（机械设计及理论专业论文）混合驱动合模机构的研究.pdf

混合驱动合模机构的研究 摘要 混合驱动机构的基本思想是采用常规电机和伺服电机作为其动 力源，两种类型的输入运动通过一个多自由度机构合成后产生所需要 的输出运动。常规电机为系统提供主要动力，伺服电机起运动调节作 用。混合驱动机构能够提供多组输出运动规律，以满足不同的注塑加 工工艺要求。 首先，分析了机械式合模机构动模板运动的典型规律，对混合驱 动合模机构的可行性进行了分析。并从分析平面闭链五杆机构的相对 杆长关系入手，对平面闭链五杆机构的构型进行了分析；应用回路矢 量法对混合驱动合模机构的正运动学、逆运动学进行了分析；考虑了 各构件的惯性力，列出了各构件的力和力矩平衡方程，对混合驱动合 模机构进行了动态静力分析。 其次，建立了a d a m s 虚拟模拟过程的合模机构运动规律设计原 型，在a d a m s 中建立了模拟图形，并进行了运动模拟以及模拟数据 的输出。 最后，建立了混合驱动合模机构的优化设计模型，并将优化分为 两步：第一步，先进行逆运动学优化，以伺服电机的角加速度波动为 目标函数优化设计混合输入机构的尺寸参数。第二步，运用正运动学 优化综合合模机构的机构参数，其目标函数为，使合模机构能近似实 现滑块的某一位移函数，以滑块的实际位移与理想位移之差的均方根 最小为目标函数，最后求得满足加工工艺要求的伺服电机角速度。 关键词：混合驱动机构，合模机构，机构综合，计算机仿真，优 化设计 i i r e s e a r c ho nh y b r i d d r i v e ni n j e c t i o nm o l d i n gm a c h i n e s c l a m p i n gu n i t a b s t r a c t t h em a i nf e a 哳eo 仆y b r i d 一“v e nl i n k a g ei st oc o m b i n et h em o t i o n o fal a 培ec o n s t a n tv e l o c i 够m o t o rw i t has m a us e o m o t o rv i aat w o d e g r e eo f 仔e e d o mm e c h a n i s m t h ef o r m e rp r o v i d e st h em a i np o w e ra n d m o t i o nr e q u i r e d ，w h i l et h el a t t e ra c t sa sam o t i o nm o d u l a t i o nd e v i c e t h e r e f o r e ，t h eh y b r i d d r i v e nl i n k a g ec a i lp r o v i d ef o rp r o g r a m m a b l e m o t i o no u t p u t f i r s t l y ，t h e 邯i c a ll ( i n e t i c r u l e sa n dd r i v e ns c h e m eo ft h ei n j e c t i o n m o l d i n gm a c h i n e sc l a m p i n g u n i ta r er e v i e w e d t h es c h e m eo f h y b r i d d r i v e ni n je c t i o nm o l d i n gm a c h i n e sc l a m p i n gu n i ti sp u tf o r w a r d t h e nt h ef e a t u r eo fh y b r i d - d r i v e ni 巧e c t i o nm 0 1 d i n gm a c h i n e sc l a m p i n g u n i ti s a n a l y z e da n dt h ef e a s i b i l i t yo fh y b r i d d r i v e ni 巧e c t i o nm o l d i n g m a c h i n e sc l 锄p i n gu n i ti sd i s c u s s e d t bb e g i nw i t ht h ea n a l y s i so ft h e l i n kl e n g t hf o rap l a r u l e rf i v e - b a r t h et y p eo ft 1 1 ep l a n l l e rf i v e - b a rl i i l l ( a g e i sa n a l y z e d t h e nt h ef o n v a r da n di n v e r s ek i n e m a t i c so ft h eh y b r i d d r i v e n i 巧e c t i o nm o l d i n gm a c h i n e sc l 觚1 p i n gu n i ti sa n a l y z e db yu s i n gl o o p v e c t o rm e t h o d 0 nt h eb a s i so ft h ek i n e m a t i c a la n a l y s i s ，t h ee q u a t i o n so f 觚oc r a n k sb a l a n c em o m e n ta r es t u d i e dc o n s i d e r i n gt h ei n e r t i ao fl i n k s s e c o n d l y ，t h es i n g u l a r i t ) ra n dm o b i l i t yc o n d i t i o no fm e c h a n i s mb y a d a m sa r e a n a l y z e d e s t a b l i s hs i m u l a t i o n f i g u r e ，p u tu p t h e i i i s i m u l a t i o na n do u t p u tm ed a t a f i n a l l y ，i no r d e rt or e a l i z e t h ef l e x i b l eo u t p u to ft h es l i d e r ，t h e o p t i m u md e s i g no fm eh y b r i d - d r i v e ni sc a r r i e do u tt h r o u 曲俩om 旬o r p r o c e s s e s t h ef i r s tp r o c e s si st oo p t i m i z et h eg e o m e t r i cp a r 锄e t e r so f t h ec l a n 叩u n i t ，o nt h ea s s u m p t i o nt h a tt h es e o m o t o rr o t a t e sa ta c o n s t a ma n g u l a rv e l o c i t ye q u a lt ot h a to ft h ec o n s t a n tv e l o c i t ym o t o r t h es e c o n dp r o c e s si st oo p t i m i z et h ed i s p l a c e m e n tt r a j e c t o 巧o ft h e s e r v o m o t o rb a s e do nt h er e s u l t so ft h ef i r s tp r o c e s sw h i l ek e e p i n gt h e g e o m e t r i cp a r a m e t e ru n c h a n g e a b l e t h ei n p u td i s p l a c e m e n t o ft h e s e o m o t o ri ss e p a r a t e l yo p t i m i z e du s i n gp o l y n o m i a lc u r v e k e y w o r d s ： i y b r i d - d r i v e nm e c h a n i s m ；c l a m pu n i t ；m e c h a n i s ms y n t h e s i s ； c o m p u t e rs i m u l a t i o n ；0 p t i m u md e s i g n i v 北京化工大学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：一日期： 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文 的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北 京化工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编 学位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在上年解密后适用 本授权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授 权书。 作者签名： 导师签名： 日期： 渺j 、2 夕 北京化工大学硕士研究生学位论文 1 1 课题背景及研究意义 第一章绪论 随着现代科学技术的飞速发展和国际市场竞争的日趋激烈，机械产品j 下向 高速化、精密化、柔性化、多样化方向飞速发展。这就要求现代生产机械不仅 能够高精度、高效率、大负载地运转，而且还应具有较好的“柔性”，以满足 市场对产品多样化的需求。在这种市场需求情况下，传统的具有大批量生产能 力的刚性生产机械系统显得越来越小适应。 传统的机械系统大多数采用一个定转速电机作为驱动器，通过机械传动装 置和机构产生所需的输出运动。这类机械具有较高的承载能力、运行速度和生 产效率，能够很好的满足大批量生产的要求。尽管这类机械成本较低，但最大 的不足是缺乏柔性，因为要改变输出运动规律就得改变运动转换机构的构型和 尺寸。而这种改变通常较为困难或者费用较高。尽管可以在很小范围内调整机 构参数来满足不同的工艺需求，但仍不适应现代多品种、小批量的生产环境。 如何使机械系统适应现代多品种、小批量的生产环境，并且又使系统本身 具有高速、高承载能力，以及适合的多种功能要求，已经成为国内外机械设计 和机构创新领域研究的焦点之一。复杂的机构方案可以解决这些问题，但其设 计复杂、周期长，制造费用较高，并且复杂机构一般运动链较长，运动副多， 效率损失大，积累误差大，实用性较差，因此很难满足各种用户的需求。由此 可见，能够很好解决这些问题的理想机器除应具备传统机械系统特点，还应该 具备输出运动的可控性及可调节特性。 随着现代控制电机和控制技术的飞速发展，在生产机械中应用伺服电机作 为动力源，使得用同一种机械结构实现多种运动输出成为可能。当系统中有多 台伺服电机时，通过计算机控制可使各个电机的运动相互协调。这类生产机械 具有较高的柔性，因此能够满足产品多样化的要求。 混合驱动可控机构就是一种既能以较高的速度、高精度、甚至高负载地运 转，又能提供一定柔性的多自由度闭环机构，也可以简称混合驱动机构( h y b r i d m a c h i n es y s t e m ) 。这种机构兼容了传统机构和全伺服驱动机构的优点，避免 了二者的不足，在理论上能够比较理想地解决柔性化与保持高速、高效、高承 载力这一对矛盾，提出了现代机械设计的一个新思路。如图1 1 所示，它以不 可控电机和可控电机作为驱动器，两种类型的输入运动通过一个多自由度机构 北京化工大学硕士研究生学位论文 合成后，可以实现所预期的输出运动，其中，不可控电机为系统提供主要的动 力，可控电机承担较小的动力，主要起运动调节作用。因此，混合驱动机构也 是一个具有柔性的系统，是一类典型的可控机构，其柔性的大小取决于系统中 可控电机对机构输出运动的影响程度，以及不可控电机对机构输出运动的约束 程度。它属于一种可控机构，是目前机构学研究的前沿领域】。 7 r 多 p 自 由 ，f 令 度 机 鸭 令 构 j 图1 1 多自由度混合驱动机械系统示意图 f i gl 一1s k e c hf i g u r eo ft h em u l t i p l ed e g r e eo ff e e d o mh y b r i dd r i v e m a c h i n e 图中，代表连杆，豫代表恒速电机，他可控电机。 本文提出混合驱动机构应用于合模机构的思想。其由混合驱动机械与目前的 机械式合模机构组合而成，混合驱动合模机构能够提供可控的输出运动，能够很 好的解决目前机械式合模机构的易磨损、开合模精度差、模板受力不均、锁模力 不均匀、不能成型精密产品、需要有复杂的调模结构和润滑系统、开合模行程短， 机身庞大等缺点。 1 2 国内外相关课题研究现状 1 2 1 混合驱动机构基础理论的研究 混合驱动机构系统的研究始于上世纪九十年代初期。1 9 9 2 年，为了验证混 合驱动机构的各项性能及其特点，针对变规律的输出运动要求，例如升降 ( 斑s e r e t u 】m ，简称r r ) 、升停降( 砌s e d w e l l i 己e t u m ，简称r - d - r ) 、升一降一停 ( m s e r e t u | m d 、 ，e l l ，简称r - r d ) 运动，t o k u z 与j o n e s 【5 - 8 1 在研究中采用了全 2 北京化工大学硕士研究生学位论文 伺服驱动和混合驱动两种方案：第一种方案直接采用伺服电机驱动一个连杆机 构( 曲柄滑块机构) 产生所需的输出运动；第二种方案则采用常规恒速电机和 伺服电机的输出运动经差动轮系合成后，驱动一个曲柄滑块机构来实现变规律 的往复运动。 研e e n o u g l l 与j o n e s 【9 j 为克服t o k u z 与j o n e s 研究中“停歇段对伺服电机功 率需求的影响较大 的问题，采用二自由度七杆机构作为运动合成机构，同样 可以实现上述变规律输出运动。他们以减小伺服电机的功率为目标函数，通过 优化综合得到七杆机构的尺寸参数，可以把伺服电机的功率减小大约5 0 。 h e m a j l 【l o 】运用混合驱动理论，采用一个差动轮系作为混合驱动系统，该轮 系驱动一个凸轮机构实现可变的变近、变远休止时间的柔性输出运动，其计算 机仿真结果表明：采用混合驱动系统比单独运用伺服电机驱动，伺服电机的最 大输出功率和力矩减小了7 0 。 s e s h a 【l l 】用混合驱动五杆机构的运动输出代替变廓线凸轮，实现了预定的输 出要求。 在国内关于混合驱动机构的研究中，东南大学程光蕴【l2 j 等人提出用含移动 副的混合驱动五杆机构实现精确轨迹的输出。采用两步设计，即先将调节滑块 固定，则该机构就成为一个单自由度四杆机构，通过优化综合设计该机构的几 何尺寸使其能近似实现给定的轨迹；然后在该四杆机构的基础上加上运动调节 滑块，依靠可控电机进行微运动补偿和调节，使该混合输入双自由度五杆机构 精确生成给定的轨迹。 武汉冶金科技大学的孔建益【1 3 - ”1 对此类机械系统的研究，主要是应用五杆 机构，并依靠可控电机进行微运动补偿和调节，实现精确运动规律、实现给定 的函数等方面问题。 上海交通大学周洪【1 6 17 1 、周双林【1 8 。2 0 】对混合输入型机电系统的设计、建模 和控制进行了研究，提出了平面闭链五杆机构工作空间的求解算法。 天津大学刘建琴【2 l 】做了混合驱动的“弹性连杆机构创成轨迹精度控制的理论 与实验研究，通过改变曲柄的长度，实现降低弹性连杆机构的动态响应，实现 了运动轨迹误差的动态补偿，并且通过优化曲柄长度的变化规律精确实现平面四 杆机构的轨迹创成，并通过实验进行了验证。张新华【2 2 】的博士论文“实现轨迹创 成的混合驱动可控机构分析与综合”，对半柔性混合驱动机构和全柔性混合驱动 机构的可动性条件、曲柄存在条件、运动耦合性、死点位置等进行了分析，并对 再现成组运动规律进行了尺寸综合。 在研究混合驱动机构的同时，人们对全伺服驱动的可控机构也进行了一定 的研究，其中主要的研究有： 北京化工大学硕士研究生学位论文 台湾成功大学的颜鸿森 2 3 - 2 4 】等用微机控制的直流伺服电机驱动凸轮做变速 运动来改变从动件的运动学特性；用微机控制的直流伺服电机驱动曲柄滑块机 构来改变滑块的输出运动特性；用微机控制的直流伺服电机驱动w a n t y p e 压力 机，通过优化伺服电机的运动规律，调节滑块的输出运动，以满足压力加工工 艺的要求，同时也改善了机械系统的运动特性。 c h e w 和p l a l l 【2 5 】通过仿真研究发现，通过伺服电机控制凸轮变速运动，不 仅可以改变从动件的运动学特性，而且可以有效地降低从动件的残余振动。 北京交通大学姚燕安【2 6 彩】等建立了凸轮机构的主动控制系统，以微机控制 的伺服电机作为凸轮机构的原动机和控制器，组成凸轮机构的主动控制系统， 通过控制凸轮转速的变化规律，使凸轮机构的输出运动具有期望的运动学特性 和动态特性，并通过凸轮机构的运动控制和振动控制的实验，取得了一定的效 果。 在伺服电机驱动连杆机构的研究中，t o k u z 【2 s j 建立了用无刷伺服电机驱动 的四杆轨迹创成系统模型，通过仿真分析发现伺服电机驱动的四杆机构可以减 小连杆曲线误差，并改善机构的运动学及动力学特性。 可见混合驱动可控机构和全伺服驱动可控机构的研究是相辅相成的。通过 二者的研究对比，可以发现各自的优缺点，以促进彼此研究的深入。从上面的 分析可以看出，尽管国内外对这一领域进行了大量的研究，但混合驱动机械系 统理论还很不成熟，还没有形成系统的理论体系。当前对混合驱动可控机构的 研究只涉及到机构学中单运动规律的运动分析和综合，再现成组运动规律的分 析与综合，对混合驱动机构动力学、功率分配问题、最优控制、相应的仿真软 件开发及实验方面的研究、混合驱动机构的应用的研究还尚未完全展开。 1 2 2 混合驱动机构应用于合模机构的研究 近年来，伺服电机制造和控制技术发展迅速。特别是永磁交流伺服电机广 泛采用高磁通密度的铷铁硼永磁铁转子，性能大大提高。功率从3 0 w 到5 k w ， 转矩从0 3 n m 到7 2 n m 的伺服电机制造技术已经非常成熟，均有商业化产 品。伺服电机的控制也大量采用新技术，控制方式更加灵活、有效、精确，软 硬件技术的进步促使伺服电机的控制向数字化控制转变，基于模糊推理的交流 伺服自适应控制集参数自动识别、模糊推理、特征量辩识等技术为一体，使伺 服系统的控制向智能化方向发展。 基于伺服电机制造和控制技术，日本、美国、台湾、中国大陆的许多学者， 将伺服电机应用到压力机上，并对此进行了许多有益的研究。 4 北京化工大学硕士研究生学位论文 将伺服电机引入压力机驱动系统有两种方式： 第一种方式：用伺服电机直接驱动压力机，其结构形式与普通机械压力机 相同，仅将普通电机换成伺服电机，仍为单自由度机械系统。调节伺服电机的 输入可以改善机构输出的速度特性和动力学性能。 第二种方式：采用混合驱动机构，用伺服电机与常规电机混合驱动压力机， 其结构形式与普通压力机截然不同。常规电机和伺服电机的输入通过一个二自 由度机构合成之后驱动滑块往复运动，不仅可以改善输出动力特性，而且能够 改变滑块输出运动规律，以满足不同加工工艺的需要。 混合驱动可控压力机可以运用混合驱动理论，在传统的曲柄连杆压力机 的结构基础上做出改进。由于伺服电机的引入，使得该压力机在输出上达到 可控性的目的。混合驱动可控压力机是混合驱动原理在工程中的成功应用实 例之一。 鉴于以上研究内容，本人提出混合驱动机构应用于合模机构的思想，并在 文章中加以论证。 1 3 本论文主要内容 混合驱动合模机构运用混合驱动理论，在传统的肘杆式或者液压式结构基 础上做出改进。由于伺服电机的引入，使得该合模机构在输出上达到可控性的 目的。 从整个研究工作上来看，本文主要是针对混合驱动合模机构的研究工作从 三个相关部分而展开，即：混合驱动合模机构可行性分析与构型选择、混合驱 动合模机构的运动学与动态静力学分析、混合驱动合模机构的计算机仿真及优 化设计，主要的研究内容包括以下几个方面： 第一章绪论阐述课题的研究背景和意义，混合驱动机构基础理论的研 究，并提出本文的主要研究内容。 第二章混合驱动合模机构可行性分析与构型选择：分析了机械式合模机 构运动的典型规律，并对现有机械式合模机构的机构方案及特点进行了分析， 在此基础上，对混合驱动合模机构的可行性进行了论证分析。并且得出了混合 驱动合模机构的结构组成。 第三章混合驱动合模机构的运动学和动态静力分析：由于混合驱动合模 机构的机构构型为一个七杆机构，而该七杆机构是由平面闭链五杆机构与一个 二级杆组串连组成，机构的主体为平面闭链五杆机构，因此需首先对平面闭链 五杆机构的特性进行研究。本文首先从分析平面闭链五杆机构的相对杆长关系 北京化工大学硕士研究生学位论文 入手，给出了平面闭链五杆机构的可装配条件；对平面闭链五杆机构的构型进 行了分析和分类，并归纳了无条件双曲柄存在的充要条件。应用回路矢量法对 混合驱动合模机构的正运动学、逆运动学进行了分析，分别求出了混合驱动合 模机构中各构件的位移( 角位移) 、速度( 角速度) 、加速度( 角加速度) 的 解析表达式；在假定常速电机作等速回转运动、伺服电机按给定的运动规律运 动的情况下，考虑了各构件的惯性力，列出了各构件的力和力矩平衡方程，对 混合驱动合模机构进行了动态静力分析。 第四章混合驱动合模机构的计算机仿真：在a d a m s 中完成对该混合驱 动合模机构的三维实体零件建模和装配建模。通过建模，我们可以对该混合驱 动合模机构的结构形式和运行特征有更深一步的了解。并且还能大体上了解混 合驱动合模机构的几大重要组成部分：机架、常速电机驱动部分、伺服电机驱 动部分、杆机构、滑块。在a d a m s 中进行运动模拟及模拟数据的输出。 第五章混合驱动合模机构的优化设计理论的研究：建立混合驱动合模机构 的设计参数以及目标函数；建立混合驱动合模机构的优化设计变量、约束条件。 应用m a t l a b 优化工具包进行优化设计。 第六章：结论与展望：总结全文，并对进一步研究提出建议和展望。 6 北京化工大学硕士研究生学位论文 第二章混合驱动合模机构可行性分析与构型选择 2 1 引言 随着现代科技的发展，机械行业也得到了长足的发展。对于高分子加工机 械中的主导产品注射机也一样，各种新技术层出不穷。例如，现在将电磁技术 应用到注射机中，还有全电子注射机，无拉杆大型注射机，磁性注射机等许多 先进的技术。特别是电动注射机的发展，它很有可能是将来注射机行业的主要 产品，并有可能取代目前各种不同类型的注射机。但是对于我们国家来说，我 们在电动方面发展较慢，目前的大部分产品的合模机构仍然是液压式或液压肘 杆式。从这种传统合模机构的发展历史来看，采用了各种方法想改变合模机构 的速度特性曲线，比如主驱动电机调速等措施，但一旦合模机构的结构和尺寸 参数确定之后，动模板的输出运动规律也就随之确定，因而不具有柔性。为了 更好地控制合模机构的速度特性曲线，伺服电机被引入到合模机构的驱动系统 中来。混合驱动理论也是在这样的背景下发展而来的。混合驱动合模机构是由 常速电机和伺服电机共同驱动的，是一个二自由度系统。其中常速电机提供了 系统的主要功率，而伺服电机只起到调节控制的作用。 本章首先分析了传统的合模机构的典型运动规律和常用机构，并对其优缺 点进行了分析，并在此基础上提出了混合驱动合模机构的思想，对其实现的可 行性进行了理论分析与研究；最后，根据混合驱动合模机构的特点，对混合驱 动合模机构的构型进行了选择。 2 2 现有合模机构的运动特点分析【3 6 啦l 精密注射成型是与常规注射成型相对而言，指相对成型制品的精度要求很 高，使用通用的注射机和常规注射工艺都难以达到要求的一种注射成型技术。 精密注射成型的概念包括两个方面：一是指几何精度，也就是制品的尺寸精度 和形位精度等，二是指机械精度，它是指除了几何精度外，根据实际情况提出 的要求，如表面光滑性、透明性、刚度、力学强度、内应力等。 从2 0 世纪7 0 年代开始，随着电子技术的发展，工业发达国家相继研制出 不同种类的精密注塑机。尤其在日本，日钢、日精、东芝等厂家都开发了各具 7 北京化工大学硕士研究生学位论文 特色的精密注塑机。我国于8 0 年代，精密注射机研制也取得一定的成绩。1 9 8 5 年，上海第一塑料机械厂研制成功s z 1 5 0 1 0 0 精密注塑机。同年，杭州四五零 九厂制造出了微型精密注塑机。之后，上海电讯器材厂试制成功1 0 克精密注塑 机，浙江塑料机械厂也研制出闭环控制的精密注塑机。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，大幅度提高控制精度，确保质量更加稳定。 1 9 8 9 年，顺德市秦川恒力塑机有限公司研制出双动模及四缸差动合模注塑机， 在此基础上又开发成功全液压四缸直锁二板精密注塑机。在国外，不少大公司 研制了全液压式精密注塑机。其中具有代表性的有：日本三菱公司研制了m j 系列9 0 1 2 0 0 t 高速全液压注塑机，德国k m u s s - m 疵i 公司生产了4 4 、5 5 、7 2 、 8 8 t 全液压精密注塑机。 影响注塑成型制品精度的因素很多，包括注塑成型设备、注塑工艺、注塑 模具和材料性能等，其中注塑成型机对注塑制品的精度具有决定性的影响。注 塑成型机由塑化装置、合模装置、控制装置和动力装置组成，而合模装置的动 力性能直接影响着制品的精度等级。因此，研究注塑机的合模机构是具有极大 意义和挑战的课题。 合模装置是保证成型模具可靠的闭紧和实现模具的启闭动作及顶出制品的 部件。因此对于一个比较完善的合模装置应该对力、速度、安装模具与取出制 品的空间有一定要求【2 9 】，即应满足以下几条： 1 机构要有足够的合模力和系统刚性，保证模具在熔料的压力作用下，不 产生开缝溢料现象； 2 模板要有足够的安装模具的面积和启闭模具的行程，以适应成型不同制 品或模具的要求； 3 模板在启闭过程中，有一个比较理想的变速过程，即运动速度应是 慢快一慢的变化过程。这样，既可使制品平稳顶出又可以让模具安全运行。 对于合模装置的总要求即是能够实现大合模力、高速、低能耗、安全可靠。 现有的合模装置按工作原理来分主要分为液压式和液压肘杆式两种。 2 2 1 肘杆式合模机构分析 肘杆式合模装置就是利用各种形式的连杆机构，在合模时， 利用合模系 统发生弹性变形( l ，) 与机构自锁性质而对模具实现预紧，此预紧力p c m 即 为合模力。当肘杆机构伸直并对模具实现预紧之后，即使工作液压油压力卸去， 北京化工大学硕士研究生学位论文 只要合模机构保持自锁状态，其合模力是不会随之改变的，如图2 1 。 图2 1肘杆式合模机构的工作原理 f ig 2 1p r i n c i p l eo fi 坷e c t i o nm 0 1 d i n gm a c h i n e sc 1 锄p i n gu i l i t 根据肘杆机构的类型和曲肘的个数。可将肘杆式合模装置分为单曲肘、双 曲肘、曲肘板式及其它特殊型。按肘杆机构与移模油缸的排列方式，可分为对 称型和非对称型。按组成曲肘的连接孔数分四也型和五孔型。 1 单曲肘合模装置 对于单曲肘合模装置具有结构简单，外形尺寸小，制造容易等特点。但是 它的增力作用比较小，承载能力也受到原结构的在对合模装置的三个基本要求 中( 力、速度、位置和行程空间) 的特性并不突出，一般都用在合模力为1 0 0 吨以下的小型机器上。 2 曲肘板式合模装置 这种类型的合模装置主要目的是为了扩大模板行程。它利用肘杆和楔块的 增力和自锁作用，使模具牢靠锁紧。这种结构的特点就是行程大，肘杆构件少， 但对材料和制造的精度要求非常高。而且它的增力作用较小，力的放大倍数一 般为1 0 多倍。没有增速作用，这对生产效率和生产效益及机器本身的利用效率 是一个致命的打击。 3 双曲肘合模装置( 对称型) 为了能够塑制较大的制品，因此需要提高合模力同时也要使机器所承受的 合模力均匀对称。一般都采用对称排列的双曲肘合模机构。如图2 2 所示： 9 北京化工大学硕士研究生学位论文 图2 2 双曲肘合模装置 f i g 2 2t w de l b o w 蜥e c t i o nm o l d i n gm a c h i n e sc l 锄p i n g 这种类型的合模装置，它的增力作用比较大，力的放大倍数能够达到2 0 4 0 倍。因此，在其它相同条件的情况下，双曲肘机构使用的移模油缸直径比单 曲肘机构的小。因此比较符合三个基本要求。这种类型按其铰接数可分四孔型 和五孔型，若按其曲肘排列位置可分为斜排式和直排式。目前多采用五孔式p o j 。 ( 1 ) 五孔直排式这种类型机构的运动简图如图2 3 所示： 图2 3 五孔直排式双曲肘机构 f i g 2 3 b e e l i n ef iv eh 0 1 eo ft w oe l b o wi i 巧e c t i o nm o l d i n gm a c h i n e sc l a n l p i n g 这种机构的后连杆的e 角有9 0 。和小于9 0 。之分。当e = 9 0 。时，主要用在合 模力为5 0 0 6 0 0 t 以下；当 0 0 0 0 0 q 0 0 0 d 5 0 5 0 5 7 7、五b 5 flujl甚匕arl 北京化工大学硕士研究生学位论文 实现输出运动柔性，并具有承载能力高、运行速度快和成本低的特点，能很好 满足当今生产多品种、小批量、低成本发展的需求。混合驱动合模机构总结起 来具有以下特点： 1 在不改变常规电机输入参数的条件下，改变伺服电机的输入运动规律， 可实现不同的位移和速度曲线，即可实现动模板的多组输出运动规律；能有效 地调节合模工作段的速度特性，因而能提高合模机构的工作效率； 2 可简化注塑机的结构：当采用混合驱动机构时，由于伺服电机的运动可 控性，当需要不相同的输出运动要求时，不必采用改变肘杆机构的结构参数来 实现，因而可简化注塑机的结构。 从以上分析可以看到，利用混合驱动模式对合模机构进行调速可以避开传 统的主驱动电机调速、机械变速调速、纯伺服调速以及改变机构结构参数的一 些缺陷。达到我们对合模机构的输出加工曲线的可控性的目的。 2 4 混合驱动合模机构的结构组成 研究混合驱动合模机构的目的是通过将伺服电机引入驱动系统，达到兼容 传统合模机构工作平稳、承载能力大、效率高和伺服电机柔性好、可编程调节 的优点，以增强合模机构的工艺适应能力。因此，在选择和设计二自由度运动 合成机构的时候，要充分利用现有合模机构的优点，同时还要考虑机构的调节 能力。 混合驱动机构是由一个平面闭链五杆机构和一个i 沁二级杆组串接组成， 要对混合驱动机构的可动性进行分析，应先从研究平面闭链五杆机构的构形和 可动性入手。五杆机构是最简单的平面二自由度机构，两个输入加在两个连架 杆上，通过两个连杆铰接点将运动输出，其轨迹可以形成比较复杂的曲线，通 过适当的尺寸综合，能够设计出适合合模机构的机构。文献1 3 l j 运用机构创新设 计方法，利用机构拓扑分析，综合出了多个方案，并给出了几种可以应用的机 构，如图2 1 2 所示： 篇矗一 aa 铸携 带殴 a 、 c j 7 ”，枘 d )e ) 图2 1 2 可用机构运动简图 1 6 北京化工大学硕士研究生学位论文 f i g 2 一1 2n ec h a r to fu s e 如lm e c h 越s m 经过分析，本文决定以图2 1 2 ( b ) 所示的机构作为混合驱动合模机构， 见图2 1 3 。其中l l 作为常规驱动电机，l 4 为伺服电机，滑块代表动模板。 图2 1 3 混合驱动合模机构机构简图 f i g 2 1 3t h ec h a r to fh y b r i d d r i v e ni n j e c t i o nm o l d i n gm a c h i n e sc l a m p i n gu l l i t 2 5 本章小结 本章从分析机械式合模机构的典型运动规律入手，对混合驱动合模机构的 可行性进行了分析；指出了常用机械式合模机构的缺点，即其运动输出不具有 柔性，难以用于不同的注塑加工工艺。而伺服电机驱动的合模机构，由于受到 伺服电机功率较小的限制，难以用于大中功率的注塑机上。而混合驱动合模机 构将常规电机和伺服电机生成的输入运动合成后，产生可编程的输出运动，这 种系统既结合了传统机械系统和全伺服机电系统的优点，能实现动模板运动的 柔性输出，又具有承载能力高、运行速度快和成本低的特点，能很好满足当今 生产多品种、小批量、低成本发展的需求，因而有着广阔的发展前景。最后根 据混合驱动合模机构的设计要求，对混合驱动合模机构的机构构型进行了设计 与选择。 1 7 北京化工大学硕士研究生学位论文 第三章：混合驱动合模机构的运动学与动态静力学分析 3 1 引言 混合驱动机构是一种机电一体化的新型机械系统，随着市场经济的发展， 现代生产不仅要求不断地提高生产率，而且要求产品设计的多样化与不断更新， 这导致柔性生产系统的出现，这一趋势反映到生产机械上，就要求机器不仅能 够高速、高精度地运转，而且应能提供在一定范围内变化的输出运动规律。 本章首先从分析平面五杆机构的相对杆长关系入手，对平面闭链五杆机构 的构型及可动性进行了分析，并归纳了无条件双曲柄存在的充要条件；然后对 混合驱动合模机构进行了逆运动学和正运动学分析：正运动学分析是已知常规 恒速输入件和伺服变速输入件的运动规律，求输出滑块( 动模板) 的运动规律； 逆运动学分析是考虑到常规恒速输入件的同时，已知输出滑块的运动规律，求 伺服驱动输入件的运动规律；然后，在对混合驱动合模机构运动学分析的基础 上，建立了混合驱动合模机构动态静力分析模型，从而为混合驱动合模机构的 优化设计与尺寸综合打下了基础。 3 2 平面闭链五杆机构的构型及可动性分析 3 2 1 平面五杆机构的尺度分析 c 图3 1 平面五杆机构 f i g3 - lp l a l l a rf i v e - b a rm e c h a n i s m 1 8 d 北京化工大学硕士研究生学位论文 1 如图3 一l 所示，当两个原动件1 、4 按给定运动规律运动时，机构可装配， 且无死点和奇异位置的出现，此时所满足的尺寸为相对的可动条件： 2 当两原动件按任意运动规律运动时，机构可装配，且无死点和奇异位置 的出现，此时所满足的尺寸为绝对的可动条件。 要满足传动角么b c d 应大于0 。而小于1 8 0 。的约束条件，这样可以避免 出现死点和奇异位置，即机构可装配。 此时，k 应满足l f z 一毛l k z z + 毛 b d 的极值条件是厶、s 三杆共线或当z 刮，时b ，d 铰链重合。 图3 2 五杆机构的几种奇异位置 f i g3 - 2s i n g u l a rp o s i t i o no ff i v e - b a rm e c h a i l i s m 则p “乏，姗嘶示。 因此，五杆机构的可动条件是：i ，2 一厶i k 。越 + + ；5 并且 乞毛 3 2 2 平面五杆机构存在双曲柄的充要条件 c ( 3 1 ) ( 3 2 ) 随着二自由度五杆机构在混合输入机电系统以及改良压力机等方面的不断 取得成功的应用，其中所包含的一些机构的结构学问题也引起了国内外的关注。 由于混合机构的一个输入为常速马达驱动，另一个为伺服驱动，因而混合机构 必须保证有两个曲柄存在。 曲柄存在条件是指机构在满足可动条件下，两输入原动件，即两个连架杆 能够实现整周回转时所满足的杆长尺寸条件。参考结构相对简单的四杆机构的 曲柄条件，对五杆机构的曲柄条件进行分析。 1 9 北京化工大学硕士研究生学位论文 ( 1 ) 平面四杆机构的曲柄存在条件 c 图3 3 平面四杆机构 f i g 3 3p l a l l a rf o u r _ b a rm e c h a n i s m 四杆机构存在曲柄的充要条件为研a s h o f 准则，其内容为： 1 连架杆和机架必有一杆为最短杆； 2 最长杆和最短杆之和小于或等于另两杆长度之和。 即s + ，”+ 刀 上式中的s 、1 分别代表最短杆的长度和最长杆的长度，m 、n 则代表另外 两杆的长度。满足上述不等式的四杆机构为研a s h o f 四杆机构。 而根据最短杆的不同，四杆机构又可分为以下： 1 当s + ， 所+ ，z ，且最短杆为l 4 时，此四杆机构为双曲柄机构； 2 当s + z 所+ 刀，且最短杆为l 1 或l 3 时，此四杆机构为曲柄摇杆机构； 3 当s + z 所+ 刀，且最短杆为l 2 时，此四杆机构为双摇杆机构； 4 当s + ，= 朋+ 刀，无论哪跟杆为最短，此四杆机构为变点机构。 ( 2 ) 平面五杆机构的曲柄存在条件 c d 图3 4 平面铰链五杆机构 f i g3 - 4h i n g e dp l a n a rf i v e b a rm e c h a n i s m 图3 4 所示为一全转动副五杆机构。为利用四杆机构有曲柄条件的结论， 分析五杆机构曲柄条件。现将该五杆机构转化为虚拟四杆机构，并进行分析： 将固定在任意位置，令b e 为虚拟机架，：为虚拟连架杆，则可获得虚 拟四杆机构b c d e ，如图3 5 所示。 北京化工大学硕士研究生学位论文 c d 图3 5 虚拟四杆机构之一 f i g3 - 5t h ef i r s tt y p eo fv i m l a lf o u r b a rm e c h a l l i s m 对于虚拟四杆机构b c d e 设s = r 1 1 i n ( + 毛) ，乞， 并且，当乞，厶中有一个最短时，要保证它不大于l f l 一纠。 ，= m a x ( 厶+ 厶) ，乞，毛，) 若假设乞= j ，毛= ，根据前文曲柄条件s + ，朋+ 刀 因此有：如+ 厶 + 毛+ 厶 该式结论完全背离了五杆机构可动条件的( 3 1 ) 式，所以厶不能为最短杆。 将固定在任意位置上，令a d 为虚拟机架，毛，f 3 为虚拟连架杆，则构成 虚拟四杆机构a b c d 。 c d 图3 6 虚拟四杆之二 f i g3 6t h es e c o n dt y p eo fv i r t u a lf o * 妇m e c h 觚i s m 2 l 北京化工大学硕士研究生学位论文 对于虚拟四杆机构a b c d 设s = m i n ( + 厶) ，厶) 当，厶中有一个最短时，要保证它不大于| f 4 一厶i 。 ，= m a x ( 7 4 + 如) ，易，f 3 若假设毛= s ，乞= ，同样根据前文曲柄条件 则有 五+ 乞 0 时，对机构进行动力学分析，即分析其运动是由于保守力和非保 守力的作用而引起的，并要求构件运动不仅满足约束要求，而且要满足给定的 运动规律。它又包括静力学分析、准静力学分析和瞬态动力学分析。动力学的 运动方程就是机构中运动的拉格朗日乘子微分方程和约束方程组成的方程组。 当d o f 0 时，属于超静定问题，a d a m s 无法解决。 运动学、静力学分析需要求解一系列的非线性代数方程、线性代数方程， a d a m s 采用了修正的n e 埘o n r a p h s o n 迭代算法求解非线性代数方程，以及基 于l u 分解的c a l a h a n 方法和h a r w e l l 方法求解线性代数方程。对动力学 4 l 北京化工大学硕士研究生学位论文 微分方程，根据机械系统特性的不同，选择不同的积分算法：对刚性系统，采 用变系数的b d f ( p e c e ，p r e d i c t e v a l u a t e 。c o r r e c t e v a l u a t e ) ，并分别为i n d e x 3 、 s 1 2 、s 1 1 积分格式，在积分的每一步采用了修正的n e 嘶o n r 印h s o n 迭代算法； 对高频系统，采用坐标分块法将微分代数( d a e ) 方法简化为常微分( o d e ) 方程，分别利用a b a m ( a d 锄s b a s h f o n h a d 锄s m o u l t o n ) 方法和龙格库塔 ( 砌 4 5 ) 方法求解。具体如下： 1 线性求解器( 求解线性方程) ，采用稀疏矩阵技术以提高效率。 2 非线性求解器( 求解代数方程) ，采用n e o n r a p h s o n 迭代算法。 3 d a e 求解器( 求解微分代数方程) ，采用b d f 刚性积分法。 4 o d e 求解器( 求解非刚性常微分方程) ，采用a b a m 求解器与r k f 4 5 求解器。 a d a m s 的整个计算过程( 指从数据的输入到结果的输出，不包括前、后 处理功能模块。) 可以分成以下几个部分：( 1 ) 数据的输入；( 2 ) 数据的检查； ( 3 ) 机构的装配及过约束的消除；( 4 ) 运动方程的自动形成；(