全電動注塑機斜排五點雙曲肘機構(gòu)的設(shè)計與研究

燕衛(wèi)亮

(陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院機械工程學院，陜西 西安 710300)

全電動注塑機動力系統(tǒng)采用全電機驅(qū)動，依靠PLC和伺服控制技術(shù)，能在實現(xiàn)高精密控制和大幅度節(jié)能的同時，避免液壓注塑機出現(xiàn)常見的噪聲、發(fā)熱和油液泄漏現(xiàn)象[1]。全電動注塑機具有高效、精密、節(jié)能、環(huán)保的特點，能達到汽車、電子、醫(yī)療等行業(yè)的要求，而傳統(tǒng)的液壓式注塑機則難以滿足該要求[2]。

全電動注塑機比普通液壓注塑機節(jié)能30%～60%[3]，并且可以實現(xiàn)多動作同步運行[4]，配合供料系統(tǒng)和機械手全自動無人值守注塑成型，能大大縮短生產(chǎn)周期。目前全電動注塑機位置精度可達到0.01 mm，空載狀態(tài)下合?！⑸洹_模—頂出整個循環(huán)周期可達到0.2 s，因此對于其鎖模機構(gòu)運動精確性和運動平穩(wěn)性的要求更高[5]。

1 斜排五點雙曲肘機構(gòu)參數(shù)設(shè)計與計算

為了研究全電動注塑機斜排五雙后曲肘機構(gòu)的參數(shù)計算，首先需要對機構(gòu)各桿長、夾角等參數(shù)作定義。如圖1所示，雙曲肘機構(gòu)為上下對稱的結(jié)構(gòu)，因此取模板中心連線以上的部分來進行分析[6]。

圖1 全電動注塑機鎖模機構(gòu)

圖2所示為該機構(gòu)的運動簡圖，其中后支鉸的高度記為H；前連桿的高度記為e；后連桿AB長度記為L1；前連桿BC長度記為L2；定義小連桿與后連桿的連接點為撥點D，撥點到后支鉸長度固定的假想桿件記為撥桿AD，長度記為L3；小連桿DE長度記為L4；定義小連桿與十字頭連接點為驅(qū)動點E，驅(qū)動點到模板中心的高度記為h，驅(qū)動點到后支鉸的長度變化的假想桿件記為驅(qū)動桿AE，桿長記為L5；驅(qū)動點到后支鉸水平線的距離記為高桿EQ，桿長為H-h；過撥點D作AB的垂線DF，記為撥點高度n；BF記為撥點長度，長度記為m；前、后支鉸高度差為H-e。

在機構(gòu)鎖模力達到最大值時，如圖2上半圖所示，此時機構(gòu)中前連桿和后連桿共線，通過三角函數(shù)關(guān)系容易得到各構(gòu)件運動初始的關(guān)系[7]。

圖2 斜排五點雙曲肘機構(gòu)運動簡圖

后連桿與前連桿長度比值為k[8]：

(1)

撥桿長度L3：

(2)

驅(qū)動桿初始長度(L5)0：

(3)

撥桿內(nèi)夾角θ：

(4)

斜排角γ0：

(5)

高桿與小連桿初始夾角σ0：

(6)

撥桿與小連桿初始夾角β0：

(7)

撥桿與驅(qū)動桿的初始夾角ω0：

(8)

驅(qū)動桿與水平線初始夾角δ0：

δ0=θ+ω0+γ0

(9)

如圖2下半圖所示，當機構(gòu)在十字頭的帶動下開始從零位運動時，若十字頭運動速度為v，取樣間隔時間為Δt，根據(jù)幾何關(guān)系容易得到構(gòu)件間的相互關(guān)系以及中間的關(guān)聯(lián)變化參數(shù)，其中變化參數(shù)在本文中以加腳標n的方式標記。

十字頭后退距離Sn：

Sn=v·Δt+Sn-1

(10)

驅(qū)動桿長度ln：

(11)

驅(qū)動桿與水平線夾角δn：

(12)

撥桿與驅(qū)動桿夾角φn：

(13)

后連桿與水平線夾角αn：

αn=δn-φn-θ

(14)

(15)

(16)

分析機構(gòu)的運動特性時，可用動模板與十字頭速度比值、動模板加速度、行程放大比來衡量機構(gòu)運動的平穩(wěn)性和結(jié)構(gòu)緊湊性[9]。

動模板與十字頭速度比值un：

(17)

動模板加速度an：

(18)

行程放大比λ：

(19)

2 斜排五點雙曲肘機構(gòu)運動算例

本文以350 t全電動注塑機鎖模機構(gòu)為例，根據(jù)該行業(yè)主流廠商設(shè)計參數(shù)，動模板開模行程取700 mm，擬定的各連桿長度初始參數(shù)見表1。

表1 350 t全電動注塑機鎖模機構(gòu)參數(shù) 單位：mm

在數(shù)值計算軟件中根據(jù)本文第1章的理論公式(1)～(19)編寫程序。十字頭速度v取400 mm/s，取樣間隔時間Δt決定數(shù)值仿真的精度，Δt越小，精度越高，計算耗時越長，為了便于計算，本例中Δt取0.025 s。賦值各構(gòu)件初始參數(shù)，進行數(shù)值仿真，可得到構(gòu)件間的尺寸及角度關(guān)系(表2)，機構(gòu)動態(tài)變化參數(shù)見表3。

表2 構(gòu)件間的尺寸及角度關(guān)系

表3 機構(gòu)動態(tài)變化參數(shù)(部分)

3 機構(gòu)運動性能指標分析

運動學性能指標主要包括行程比和速比，分別影響合模機構(gòu)的運動平穩(wěn)性和合模效率[10]。全電動注塑機具有精密、高效的特點，尤其在高速注塑工況下有較大的優(yōu)勢。根據(jù)實際的工程經(jīng)驗，如果機構(gòu)參數(shù)設(shè)計不合理，在開、合模過程將會出現(xiàn)動模板抖動，甚至損壞模具等情況。因此開、合模的平穩(wěn)性是設(shè)計斜排五點雙曲肘機構(gòu)需要考慮的一個重要指標。理論情況下，在鎖模啟動和終了時，加速度、速度必須為0，以減小機構(gòu)在鎖模過程中的沖擊并有效保護模具[11]；但在工程實踐中，由于機構(gòu)慣性和控制精度誤差，一般難以實現(xiàn)合模終了速度為0，因此必須保證啟動和終了加速度為0。合模機構(gòu)的速比為動模板與十字頭速度之比，與力放大比呈倒數(shù)關(guān)系。通常假定十字頭勻速運動，此時合模機構(gòu)的速比曲線與如圖3所示的動模板后退行程曲線的斜率變化規(guī)律一致，可以此評判合模機構(gòu)的運動穩(wěn)定性與合模效率。將本文第3章的算例結(jié)果un繪制為曲線(圖4)，從曲線可以看出，合模時動模板經(jīng)歷“慢—快—慢”的過程[12]，在合模開始時其速度比峰值為0，曲線無上翹，表明機構(gòu)在啟動時無沖擊。合模行程中最大速度比峰值為1.76，即合模過程中動模板最大移動速度為十字頭移動速度的1.76倍，根據(jù)工程實踐經(jīng)驗，可知該機構(gòu)有較高的開合模效率；而最大速度比峰值出現(xiàn)在合模行程中間位置，曲線峰值附近過渡平滑，表明機構(gòu)運動平穩(wěn)。從圖5可以看出，曲線平滑，且機構(gòu)在合模啟動和終了時加速度為0，表明該機構(gòu)在合模運動的過程中啟停平穩(wěn)，沖擊很小，較為理想。

圖3 動模板后退行程曲線

圖4 動模板與十字頭速度比值曲線

圖5 動模板加速度曲線

鎖模單元結(jié)構(gòu)越緊湊、整體長度越短，越能節(jié)約制造成本和提高空間利用率，尤其是對大噸位機器，在保證了關(guān)鍵指標的同時，還需要考慮結(jié)構(gòu)緊湊性。斜排五點雙曲肘機構(gòu)的行程放大比λ是動模板開模行程與十字頭后退行程的比值，可間接反映鎖模單元的結(jié)構(gòu)緊湊性，當動模板開模行程根據(jù)設(shè)計要求確定后，行程放大比越大，十字頭后退行程越小，支撐十字頭的調(diào)模板的長度越小，則鎖模單元的整體長度越小。本文算例中行程放大比為1.05，十字頭后退行程為670 mm，根據(jù)工程實踐經(jīng)驗，在同噸位的注塑機鎖模單元中，該機構(gòu)在保證運動平穩(wěn)性的基礎(chǔ)上，結(jié)構(gòu)較為緊湊，有較好的經(jīng)濟性。

4 結(jié)束語

本文通過對斜排五點雙曲肘機構(gòu)參數(shù)設(shè)計進行理論分析、推導(dǎo)，建立數(shù)學模型，得到了一套用于精密全電動注塑機的斜排五點雙曲肘機構(gòu)的理論設(shè)計計算方法。該方法的應(yīng)用將有效提高精密全電動注塑機鎖模機構(gòu)運動的平穩(wěn)性，減小振動和沖擊，從而提高注塑產(chǎn)品的精度。