基于ADAMS的二板式注塑机合模装置机械液压耦合仿真.pdf

2 0 1 1 年 1 O月 第 3 9卷 第 1 9期 机床与液压 MACHI NE T 0OL HYDRAUL I CS 0c t ． 2 01 1 Vo l _ 3 9 No ． 1 9 DO I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 1 ． 1 9 ． 0 3 2 基于 A D A M S的二板式注塑机合模装置机械液压耦合仿真 伍建雄 ，焦志伟 ，伍先安 北京化工大学，北京 1 0 0 0 2 9 摘要注塑机是集机械、电子、液压多方面技术于一体的先进制造装备 ，是塑料制品最主要的生产设备 ，现代制造业 中8 0 ％以上的塑料制品采用注射成型。以新型全液压内循环二板式注塑机合模装置为研究对象，利用 A D A MS软件建立注 塑机合模装置的实体模型，在 A D A MS ／ H y d r a u l i c s 环境下与液压系统回路进行动态性能的耦合仿真。通过分析不同参数下液 压缸的压力、流量、速度及受力情况 ，得到液压缸的速度和位移变化曲线 ，并做出优化。 关键词A D A MS 软件 ；Hy d r a u l i c s 模块；合模装置；机 一液耦合仿真 中图分类号 T Q 3 2 0 ． 5 文献标识码 A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 1 1 91 0 9 4 M a c h i n e h y d r a u l i c Co u p l i n g S i mu l a t i o n f o r Cl a mp i n g Un i t o f t h e T w o p l a t e I n j e c t i o n Mo l d i n g Ma c h i n e B a s e d o n AD AMS W U J i a n x i o n g 。J I AO Z h i we i ．WU Xi a n ’ a n B e i j i n g U n i v e r s i t y o f C h e m i c a l T e c h n o l o g y ，B e i j i n g 1 0 0 0 2 9 ，C h i n a A b s t r a c t T h e i n j e c t i o n m o l d i n g m a c h i n e i s a n a d v a n c e d p i e c e o f m a n u f a c t u r i n g e q u i p m e n t i n t e g r a t i n g m e c h a n i c s ，e l e c t r o n i c s ， h y d r a u l i c s a n d S O o n ．I n j e c t i o n mo l d i n g ma c h i n e i s a m a j o r p a r t o f t h e p l a s t i c s i n d u s t r y ．M o r e t h a n 8 0 ％ o f a l l t h e r m o p l a s t i c p r o d u c t s a r e i n j e c t i o n mo l d e d i n m o d e m m a n u f a c t u r i n g i n d u s t ry．T a k i n g a n e w f u l l - h y d r a u l i c i n t e r n a l c i r c u l a t i o n t w o - p l a t e i n j e c t i o n mo l d i n g m s c h i n e a s r e s e a r c h o b j e c t ．t h e c l a m p i n g u n i t ma t h e ma t i c al s o l i d m o d e l w a s e s t a b l i s h e d b y A D A MS a n d t h e d y n a m i c s i m u l a t i o n w a s m a d e w i t h c o u p l i n g o f t h e h y d r a u l i c c i r c u i t i n ADAMS ／ Hy d r a u l i c s e n v i r o n me n t ． T h r o u g h a n aly z i n g t h e p r e s s u r e ，fl o w r a t e a n d s t r e s s o f t h e h y d r a u l i c c y l i n d e r u n d e r d i f f e r e n t p a r a me t e r s ，t h e c h a n g e c u r v e s o f s p e e d a n d d i s p l a c e me n t o f h y d r a u l i c c y l i n d e r w e r e o b t a i n e d ， a n d o p t i mi z a t i o n wa s ma d e ． Ke y wo r d s ADAMS s o f t w are； Hy d r a u l i c s mo d u l e；C l a mp i n g u n i t ；Ma c h i n e h y d r a u l i c c o u p l i n g s i mu l a t i o n 注 塑机也称 为注射成型机 ，是将热塑性塑料制成 各种塑料制件的主要成型设备。我国是世界上生产与 销售注塑机的大国，占整个塑料机械出口量 的 6 0 ％ 以上 。注塑机 在塑料机械和装备制造业 中占有重要位 置，主要应用在 日常生活、医疗器械、电子、汽车以 及船舶航空等领域，其跨度之大、应用领域之广，其 他 机种少见 。 随着人们对塑料制品的要求越来越高，对材料强 度的要求也越来越高，其模具则更趋复杂，同时也要 求生产效率不断提高。如何给客户提供高档精密的、 能够满足各种功能甚至更加保护模具的注塑机将越来 越重要，而其中决定这些性能的关键是注塑机的合模 装置 。最近 几 年 ，二 板 式 注 塑 机 简 称 二板 机 以其结构简单、紧凑、高效精密等许多优越性能吸引 了越来越多的关注。 1 新型全液压内循环二板式注塑机合模装置 图 1 是内循环二板式合模装置示意图。 1 一 锁 模 油缸2 一 移 模油 缸卜 拉杆4 一 动 模板5 一定 模 板 图 1 内循环二板式注塑机的合模装置 该合模机构采用对角设置的移模油缸实现移模动 作，通过4个内循环油缸来实现锁模。锁模油缸设置 在定模板上，拉杆与动模板固连 ，同时穿过锁模油缸 且为其活塞杆。开模时，移模油缸带动动模板移动 ， 锁模油缸活塞上的可控阀芯打开形成回油通道，使锁 模缸内液压油在回油与进油两侧实现内循环过程；锁 模时，锁模油缸活塞阀芯关闭，油缸进油侧进高压 油，封闭的油腔维持高压实现锁模。新型二板式注塑 机结构非常紧凑，与三板式合模机构相比省去了后模 收稿 日期 2 0 1 0 0 91 4 作者简介伍建雄 1 9 8 6 一 ，男，硕士研究生。E ma i l w u j i a n x i o n g w h 1 6 3 ． t o m。 1 1 0 机床与液压 第 3 9卷 板与肘杆机构，与常规二板式注塑机相比省去了固定 4根拉杆的支架 ，使整机尺寸和质量都大幅减小，降 低 了成本 。内循环式的合模油缸避免 了大量油液 回油 箱后再打入油缸所带来 的大量能耗 ，也省去 了外循环 所需的阀与管路，节能效果明显 。作者主要对该新 型合模装置的开合模动作进行运动仿真 ，并对其工艺 参数进行优化，使模板运动快速平稳。 2 合模装置 A D A MS模型的建立 合模装置的A D A M S模型主要包含两部分 机械 结构建模与液压系统建模。 2 ． 1 机械 结构建模 利用 A D A MS软件交 互式图形环境 和零件 、约 束、力库等建立机械系统三维参数化模型。在建模之 前对实际模型进行简化 ，这样可 以节省大量 的建模时 间，也可以保证仿真及分析过程能够顺利进行 。合 模装置的简化模型包括动模板、定模板、拉杆以及模 板支架、并在拉杆与支架、支架与模板之间使用不同 的约束联接 ，最后设置约束力，完成该合模装置机械 结构模型的建立。图 2所示为所建立的合模装置模 型，四根拉杆与动模板支架之间以固定副连接，拉杆 与定模板支架之间以圆柱副连接 ，两个模板分别与支 架 固定连接 。 a 主 视 图 b 轴 侧 图 图2 合模装置实体模型 2 ． 2 液压 系统建模 在 A D A M S ／ H y d r a u l i c s 环境 中建立液压 回路 ，主 要包括设置液压环境参数，创建液压油、油箱、液压 泵、各类控制阀、液压缸、直通联接等。液压元件建 立完成后 ，利用 H y d r a u l i c s 下 的 C o n n e c t 命令，依次 选择液压元件端口，将液压元件按指定的液压回路联 接到一起 。 在创建合模装置液压系统回路之前 ，先创建速 度驱动来驱动机械系统获得一些基本数据 ，包括合 模时间和移模过程摩擦阻力等。首先 ，根据液压缸 的流量和横截面积计算得到最大 理论伸缩速度 为 0 ． 6 7 4 m ／ s ，考虑到移模 油缸 的机械效率 和容积效 率 ，设定 驱动 速 度 中最 大 伸 缩 速度 为 0 ． 6 m／ s ，动 模 板行程 为 5 0 0 m m。 在合模装置的机 。 。 械系统模型上添加速 、 0 ． 7 5 度驱动，利用 S T E P；0 ．5 函数增量式表示，如 o - 2 5 图3所示。在驱动仿 真过程中添加位移传 感器测量合 模完成 时 所需时间 ，同时测 量 0 0 ． 3 5 0 ． 7 1 ． 0 5 1 ． 4 Ana l y s i s La m t Ru n t ／ s 2 0 1 0 0 7 - 0 4 1 6 1 0 4 4 图3 液压缸理论曲线 进行仿真分析得到驱动所需的力 ，此时油缸的最大平 稳运行速度 为 0 ． 6 0 m ／ s ，然后对驱动 做无效处理 ， 设计液压回路产生与驱动效果一致的力 ，初步进行静 态与运动学仿真分析 。 添加 速 度 驱 动 的 同 时 设 置 摩 擦 因 数 ， l o 仿 真 完 成 后 加 载 摩 擦妻 力 曲线 ，如 图 4所 示 ， 5 摩擦力稳定在4 ． 9 k N， 峰值阻力为 1 1 ． 0 4 k N 。 合模装置中移模油缸 成 对 角 线 平 行 设 置 ， 0 0 ． 2 0 ． 4 0 ． 6 0 ． 8 1 ． 0 An al y si s Li s tR u n t ／ s 2 0 1 0 - 0 5 ‘ 0 7 2 1 1 1 5 0 图4 摩擦力变化曲线 在建立液压回路时将两个移模油缸等效设置成一个油 缸 ，已知单个液压缸实际尺寸 ，通过换算得出等效油 缸的具体尺寸，并根据液压缸所受摩擦力来设置转矩 和流量的值 ，并最终确定变量函数。 作者根据需要对液压油路进行了简化，图5所示 为所建 立 的该新 型注 塑机 合 模部分的液压工作 回路。当 换 向阀右位 机 能工 作 时 ，压 力油进 入液 压 缸右 腔 ，液 压 缸 左 腔 里 的 液 压 油 回到 油 箱 ，活塞向左运动，实现闭 模 ；反之，当换 向阀左位机 能工作时，液压油直接进入 液压缸左腔 ，使活塞向右运 动 ，实现开模 。 3 参数设置 。 ’ ’ ’’ 。 ’一 l I i i 图5 液压系统回路 参数设置主要针对液压系统模型进行，其主要参 数如表 1 所示 。液压系统主要包括工作介质 、动力元 第 1 9期 伍建雄 等基于 A D A MS的二板式注塑机合模装置机械液压耦合仿真 -1 1 1 件、控制元件、执行元件与辅助元件 5个部分。工作 介质 、执行元件和辅助元件的参数设置较简单 ，在其 他文献中也已述及，作者详述动力元件与控制元件的 参数设置方法与思路。 表 1 液压回路中主要参数设置 1 动力元件。动力元件是液压系统 中主要 的 能量转换元件 ，包括泵、马达、压力源和流量源等。 文 中采用单 向变量 泵 ，利 用电机驱动液压泵 ，通过改 变 电机转速 来 调节 液压 泵 的流 量 从而 控制 液 压缸 速 度 。 根据模板的运动情况设置流量、转矩以及转速的 变化 ，从而调节液压缸合模速度。通过添加速度驱 动 ，得到峰值阻力为 1 1 ． 4 k N，可以设定最小给定压 强为 5 MP a ，已知齿轮泵排量，计算可得泵的流量和 转矩的初始值。在液压缸参数设置中已经考虑到泄漏 损失 ，所以计算流量初始值时只用考虑齿轮泵的机械 效率 ，根据泵的型号设定机械效率为 9 0 ％。确定各 变量初始值后，利用 S T E P函数表示各个变量的数值 变化 。 2 控制元件。控制元件用来控制液压系统中 流体的压力、流量及流动方向，从而使之满足各类执 行元件不同动作的要求。三位四通换向阀中主要控制 输 入 函 数 设 定 为 S T E P t i m e ，0 ． 0 ，0 ． 0 ，0 ． 1 ， 1 ． 0 S T E P t i m e ，1 ． 4 ，0 ． 0 ，1 ． 5 ， 一1 ． 0 ，在 S T E P函数中利用 t i m e自变量，主要表示动模板单向 行程阀芯随时间的位置变化 ，利用阀芯位置控制流量 的大小。 4机械与液压系统的集成 利用参数之间的关联将液压系统与机械系统模型 虚拟结合到一块，便于分析液压系统与机械系统的相 互作用。机械系统和液压系统通过液压缸上设置的 关 联 M A K E R点相互 连 接 。在 该 系统 中 ，液 压 缸 是 机械系统和液压系统的耦合元件 ，液压系统的压力 和流量影响并改变作用在活塞上的驱动力，以及活 塞的位移 、速度和加速度。机械系统和液压 系统可 以在同一界面下同时进行仿真计算和分析，完成整 机系统 的虚拟仿 真，输 出移模过程仿 真动 画的同 时，同步输出该时刻不同系统的性能状态 曲线 ，如 运动速度 、位移等曲线 ，液压系统流量、压力状态 曲线等。 利 用 A D A MS ／ H y d r a u l i c s 模块 在 同一 界 面下建 立 机械系统与液压回路之间相互作用的模型并在计算机 中设置系统的运动特性，在仿真过程中要特别注意 1 在液压模块中元件的输 出和输入数据类型 相 匹配才能互 相连接 。 2 经过实践表 明 G e n e r i c P u m p ／ M o t o r 元件只能 作为泵使用，而 P u m p ／ Mo t o r 既可以当作马达使用也 可以当作泵使用。 3 液压马达与机械系统的耦合 ，由于这方面 的文献 不多 ，也 不容 易理解 ，把马达所驱动 的轴 的转 动力矩定义为马达 的 O u t p u t t o r q u e ，同时马达 的转速 定义成轴的转速，就实现了二者的耦合 。 5 仿真结果及分析 设定各元件参数后，进入仿真对话框，设定仿真 时间 1 ． 5 S ，仿真步数为 1 0 0 0 。仿真结束后进入后处 理模块加载所需曲线 ，通过编辑工具处理曲线特征 ， 加载曲线可以选择不同的坐标变量 ，得到不同的曲线 形式。在仿真过程中，经过多次仿真观察液压缸速度 曲线，适时改变方向控制阀的开度、流量和转矩来控 制液压缸速度，最后得到动模板合模过程速度和位移 曲线 。 为了避免仿真过程 中液压缸活塞达到最大行程 ， 影响仿真准确度，在油缸中装置缓冲器。图6为仿真 过程中移模油缸中缓冲器 的缓冲力曲线。可以看出 在整个仿真过程中缓冲器缓冲力一直为零，说明移模 油缸中未出现冲击，即移模油缸活塞没达到最大行 程，因此，其余仿真结果符合条件。 1 ． 0 0． 5 舌0 ．0 _O s -1 ． 0 0 ． 0 0 ． 5 1 ． 0 1 ． 5 A n a ly s is L a s t R u n t ／ s 2 0 1 e- 0 6 1 9 1 5 1 1 1 4 图6 移模液压缸缓冲力曲线 图7和 8分别为移模油缸合模过程中仿真速度曲 线和位移时间曲线，其 中速度 曲线的自变量为 MA K ER 一1 1 5 X轴的坐标变化量，位移时间曲线中的位移 1 1 2 机床与液压 第 3 9卷 变化为模 型中的坐标设置。对照分析两条曲线，模 板启动和停止时间非常短，合模速度比较平稳，从 图 中可知液压缸最大收缩速度为 0 ． 5 4 9 m ／ s ，整个移模 时间约为 1 ． 4 S 。 0． 6 0 ． 5 、 0 ． 4 苦 0 ． 3 0 ． 2 0 ． 1 0 ． 0 0 ． 2 0 ． 0 7 5 0 ． 0 5 0 ． 1 7 5 0 ． 3 An a l y s i s L t R u n工／ m 2 0 i o - 0 6 - 1 9 1 5 1 1 1 4 0． 3 0． 175 0． 05 0． 0 ．0． 07 5 ．0 ． 2 ／ ／ 0 ． 0 0 ． 5 1 ． 0 1 ． 5 A n a ly si s L a e L R u n t l s 2 0 1 0 - 0 7 - 3 0 1 0 5 6 4 0 图7 移模油缸实 图8 移模油缸位 际运动曲线 移时间曲线 6实验数据分析 为了验证模拟结果 的可靠性 ，文中对合模力为 2 0 0 0 k N 的全液压内循环二板式注塑机的合模速度做 了实验测试。将感测注塑机模板运动的位移传感器的 电压信号接至数据采集系统上，连续开合模 5次，用 数据采集系统采集对应数据，实验数据如表 2所示。 仿真结果与实验所得最大平稳运行速度进行比较，基 本 满足要求 。 表 2 合模实验数据 7结束语 1 在 A D A M S环境下对新型全液压 内循环二 板 式注塑机合模装置的机械和液压系统在同一界面下进 行集成仿真，分析不同参数下液压缸的压力、流量 、 速度以及受力情况，并结合机械系统的仿真结果，对 液压系统中各元件参数进行选取、调整和优化，其仿 真结果与实验情况基本吻合。 2 仿真结果能反映实际液压系统的动态性能， 为新型二板式注塑机合模装置液压系统的优化设计提 供理论依据。虽然实际运动速度曲线与理论曲线仍有 偏差 ，但是在许可范围之内，有待进一步完善。 参考文献 【 1 】王兴天． 中国塑料机械发展现状与出口前景 [ J ] ． 塑料 制造， 2 0 0 8 7 3 4 3 7 ． 【 2 】 杨卫民， 丁玉梅， 谢鹏程． 注射成型新技术[ M] ． 北京 化 学 工业 出版社 ， 2 0 0 8 ． 【 3 】 焦志伟． 全液压内循环二板式注塑机的结构与性能研究 [ J ] ． 塑料， 2 0 0 9 ， 3 8 6 1 1 21 1 5 ． 【 4 】 李增刚． A D A M S 入门详解与实例[ M] ． 北京 国防工业 出版社 ， 2 0 0 6 ． 【 5 】 郭卫东． 虚拟样机技术与 A D A M S 应用实例教程 [ M] ． 北京 北京航空航天大学出版社 ， 2 0 0 5 ． 【 6 】 吴墩明． 基于 A D A M S 的液压破碎机液压系统仿真[ J ] ． 安徽工业大学学报， 2 0 0 7 ， 2 4 3 2 8 8 2 9 2 ． 【 7 】 孙成通． A D A M S ／ H y d r a u l i c s 模块的研究与应用 [ J ] ． 机 床 与液压 ， 2 0 0 8 ， 3 6 1 1 3 8 1 4 2 ． 【 8 】MS C ． S o f t w a r e C o r p o r a t i o n ． G e t t i n g S t a r t e d U s i n g A D A M S ／ H y d r a u l i c s [ O L ] ． [ 2 0 0 61 0 0 5 ] ． 【 9 】MS C ． S o f t w are C o r p o r a t i o n ． A D A M S ／ Hy d r a u l i c s C o m p o n e n t R e f e r e n c e [ M] ． 2 0 0 6 ． 上接 第 1 0 8页 对 比表 3 和 4可以发现温度对螺杆支撑点的影 响很大，但在加上温度载荷后螺杆的变形量也还是非 常小的，最大量在 方向上都未超过 0 ． 1 5 m m，而在 零部件间隙较小 的 。 方向上最大位移也未超过 0 ． 0 2 m m。从计算结 果来 看 ，该螺 杆支撑 点在 温度 1 0 5℃ 和工作压力分别 为 l 0和 2 0 M P a时的位移量 是可以接 受 的。所 以温度 对于螺杆支撑点的影响不会改变 阀芯 阀套出的配合状况，进而也不会影响到此处的运转状 况 ，也就不会影响到转阀的性能。 3 结束语 作者应用有限元理论，建立了转 向器的热 一结构 有限元模型，对转向器分别处于温度 1 0 5℃、工作压 力 1 0 MP a 和温度 1 0 5 o C、工作压力 2 0 MP a 两种情况 进行了耦合场分析 ，得出如下结论 1 转向器整体及各零部件的刚度和强度在 l 0 MP a 工作压力下，2 0 M P a 最大压力下，以及加上温 度载荷时都是符合要求的。 2 对 比有无温度载荷时的有限元分析结果 ， 可以看出温度对转向器变形量有较大的影响，但总的 来说变形量未超过技术要求。 参考文献 【 1 】 王洋． 转阀式液压助力转向器研究[ D] ． 镇江 江苏大 学， 2 0 0 1 1 1 0 ． 【 2 】 张洪欣． 汽车设计[ M] ． 2 版． 北京 机械工业 出版社， 1 9 9 9 ． 5 ． 【 3 】 陈家瑞． 汽车构造 下册 [ M] ． 北京 机械工业出版社， 2 0 0 0 2 4 7 2 8 5 ． 【 4 】 王若平 ， 蒋军， 高翔． 汽车转阀式液压动力转向器性能分 析与试验[ J ] ． 农业机械学报， 2 0 0 6 ． 1 1 1 61 9 ．