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_

1、第38卷第8期2010年8月塑料工业CH I N A P LASTI CS I NDUSTRY 3国家科技支撑计划项目(2007BAF13B01,2007BAF13B05和国家自然基金(5097300933联系人yang wmmail 1buct 1edu 1cn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C AD /CAE /C AM 。基于ADA M S 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

2、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:T Q32015文献标识码:A 文章编号:1005-5770(201008-0047-03D esi

3、 gn and O pti m i za ti on Ana lysis for Hybr i d 2dr i ve C l am p i n g Un it of A ll 2electr i c I n jecti onM ould i n g M ach i n e Ba sed on ADAM S SoftwareSHAO Zhu 2na,AN Ying,X I E Peng 2cheng,D I N G Yu 2mei,Y ANG W ei 2m in(College of Mechanical and Electrical Engineering,Beijing Universit

4、y of Che m ical Technol ogy,Beijing 100029,China Abstract:To i m p r ove the efficiency and reduce the cost of existing all 2electric injecti on moulding ma 2chine with t oggle cla mp ing unit,firstly,the hybrid 2drive theory was intr oduced int o the clamp ing unit .W ith conventi onal mot or and s

5、ervo mot or as driving s ource,t w o degree of freedom hybrid 2drive cla mp ing unit was designed,reference t o existing cla mp ing unit .Then the ADAMS s oft w are was used f or the kine matics si m ula 2ti on on the virtual p r ot otype cla mp ing p r ocess,with coordinates para metric and design,

6、study,and anolysis,sensitivity of each para meter was obtained;Finally,with the key para meters as design variables,the op ti m iza 2ti on design f or vel ocity curve of moving te mp late was perfor med .The results showed that it was feasible t o in 2tr oduce hybrid 2drive theory t o cla mp ing uni

7、t of all 2electric injecti on moulding machine,and p r ovided a ne w way t o devel op all 2electric injecti on moulding machine t o realize its maxi m izati on,ultrahigh s peed and cost degradati on .Keywords:Hybrid 2drive Theory;ADAMS;Kine matics Si m ulati on;Op ti m izati on Design1全电动注塑机混合驱动式合模机

8、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EB C 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

9、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:Point 2A 、Point 2B 、Point 2C 、Point 2D 、Point 2E ,分别对应合模机构中的A 、B 、

10、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 1The working p rinci p le sketch of all 2electric hybrid 2drivecla mp ingunit 图2现有全电动合模机构工作原理图Fig 2The working p rinci p le sketch of existing all 2electriccla mp ing unitADAMS/V ie w 提供了参数化建模和分析功能,将 参数值设置

11、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01s 为开模时间,1112s 为制品顶出时间,112212

12、s 为合模时间,211212s 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31/2虚拟样机初始位置Fig 3The initial positi on of half the virtual p r ot otypeA 、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

13、-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 4Vel ocity and dis p lace ment curves of point Fdriven by servo mot or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

14、移曲线Fig 5Vel ocity and dis p lacement curves of pointMdriven by main mot or图6动模板H 速度和位移曲线Fig 6Vel ocity and dis p lacement curves of moving te mp late H311 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X C 、铰点A (图3的横坐X

15、 A 、动模板与肘杆连接点D (图3的坐标X D 。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 7Op ti m al vel ocity curveof moving te mp late H首先在Design Evaluati on 中使用Op ti m izati on 对DV _1、DV _5和DV _6在其可变范围内进行优化设计

16、。动模板速度曲线优化后如图7所示,优化之后DV _1等于214mm ,DV _5等于11615mm ,DV _6等于427mm 时,动模板速度由约625mm /s (图6增加到677mm /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,-581333变化到(427,-581333,肘杆CD 的长度由231mm 减小到21511mm ,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

17、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

18、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200W 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

19、(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415s 、气体注射压力25MPa 、气体注射时间12s 。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,20082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

20、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,2008:120-130.2T OK UZ L C .Hybrid machine modeling and contr ol D .UK:L iver pool Polytechnic,1992.3C

21、ONNOR A M ,Douglas S S,Gil m artin M J,et al .Thesynthesis of hybrid five 2bar path generating mechanis m s using genetic algorith m s C /I EE .Genetic A lgorith m s in Engi 2neering Syste m:I nnovati ons and App licati on .UK:I EEConf Pub,1995:313-318.4GREE NOUGH J D.Design of hybrid machine C /I F 2To MM.Pr oceeding of the 9th I FT o MM world Congress .M i 2lan:s