注塑機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)不同聯(lián)接方式的響應(yīng)研究

宋春華

（西華大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，四川 成都610039）

注塑機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)不同聯(lián)接方式的響應(yīng)研究

宋春華

（西華大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，四川 成都610039）

針對(duì)高速度、高精度和低噪聲之間的矛盾，提出了對(duì)注塑機(jī)伺服電機(jī)和變量泵聯(lián)接方式的結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)。用當(dāng)量扭振系統(tǒng)的理論對(duì)兩質(zhì)量和三質(zhì)量系統(tǒng)進(jìn)行了分析，對(duì)扭振系統(tǒng)進(jìn)行了仿真并進(jìn)行了運(yùn)行實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，電機(jī)和泵同軸的兩質(zhì)量系統(tǒng)有利于提高響應(yīng)速度。

注塑機(jī)；伺服電機(jī)；變量泵；響應(yīng)

0 前言

隨著精密注塑行業(yè)的不斷發(fā)展，對(duì)注塑機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)響應(yīng)的要求也越來(lái)越高[1－4]。注塑機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)目前存在著高速、高精度和低噪聲之間的矛盾[3－5]，國(guó)內(nèi)外許多專(zhuān)家和研究機(jī)構(gòu)都在降低噪聲和提高響應(yīng)方面做了很多的研究[6－9]。本文致力于降低電動(dòng)機(jī)、泵整體裝置運(yùn)行時(shí)的噪聲，提高響應(yīng)速度，并盡量降低成本，為注塑機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)高速度和高精度研究開(kāi)辟一種新的方法和途徑。

1 注塑機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)改造

原來(lái)的注塑機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是電機(jī)加泵和聯(lián)軸器構(gòu)成的三質(zhì)量系統(tǒng)，本文采用伺服電機(jī)和變量柱塞泵聯(lián)接的注塑機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。將電機(jī)軸與變量柱塞泵的軸做為一體，減少中間聯(lián)接環(huán)節(jié)，但仍要保證油泵內(nèi)必要的油封，對(duì)電動(dòng)機(jī)的端蓋進(jìn)行加厚并對(duì)應(yīng)泵體的安裝孔對(duì)電動(dòng)機(jī)端蓋進(jìn)行改造，使之能與泵體匹配。其示意圖如圖1所示。

圖1 電動(dòng)機(jī)和泵的裝配示意圖Fig.1 Assembly drawing of motor and pump

2 雙質(zhì)量系統(tǒng)和三質(zhì)量系統(tǒng)的仿真

2.1 雙質(zhì)量系統(tǒng)仿真

對(duì)無(wú)聯(lián)軸器時(shí)系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子施加外力矩，油缸體端自由地有阻尼受迫扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，根據(jù)力矩平衡方程，可得：

式中 φ4——雙質(zhì)量系統(tǒng)中電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子右端面處的角位移

φ5——油缸體左側(cè)小臺(tái)面的角位移

T——干擾力矩

K3——等效剛度

J4、J5——雙質(zhì)量系統(tǒng)2部分的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量

f1′——無(wú)聯(lián)軸器系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子處的固體摩擦力矩

f2′——無(wú)聯(lián)軸器系統(tǒng)中油缸體組件處的固體摩擦力矩

在Simulink模型窗口中建立雙質(zhì)量扭轉(zhuǎn)振動(dòng)系統(tǒng)的有阻尼受迫振動(dòng)仿真模型[10]，設(shè)置T為持續(xù)時(shí)間設(shè)為0.5s、終值為4N·m的階躍信號(hào)。對(duì)等效質(zhì)量處的阻尼系數(shù)按照阻尼力矩與等效質(zhì)量的角速度成正比關(guān)系來(lái)定一種阻尼系數(shù)c，當(dāng)無(wú)聯(lián)軸器的軸段阻尼系數(shù)c4，5取1.136時(shí)，在Matlab命令窗口中編輯function函數(shù) 。針對(duì)此模型進(jìn)行仿真得到（φ4－φ5）和的結(jié)果，從仿真結(jié)果可以看出根據(jù)阻尼系數(shù)c4，5＝1.136建立的模型的仿真過(guò)程中，響應(yīng)期間（φ4－φ5）的值最大時(shí)為8.8337×10－5rad；可觀察到響應(yīng)期間，（φ4－φ5）變化的周期大約為0.97×10－3s。

2.2 三質(zhì)量系統(tǒng)仿真

同理可以得到三質(zhì)量系統(tǒng)的仿真。有聯(lián)軸器時(shí)J2、J3之間的軸段阻尼系數(shù)c2，3取1，考慮軸段剛度不同，取J1、J2之間的軸段阻尼系數(shù)c1，2為4.583。根據(jù)阻尼系數(shù)c1，2＝4.583，c2，3＝1建立的模型的仿真，系統(tǒng)仿真結(jié)果為：（φ2－φ3）的值最大時(shí)為9.3198×10－5rad；響應(yīng)期間的值經(jīng)過(guò)一段正負(fù)變化后很快趨于零并最終為零，變化期間，其最大正值為0.0646rad/s，負(fù)值的絕對(duì)值最大為0.0334rad/s；響應(yīng)期間的最大正值為0.2673rad/s，負(fù)值的最大絕對(duì)值為0.1924rad/s，可見(jiàn)聯(lián)軸器以及油缸體處有一定的速度沖擊。可觀察到在響應(yīng)期間，（φ2－φ3）變化的周期近似為1.2×10－3s。

3 雙質(zhì)量和三質(zhì)量系統(tǒng)的壓力響應(yīng)實(shí)驗(yàn)

3.1 速度階躍響應(yīng)實(shí)驗(yàn)

壓力為10MPa時(shí)速度從0階躍到1000r/min的雙質(zhì)量系統(tǒng)和三質(zhì)量系統(tǒng)的響應(yīng)曲線如圖2所示。

從圖2可得2種聯(lián)接方式的速度響應(yīng)指標(biāo)（表1）。從圖2的特性曲線和表1可以看出，不同的聯(lián)接方式對(duì)系統(tǒng)的速度響應(yīng)特性有很大的影響，電機(jī)與泵同軸的雙質(zhì)量系統(tǒng)無(wú)論是上升時(shí)間、調(diào)整時(shí)間還是超調(diào)量都要明顯好于齒形聯(lián)軸器聯(lián)接的三質(zhì)量系統(tǒng)。

圖2 雙質(zhì)量系統(tǒng)和三質(zhì)量系統(tǒng)的速度階躍響應(yīng)Fig.2 Step response of speed on dual and three－mass system

3.2 壓力階躍響應(yīng)實(shí)驗(yàn)

圖3是轉(zhuǎn)速為1000r/min，壓力從0階躍到10MPa時(shí)，沒(méi)有加節(jié)能控制方法時(shí)的壓力階躍響應(yīng)曲線。從圖3可以得到2種聯(lián)接方式的壓力響應(yīng)指標(biāo)（如表2）。

從圖3的特性曲線和表2中可以看出，不同的聯(lián)接方式對(duì)系統(tǒng)的壓力響應(yīng)特性有很大的影響：（1）在相同條件下，雙質(zhì)量系統(tǒng)比三質(zhì)量系統(tǒng)的波形毛刺少些，壓力響應(yīng)圖明顯要好些；（2）雙質(zhì)量系統(tǒng)無(wú)論是上升時(shí)間、調(diào)整時(shí)間還是超調(diào)量都要明顯好于三質(zhì)量系統(tǒng)。

圖3 雙質(zhì)量系統(tǒng)和三質(zhì)量系統(tǒng)的壓力階躍響應(yīng)Fig.3 Step response of pressure on dual and three－mass system

表1 2種質(zhì)量系統(tǒng)的速度響應(yīng)指標(biāo)Tab.1 Target of speed response on dual and three－mass system

表2 轉(zhuǎn)速為1000r/min時(shí)2種質(zhì)量系統(tǒng)的壓力響應(yīng)指標(biāo)Tab.2 Target of pressure response on dual and three－mass system

從表3看出，雙質(zhì)量系統(tǒng)角位移差（φ4－φ5）的最大值和穩(wěn)定值比三質(zhì)量系統(tǒng)角位移差（φ2－φ3）的小，從而說(shuō)明雙質(zhì)量系統(tǒng)比三質(zhì)量系統(tǒng)的振動(dòng)幅度小，振動(dòng)微弱。雙質(zhì)量系統(tǒng)的角速度差穩(wěn)定時(shí)間比三質(zhì)量系統(tǒng)的角速度差和的穩(wěn)定時(shí)間短，說(shuō)明雙質(zhì)量系統(tǒng)的振動(dòng)時(shí)間比三質(zhì)量系統(tǒng)的振動(dòng)時(shí)間短，所以雙質(zhì)量系統(tǒng)的響應(yīng)比三質(zhì)量系統(tǒng)的響應(yīng)快。

表3 三質(zhì)量系統(tǒng)和雙質(zhì)量系統(tǒng)的角位移差和角速度差Tab.3 Angular displacement and angular velocity difference of dual and three－mass system

從以上的速度階躍響應(yīng)和壓力階躍響應(yīng)可以看出，三質(zhì)量系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間比較長(zhǎng)，這與仿真分析的結(jié)果相一致。分析其原因，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的響應(yīng)受到聯(lián)軸器中存在的間隙，裝配偏差以及聯(lián)軸器柱銷(xiāo)松動(dòng)等因素的影響。

實(shí)驗(yàn)測(cè)試三質(zhì)量系統(tǒng)與雙質(zhì)量系統(tǒng)的上升時(shí)間差值比較接近，說(shuō)明本文測(cè)試誤差考慮不夠周全，但速度響應(yīng)調(diào)整時(shí)間明顯雙質(zhì)量系統(tǒng)比三質(zhì)量系統(tǒng)好，說(shuō)明本文的實(shí)驗(yàn)是可行的。齒形聯(lián)軸器的加工精度不同或者不同品牌的聯(lián)軸器，因?yàn)槠渑浜险`差不同和同軸度誤差等原因，對(duì)三質(zhì)量系統(tǒng)的影響比較明顯，而雙質(zhì)量系統(tǒng)因?yàn)闆](méi)有聯(lián)軸器，所以影響不大，這也是雙質(zhì)量系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)之一。而在三質(zhì)量系統(tǒng)中由于聯(lián)軸器選擇的不同會(huì)因?yàn)檠b配偏差和精度等因素的影響而出現(xiàn)精度高、誤差小的聯(lián)軸器聯(lián)接的三質(zhì)量系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間快。

在工程應(yīng)用中，與三質(zhì)量系統(tǒng)相比，雙質(zhì)量系統(tǒng)因?yàn)樯倭艘粋€(gè)元件而可靠性更高一些，特別是在注塑機(jī)系統(tǒng)里，可以進(jìn)一步提高響應(yīng)速度，滿足注塑行業(yè)高速注塑的要求，為制造出更高質(zhì)量的手機(jī)外殼等產(chǎn)品提供了可能，在一定程度上促進(jìn)了高速、高精度注塑行業(yè)的發(fā)展。

4 結(jié)論

（1）通過(guò)仿真，雙質(zhì)量系統(tǒng)的扭振動(dòng)性能要優(yōu)于三質(zhì)量系統(tǒng)的性能；

（2）通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)雙質(zhì)量系統(tǒng)的速度響應(yīng)和壓力響應(yīng)都比三質(zhì)量系統(tǒng)的好，實(shí)驗(yàn)和理論相符合，將三質(zhì)量系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)改成雙質(zhì)量的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是有效的。

[1] 魏世化.變頻器在注塑機(jī)節(jié)能改造中的應(yīng)用[J].變頻器世界，2005，（6）：87－89.

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[4] 張友根.注塑機(jī)節(jié)能技術(shù)的分析研究（下）[J].橡塑技術(shù)與裝備，2008，34（3）：57－65.

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Response Research on Drive Systems of Plastic Injection Molding Machines with Different Joint Ways

SONG Chunhua
（School of Mechanical Engineering and Automation，Xihua University，Chengdu 610039，China）

The system response was determined by the joint way between servo motor and variable pump.In order to achieve a compromise among high speed，high precision，and low noise，a new joint way of the motor and variable pump was proposed.Dual－mass and three－mass systems were analyzed by theory of torsion vibration system.The torsion vibration characteristic was simulated and the experiment was carried out.It was found that the dual－mass system had better response.

injection molding machine；servo motor；variable pump；response

TQ320.66＋2

B

1001－9278（2011）11－0094－04

2011－06－14

西華大學(xué)人才引進(jìn)項(xiàng)目（Z1020211）；四川省科技廳項(xiàng)目（2010JY0117）

聯(lián)系人，sch217628＠163.com