基于Adams五点斜排机构的分析与设计.docx

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基于Adams五点斜排机构的分析与设计

毕业设计说明书

学生姓名：

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机电工程学院

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中文摘要

针对现有注塑机的设计上的合模机构存在移模运动不顺畅，不够理想的情况。

首先用Solidworks对注塑机的双肘五点斜排机构建立模型，进行理论分析，确定该机构实现慢—快—慢的理想运动特性的工作区间。

在一定的条件下进行优化，最后设计一组更优的解。

本课题将全部力量集中在这个关键问题的分析上，严格运用方案设计的求解方法，用三维CAD软件Solidworks建立注塑机合模机构各零件、装配体的实体模型，并利用采用现代虚拟样机技术的运动仿真软件对所选方案进行计算机辅助运动学仿真研究，从本质上解决五点斜排合模机构的效率和可靠性。

关键词注塑机改进优化运动仿真

外文摘要

TitleComputerAidedDesign

Abstract

Inaclampingunitofinjectionmoldingmachine,ithastheproblemthatclampingunitcannotmovesmoothlyanditsnotsatisfyoursmind.Firstofall,IappliedtheSolidworkssoftware,setupanumericalmodeltoanalyzethemovingofclampingunitanditscharacteristicforsearchingthereasons.Basedonthecharacteristicofjoint—doublefive—pointtoggleclampingunit,weestablisheditsoptimummodel,analyzeditscharacteristic.Fortestingandverifytheresults,weappliedtheAdamssoftwaretosetupthethreedimensionalmodelofclampingunitandtosimulateitsmoving。

Thislessonanefficiencyforwillallpowersconcentratingwiththeansysisofthiskeyproblem,thestrictapplicationfunctionprincipleprojectdesignsofbeggingandsolvingmethod,combiningmodernconjectureinexploitationkindmachinetechniquetochoosingprojectproceedingcalculatorassistancekineticsimitatingtrueresearch,fromessentiallyincreasingjoint-doublefive-pointtoggleclampingunitwithdependable.

Keywordsinjectionmoldingmachineimproveoptimization

movementsimulation

目次

引言………………………………………………………………………………5

1合模机构设计意义……………………………………………………………7

1.1注塑机的工作原理及其基本组成………………………………………7

1.2注塑技术的发展趋势……………………………………………………8

1.3合模机构优化设计概况…………………………………………………8

1.3.1目标函数……………………………………………………………9

1.3.2约束条件……………………………………………………………9

1.3.3优化方法…………………………………………………………10

1.4合模机构优化设计的意义………………………………………………10

1.4.1以往优化设计的不足之处………………………………………11

1.4.2本次合模机构优化设计的意义…………………………………11

2合模机构的运动学及力学模型的建立……………………………………11

2.1合模机构的工作原理……………………………………………………12

2.2机构运动特性要求……………………………………………………13

2.3机构自锁及正常运动条件………………………………………………13

2.3.1最大启程角αmax……………………………………………14

2.3.2前肘杆转角βo…………………………………………………15

2.3.3机构变形力和合模力………………………………………16

2.3.4临界角a。

………………………………………………………19

2.3.5合模油缸推力Po…………………………………………………19

2.3.6合模油缸直径Do……………………………………………20

2.4优化模型的建立………………………………………………………20

2.4.1目标函数（指标参数）的表达…………………………………20

2.4.2　约束条件的建立………………………………………………21

2.4.3　优化数模的建立………………………………………………22

2.5优化数模的求解………………………………………………………23

3三维建模和Αdαms建模过程………………………………………………23

3.1Adams软件介绍………………………………………………………23

3.1.1　Adams软件简介………………………………………………23

3.1.2Adams软件基本模块…………………………………………25

3.2三维实体建模…………………………………………………………28

3.2.1主要零件图……………………………………………………28

3.2.2主要零件的校核（轴）………………………………………30

3.2.3五点斜排机构的润滑…………………………………………30

3.3Adams建模过程………………………………………………………31

3.3.1启动Adams………………………………………………………31

3.3.2设置工作环境………………………………………………31

3.3.3创建旋转副、移动副、移动驱动、固定约束…………………32

3.4仿真结果………………………………………………………………33

结论………………………………………………………………………………36

致谢………………………………………………………………………………37

参考文献…………………………………………………………………………38

图1注塑机开锁模装置总装图………………………………………………39

图2五点斜排机构部装图………………………………………………………40

引言

五点斜排双曲肘合模机构（简称五点斜排机构）是注塑机上主要装置，是注塑机机械运动的核心部分。

合模机构是保证成型模具可靠夹紧和实现模具启闭及顶出制品的机构。

随着橡胶塑料工业的发展，为提高设备的加工能力，工作效率及产品的质量，合模机构在向大合模力、高速、安全、低能耗、结构简单和质量小等方向发展。

作为机械式合模机构，五点斜排双曲肘式合模机构是目前国内外4000kN以下的中小型注塑机广泛采用的结构形式，其特点是承载能力高，结构紧凑，运动特性良好，力的放大比大，有一定的行程比，刚性足，从而可靠地保证在注塑过程中不易产生涨模现象，保证产品质量和工作效率。

在双曲肘合模机构的设计中，包括肘杆增力机构的设计，系统刚度的设计，临界角的设计以及合模油缸推力的设计。

由于设计变量繁多，设计复杂，以往对曲肘式合模机构的设计多沿用经验、类比、试算、近似公式以及做图法来进行设计，不但工作量大，而且设计参数不可能是最佳组合，也不可能满足多目标的性能要求，使得曲肘式合模机构的优越性得不到充分的发挥。

合模机构一直是注塑机设计人员努力加以改进的部件，对合模机构进行优化设计更是专业人事多年来一直都在努力要达到的目标。

随着计算技术的发展和计算机的应用，我国对曲肘式合模机构的优化设计从20世纪80年代末开始，在90年代才得到不断的开发和应用，目前仍处于不断完善和推少应用当中。

一方面是推导更为合理的教学模型，另一方面是寻求更为有效的优化方法。

在以往机构的优化设计中存在着以下不足:

合模机构的力学模型不够完整;合模机构力的放大倍数表达式不够准确;用简支梁作为模板的力学模型，设计结果误差较大。

合模机构优化设计的意义在于:

系统准确地建立五点斜排双曲肘合模机构的运动及力学模型;运用计算机软件对合模机构进行优化设计，替代以往的经验、类比、试算、近似公式以及做图等设计方法;力求合模机构的结构尺寸更合理，从而提高合模机构的运动及力学性能,为以后注塑机的性能改进提供可靠的依据。

图1五点斜排合模装置示意图

合开模装置是保证模具可靠闭紧和实现模具启闭动作及顶出制品的部件。

一个好的合模装置必须具备三方面特性：

（1）足够的合紧模具的力和系统刚性，保证模具在熔料的压力下，不产生开缝溢料现象：

（2）足够的安装模具的空间及开启模具的行程：

（3）快速的移模速度及较慢的合紧模具速度，移模时要具备慢一快一慢的运动特性。

五点斜排机构油压肘杆式具有速度快、变速平稳、节省电力、超载性能好等优点，但同时也有不能成型深点制品、调模较复杂、合模力重复精度不高、对模具平行度要求较高等局限。

广泛应用于注塑机的合模机构.一套大行程比肘杆机构参数的取值原则；肘杆合模机构的系统刚度设计方法，从肘杆机构各部件、各零件受力变形相互之间的联系上，揭示了其内部相互之间存在的规律，把设计理论与设计实际密切联系起来，把设计理论上的定性变为设计实际中的定量，据此设计的中、大型注塑机双曲肘斜排合模机构，移模行程与拉杆内间距之比达到（1～1.1）：

1，设计的合模力与实测合模力误差不到2％，设计的移模行程与实测移模行程误差不到l％。

我国注塑机行业，将此种机构应用于新开发的注塑机上，主要进行测绘仿制及类比设计，缺少理论性及实践性研究应用，特别是理论与与实践相互联系的设计研究。

因而，双曲肘五点斜排合模机构的设计水平提高慢，具体反映在注塑机上是移模速度不均匀，冲击大，力的放大比和行程比的匹配不合理，体积大，近年来，计算机优化设计也有所研究.

由于我国的注塑机产品上的双曲肘五点斜排机构的研究层次较低,停留在吸收借鉴别人的成果的基础上,而通过使用现代计算机辅助设计软件Αdαms进行仿真分析研究,对以后开发新的产品具有重要的指导作用.通过理论联系实践,又通过实践来反馈到理论上去,可以相互促进和提高,缩短新产品上市时间,节省生产成本,具有重要的作用.

1.合模机构设计的意义

1.1注塑机的工作原理及其基本组成

注塑成型是塑料的主要成型方法，其生产效率高，能成型外形复杂，尺寸精确或带嵌件的注塑制品，对各种塑料的加工适应性强。

因此广泛地应用于国防工业，航空，交通，电气，机械，建筑，农业，文教，卫生，日用品等各个领域.

注塑成型是一种以高压高速将塑料熔体注入闭合的模具型腔内，经冷却定型后，得到和模具型腔一致的塑料制品的一种成型方法。

为完成注塑成型，注塑机必须具塑化，注塑和成型三个基本功能。

为实现基本功能，注塑机由以下几个部分构成:

（1）注塑系统其作用是塑化，计量，注塑，保压。

_

（2）合模系统其作用是固定模具，锁紧模具，开闭模具，顶出制品。

（3）加热冷却系统对机筒及喷嘴加热，对模具及液压油冷却。

（4）液压系统为注塑机提供动力来源。

（5）润滑系统为动模板，调模装置，连杆铰链等运动部位提供润滑条件。

（6）电控系统对工艺程序进行精确而稳定的控制。

（7）安全保护系统用来保护人机安全。

（8）监测系统对油温，料温，系统超载，以及工艺和设备故障进行监测，发现异常情况进行指示或报警。

图2注塑机整机实物图

1.2注塑技术的发展趋势

注塑技术的发展与聚合物材料的发展息息相关。

在高速化方面，以尽量缩短成型周期为目标。

主要体现为以下几个方面:

提高启闭模速度;提高注塑速度;提高冷却效率;提高塑化能力。

适合于高速化注塑机结构的设计与优化是采用合理的液压系统，优化合模装置的设计等。

在高效化方面，主要体现为高成品率而低能耗，成型过程热量的合理使用，作到热损失小，效率高。

主要体现为以下几个方面:

实现低温塑化;动力源和冷却源的合理使用，如液压系统使用蓄能器等;使用先进的控制技术，提高控制精度，减少废品率。

在自动化方面，主要体现为以下几个方面:

加速应用微电脑技术和高精度元件，替代传统的继电器控制，以提高注塑机的控制水平和技术性能;从注塑机本身实现自动化到实现注塑生产过程的自动化。

在专门化方面，就是研究制造供专门用途的注塑设备与方法。

由于注塑用的塑料品种十分广泛，在注塑过程中所表现出来的物理性质，热性能，化学性质，流变性质有很大差异，再加上制品用途不同，因此对注塑设备及技术提出了一些特殊的要求，以便满足专门用途的需要。

以塑代钢制造工程塑件是未来的发展趋势，今后对精密注塑机的需求量将会明显增力口。

从飞机制造业和汽车工业兴起的模块化设计将广泛地应用于注塑机行业。

为实现多品种，中小批量混流生产，适应市场变化，缩短产品开发周期，提高产品质量，在注塑机制造行业引入柔性制造系统（FMS）也是势在必行，以此可提高我国注塑机的制造水平.

1.3合模机构优化设计概况

在注塑机合模机构的三大类型中，五点斜排双曲肘式合模机构是应用最为广泛的一种结构型式。

目前国内外400吨以下的中小型注塑机均采用此种结构，甚至有的用在合模力为2500吨力的大型注塑机上。

此种结构的特点是承载能力高，结构紧凑，运动性能良好，力的放大比大，省能，有一定的行程比，刚性足，从而可靠地保证在注塑过程中不易产生涨模现象，保证产品质量和工作效率。

在曲肘式合模机构的设计中，设计变量繁多，设计计算复杂。

以往对曲肘式合模机构的设计多沿用经验，类比，试算，近似公式以及作图法来设计，不但工作量大，而且设计参数不可能是最佳组合，也不能满足多目标的性能要求，使得曲肘式合模机构的优越性能得不到充分的发挥。

随着计算技术的发展和计算机的应用，国外从20世纪60年代出现机械优化设计，对注塑机曲肘式合模机构也采用了计算机辅助设计。

我国从70年代末开始采用计算机编程计算。

而对曲肘式合模机构优化设计的研究则始于80年代末，在90年代才得到不断开发和应用，现在仍处于不断完善和推广应用当中。

一方面是推导更为合理的数学模型，另一方面是寻求更为有效的优化方法。

现就五点斜排双曲肘式合模机构的优化设计作如下综述.

1.3.1目标函数

曲肘式合模机构设计的已知条件是合模力和模板行程。

由曲肘式合模机构的力学和运动学分析中可以看出:

大的增力倍数有利于节能;高的移模速度有利于提高循环次数而提高生产率;大的模板行程可提高对模具的适应性而扩大使用范围;小的结构尺寸有利于降低制造成本，减小占地空间。

因此，为获得良好的工作特性，优化设计追求的目标有以下几点:

（1）以追求最大的力的放大倍数为目标函数。

追求力的放大倍数有利于提高合模力，降低能耗，提高产品质量。

此目标函数实际上是以满足预定合模力条件下以追求所需最大油缸推力为最小。

（2）以追求最大行程比为目标函数。

其设计思想是在动模板行程一定的条件下使合模油缸行程为最短。

换言之，动模板的平均速度为最大。

此目标函数有利于提高空循环次数，缩短成型周期，提高启闭模效率。

（3）以追求最大模板行程为目标函数。

其设计思想是尽可能使合模机构能适应不同厚度的模具，提高注塑机的使用范围。

此目标函数常为模板行程只要求在一定范围内时使用。

（4）以追求最小结构尺寸为目标函数。

其设计思想是追求机构总长度为最小或后模板铰支座中心距为最小。

由此使机台结构最小，以达到减小占地空间，减轻机台重量，降低制造成本。

1.3.2约束条件

曲肘式合模机构的优化设计，实际上是一个多目标有约束的优化问题。

其约束条件有工作性能约束条件和几何约束条件。

性能约束条件：

（1）为保证机构正常启闭运动，不发生自锁现象的约束条件;

（2）为增加机台循环次数，行程比必须满足设计要求的约束条件;

（3）获得合理增力倍数，保证合模力的约束条件;

（4）为保证系统刚度，对合模机构临界角的约束条件;

（5）为保证动模板在任何位置都能克服系统阻力，实现可靠闭模，而对油缸推力

要求的约束条件；

（6）为结构紧凑，启闭模可靠，对初始角，斜排角，终锁角的必要的约束条件。

几何约束条件：

（1）为避免对称曲肘相互干涉的约束条件;

（2）为保证相同杆件铰支点便于制造，运动中不发生干涉的最小长度约束条件;

1.3.3优化方法

（1）目标函数的选择和协调

合模机构优化设计的目地是追求机构具有良好的综合性能。

然而，希望上述各个目标函数都获得最优解实际上是不可能的。

因为从机构的力学及运动学分析中可知，它们之间存在着矛盾或相互制约的关系。

因此，如何进行目标函数的选择和目标函数间的协调，以构成一个统一的目标函数，是进行优化设计的首要问题。

统一目标函数主要有四种方法:

加权组合法，目标规划法，乘除法和功效系数法。

以往的优化设计中多采用功效系数法。

（2）优化方法的选择

优化方法的选择主要是根据具体情况从三方面考虑而定的。

一是方法的可靠性，这是评价优化方法好坏的重要原则;二是方法的有效性，与各种方法在同样条件下计算函数值的次数有关;三是计算前的准备工作量及占用计算机存储单元的数量。

曲肘式合模机构的优化设计问题属于有约束优化问题，根据对约束条件的处理方法不同，可分为两大类:

直接法和间接法。

以往的优化设计多采用间接法中的惩罚函数法。

（3）初始化参数设计

曲肘式合模机构的初始化参数设计包括合模机构各构件的强度刚度计算和基本结构设计。

其目地是在保证机构满足最大合模力要求的强度和刚度前提下，首先确定模板尺寸及厚度，连杆断面尺寸，销轴直径，销轴衬套直径，以及铰支座处外缘直径，然后再进行优化设计程序。

并能进行必要的修正。

为便于结构布置和不干涉，有关十字头和模板的约束条件。

1.4合模机构优化设计的意义

1.4.1以往优化设计的不足之处

（1）合模机构的力学模型不够完整

以往优化设计中，绝大多数只对机构的行程比，力的放大倍数，最大模板行程或机构总长进行优化设计，得出的结果只是机构自身的尺寸参数，而并未考虑机构的强度及刚度问题。

近期的优化设计，在初始化设计中，考虑了机构的强度及刚度问题，但也未考虑合模油缸推力这一关键问题。

（2）合模机构力的放大倍数表达式不够准确

以往的优化设计中，力的放大倍数表示为后肘杆角度α变化量的关系式。

但由于其基准选择不当，导致力的放大倍数表达式不够准确。

这将影响到最后的优化结果。

（3）模板强度及刚度计算误差较大

合模机构设计中，系统刚度的确定即是重点也是难点，它包括了合模机构中所有受力构件的力学计算问题，而其中模板的强度刚度计算最为关键。

以往设计中，系统刚度力学模型是单曲肘结构型式的模型，并且将模板简化为简支梁进行力学计算，所得结果偏干保守，误差较大。

1.4.2本次合模机构优化设计的意义

（1）系统准确地建立五点斜排双曲肘合模机构的力学及运动学模型，包括力的放大倍数，系统刚度，临界角，合模油缸推力，行程比以及模板移动速度等。

（2）应用仿真优化方法，在计算机上对合模机构进行设计，替代传统的经验，类比，试算，近似公式以及作图等设计方法。

（3）力求合模机构的结构尺寸更加合理，从而提高合模机构的力学及运动学性能。

本文在系统准确地建立五点斜排双曲肘合模机构的运动及力学模型的基础上，突破了传统的设计方法，采用现有的设计软件，对一款注塑机合模机构进行全面的优化设计计算。

2五点斜排双曲肘合模机构的运动学及力学模型的建立

五点斜排双曲肘合模机构是目前在注塑机中应用最为广泛的一种结构型式。

由于斜排结构，使其设计计算公式与直排式有很大差别。

因此，符合这种合模机构运动特性和力学特性的计算公式的正确表达就显得相当重要。

这关系到合模机构的合理设计和优化设计中数学模型的建立。

五点斜排双曲肘合模机构见图3.

图3双曲肘合模机构结构图

1一油缸;2一调模板;3一调模板铰耳;4一后肘杆;5一十字头;

6一连杆;7一前肘杆;8一动模板铰耳;9一动模板;10一拉杆;

2.1五点斜排双曲肘合模机构的工作原理

图4　五点斜排合模机构工作原理图

图4是此机构在两极限位置（开模最大位置点E2和合模最大位置点E1）的示意图，其工作原理为合模油缸通过机构四驱动肘杆机构摆动,使动模板沿导柱轴向移动,实现开闭模及锁模工艺要求。

当锁模开始时，活塞推动机构从合模最大位置向开模最大位置运动，但当机铰处于B2点时，理论上通过死点自锁无论使多大的力都不能向右运动，所以在设计当中应该避免死点自锁，否则将产生很大的冲击振动或根本锁不住模。

当活塞运动到接近E1，即机铰C到达或接近锁模终止C1时，动模板就依靠机构的自锁不会继续前进，这是该机构所必需具备的自锁条件。

因此合理设计活塞的两极限位置直接反映注塑机的工作性能（如冲击振动、锁模力的大小、自锁性能等）。

当机构运动到终点前某一位置时（θ称为临界角）,模具刚好碰上。

机构继续运动,迫使合模装置机件发生弹性变形,从而在模具间产生很大的力（称为锁模力）,以保证注塑时模具不被胀模力顶开。

运动终止时,杆L1、L2在一直线上,处于自锁状态。

这时,即使油缸卸荷,锁模力也不会消失。

机构自由度F如图3所示，双曲肘合模机构上下对称布置，这样可提高机构的系统刚度，改善受力状况。

合模机构中对运动不起作用的对称部分属于虚约束，应先去掉再算自由度。

机构中无局部自由度，无高副。

根据《机械原理》教材可知，n=5,Pl=7,Ph=0得到：

F=3n-2Pl-Ph=15-14-0=1

2.2机构运动特性要求

对该机构提出的设计要求为:

在满足规定开模行程S1条件下,希望有大的行程比和力放大比;动模板运动符合“慢—快—慢”变化规律;机构紧凑。

但行程比与力放大比是矛盾的,为此用功效系数统一,要求有高的功效系数。

图3为该机构的原理图，其中H、H0和h是以机构的对称中心为基准的高度方向尺寸，S1为锁模油缸的行程，S2为动模板的移模行程。

θ是当L1和L2杆共线时关于水平面的夹角，

为行程终止杆L2与水平面的夹角。

针对上述陈述，建立机构的特性分析数学模型如下：

（2-0）

（2-1）

（2-2）

（2-3）

（2-4）

（2-5）

（2-6）

=

（虚功原理）（2-7）

E=L4sinψ+L5sin（α+θ+γ）（2-8）

其中W为行程放大比，M是力的放大比，

为速度变化系数。

2.3机构自