基于MATLAB的注塑機(jī)五支鉸斜排雙曲肘合模系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

石紹偉，杜思瑩，杜遙雪，徐百平

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基于MATLAB的注塑機(jī)五支鉸斜排雙曲肘合模系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

石紹偉1，杜思瑩1，杜遙雪1，徐百平2

（1. 五邑大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，廣東 江門(mén) 529020；2. 廣東輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院 廣東高校高分子材料加工工程技術(shù)開(kāi)發(fā)中心，廣東 廣州 510300）

對(duì)80T注塑機(jī)五支鉸斜排雙曲肘合模機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性和力學(xué)特性進(jìn)行分析，確立以行程比和合模油缸推力放大倍數(shù)為優(yōu)化目標(biāo)，建立合模機(jī)構(gòu)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，確定參數(shù)化設(shè)計(jì)流程，并根據(jù)幾何關(guān)系設(shè)立合理的約束參數(shù)，用MATLAB軟件對(duì)合模機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì). 優(yōu)化后，該機(jī)構(gòu)行程比提高了31.91%，合模油缸推力放大倍數(shù)提高了0.46％，為降低五點(diǎn)斜排雙曲肘合模機(jī)構(gòu)的能耗，提高工作效率及注塑件的質(zhì)量提供理論依據(jù).

注塑機(jī)；合模系統(tǒng)；MATLAB；優(yōu)化設(shè)計(jì)

隨著塑料工業(yè)的迅速發(fā)展，各類塑料制品在日常生活和生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用，因此市場(chǎng)對(duì)于注塑機(jī)的要求也越來(lái)越高[1]. 合模系統(tǒng)是注塑機(jī)的重要組成部分之一，其中五支鉸斜排列雙曲肘合模機(jī)構(gòu)具有鎖模可靠、啟閉平穩(wěn)、合模速度快、耗能低等優(yōu)點(diǎn)，是目前國(guó)內(nèi)外廣泛接受的一種合模系統(tǒng)[2]. 但雙曲肘合模機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)變量較多，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，如經(jīng)驗(yàn)類比法、圖解法等，不僅計(jì)算量非常大，精度低，且設(shè)計(jì)的周期較長(zhǎng)，難以滿足注塑機(jī)向著高效、高速、大型、精密等方向發(fā)展的要求. 鑒于此，本文擬先對(duì)80T注塑機(jī)五支鉸斜排列雙曲肘合模機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性及力學(xué)特性進(jìn)行合理的分析、建立合理的數(shù)學(xué)模型，再結(jié)合MATLAB軟件對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì).

1 五支鉸雙曲肘合模機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)介

圖1 五支鉸斜排列雙曲肘合模機(jī)構(gòu)平面結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

圖2 合模機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖

2 五支鉸雙曲肘合模機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特性分析

2.1 行程比

行程比為

2.2 合模油缸推力放大倍數(shù)

圖3 合模機(jī)構(gòu)受力簡(jiǎn)圖

由幾何關(guān)系知

根據(jù)力矩平衡可得

因此可得油缸推力放大倍數(shù)

由圖1可以看出

3 合模系統(tǒng)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型的建立

3.1 目標(biāo)函數(shù)

為了便于求解，本文在處理目標(biāo)函數(shù)時(shí)采用統(tǒng)一目標(biāo)法中的理想點(diǎn)法. 即

3.2 設(shè)計(jì)變量

3.3 約束條件

4 基于MATLAB GUI優(yōu)化工具箱的程序設(shè)計(jì)

因?yàn)樵O(shè)計(jì)參數(shù)比較多，傳統(tǒng)優(yōu)化方法的效率較低，精度也難以保證. MATLAB的GUI優(yōu)化工具箱中提供的求解器可以使求解過(guò)程變得簡(jiǎn)單，而且計(jì)算效率得到很大提高，因此本文采用MATLAB優(yōu)化工具箱中自帶的fmincon函數(shù)進(jìn)行求解[5].

表1 不同目標(biāo)函數(shù)下的優(yōu)化參數(shù)

5 優(yōu)化分析

分別將原始值和取舍值代入上述數(shù)學(xué)關(guān)系式中，通過(guò)MATLAB軟件繪制曲線圖.

由圖4可以看出，原始值的曲線在取舍值曲線之上，并且動(dòng)模板移動(dòng)一恒定位移時(shí)，原始合模機(jī)構(gòu)的十字頭移動(dòng)距離要大于優(yōu)化之后的各構(gòu)件尺寸為取舍值時(shí)合模機(jī)構(gòu)的十字頭距離，整體來(lái)看，合模機(jī)構(gòu)各構(gòu)件尺寸為取舍值時(shí)的行程比要大于為原始值時(shí)的行程比. 圖5是合模油缸推力放大倍數(shù)隨動(dòng)模板位移變化的曲線圖，由圖可以看出，兩條曲線非常接近，合模機(jī)構(gòu)各構(gòu)件尺寸為取舍值時(shí)，機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中合模油缸推力放大倍數(shù)略大于為原始值時(shí)的油缸推力放大倍數(shù).

圖4 位移曲線圖

圖5 油缸推力的放大倍數(shù)隨動(dòng)模板位移變化曲線圖

6 結(jié)論

本文對(duì)80T注塑機(jī)五支鉸斜排列雙曲肘合模機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性及力學(xué)特性做了系統(tǒng)地分析，推導(dǎo)了出行程比和合模油缸推力放大倍數(shù)的表達(dá)式，并基于MATLAB對(duì)其進(jìn)行了優(yōu)化，提高了合模機(jī)構(gòu)的工作效率，降低了能耗，并且為深入研究合模機(jī)構(gòu)提供了理論基礎(chǔ). 下一步研究可以從設(shè)計(jì)新的優(yōu)化算法方面入手，進(jìn)一步對(duì)目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化. 此外，還可以根據(jù)現(xiàn)有的優(yōu)化參數(shù)建立三維實(shí)體模型并進(jìn)行仿真，以檢驗(yàn)優(yōu)化效果.

[1] 北京化工學(xué)院，華南工學(xué)院. 塑料機(jī)械設(shè)計(jì)[M]. 北京：中國(guó)工業(yè)出版社，1986.

[2] 王興天. 注塑技術(shù)與注塑機(jī)[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

[3] 紀(jì)鈺亮，王喜順. 注塑機(jī)雙曲肘合模機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)[D]. 廣州：華南理工大學(xué)，2013: 14-45.

[4] 孫靖民，梁迎春. 機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)[M]. 5版. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012: 252-253.

[5] 王正林，劉明，陳連貴. 精通MATLAB[M]. 3版. 北京：電子工業(yè)出版社，2013: 227-228.

[責(zé)任編輯：韋 韜]

Optimal Design of the Five-Hinge Diagonal Row Hyperbolic Elbow Clamping Mechanism of Injection Molding Machines’ Clamping Systems Based on MATLAB

SHIShao-wei1, DUSi-ying1, DUYao-xue1, XUBai-ping2

(1. School of Mechanical and Electrical Engineering, Wuyi University, Jiangmen 529020, China; 2. Technology Development Center for Polymer Processing Engineering of Guangdong Colleges and Universities, Guangdong Industry Technical College, Guangzhou 510300, China)

This study analyses the movement characteristics and mechanical properties of the five-hinge diagonal row hyperbolic elbow clamping mechanism of the 80T injection molding machine, establishes the stroke-bore ratio and enlargement of the thrust of the clamping cylinder as the optimization goal, builds the optimization mathematical model of the clamping mechanism, determines the parametric design process, chooses reasonable constraint parameters according to geometry relationship, and uses the MATLAB software to optimize design for the clamping mechanism. After optimization, the stroke-bore ratio improves by 31.91% and the enlargement of the thrust of clamping cylinder by 0.46％. The improved design provides a theoretical basis for reducing the energy consumption of the five-point diagonal row hyperbolic elbow clamping mechanism and improving its working efficiency and the quality of injection molded parts.

injection molding machine; clamping system; MATLAB; optimal design

TH122

A

1006-7302（2014）04-0055-07

2014-07-03

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（11272093）；廣東省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（S2011010000411）.

石紹偉（1989—），男，山東臨沂人，在讀碩士生，主要從事聚合物成型機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究；杜遙雪，教授，博士，碩士生導(dǎo)師，通信作者，主要從事聚合物成型加工CAD/CAE 的研究.