塑料注射成型机构参数优化

第 23卷 第 1期2007年 2月 机 械 设 计 与 研 究23 1, 2007收 稿 日 期 : 2005 - 07 - 21文 章 编 号 : 100622343 (2007) 012114203塑 料 注 射 成 型 机 构 参 数 优 化张 航 伟 , 陈 婵 娟 , 徐 元 昌(陕 西 科 技 大 学 机 电 学 院 ,陕 西 咸 阳 712000, 要 :首 先 介 绍 了 塑 料 注 射 成 型 机 的 成 型 机 构 的 基 本 组 成 ,再 以 成 型 机 构 为 对 象 建 立 了 优 化 设 计 的 数学 模 型 ,分 析 成 型 机 构 的 五 个 优 化 目 标 ,运 用 中 的 型 机 构 进 行 运 动 仿 真 并 分析 仿 真 结 果 。关 键 词 : 成 型 机 构 ;优 化 设 计 ;数 学 模 型 ;仿 真中 图 分 类 号 : 5 文 献 标 识 码 : qu a 712081, of op of op of op 机 构 是 注 塑 成 型 机 的 一 个 重 要 组 成 部 分 ,是 保 证 成型 模 具 可 靠 闭 紧 和 实 现 模 具 启 闭 动 作 及 制 品 顶 出 的 主 要 部件 ,它 对 保 证 成 型 制 品 质 量 起 着 重 要 作 用 。 本 设 计 采 用 目 前使 用 比 较 广 泛 的 五 孔 斜 排 内 翻 式 结 构 ,模 具 锁 紧 后 连 杆 2 撑 成 一 直 线 ,这 种 结 构 的 相 关 角 度 的 表 示 如 图 1所 示 1 。其 中 模 板 行 程 ,是 动 模 板 从 起 始 位 置 到 终 了 位 置 ; 合 模 油 缸 的 活 塞 杆 的 行 程 ,是 活 塞 杆 从 起 始 位 置到 终 了 位 置 的 距 离 。 成 型 机 构 的 主 要 作 用 是 对 合 模 油 缸 带动 下 的 活 塞 杆 输 出 的 力 进 行 放 大 ,推 动 动 模 板 前 后 移 动 ,以实 现 模 具 的 启 闭 动 作 。 图 1 五 孔 斜 排 内 翻 式 成 型 机 构 示 意 图1 成 型 机 构 优 化 的 数 学 模 型机 械 优 化 计 的 数 学 模 型 是 优 化 设 计 问 题 的 数 学 表 达 形式 ,反 映 了 设 计 过 程 中 主 要 因 素 间 的 内 在 联 系 的 一 种 数 学 关系 。 目 标 函 数 、 约 束 条 件 、 设 计 变 量 是 优 化 设 计 数 学 模 型 的三 个 要 素 。 数 学 模 型 的 建 立 在 对 机 械 系 统 进 行 运 动 和 受 力分 析 的 基 础 上 。1. 1 优 化 目 标评 定 一 个 成 型 机 构 设 计 的 好 坏 的 技 术 指 标 有 五 个 ,分 别是 行 程 比 、 力 放 大 比 、 机 构 总 长 、 动 模 板 速 度 和 加 速 度 。(1)行 程 比 是 动 模 板 行 程 S 和 活 塞 杆 行 程 比 值 。行 程 比 越 大 ,注 塑 机 的 工 作 效 率 也 就 越 高 ; (2)力 放 大 比 是 合模 力 与 活 塞 杆 最 大 推 力 的 比 值 。 若 力 放 大 比 较 大 ,在 满 足 相同 的 合 模 力 的 条 件 下 ,意 味 着 可 以 减 小 合 模 油 缸 的 直 径 和 系统 油 压 ,节 省 能 源 ; ( 3)机 构 总 长 是 动 模 板 和 调 模 板 间 的 距离 。 为 了 使 整 个 机 构 更 加 紧 凑 ,故 要 求 机 构 总 长 越 小 越 好 ;(4)模 板 的 速 度 和 加 速 度 ,都 应 该 具 有 一 定 的 平 稳 性 。 速 度和 加 速 度 越 平 稳 ,模 板 所 受 冲 击 力 也 就 越 小 ,合 模 的 可 靠 性也 就 越 高 。 由 于 上 述 五 个 优 化 目 标 具 有 相 互 矛 盾 性 ,不 可 能得 到 同 时 满 足 五 个 指 标 的 结 果 。 因 此 ,优 化 目 标 是 由 五 个 目标 之 中 的 两 个 或 多 个 目 标 复 合 而 成 的 。经 过 对 机 构 的 详 细 分 析 ,可 以 得 出 优 化 目 标 的 数 学 表达 式 。行 程 比 为 :C = ) + 1 2 - ) - 1 + 1 1 L3 - ) - L4 0 - L1 ) - L3 - - - L4 1 动 模 板 速 度 : L1 + ) L5 + + + ) 力 放 大 比 :M = d 1 / 板 加 速 度 : = + + ) - + + ) - 总 长 度 L = + 1 L5 + )+L4 11. 2 设 计 变 量连 杆 式 成 型 机 构 的 设 计 参 数 很 多 ,除 去 非 独 立 的 参 数 ,并 以 合 模 力 模 板 行 程 拉 杆 间 距 知 条 件 ,剩下 的 设 计 参 数 有 六 个 ,即 、 、 、 和 分 别 对 应 x2、 个 设 计 变 量 。1. 3 约 束 条 件成 型 机 构 的 设 计 变 量 的 取 值 不 是 随 意 的 ,必 需 满 足 一 定的 范 围 . 根 据 经 验 可 以 定 出 : 0. 55 0. 7 = 60 90 ; 30 H /4; 45 ; = 1 + + 150 等 。另 外 ,还 须 满 足 肘 杆 互 不 干 涉 的 条 件 。2 程 序设 计 的 优 化 编 程 和 运 动 仿 真 采 用 。 个 广 泛 应 用 于 工 程 计 算 技 术 分 析 领 域 的 数 学 分 析软 件 ,它 具 有 功 能 强 大 、 简 单 易 学 、 编 程 效 率 高 等 优 点 。该 优 化 设 计 是 一 个 六 维 的 约 束 优 化 问 题 ,采 用 随 机 方 向搜 索 法 进 行 求 解 。 其 基 本 原 理 是 :在 约 束 可 行 域 内 ,选 取 一个 初 始 点 以 一 初 定 步 长 = 0 沿 随 机 方 向 以 某 种 形式 产 生 的 随 机 方 向 ) ,求 得 探 索 点 0 检 验 该 点 是否 同 时 满 足 下 降 性 (即 f (X ) f ( )和 可 行 性 (即 X ) 0)要 求 。 若 不 能 同 时 满 足 ,则 应 弃 去 该 点 方 向 重 新 产 生另 一 随 机 方 向 进 行 探 索 ;若 能 同 时 满 足 ,则 表 示 索 成功 。 然 后 以 它 为 新 的 起 始 点 ,即 X 在 向 上 继 续 探索 新 的 成 功 点 ,直 到 探 索 的 点 不 能 同 时 满 足 下 降 性 和 可 行 性为 止 。 这 时 放 弃 该 点 ,并 将 前 一 个 成 功 点 作 为 向 的 最终 成 功 点 ,记 为 然 后 以 新 的 起 点 然 后 产生 另 一 随 机 方 向 原 定 步 长 重 复 上 述 过 程 ,得 最 终 成 功点 经 若 干 次 循 环 ,点 列 k = 1, 2, 3 ) 最 终 逼 近 约束 最 优 点 X 2 3 。 当 在 某 个 转 折 点 ,沿 N (预 先 给 定 的 某 个 转折 点 产 生 的 随 机 方 向 的 最 大 数 目 )各 随 机 方 向 以 步 长 进 行探 索 失 败 时 (即 不 能 同 时 满 足 下 降 性 和 可 行 性 要 求 ) ,可 将 步长 缩 半 ,以 = 0. 5 进 行 探 索 ,直 到 缩 减 到 预 定 精 度 以 下 (即 ) ,且 沿 N 个 随 机 方 向 探 索 失 败 时 ,则 以 最 后 一个 成 功 点 为 所 求 的 最 优 约 束 点 。 一 般 选 取 N P = 500,对 目 标函 数 性 态 不 好 的 应 取 较 大 的 值 ,以 调 解 题 成 功 率 。本 次 优 化 针 对 于 五 个 优 化 目 标 ,编 制 了 五 个 优 化 主 程 序以 及 供 主 程 序 调 用 的 一 系 列 的 子 程 序 ,程 序 运 用 制 ,简 单 方 便 。3 仿 真3. 1 S 种 以 础 的 用 于 动 态 机械 建 模 和 仿 真 的 软 件 包 。 个 突 出 特 点 是用 户 可 以 在 屏 幕 上 调 用 现 成 的 机 械 模 块 ,并 将 它 们 适 当 的 连接 起 来 构 成 机 械 系 统 的 模 型 。 通 过 仿 真 ,可 以 形 象 直 观 地 观察 到 机 械 系 统 的 运 动 情 况 ,并 分 析 仿 真 的 结 果 。3. 2 仿 真 过 程 及 结 果在 中 ,机 构 各 杆 件 可 以 用 代 替 ,而 转 动 和 滑 动 则 用 代 替 ,另外 还 有 信 号 生 成 模 块 示 波 器 模 块 首 先 开 始 建 立 模 型 文 件 ,详 细 分 析 机 构 连 接 后 ,新 建 名为 型 文 件 ,把 所 需 要 的 模 块 拖 入 模 型 文 件 中 并连 接 起 来 ;然 后 对 各 个 模 块 的 参 数 进 行 修 改 ,主 要 包 括 对 各杆 件 的 质 量 、 转 动 惯 量 和 空 间 位 置 坐 标 的 填 写 ,确 定 各 铰 链和 滑 动 连 接 的 方 向 ,最 重 要 的 是 建 立 机 构 运 动 的 输 入 信 号 ,成 型 机 构 的 原 动 件 为 合 模 油 缸 ,所 以 把 活 塞 的 位 移 、 速 度 和加 速 度 作 为 机 构 仿 真 的 输 入 信 号 。 经 分 析 ,三 个 信 号 分 别 为锯 齿 波 、 方 波 和 直 线 。 仿 真 启 动 后 ,通 过 示 波 器 界 面 ,即 可 观察 到 动 模 板 的 运 行 状 况 ,图 2所 示 为 以 保 证 加 速 度 平 稳 性 为优 化 目 标 的 仿 真 曲 线 ,三 条 曲 线 从 上 到 下 分 别 表 示 动 模 板 的位 移 、 速 度 和 加 速 度 随 时 间 的 变 化 情 况 。 图 2 加 速 度 优 化 的 仿 真 曲 线3. 3 结 果 比 较通 过 仿 真 不 同 优 化 目 标 所 确 定 的 成 型 机 构 ,可 以 对 其 仿真 结 果 进 行 比 较 分 析 。 图 3和 图 4分 别 是 以 行 程 比 和 速 度为 优 化 目 标 进 行 优 化 后 的 仿 真 结 果 。 可 以 看 出 图 4的 速 度曲 线 要 比 图 3速 度 曲 线 平 缓 一 些 ,这 说 明 经 优 化 后 速 度 的 波动 减 小 了 ;而 图 2的 加 速 度 曲 线 要 比 图 3和 图 4的 加 速 度 曲线 平 缓 ,这 说 明 模 板 的 加 速 度 经 优 化 后 波 动 也 变 小 了 。 图 3 行 程 比 优 化 的 仿 真 曲 线(下 转 第 119页 )511第 1期 张 航 伟 等 :塑 料 注 射 成 型 机 构 参 数 优 化结 构 体 积 比 和 性 能 参 数 P 其 最 大 、 平 均 的 进 化 历 程 分 别 见 图 4和 图 5。 图 5显 示 最 大 应 力 与 平 均 应力 的 差 距 逐 渐 减 小 ,表 明 车 架 结 构 低 应 力 单 元 逐 渐 减 少 ,整个 结 构 应 力 趋 于 均 匀 。 最 后 得 到 的 最 佳 拓 扑 构 形 与 实 际 车架 结 构 相 近 ,表 明 该 仿 真 设 计 的 可 行 性 。4 结 论仿 真 算 例 表 明 上 述 方 法 是 可 行 和 有 效 的 。 但 应 该 注 意到 ,仅 在 弯 曲 工 况 下 对 车 架 结 构 设 计 进 行 了 初 步 探 讨 ,而 实际 上 车 架 的 受 力 是 多 工 况 、 动 态 的 ,其 结 构 最 优 布 局 往 往 比较 复 杂 。 从 工 程 应 用 角 度 考 虑 ,结 构 拓 扑 优 化 设 计 只 是 一 种概 念 性 设 计 ,实 际 设 计 时 必 须 结 合 工 程 要 求 及 规 范 ,进 行 细节 修 改 和 光 滑 处 理 。参 考 文 献 : 1 V O M et 3D B p C . p 998, 275 282. 2 荣 见 华 ,姜 节 胜 ,颜 东 煌 ,等 . 基 于 人 工 材 料 的 结 构 拓 扑 渐 进 优化 设 计 J . 工 程 力 学 学 报 , 2004, 21 (5) : 67 71. 3 荣 见 华 ,姜 节 胜 ,胡 德 文 ,等 . 基 于 应 力 及 其 灵 敏 度 的 结 构 拓 扑渐 进 优 化 方 法 J . 力 学 学 报 , 2003, 35 (5) : 584 590. 4 王 健 ,张 鲁 邹 ,程 耿 东 ,等 . 应 力 约 束 下 车 架 的 结 构 拓 扑 优 化 设计 J . 汽 车 工 程 , 1997, 19 (1) : 15 19. 5 赵 韩 ,钱 德 猛 ,. 基 于 车 结 构 轻 量 化 设 计 J . 农 业机 械 学 报 , 2005, 6: 18 21. 6 张 勇 ,张 力 ,胡 崛 ,等 . 重 型 车 车 架 组 合 结 构 的 有 限 元 分 析 J 与 电 子 , 2005, (2) : 21 24. 7 李 峻 ,于 学 兵 ,张 昆 . 汽 车 车 架 的 优 化 设 计 方 法 J . 机 械 制 造与 自 动 化 , 2005, (2) : 43 简 介 :杜 海 珍 (1980 - ) ,女 ,工 程 师 ,主 要 研 究 方 向 为 汽 车 安全 技 术 和 结 构 优 化 ;已 发 表 论 文 8篇 .(上 接 第 115页 ) 图 4 速 度 优 化 的 仿 真 曲 线4 结 论注 塑 成 型 机 是 目 前 塑 料 工 业 中 的 一 种 很 重 要 的 制 造 设备 ,它 的 生 产 水 平 直 接 影 响 到 塑 料 制 品 的 质 量 和 生 产 效 率 ,故 提 高 成 型 机 构 的 设 计 水 平 ,制 造 出 更 高 精 度 、 更 高 效 率 和更 高 可 靠 性 的 成 型 机 意 义 重 大 。 通 过 上 述 分 析 论 证 ,对 于 目前 流 行 使 用 的 五 孔 斜 排 式 成 型 机 构 的 注 塑 机 ,不 仅 介 绍 了 成型 机 构 的 优 化 方 法 ,并 且 运 用 对 成 型 机 构 进 行了 运 动 仿 真 ,力 求 最 大 限 度 的 设 计 满 足 不 同 性 能 要 求 的 最 优化 的 注 塑 成 型 机 构 。参 考 文 献 : 1 瞿 金 平 ,黄 汉 雄 . 塑 料 工 业 手 册 M . 北 京 : 化 学 工 业 出 版社 , 2001. 2 高 键 . 机 械 优 化 设 计 基 础 M . 北 京 :科 学 出 版 社 , 1998. 3 刘 卫 国 . 科 学 计 算 与 M . 北 京 :中 国 铁 道 出 版社 , 2000. 4 段 绵 开 ,王 喜 顺 ,彭 玉 成 . 曲 肘 式 合 模 机 构 运 动 特 性 分 析 及 其优 化 设 计 J . 中 国 塑 料 , 1996 (06) : 63 68. 5 夏 廷 文 . 内 卷 式 和 外 翻 式 五 铰 点 双 曲 肘 斜 排 列 合 模 机 构 的 设计 J . 塑 料 , 1982, (4) : 6 邱 志 凌 . 注 塑 机 五 铰 点 双 曲 肘 合 模 机 构 的 优 化 设 计 J . 塑 料工 业 , 1987 (6) :作 者 简 介 :张 航 伟 (1978 - ) ,女 ,陕 西 乾 县 人 ,硕 士 生 ,研 究 方 向为 机 械 电 子 技 术 研 究 与 应 用 ;已 发 表 论 文 三 篇 。