基于ADAMS的注塑機合模機構(gòu)動力學仿真研究

鐘士培

(順德三坊機械制造有限公司，廣東佛山528305)

合模機構(gòu)是注塑機重要部件之一，是保證塑料成型模具可靠地閉緊和實現(xiàn)其啟閉動作的關(guān)鍵部件，其性能的優(yōu)劣，將直接影響成型制品的質(zhì)量。鎖模力是由合模機構(gòu)閉合時合模機構(gòu)發(fā)生系統(tǒng)彈性變形產(chǎn)生，系統(tǒng)所達到的最大變形力即為注塑機標定的額定鎖模力。目前國內(nèi)大多數(shù)注塑機制造廠家在設(shè)計生產(chǎn)過程中，往往偏重于合模機構(gòu)的靜力學分析，多采用以力學和數(shù)學為基礎(chǔ)的半理論、半經(jīng)驗設(shè)計法進行設(shè)計。然而，注塑機雙曲肘合模機構(gòu)，是在復雜的工況下工作的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，其動態(tài)性能狀態(tài)，直接影響整機的性能。因此，有必要對注塑機雙曲肘合模機構(gòu)的動力學性能進行分析和研究。

ADAMS(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical System)軟件，是由美國機械動力公司(Mechanical Dynamics Inc.)開發(fā)的一套功能十分強大的機械系統(tǒng)動力學分析軟件，是基于虛擬樣機技術(shù)和多體動力學理論的機械系統(tǒng)仿真分析軟件。該軟件廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車工程、鐵路車輛及裝備、工業(yè)機械、工程機械等領(lǐng)域。ADAMS與先進的CAD軟件(UG、Pro/Engineer)以及CAE軟件(ANSYS)可以通過計算機圖形變換格式文件相互變換，以保持數(shù)據(jù)的一致性。利用ADAMS軟件建立參數(shù)化模型，可以進行設(shè)計研究、試驗設(shè)計和優(yōu)化分析，為系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化提供了一種高效開發(fā)工具。

本文結(jié)合Pro/Engineer和ADAMS軟件，以多體動力學為理論基礎(chǔ)，建立了SZ-680T型注塑機雙曲肘合模機構(gòu)剛?cè)狁詈隙囿w動力學模型，應(yīng)用ADAMS軟件進行了合模機構(gòu)的仿真計算，獲得一系列關(guān)于此合模機構(gòu)的各種動力學方面的數(shù)據(jù)，分析了合模機構(gòu)的動力學特性，為合模機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計和工程分析提供依據(jù)。

1 建立合模機構(gòu)虛擬樣機模型

1.1 合模機構(gòu)工作原理

本文以SZ-680T型注塑機合模機構(gòu)為研究對象，該合模機構(gòu)簡圖如圖1所示。其工作原理為：合模油缸通過十字頭驅(qū)動肘桿機構(gòu)擺動，使動模板沿拉桿軸向移動，實現(xiàn)開合模及鎖模工藝要求。當機構(gòu)運動至終點前某一位置時，模具與動模板剛接觸，此時的曲肘角α=α0，α0稱為臨界角，機構(gòu)繼續(xù)運動，動模板在機構(gòu)的驅(qū)動下繼續(xù)向前移動，系統(tǒng)發(fā)生彈性變形，變形力作用在模具上形成鎖模力。運動終止時，大曲肘(L1)和大連桿(L2)在同一直線上，系統(tǒng)達到最大鎖模力即額定鎖模力，此時合模機構(gòu)處于自鎖狀態(tài)。表1為SZ-680T型注塑機的有關(guān)尺寸數(shù)據(jù)。

表1 SZ-680T型注塑機的有關(guān)尺寸數(shù)據(jù) 單位：mm

圖1 雙曲肘合模機構(gòu)簡圖

1.2 合模機構(gòu)虛擬樣機模型

將Pro/Engineer建立的合模機構(gòu)模型導入ADAMS有兩種途徑：

(1)ADAMS/Exchange是ADAMS/View的一個可選集成模塊，其功能是利用IGES、STEP、STL、DWG/DXF等產(chǎn)品數(shù)據(jù)交換庫的標準文件格式，完成ADAMS與Pro/Engineer或其他CAD/CAM/CAE軟件之間數(shù)據(jù)的雙向傳輸。將Pro/Engineer中建立的模型向ADAMS中傳輸時，ADAMS/Exchange自動將圖形文件轉(zhuǎn)換成一組包括外形、標志和曲線的圖形要素，通過控制傳輸時的精度獲得較為準確的幾何形狀，并獲得質(zhì)心和轉(zhuǎn)動慣量等重要信息；

(2)通過Mechanism/Pro模塊，采用無縫連接的方式將數(shù)據(jù)傳送到ADAMS中，進行全面的動力學分析。現(xiàn)采用第二種方法，將Mechanism/Pro中的合模機構(gòu)模型導出為ADAMS/View(﹡.bin)文件，使用ADAMS軟件可對轉(zhuǎn)換的合模機構(gòu)模型進行編輯。

依據(jù)多體動力學理論，根據(jù)合模機構(gòu)各部件的連接和約束關(guān)系施加各種約束副，使得多體動力學模型的運動和受力形式符合實際情況。定義各構(gòu)件之間的約束關(guān)系如表2所示。

表2 各構(gòu)件之間的約束關(guān)系

1.3 在ADAMS中建立柔性體的方法

在ADAMS中建立柔性體有3種方法。

(1)通過將一個構(gòu)件離散成許多段剛性構(gòu)件，進而可以建立所需要的柔性體，用柔性力進行連接。但這種方法只限于簡單構(gòu)件；

(2)用ADAMS/Auto Flex模塊，可以直接在ADAMS/View中生成建立柔性體的模態(tài)中性文件MNF，再用柔性體替代原來的剛性體；

(3)利用有限元軟件將構(gòu)件離散成網(wǎng)格單元，通過模態(tài)計算，將文件替換為建立柔性體的MNF文件，從而可以直接讀取到ADAMS中。

合模機構(gòu)依賴系統(tǒng)發(fā)生彈性變形產(chǎn)生鎖模力。對合模機構(gòu)的受力分析，應(yīng)用剛?cè)狁詈隙囿w動力學模型。文中只考慮合模機構(gòu)的大曲肘(L1)、大連桿(L2)、小曲肘(L3)、小連桿(L4)及拉桿的柔性特征，將大曲肘(L1)、大連桿(L2)、小曲肘(L3)、小連桿(L4)及拉桿建立為柔性體，其他零部件仍然考慮為剛體。本文采用上述的第二種柔性體建立方法完成從剛體到柔性體的轉(zhuǎn)換。利用該方法，可以根據(jù)AFI(AutoFlex Input)文件自動生成形狀復雜的柔性體，以便在仿真分析中研究柔性部件的變形，更加精確地預測載荷，提高仿真的準確度。至此，已建立了完整的合模機構(gòu)虛擬樣機模型。

2 合模機構(gòu)動力學仿真

2.1 ADAMS中碰撞參數(shù)選取

ADAMS軟件用接觸定義了仿真過程中，自由運動物體間發(fā)生碰撞時，物體間的相互作用。ADAMS/Solver采用兩種方法計算接觸力(法向力)：回歸法(Restitution)和IMPACT函數(shù)法。

回歸法需要定義兩個參數(shù)：懲罰參數(shù)和回歸系數(shù)。懲罰參數(shù)起加強接觸中單邊約束的作用，而回歸系數(shù)則起到控制接觸過程中能量消耗的作用。

ADAMS/Solver采用IMPACT函數(shù)法，接觸力實際上相當于一個彈簧阻尼器產(chǎn)生的力。

本文采用回歸法計算接觸力，懲罰參數(shù)(Penalty)取1×106，回歸系數(shù)(Restitution Coefficent)取 0.8。

選取了上述參數(shù)后，基于虛擬樣機模型，就可以進行動力學仿真。

2.2 合模機構(gòu)動力學仿真

基于虛擬樣機模型，在十字頭的移動副上添加移動運動驅(qū)動。為了添加移動運動時不出現(xiàn)突變，及減少動模板與前模板的碰撞接觸力，使仿真過程更符合實際的操作，這里使用STEP函數(shù)控制移動運動驅(qū)動，將移動運動速度分為4個階段，十字頭的輸入運動信號如圖2所示。

圖2 十字頭移動運動輸入信號

為確保動模板與前模板接觸過程的仿真精度和減少仿真時間，添加傳感器(SENSOR)，將仿真步長分為兩段：動模板與前模板接觸前的步長為0.05 s；動模板與前模板接觸后的步長為0.001 s。

運行仿真后即可處理運動副上的位移、速度、加速度、作用力和作用力矩等數(shù)據(jù)，可同時輸出高性能的動畫和各種數(shù)據(jù)曲線，進行曲線編輯和數(shù)字信號處理。圖3至圖6的仿真曲線分別是曲肘角α隨時間變化曲線、接觸力與曲肘角α的關(guān)系曲線、拉桿拉力與曲肘角α的關(guān)系曲線及十字頭移動副受力與曲肘角α的曲線。

圖3 曲肘角α隨時間變化曲線

圖4 接觸力與曲肘角α的關(guān)系曲線

圖5 拉桿拉力與曲肘角α的關(guān)系曲線

圖6 十字頭移動副受力與曲肘角α的曲線

3 仿真結(jié)果分析

下面以雙曲肘合模機構(gòu)注塑機SZ-680T為例，具體說明機構(gòu)的仿真結(jié)果。本文取臨界角α0=5°，由圖3的仿真曲線可知，總仿真時間為t=8.389 s，當仿真時間達到t=6.5 s時，曲肘角α=7.34°，曲肘角α隨時間的變化趨于平穩(wěn)，這有利于降低動模板與前模板之間的接觸碰撞產(chǎn)生的振動。由圖4的仿真曲線可知，當曲肘角α＞5°時，動模板與前模板之間沒有接觸，接觸力為0；當曲肘角α=5°時，動模板與前模板開始接觸，接觸力隨曲肘角α的減小而急增，曲肘角α=1°時，接觸力達到最大值：9.87×106N。

圖5為單根拉桿受力隨曲肘角α變化的仿真曲線。當曲肘角α＞5°時，拉桿的拉力為：2000N；當曲肘角α=5°時，拉桿的拉力開始上升，并隨曲肘角α的減小而增大，當曲肘角α=0°時，拉桿的拉力最大，達到1.75×106N，此時，鎖模力達到最大：4×1.72×106N=6.88×106N。這說明本合模機構(gòu)產(chǎn)生的變形力可滿足設(shè)計要求。

圖6為十字頭移動副受力隨曲肘角α變化的仿真曲線。當曲肘角α＞5°時，由于傳動角的變化，十字頭移動副的受力也隨傳動角的變化而變化，其值在3 000～40 000 N之間變動；當曲肘角α=5°時，十字頭移動副的受力開始上升，并隨曲肘角α的減小而增大，當曲肘角α=3.35°時，十字頭移動副的受力最大，達到3.6×105N；隨后，十字頭移動副的受力隨曲肘角α的減小而減小，當曲肘角α接近為0時，十字頭移動副受的力也接近為0，這說明合模機構(gòu)進入自鎖狀態(tài)。十字頭移動副的受力是由合模油缸產(chǎn)生，由上述的數(shù)據(jù)和油泵規(guī)格就可以計算出合模油缸的規(guī)格。

4 結(jié)束語

(1)基于ADAMS進行的雙曲肘合模機構(gòu)剛?cè)狁詈隙囿w動力學仿真研究，可得到各運動件之間的相互作用力和碰撞接觸力的變化規(guī)律。仿真結(jié)果能夠比較真實合理地體現(xiàn)雙曲肘合模機構(gòu)的動力學特性，說明應(yīng)用ADAMS軟件進行雙曲肘合模機構(gòu)仿真分析和研究的可行性。

(2)基于虛擬樣機的建模和仿真，由動態(tài)仿真曲線可以初步選定合模油缸的規(guī)格。

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