a b l ed i s t r i b u t i o no f s t r u c t u r a lc o m p o n e n t s t i f f n e s s i nt h e p a s t , a c c o r d i n g t oe x p e r i e n c ep e o p l ef i n das o l u t i o no f t h ef o r c eo f c l o s u r eo i l c y l i n d e rb y # o t t i 】a ga n d t e s tc a l c u l a t i n g ，w h i c hi sn o to n l yi n a c c u r a t eb u t a l s ow a s t i n go f t i m e 2 沈阳工业大学硕士学位论文 a n d e n e r g y i ti st o oe x t r e m e l yd i f f i c u l tt os o l v e i n a n a l y s i s b e c a u s es o l u t i o no f f o r c e o f c l o s u r e o i lc y l i n d e ri so n e - d i m e n s i o n a l p r o b l e m t h ea r t i c l ea d o p t sr e l a t i v e l ys w i f tc o n v e r g e n c ew a y n a m e l yg o l d e ns e c t i o nt oo b t a i nt h e f o r c eo f c l o s u r eo i lc y l i n d e r 、j v h a t o v e rt h e yr r em e d i u m - s c a l e , a n l a l l - s e a l eo r l a r g e - s c a l ei n j e e t i o nm o l d i n gm a c h i n e s , a l lr e q u i r e l a r g e r r a t i oo f s t r o k e a n dt h ef o r c e a m p l i f i c a t i o n , w h i c hw o u l d n o t o n l yo b t a i nm o u l d m a x i m u mb o a r d a v e r a g ev e l o c i t yb u t a l s o d r o pe n e r g yc o n s a m p l i o n s f r o mo p t i m i z a t i o nr e s u l t s w ec a n g e t i ti so b v i o u st h a tm o f i o n a la n dm e c h a n i c a lc h a m e t 矗s t i e sh a sb e e n i m p r o v e d a c c o m p a n i e d w i t h r a t i o o f s t r o k e a n d t h e f o r c e a m p l i f i c a t i o n s o w e w i t l g a i n t h e h i g h e s t e f f i c i e n c y a t a c o s t o f l o w e n 盘g y c o n s u m p t i o n s w a y so f o p t i m i z a t i o nd e s i g nc o m p l e t e l yc h a n g ep l e v i o u sd e s i g n i n gw a y sw h i c h r e l y o n 印钉i c ea n a l y s i s a n d a p p r o x i m a t e c a l c 蛾e m a n c i p a l e d e s i g u i n g p e o p l e f r o m t h e h a r d w o r ka n d l a y af o u n d a t i o no nc a d o f i n j e c t i o nm o l d i n g m a c h i n e k e yw o r d s ：i n j e c t i o nm o l d i n g m a c h i n e , t o g g l ec l a m p i n gu n i t , o p t i m i z a t i o nd e s i g n - 3 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我赝知，除了文中特别加以标注翻致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 沈阳工业大学或其缝教育机构豹学位或涯甚舞使用过豹毒耋料。与我一蘑 工作的同志对本研究所做的任何贡献均融在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 签名：丧型0 星期：生型：骂 关于论文使用授权的说骧 本人完全了解沈阳工业大学有关保爨、使用学健论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全都或郯分穴察，霹以采用影印、缩印或其他复铡手段保存论 文。 ( 保密的论文在解密后成遵循此规定) 签名：撇导臌趣垦查瞵皇型：曼：埠 沈阳工业大学硕学位论文 引言 注射桃合撰枧麴是保涯成型摸具珂靠夹紧和实现模具窟闭及疆出制鼹豹机构。隧羞 橡胶塑料工业的发展，为提高设备的加工能力，工作效率及产晶的质量，合模机构夜向 大合模力、高速、安全、低髓耗、靖构简单和质蠢小等方向发展。 撵戈援藏式会模枫枣每，美程爨掺双曲黠式舍摸枫搀是基翦爨内外4 0 0 0 k n 以下豹中 小型注射机广泛采用的结构形式，其特点悬承载能力高，结构紧凑，运动特性良好，力 的放大比犬，有一定的行程眈。冈饿足，从衙可靠魄傈诚在注射进程中不易产生涨禳现 象，缳谖产基壤羹窝王俸效枣。 在双曲肘禽模机构的设计中，包括肘杼增力机构的设计，系统刚魔的设计，临界角 的设计以及合横油缸撩力的设计。由子设计交董繁多，设计复杂，以往对曲瓣式合模机 t 掬豹设谤多澄爝经验、类毙、试算、返豁公式戳及觳强法寒进移设计，不毽王俦量大， 而且设计参数不可能悬最佳组合，也不可熊满足多目标的性能要求，使得曲肘式合模机 构的优越性得不煎l 充分的发挥。 台搂搬 鸯一壹是洼龛搬设诗人爱努力热塔改遴豹罄转，对会摸胡。耩进孬伐纯设诗更 悬专业人事多年来一意都在努力要达到的目标随着计算技术的发展和计算机的应用， 我国对曲肘式合模机构的优他设计从2 0 世纪g o 年代末开始，在9 0 年代才得掰不断的 齐发_ 耱反耀，嚣藩爨娃子不錾完善帮推广寂惩当串。一方藩是攘导更鸯会理豹教学模 烈，另一方面是寻求受为有效的优化方法。 。 在以往曲肘式合模机构的优化设计中存在着以下不飚：合横机构的力学模型不够完 熬；台援穰| 稳力翡放大倍数表这式苓够准确；蘑 罄支粱露海摸敝豹力学模型，设囊续粱 误差较大。 合模机构优化设计的意义在于；系统猴确地建立五孔斜排双曲肘龠模机构的运动及 力学模登；应鬻m a t h c a d 和a n s y s ，在诗算瓿上瓣含攘祝梅避行秽讹设诗，替代辍 缎约经验、类比、试冀、近似公式以及做躅等设计方法；力求模机构的结构尺寸更加 食理，从而提离合模机构的运动及力学性能：为食模机构的c a d 奠定基础。 沈阳工业大学硕士学位论文 1 合模机构优化设计的意义 1 1 注射机的工作原理及其基本组成 注射成型是塑料的主要成型方法，其生产效率高，能成型外形复杂，尺寸精确或带 嵌件的注射制品，对各种塑料的加工适应性强。因此广泛地应用于国防工业，航空，交 通，电气，机械，建筑，农业，文教，卫生，日用品等各个领域【l j 。 注射成型是一种以高压高速将塑料熔体注入闭合的模具型腔内，经冷却定型后，得 到和模具型腔一致的塑料制品的一种成型方法。为完成注射成型，注射机必须具备塑 化，注射和成型三个基本功能 为实现基本功能，注射机由以下几个部分构成1 2 】： ( 1 ) 注射系统其作用是塑化，计量，注射，保压。 ( 2 ) 合模系统其作用是固定模具。锁紧模具，开闭模具，顶出制品。 ( 3 ) 加热冷却系统对机筒及喷嘴加热，对模具及液压油冷却。 ( 4 ) 液压系统为注射机提供动力来源。 ( 5 ) 润滑系统为动模板，调模装置，连杆铰链等运动部位提供润滑条件。 ( 6 ) 电控系统对工艺程序进行精确而稳定的控制。 ( 7 ) 安全保护系统用来保护人机安全。 ( 8 ) 监测系统对油温，科温，系统超载，以及工艺和设备故障进行监测，发 现异常情况进行指示或报警。 1 2 注射技术的发展 注射技术的发展与聚合物材料的发展息息祖关。 现代塑料工业的问世可溯源至1 8 6 2 年，这年在伦敦的一个展览会上，英国人 p a r k e s 展出了一些用硝酸纤维素为主的混合材料模压而成的小制品，这就是注射技术的 起源【3 j 。 在18 6 8 年，一位年轻的美国海员h y a t t ，在寻找一种能代替象牙来制造桌球的材 料时，用硝酸纤维素和莰酮混合制成赛璐珞。1 8 7 2 年h y a t t 兄弟取得第一台塑料注射机 2 沈阳工业大学硕士学位论文 专利。1 8 7 8 年h y a r 制造出第个多模腔注射模具，并把赛璐珞注入模具中制备注塑制 品。 由于赛璐珞塑料的易燃性，不太适合于注塑，宜到1 9 1 9 年由e i e h e n g r u n 推出乙酸 纤维素后，注塑技术得到长足发展。 1 9 2 0 年注塑已开始工业化，直到1 9 2 6 年在德国才出现了根据工业标准而制造的首 批用于加工塑料的注塑机，以后又推出用电力驱动的注塑机。在英国还发明了压缩空气 油压驱动的注塑机，开始出现了注塑技术的发展雏形。 1 9 3 2 年德国人发明了有分流梭的机筒，1 9 4 0 年又发明了螺杆直射注塑法。第二次 世界大战结束后，聚合物品种有了很大的增加并相继投入了工业化生产，才使注塑技术 得以迅速的发展。 1 9 5 6 年世界上出现了第一台往复螺杆式注射成型机。这是注射技术方面的一项重 大突破，从而使更多的塑料，通过比较经济的注射成型方法，加工成各种塑料制品成为 可能。 我国的塑料机械工业始于2 0 世纪5 0 年代解放后不久，我国就建立起自己的塑料 机械工业和生产塑料注射机的专业机械厂。1 9 5 8 年生产出我国第一台液压传动的全自 动柱塞式注射成型机，我国自行设计制造的注射量为3 2 0 0 0 立方厘米，合模力为3 5 0 0 吨的大型注射成型机，于1 9 7 7 年获得成功【4 l 。 1 9 7 0 年以后，随着科学技术的进步，塑料制品从民用向工业，农业，国防，交通 等行业发展。因此，对制品质量的要求越来越高，对注塑设备及技术提出了更高的要 求。注塑设备及技术开始向高速化，高效化，自动化，专门化方面发展【5 。o 】。 在高速化方面，以尽量缩短成型周期为目标。主要体现为以下几个方面：提高启闭 模速度；提高注射速度；提高冷却效率；提高塑化能力。适合于高速化注射机结构的设 计与优化是采用合理的液压系统，优化合模装置的设计等。 在高效化方面，主要体现为高成品率而低能耗，成型过程热量的合理使用，作到热 损失小，效率高。主要体现为以下几个方面：实现低温塑化；动力源和冷却源的合理使 用，如液压系统使用蓄能器等；使用先进的控制技术，提高控制精度，减少废品率。 3 沈阳工业大学硕士学位论文 在自动化方面，主要体现为以下几个方面：加速应用微电脑技术和高精度元件，替 代传统的继电器控制，以提高注射机的控制水平和技术性能；从注射机本身实现自动化 到实现注塑生产过程的自动化。 在专门化方面，就是研究制造供专门用途的注塑设备与方法。由于注射用的塑料品 种十分广泛，在注射过程中所表现出来的物理性质，热性能，化学性质，流变性质有很 大差异，再加上制品用途不同，因此对注塑设备及技术提出了一些特殊的要求，以便满 足专门用途的蔼要。由此发展了相应的注射技术与设备，主要有以下几种：热固性塑料 注射机；排气式注射机；精密注射机；电动注射机；电磁动态注射机；多色注射机；发 泡注射机；气体辅助注射机；反应注射机等。 以塑代钢制造工程塑件是未来的发展趋势，今后对精密注射机的需求量将会明显增 加。， 从飞机制造业和汽车工业兴起的模块化设计将广泛地应用于注射机行业。为实现多 品种，中小批量混流生产，适应市场变化，缩短产品开发周期，提高产品质量，在注射 机制造行业引入柔性制造系统删s ) 也是势在必行，以此可提高我国注射机的制造水平 和应变能力。 1 3 注射理论的发展 1 3 1 塑化阶段理论研究 在挤出理论研究方面做出开拓性贡献的是d a m e l l - m o l ，他们在1 9 5 6 年以固体问磨 擦的静力平衡为基础建立了固体输送理论。徐敬一等人以该理论为基础，并引入螺杆后 退速度，建立了注射螺杆固体输送的物理模型和数学模型”“ 1 9 7 1 年，d o n o v a n 在实验研究基础上，提出了往复螺杆式注射机瞬态熔融理论模 型，成为注射螺杆设计的理论依据 在熔体输送理论方面，巨前仍以挤出螺杆的熔体输送理论作为定性分析和近 以计算 注射螺杆塑化能力的理论依据s t e l l 盯和王喜顺等人考虑了螺杆后退速度以及背压的影 响对此进行了理论修正u 2 - 1 3 。 由于注射螺杆在塑化过程中边转动一边后退，造成熔体温度分布不均匀，结果影 响制品的外观质量，力学性能及尺寸精度。因此，注射螺杆塑化过程能否提供温度分布 4 沈阳工业大学硕士学位论文 均匀的熔体受到人们的关注。k a m a l ，a m a r l o ，d o n t u l a ，v e r b r a a k 等人就螺杆几何结 构，螺杆转速，注射压力，背压以及成型工艺条件等对熔体温度分布的影响进行了实验 研究，从而得出了熔体温度的轴向分布规律以及三维熔体温度分布规律 t 4 q 8 】。 1 - 3 2 注射阶段理论研究 2 0 世纪5 0 年代初期，s p e n e e - g i l m o r e 利用圆盘型模腔及可视化手法，提出了等温 充模模型，创立了充模过程的可视化研究方法，并发表了充模过程的开创性文献。 2 0 世纪6 0 年代，b a l l m a n 等人研究了矩形薄壁模腔的充模模型，同时还提出了注 射充模过程中的分子取向理论。r o s e 提出了充模过程中用于描述熔体流动前缘区流动 的喷泉效应模型。p e a r s o n 提出了矩形型腔和圆盘模腔的非等温充模模型，并提出了一 系列的模拟和数值分析方法。 2 q 世纪7 0 年代，h a r r y 等人把能量方程应用于矩形模腔的研究，创立了一维半稳 态充模模型。w h i t e 和k a m a l 等人开始研究窄缝模腔的二维流动问题。 2 0 世纪8 0 年代。k a m a l - l a f l e u r 对二维流动充模过程中的熔体压力，速度和温度分 布进行了计算机模拟研究。m a v r i d i s 则对二维喷泉流动进行了计算机模拟研究【1 9 - 2 0 1 。 进入2 0 世纪9 0 年代，计算机模拟熔体充模流动得到了进一步发展，且研究的内容 更加多元化，所用的数值方法也更加严密。x i a o s h i j i n 应用边界元分析方法对注射喷泉 流动引起的分子取向进行了计算机模拟口n 。c r a o 和k a m a l 等人根据矩形模腔中压力 分布，研制出充模过程中自动动态调节的反馈控制系统而模具充模过程分析的计算机 软件，如c - f l o w 和m o l d t l o w 等也得到了广泛的应用。充模过程的研究已成为注射理论 研究中最为活跃的领域。 1 3 3 保压阶段理论研究 2 0 世纪7 0 年代，酬- x 曲i n g 等人对半圆形模腔进行研究，首次把传递现象引入 保压阶段，建立了半圆形模腔保压阶段的连续性方程，动量方程和能量方程。k a m a l 等 人建立了适用于矩形模腔的保压过程理论，考虑了聚合物熔体的可压缩性，推导出一个 非线性压力偏微分方程，从而得出模腔的压力分布规律。 2 0 世纪8 0 年代，c h u n g - r y a n 等人发展了k a m a l 模型，用数值求解并提出了平均 速度场的分布规律。 5 沈阳工业大学硕士学位论文 2 0 世纪9 0 年代，y u 等人研究了注射制品密度变化规律 2 2 - 2 3 1 。f r i e d l e 等人通过实 验，分析了各种加工参数与制品不同位置的密度之间的关系。n g u y e n 等学者根据摄动 法原理对非牛顿流体进行润滑近似，建立了保压阶段的二维粘弹流体的控制方程，并分 析了薄壁模腔内的压力和应力分布 ：z 4 1 。 i 3 4 冷却阶段理论研究 冷却阶段模腔压力变化过程十分复杂。g i c c i i c i 研究了矩形模腔中的冷却问题，并 得到模腔压力变化规律的经验方程口5 删k a m a l - k e n i n g - d i e t z 等研究者研究了结晶型塑 料在冷却阶段的结晶行为 2 r j 。 1 4 合模机构优化设计概况 在注射机合模机构的三大类型中，五孔斜排双曲肘式合模机构是应用最为广泛的一 t 种结构型式。目前国内外4 0 0 吨以下的中小型注射机均采用此种结构，甚至有的用在合 模力为2 5 0 0 吨力的大型注射机上此种结构的特点是承载能力高，结构紧凑，运动性 能良好，力的放大比大，省能，有一定的行程比，刚性足，从而可靠地保证在注射过程 中不易产生涨模现象，保证产品质量和工作效率。 在曲肘式合模机构的设计中，设计变量繁多，设计计算复杂以往对曲肘式合模机 构的设计多沿用经验，类比，试算，近似公式以及作图法来设计，不但工作量大，而且 设计参数不可能是最佳组合，也不能满足多目标的性能要求，使得曲肘式合模机构的优 越性能得不到充分的发挥。 随着计算技术的发展和计算机的应用，国外从2 0 世纪6 0 年代出现机械优化设计， 对注射机曲肘式合模机构也采用了计算机辅助设计。我国从7 0 年代末开始采用计算机 编程计算。而对曲肘式合模机构优化设计的研究则始于8 0 年代末，在9 0 年代才得到不 断开发和应用，现在仍处于不断完善和推广应用当中。一方面是推导更为合理的数学模 型，另一方面是寻求更为有效的优化方法。现就五孔斜排双曲肘式合模机构的优化设计 作如下综述p e - 3 6 。 1 4 1 目标函数 曲肘式合模机构设计的已知条件是合模力和模板行程品。由曲肘式合模机构的 力学和运动学分析中可以看出：大的增力倍数有利于节能：高的移模速度有利于提高循 6 沈阳工业大学硕士学位论文 环次数而提高生产率；大的模板行程w 提高对模具的适应性而扩大使用范围；小的结构 尺寸有莉于降低制造成本，减小占地密间。闵此，为获得良好的工作特髋，优纯设计遗 求黪嚣标鸯戳下建熹： ( 1 ) 以追求最大的力的放大倍数为目标函数。追求力的放大倍数有剁于提高合模 力，降低自耗，提高产晶质量。此目标函数嶷际上憝以满足预定含模力条件下以追求所 嚣簸大法敷薤力鸯最夺。 ( 2 ) 以追求最大行程比为目标函数。其设计思想是在动模掇行程一定的条件下使 合模油缸行程为最短。换言之，动模板的平均速度为最大。此目标函数有利于提高空循 环次数，缭短蔽鍪 震期，提褰襄翊模效率。 ( 3 ) 以追求最大模扳行程为目标函数。其设计思想题尽可茸黩使合模机构能适应不 同厚度的模具，提高注射机的使用范黼。此晤标函数常为横板行程只要求在一定范围内 对搜用。 ( 4 ) 以追求最小结构尺寸为目标爨数。其设计思想怒追求枫构总长度为最小或聪 模板铰支魔中心距为最小。由此使机台结构最小，以达到减小占地空间，减轻机台重 量，降低耩造成本。 1 4 2 约柬条件 曲肘式合模机构的优化设计，实际上是一个多目标有约束的优化闻越。其约束条件 寄誓律毪髓绣寒条件帮蔻俺约策条件。 1 a + 2 。1 性缝约束条件 ( 1 ) 为保诫机构藏常启闭运动，不发生自锁现象的约束条件： ( 2 ) 为增青薛襁l 台循环次数，行獠眈必绥满足设计要求的约柬条锌； ( 3 ) 获得会理增力倍数，保证食摸力舱约束条馋； ( 4 ) 为保证系统刚度，对合模机构犏界角的约束条件； ( 5 ) 为保诞动模檄在任何位置都能克敝系统黻力，实现可靠闭模，两对涌缸攉力 要求豹约束祭转； ( 6 ) 为结构紧凑，启闭模可靠，对初始角，女辩排角，终锁角的必要的约束条件。 7 沈阳工业大学硕士学位论文 1 4 2 2 几何约束条件 ( 1 ) 为避免对称曲肘相互干涉的约束条件； ( 2 ) 为保证相同杆件铰支孔便于制造，运动中不发生干涉的最小长度约束条件； ( 3 ) 为便于结构布置和不干涉，有关十字头和模板的约束条件。 1 4 _ 3 优化方法 1 4 3 1 目标函数的选择和协调 合模机构优化设计的目地是追求机构具有良好的综合性能。然而，希望上述各个目 标函数都获得最优解实际上是不可能的。因为从机构的力学及运动学分析中可知，它们 之间存在着矛盾或相互制约的关系。因此，如何进行目标函数的选择和目标函数间的协 调，以构成一个统一的目标函数，是进行优化设计的首要问题统一目标函数主要有四 种方法：加权组合法，目标规划法，乘除法和功效系数法。以往的优化设计中多采用功 效系数法。 1 4 3 2 优化方法的选择 优化方法的选择主要是根据具体情况从三方面考虑而定的。一是方法的可靠性，这 是评价优化方法好坏的重要原则；二是方法的有效性，与各种方法在同样条件下计算函 数值的次数有关；三是计算前的准备工作量及占用计算机存储单元的数量。曲肘式合模 机构的优化设计问题属于有约束优化问题，根据对约束条件的处理方法不同，可分为两 大类：直接法和间接法以往的优化设计多采用间接法中的惩罚函数法。 1 4 3 3 初始化参数设计 曲肘式合模机构的初始化参数设计包括厶模o o q , g g 各构件的强度刚度计算和基本结构 设计。其目地是在保证机构满足最大合模力要求的强度和刚度前提下，首先确定模板尺 寸及厚度，连杆断面尺寸，销轴直径，销轴衬套直径，以及铰支座处外缘直径，然后再 进行优化设计程序。并能进行必要的修正。 8 沈阳工业大学硕士学位论文 1 5 合模机构优化设计的意义 1 5 1 以往优化设计的不足之处 1 5 1 1 合模机构的力学模型不够完整 以往优化设计中，绝大多数只对机构的行程比，力的放大倍数，最大模板行程或机 构总长进行优化设计，得出的结果只是机构自身的尺寸参数，而并未考虑机构的强度及 刚度问题。近期的优化设计，在初始化设计中，考虑了机构的强度及刚度问题，但也未 考虑合模油缸推力这一关键问题。 1 5 i 2 合模机构力的放大倍数表达式不够准确 以往的优化设计中，力的放大倍数表示为后肘杆角度口变化量的关系式。但由于其 基准选择不当，导致力的放大倍数表达式不够准确。这将影响到最后的优化结果。 1 5 1 3 模板强度及刚度计算误差较大 合模机构设计中，系统刚度的确定即是重点也是难点，它包括了食模机构中所有受 力构件的力学计算问题，而其中模板的强度刚度计算最为关键。以往设计中，系统剐度 力学模型是单曲肘结构型式的模型，并且将模板简化为简支梁进行力学计算，所得结果 偏于保守，误差也较大。 1 5 2 本次合模机构优化设计的意义 ( 1 ) 系统准确地建立五孔斜捧双曲肘合模机构的力学及运动学模型，包括力的放 大倍数，系统刚度，临界角，合模油缸推力，行程比以及模板移动速度等。 ( 2 ) 应用优化方法及有限元方法，在计算机上对合模机构进行设计，替代传统的 经验，类比，试算，近似公式以及作图等设计方法。 ( 3 ) 力求合模机构的结构尺寸更加合理，从而提高合模机构的力学及运动学性 能。 ( 4 ) 为合模机构的模块化设计及c a d 奠定基础。 本文在系统准确地建立五孔斜捧双曲肘合模机构的运动及力学模型的基础上，突破 了传统的设计方法，采用现有的设计软件，对s z - 2 0 0 1 0 0 0 注射机合模机构进行全面的 优化设计计算。即可将设计人员从繁重的辅助工作中解放出来，又可获得满意的结果， 而且也为注射机c a d 奠定了基础。 9 沈阳工业大学硕士学位论文 2 五孔斜排双曲肘合模机构的运动学及力学模型的建立 五孔斜排双曲肘合模机构是目前在注射机中应用最为广泛的一种结构型式。由于斜 排结构，使其设计计算公式与直排式有很大差别。因此，符合这种合模机构运动特性和 力学特性的计算公式的正确表达就显得相当重要。这关系到合模机构的合理设计和优化 设计中数学模型的建立。五孔斜排双曲肘合模机构见图1 。 i23 4567 87【0 图2 - - 1 双曲肘合模机构结构图 1 一油缸；2 一后模板；3 一后支疰；4 一后肘杆； 5 一十字头；6 一连杆：7 一前肘杆：8 一前支座； 9 一动模板；1 0 一拉杆； 2 1 五孔斜排双曲肘合模机构的工作原理 无论是单曲肘还是双曲肘合模机构，其锁紧模具的工作原理都是相同的。它们都是 以油缸内的高压油为动力，推动活塞以支撑肘杆，使合模系统各个受力构件产生足够的 变形及变形力，从而合紧模具，以达到预期的合模力。为了能简单地表明这个工作原 理，下面以最简单的单曲肘合模机构为例来说明问题。 1 0 沈阳工业大学硕士学位论文 l 1 e 1 _ 2 匈? 宣、。 图2 2 肘杆式合模机构的工作原理 图2 中上图表示模具刚刚贴合的位置，这时肘杆系统尚未撑直，后连杆d e 和水平 线( 肘杆撑直成一线排列的位置线) 之间的夹角为，称为合模机构的临界角。显 然这时合模系统中各构件均没有发生任何变形，因此，模具间的合紧力为零。 图2 中下图表示在油缸推力作用下，肘杆撑喜成一线排列的位置( u i l a = o ) ，这 时系统中各构件均发生变形而产生变形力，实现了模具的预紧。模具间出现的最大预紧 力就称为合模力。 由力学知道，在合模系统中，前连杆c e 和后连杆d e 以及模具都会产生压缩变 形，拉杆会产生伸长变形，而前固定模板和后固定模板都会产生弯曲变形。由于这些构 件在变形后要恢复它的原来的长度，就使得两部分模具紧紧地压在一起，从而产生合模 力。因此可知合模力与各构件的刚度有关。此外由图2 还可看出，如果增大临界角 ，则合模系统中各个构件的变形量将增大，变形力也将增大，因此合模力也会增 大。 通过以上分析，肘杆式合模机构的工作原理可以概括为：合模力是合模过程中，由 于各构件产生弹性变形而产生的，其大小与合模系统的刚度及临界角有关。 沈阳工业大学硕士学位论文 2 2 运动特性分析 2 2 1 机构自由度f 如图3 所示，双曲肘合模机构上下对称布置，这样可提高机构的系统刚度，改善受 力状况。合模机构中对运动不起作用的对称部分属于虚约束，应先去掉再算自由度。 机构中无局部自由度，无高副。r e = 5 ，p t = 7 ，p h = 0 。 f = 3 n 一2 p l 只= 1 5 1 4 0 = 1( 2 - 1 ) 图2 - - 3 双曲肘合模机构自由度 图2 4 双曲肘合模机构运动及受力图 2 2 2 模板行程s 。 如图2 - 4 所示，根据结构分析，动模板的移动行程可用铰孔c 的移动量来表示。 x c = l l e o s ( a + 0 、+ l 2 e o s p 1 2 沈阳工业大学硕士学位论文 l i s i n ( a + 0 ) 2 三2 s i n + ( l l + l 2 ) s i n o sin口：l=sin(a+o)-(l,+l2)sin0 厶 s i n = 五s i n ( a + 秒) _ ( 1 + a ) s i n o cosp=瓶而=、1-3,sin(a+o)-(1+2)sino2 x 。= 厶c o s ( 口+ 口) + 厶1 一 3 1 s i n ( a + 口) 一( 1 + 3 1 ) s i n o 2 口= q 卢= 叼时： 以一= l l c o s o + l z 、1 - 3 1 s i n ( o r + o ) - ( 1 + 3 1 ) s i n o 2 = ( l , + l 2 ) c o s o 口。口 五“。：- acos(a。+o)+l2xl-31sin(tr。ffi,+o)-(1+31)sino2 1 品= 砭。一j “ = ( + l 2 ) c o s 0 一l lc , o $ ( o t m + d 一厶1 一 a s i n ( 口。+ 口) - ( i + 3 , ) s i n o 2 ( 2 2 ) 临界角；口后肘杆转角；卢前肘杆转角；口。最大启模角； a 杆长比；0 斜排角；厶后肘杆长；l 2 前肘杆长： s ，厂一模板行程； 二：0 一三鸯， 图2 5 双曲肘合模棚构运动图 1 3 沈阳工业大学硕士学位论文 2 2 3 斓缸l 丁栏s o 如图2 5 所示，油缸行程可用十字头铰孔a 的移动量来表示。 8 0 = l 4 c o s o o o + l s c o s 1 8 0 - ( a m + 口+ y ) 】+ l s c o s ( o + y ) 一l 4 c o s 妒n l a x = l 4 c o s q 0 一厶c o s 妒i n 啦+ e c , o s ( e + y ) 一l 5 0 d s ( g i n 缸+ 口+ ，) e = l 4 s i n q ) + l s s i n ( a + 口+ y ) s i n 口：e - l 5s i n ( a + 0 + t ) q 口= 口i 慨，妒= 妒o ；o r = o ，伊= 妒l n 找 咖仇= 型学 型 e 一厶s i n ( o + ，) s i i i 2 。了一 c o s 伊o = 扛石= l 4c o s 伊o = 上三一【e 一厶s i n ( 口一+ 口+ ，) 】2 k c o s 纯。= 犯一【e l s s i n ( o + r ) 2 so：l-e-lss i n ( a m + 0 + t ) 2 一瓶j 云币而+ 工5 c o s ( e + r ) 一c o s ( a + 口+ ，) 】 ( 23 ) e 十字头高度；岛泊缸行程：厶连杆长；幻一后肘支杆长 口连杆与水平夹角；，后肘杆夹角； 2 2 4 行程比氏 合模机构的行程比是指模板行程岛与油缸活塞杆行程岛的比值，即： r ，= 芋 ( 2 _ 4 ) 1 4 ， 沈阳工业大学硕士学位论文 2 2 5 速度变化系数r v 合模机构的速度变化系数是指模板移动速度与油缸活塞杆移动速度之比， 即： 彤2 肯 而鲁= 薏 根据虚位移原理【3 司有：p “s o - - p , d s , = o 生：曼；上 只m 舻鲁寺= 蛊s i n ( 粉a 器c o s p ， 一、 y a m l s+ e 七y + 们 j ( m 见2 3 1 ) 2 3 力学特性分析 2 3 1 力的放大倍数m 力的放大倍数m 是指由合模油缸推力p d 经肘杆机构产生推动动模板的移模力与 油缸推力p d 的比值。若不计机构在运动中的摩擦，自重，惯性力等因素的影响，可根 据静力平衡关系求得m ( 见图2 - 4 ) 凡一2 p t x o s q ，2 0 p b h b p h ：2 0 p y , o s 8 一p 2 。0 h ：- l s s i n ( a + 口+ ，+ 矿) 吩= l l s i n ( a + 口+ ，) e = l 4 s i n + o + i 捌m ( a + 口+ ，) 妒= a r c 咖【型掣】 l 2 s i n p + ( l m + z a ) s i n o = l t s i n ( a