五點肘桿式全電動注塑機合模伺服電機額定功率計算

黎秀郁

(珠海格力智能裝備有限公司，廣東 珠海 519015)

合模伺服電機的選擇是肘桿式全電動注塑機設計工作中的一項重要工作，合適的伺服電機對設備成本的合理性、設備效能的發(fā)揮有重要意義，評估合模伺服電機額定功率傳統(tǒng)做法有兩種：

（1）依據(jù)經(jīng)驗規(guī)劃出工作周期內(nèi)電機輸出功率與時間的關系圖，依據(jù)由關系圖計算出的額定功率來選擇電機，此種方法嚴重依賴經(jīng)驗，結(jié)果準確度不高，往往需要根據(jù)實測數(shù)據(jù)調(diào)整電機選型。

（2）以計算的伺服電機最大出力矩乘以最大速度為瞬時最大功率，然后除以過載系數(shù)作為選擇電機的參考額定功率；以電機的額定功率接近參考額定功率為依據(jù)選擇伺服電機。過載系數(shù)是個經(jīng)驗值，尤其未考慮工作周期，選出的電機往往滿足不了工作周期短的工況需求。

本文介紹一種確定伺服電機額定功率的數(shù)值計算方法，忽略電機停歇對額定功率的影響，利用伺服電機在形變區(qū)的輸出功率與行程的關系來計算額定功率，計算的額定功率有隨十字頭行程增大而減小的特點，依此可得出適用的額定功率

范圍，從而在可選的電機型號中準確地選出經(jīng)濟的、適用的電機。用實例驗證了方法的可行性。

1 注塑機工藝特點

注塑機工作是幾個成型步驟按次序周而復始的過程，一個工作循環(huán)從合模算起，依次為注射、保壓、塑化、冷卻、開模、頂出產(chǎn)品、合模。

把制品取出來，動模板需移開一定的距離，如圖1所示。為了有更高的生產(chǎn)率，動模板移開的距離恰好滿足取出產(chǎn)品即可。

圖1 動模板行程

2 肘桿式合模機構(gòu)工作特點

圖2是五點肘桿式合模機構(gòu)的運動簡圖，是共用一連架桿的兩個偏置搖桿滑塊機構(gòu)的串聯(lián)機構(gòu)，其中一個滑塊D（十字頭）通過驅(qū)動連架桿進而驅(qū)動另一個滑塊B（動模板），當滑塊D勻速運動時，滑塊B是“慢—快—慢”運動，滑塊B的速度可以遠小于滑塊D的速度。

圖2 五點肘桿式合模機構(gòu)運動簡圖

全電動注塑機的肘桿式合模機構(gòu)是把電能轉(zhuǎn)換為形變能的機構(gòu)，對一確定的合模力，機構(gòu)的變形是確定的；在形變區(qū)，十字頭的受力與十字頭的位置是一一對應的。從模具接觸至合模力變到最大，形變能隨時間變大。忽略非形變區(qū)十字頭的受力，在合模過程中，機構(gòu)形變在模具剛接觸時開始發(fā)生，在合模結(jié)束時形變達最大，此形變力即是合模力，形變力為阻力，伺服電機克服形變力做功。在開模過程中，在機構(gòu)形變區(qū)的自鎖行程段，伺服電機克服形變力的摩擦力矩做功；在機構(gòu)形變區(qū)的非自鎖行程段，形變力為驅(qū)動力，伺服電機抵抗形變力做功。

研究表明，伺服電機在機構(gòu)形變區(qū)做的功在工作周期所做功中占主導地位。

3 伺服電機額定功率確定

伺服電機的額定功率是周期中輸出功率的均方根值，用（1）式計算。

其中：Pi是ti時間段電機的輸出功率，t是電機工作周期時間。

根據(jù)注塑機工藝特點及肘桿式合模機構(gòu)的工作特點，對肘桿式全電動注塑機合模機構(gòu)，作下1～4點處理后，合模電機的額定功率可用關于行程的輸出功率均方根值表示，用(2)式計算，計算形變及行程見文獻[1]，計算受力見文獻[2]。

（1）僅以開模與合模兩個過程來考量電機的額定功率；

（2）在機構(gòu)沒形變時，十字頭在運動方向上的受力以零計算；

（3）十字頭速度以勻速計算，開模及合模的速度大小相同；

（4）利用十字頭速度、十字頭行程、十字頭在形變區(qū)的受力來計算伺服電機的額定功率；

（5）把形變區(qū)行程分為充分小的n等分，每區(qū)間的受力以區(qū)間首點位置受力及末點位置受力的平均值代替。

其中：F1為在合模時機構(gòu)發(fā)生形變（忽略模具和模板形變）過程時十字頭在運動方向上的受力；

S1為在合模時機構(gòu)發(fā)生形變過程時的十字頭行程；

F2為在開模時機構(gòu)形變力為阻力時（自鎖段）十字頭在運動方向上的受力；

S2為在開模時機構(gòu)形變力為阻力時（自鎖段）的十字頭行程；

F3為在開模時機構(gòu)形變力為驅(qū)動力時（非自鎖段）十字頭在運動方向上的受力；

S3為在開模時機構(gòu)形變力為驅(qū)動力時（非自鎖段）的十字頭行程；

S'為開、合模時十字頭的行程；

μ為修正系數(shù)，取1.2；

η為伺服電機至十字頭間的動力傳遞系統(tǒng)的總效率。

由（2）式可知，與額定功率計算值有關的因素有：十字頭受力F(合模力)，開、合模速度V，開、合模行程S'。改變?nèi)魏我粋€因素值就可以得到不同的電機額定功率參考值，無需考慮實際的電機工作過程。十字頭受力F越大（合模力越大），額定功率計算值越大；開、合模速度V越大，額定功率計算值越大；開、合模行程S'越大，額定功率計算值越小。

在條件：合模力最大，開、合模的速度最大，僅是有形變的開、合模的行程，額定功率的計算值最大，作為額定功率上限參考值。

在條件：合模力最大，開、合模的速度最大，行程是最小容模量模具的常用開模行程（取最小容模量的1/3，因為一般地，模具在動模板上的厚度是定模板上的厚度的2倍。）對應的十字頭行程，額定功率的計算值為基本值，作為額定功率下限參考值。

電機額定功率滿足式子：額定功率下限參考值≤電機額定功率≤額定功率上限參考值，這些電機都是滿足工況需求的。合模伺服電機在注射、保壓、塑化、冷卻、頂出產(chǎn)品等步驟時是處于停歇狀態(tài)的，如果考慮停歇時間的影響，（2）式的分母會更大，額定功率的計算值也就會更小；又用最大合模力及三分之一最小容模的開模行程的工況很少出現(xiàn)。因此，計算結(jié)果是安全的。

4 方法驗證

某公司機型GE100A合模機構(gòu)，伺服電機至十字頭是“同步帶傳動+滾珠絲桿”傳動系統(tǒng)，總效率取0.89；合模機構(gòu)系統(tǒng)剛度1 170 729.83 N/mm；見圖2，L1=240 mm，L2=285 mm，L3=93.94 mm，L4=81 mm，L5=160.08 mm，h1=50 mm，h2=135 mm，dD=dC=30 mm，dA=dB=dO=55 mm；十字頭最大速度為600 mm/s，最大合模力100 T，最小容模量是150 mm。實際用菲仕伺服電機U31007A.15，功率是8.2 kW。用本方法計算的最大額定功率是16.05 kW，基本額定功率是8.60 kW，與實際接近，說明方法可靠。計算步驟及關鍵結(jié)果數(shù)值如下：

（1）計算100 T合模力下的系統(tǒng)形變量△L?！鱈=0.854 2 mm

（2）計算十字頭對應系統(tǒng)形變量△L的行程S。首位置Sg0為108.132 mm，末位置是140.782 mm，那么兩者差值即為S，數(shù)值為32.65 mm。

（3）計算十字頭對應開模行程等于1/3最小容模量的行程S"。本例計算的開模行程是50 mm，對應的十字頭行程計算是113.85 mm。

（4）把S分為n等份，每等份的長度用△S表示，本例子取1 000等份。計算出n+1個離散點的位置值，Sg0、Sg0+△S、Sg0+2△S、……、Sg0+n△S。為計的算方便，開模的離散點取與合模的相同。

（5）計算出合模過程及開模過程，各離散點位置對應的十字頭在運動方向上受力大小。

（6）用各區(qū)間首點及末點的十字頭受力的平均值近似表示十字頭在此區(qū)間的受力。

（7）分別用十字頭行程32.65 mm及113.85 mm，用公式(2)計算額定功率。

5 結(jié)語

求解十字頭的行程和在形變區(qū)的受力條件下，用數(shù)列求和的方法來近似計算的電機額定功率，計算的基本額定功率比實際用電機的額定功率大約4.9%。

改變十字頭的速度或行程即可得到相應的額定功率，無需考慮電機隨時間的實際功率輸出過程，使用方便。