注塑成型设备
名称:优化!全电动注塑机设备的合模机构
发布时间:2022-02-26 02:47:26 来源:im电竞盘口 作者:im电竞下比赛的网址



说明:

  目前,塑料制品在工业生产及居民生活中应用规模不断扩大,年增速可达30%,塑料工业的发展速度在国民经济194个行业中占据前列 [1-2] 。塑料制品可通过注塑机、挤出机和吹塑机以及近年来高速发展的3D打印机制作,在这些成型方式中,注塑成型是最主要的塑件加工方式,注塑机是加工生产塑料的核心设备 [3] 。注塑成型一次能够成型一个或多个形状结构复杂的塑件,具有生产速度快、自动化程度高、表面质量较高和尺寸精度高的特点,极大地降低了生产时间,能够适应市场上迅速变化的需求,尤其是工程塑料和特种塑料 [4] 。注塑机的重要部件之一是合模机构,其主要作用是实现启闭运动,使模具系统产生弹性变形而达到锁模力,进而控制模具型腔的压力,进一步决定了塑件制品的成型质量 [5] 。合模机构有全液压式、液压肘杆式、电动式等,本实验综合各种结构形式的特点,提出了一种电动连杆式合模机构,建立了滑块的运动学模型,基于遗传算法对此机构进行了优化分析,得到了符合优化目标的合模机构。

  注塑机的合模机构按传动形式可分为全液压式、液压肘杆式、电动式。全液压式的合模动作通过液压油作用在活塞上来实现,耗能大、精度低;液压肘杆式通过肘杆机构的来实现模具的合模动作,但是此结构较为复杂,易磨损,精度低;电动式是指利用电机作为驱动力,通过连杆机构来实现合模动作,此种机构由伺服电机驱动,速度精度控制高、环境污染少、噪音低 [6] 。

  结合上述几种合模机构的形式和合模机构的工作特点,本文提出了一种电动连杆式合模机构,其结构简图如图1所示。为了保证对下模座充足的推动力,采用两个曲柄滑块机构。每个曲柄滑块机构具有一个自由度,为A和A’处的旋转副,此机构结构简单,滑块与平面为面接触,压强小,便于润滑,具有磨损轻、寿命大、刚度强和稳定性好的特点,可利用连杆实现较为复杂的运动规律,能够保证合模运动具有足够的工作空间 [7] 。此机构中A和A’为驱动电机所在位置,AB和A’B’为曲柄,BC和B’C’为连杆,C和C’为滑块。通过曲柄滑块机构,两个驱动电机在A和A’的旋转运动转化为滑块C和C’的直线运动,从而推动下模座并使其完成合模动作。

  曲柄滑块机构中曲柄AB和A’B’的长度和初始角度与连杆BC和B’C’的长度对滑块C的工作空间和推力有着十分关键的影响,为了保证合模机构足够的工作空间和合模力,对此机构进行参数化建模十分必要 [8] 。

  由于两个滑块机构尺寸一致,因此只对其中一个滑块机构进行数学建模分析。为了便于运动学关系的建立和表达,按如图2所示建立参考坐标系。图2中曲柄AB与x轴正方向的夹角为α,连杆BC与x轴负方向的夹角为β,曲柄AB和连杆BC的长度标记为l AB 和l BC ,滑块距离x轴的距离为h。

  为了保证注塑机合模机构的运动的平稳性及足够的工作空间和推力,应使其运动时速度为平滑曲线,无突变。工作空间可由其横坐标最大值与最小值之差来计算。由理论力学可知,此机构中的推力与滑块运动的加速度有关,加速度越大,推力越大,因此应使滑块在极限位置时的加速度处于较大范围。

  式(5)中:f 1 (x)为滑块的行程;f 2 (x)为在滑块横坐标最大时的加速度。此优化模型的变量为3个,x=[l AB ,l BC ,h]

  由曲柄滑块机构的运动特性可知,要保证曲柄成立,应使曲柄和连杆长度的和大于等于偏心距和连杆与曲柄的差大于等于偏心距。同时,由于整个合模机构尺寸的限制,曲柄AB和连杆BC应有上限和下限。将以上关系用数学表达式表示为:

  由上述分析可知,优化模型为带约束的非线性优化问题,需进行优化解算。遗传算法是基于达尔文生物进化论的一种启发式搜索算法,也可称作进化算法 [9] 。遗传算法的分析优化流程如图3所示。

  首先根据约束条件随机产生初始种群,作为优化问题的第一代解,接着对种群中的个体进行编码,计算种群中每个个体的适应度,然后根据适应度的大小判断是否满足优化条件,如果满足的话则此解即为最佳个体,输出结果;如果不满足优化条件,则依次进行选择、交叉、变异操作,增加基因的多样性,淘汰适应度低的个体,逐步迭代处所有子代中适应度最高的个体。

  遗传算法能够直接对优化结构对象进行操作,采用基因编码的方式工作,无须进行求导和对函数连续性进行判定,也不用给定初值,利用概率化的寻优操作,自适应的更改搜索途径,常被用于解决航空航天、电子信息和智能智造等领域的优化问题。

  由于Matlab中自带遗传算法工具箱,故只需将上述数学模型、优化函数和约束条件建立,然后调用遗传算法工具箱即可。在进行遗传算法优化时,设置编码方式为二进制,初始种群规模为200,适应函数规模选择随机模式,保留上一代个体数量选择为种群规模的5%,交叉概率设置为80%,变异概率设置为20%,迭代最大次数设置为200。

  按照上述设置进行遗传算法优化,当迭代次数进行到86时,优化完毕,为了便于取值,对各个变量进行取整后为:

  Creo是三维建模常用的软件,因操作性强和交互性好而被广泛运用于各类机械设计中。ADAMS是一款机械动力学分析软件,采用拉格朗日方程法建立系统动力学方程,能够较为准确的模拟出各类机构的运动学和动力学情况。由于合模机构是由两个完全一样的曲柄滑块机构组成,为了节省时间和提高效率,仅对单个曲柄滑块机构进行验证。由于ADAMS建模能力较弱,因此首先在Creo中,根据上述结构简图和优化结果构建出合模机构的简要模型,如图4所示。

  将此模型转为通用格式“.xt”文件导入ADAMS中,依次设置固定副、运动副、重力、接触力和驱动电机,然后再设置步长为2 000,运动时间为15 s,进行运动学仿真。仿真结束后,进入ADAMS后处理界面,选择滑块的位置、速度和加速度图像,如图5所示。从图5可以看出,整个滑块的行程约187 mm,从速度和加速度曲线可以看出,整个运动过程中,滑块速度与加速度变化平滑、无突变。此外当滑块运行到负y轴极限位置时(即合模动作)加速度同样处在最大的位置,说明此时的推力处于最大值。综上所述,所优化的注塑机合模机构具有较大的工作行程,在合模极限位置拥有最大的推力,能够满足设计需求。

  1.基于曲柄摇杆机构,提出了一种新型电动连杆式合模机构,该机构结构简单机构,具有磨损轻、寿命大、刚度强和稳定性好的特点。可利用连杆实现较为复杂的运动规律,能够保证合模运动具有足够的工作空间;

  2.基于矢量方程法,构建了电动连杆式合模机构的运动学模型,得到了滑块的位置、速度和加速度关系;

  3.构建了优化数学模型,设定了优化目标及约束条件,基于遗传算法对此机构的尺寸形状进行了优化;

  4.基于三维建模技术和虚拟样机仿真技术,对机构进行了运动学仿真,结果表明:滑块速度与加速度变化平滑、无突变,所优化的注塑机合模机构具有较大的工作行程,在合模极限位置拥有最大的推力,能够满足设计需求。

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