基于ADAMS的注塑机合模机构动力学仿真研究

2010-06-28钟士培

装备制造技术 2010年4期

钟士培

(顺德三坊机械制造有限公司，广东佛山528305)

合模机构是注塑机重要部件之一，是保证塑料成型模具可靠地闭紧和实现其启闭动作的关键部件，其性能的优劣，将直接影响成型制品的质量。锁模力是由合模机构闭合时合模机构发生系统弹性变形产生，系统所达到的最大变形力即为注塑机标定的额定锁模力。目前国内大多数注塑机制造厂家在设计生产过程中，往往偏重于合模机构的静力学分析，多采用以力学和数学为基础的半理论、半经验设计法进行设计。然而，注塑机双曲肘合模机构，是在复杂的工况下工作的结构系统，其动态性能状态，直接影响整机的性能。因此，有必要对注塑机双曲肘合模机构的动力学性能进行分析和研究。

ADAMS(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical System)软件，是由美国机械动力公司(Mechanical Dynamics Inc.)开发的一套功能十分强大的机械系统动力学分析软件，是基于虚拟样机技术和多体动力学理论的机械系统仿真分析软件。该软件广泛应用于航空航天、汽车工程、铁路车辆及装备、工业机械、工程机械等领域。ADAMS与先进的CAD软件(UG、Pro/Engineer)以及CAE软件(ANSYS)可以通过计算机图形变换格式文件相互变换，以保持数据的一致性。利用ADAMS软件建立参数化模型，可以进行设计研究、试验设计和优化分析，为系统参数优化提供了一种高效开发工具。

本文结合Pro/Engineer和ADAMS软件，以多体动力学为理论基础，建立了SZ-680T型注塑机双曲肘合模机构刚柔耦合多体动力学模型，应用ADAMS软件进行了合模机构的仿真计算，获得一系列关于此合模机构的各种动力学方面的数据，分析了合模机构的动力学特性，为合模机构优化设计和工程分析提供依据。

1 建立合模机构虚拟样机模型

1.1 合模机构工作原理

本文以SZ-680T型注塑机合模机构为研究对象，该合模机构简图如图1所示。其工作原理为：合模油缸通过十字头驱动肘杆机构摆动，使动模板沿拉杆轴向移动，实现开合模及锁模工艺要求。当机构运动至终点前某一位置时，模具与动模板刚接触，此时的曲肘角α=α0，α0称为临界角，机构继续运动，动模板在机构的驱动下继续向前移动，系统发生弹性变形，变形力作用在模具上形成锁模力。运动终止时，大曲肘(L1)和大连杆(L2)在同一直线上，系统达到最大锁模力即额定锁模力，此时合模机构处于自锁状态。表1为SZ-680T型注塑机的有关尺寸数据。

表1 SZ-680T型注塑机的有关尺寸数据单位：mm

图1 双曲肘合模机构简图

1.2 合模机构虚拟样机模型

将Pro/Engineer建立的合模机构模型导入ADAMS有两种途径：

(1)ADAMS/Exchange是ADAMS/View的一个可选集成模块，其功能是利用IGES、STEP、STL、DWG/DXF等产品数据交换库的标准文件格式，完成ADAMS与Pro/Engineer或其他CAD/CAM/CAE软件之间数据的双向传输。将Pro/Engineer中建立的模型向ADAMS中传输时，ADAMS/Exchange自动将图形文件转换成一组包括外形、标志和曲线的图形要素，通过控制传输时的精度获得较为准确的几何形状，并获得质心和转动惯量等重要信息；

(2)通过Mechanism/Pro模块，采用无缝连接的方式将数据传送到ADAMS中，进行全面的动力学分析。现采用第二种方法，将Mechanism/Pro中的合模机构模型导出为ADAMS/View(﹡.bin)文件，使用ADAMS软件可对转换的合模机构模型进行编辑。

依据多体动力学理论，根据合模机构各部件的连接和约束关系施加各种约束副，使得多体动力学模型的运动和受力形式符合实际情况。定义各构件之间的约束关系如表2所示。

表2 各构件之间的约束关系

1.3 在ADAMS中建立柔性体的方法

在ADAMS中建立柔性体有3种方法。

(1)通过将一个构件离散成许多段刚性构件，进而可以建立所需要的柔性体，用柔性力进行连接。但这种方法只限于简单构件；

(2)用ADAMS/Auto Flex模块，可以直接在ADAMS/View中生成建立柔性体的模态中性文件MNF，再用柔性体替代原来的刚性体；

(3)利用有限元软件将构件离散成网格单元，通过模态计算，将文件替换为建立柔性体的MNF文件，从而可以直接读取到ADAMS中。

合模机构依赖系统发生弹性变形产生锁模力。对合模机构的受力分析，应用刚柔耦合多体动力学模型。文中只考虑合模机构的大曲肘(L1)、大连杆(L2)、小曲肘(L3)、小连杆(L4)及拉杆的柔性特征，将大曲肘(L1)、大连杆(L2)、小曲肘(L3)、小连杆(L4)及拉杆建立为柔性体，其他零部件仍然考虑为刚体。本文采用上述的第二种柔性体建立方法完成从刚体到柔性体的转换。利用该方法，可以根据AFI(AutoFlex Input)文件自动生成形状复杂的柔性体，以便在仿真分析中研究柔性部件的变形，更加精确地预测载荷，提高仿真的准确度。至此，已建立了完整的合模机构虚拟样机模型。

2 合模机构动力学仿真

2.1 ADAMS中碰撞参数选取

ADAMS软件用接触定义了仿真过程中，自由运动物体间发生碰撞时，物体间的相互作用。ADAMS/Solver采用两种方法计算接触力(法向力)：回归法(Restitution)和IMPACT函数法。

回归法需要定义两个参数：惩罚参数和回归系数。惩罚参数起加强接触中单边约束的作用，而回归系数则起到控制接触过程中能量消耗的作用。

ADAMS/Solver采用IMPACT函数法，接触力实际上相当于一个弹簧阻尼器产生的力。

本文采用回归法计算接触力，惩罚参数(Penalty)取1×106，回归系数(Restitution Coefficent)取 0.8。

选取了上述参数后，基于虚拟样机模型，就可以进行动力学仿真。

2.2 合模机构动力学仿真

基于虚拟样机模型，在十字头的移动副上添加移动运动驱动。为了添加移动运动时不出现突变，及减少动模板与前模板的碰撞接触力，使仿真过程更符合实际的操作，这里使用STEP函数控制移动运动驱动，将移动运动速度分为4个阶段，十字头的输入运动信号如图2所示。

图2 十字头移动运动输入信号

为确保动模板与前模板接触过程的仿真精度和减少仿真时间，添加传感器(SENSOR)，将仿真步长分为两段：动模板与前模板接触前的步长为0.05 s；动模板与前模板接触后的步长为0.001 s。

运行仿真后即可处理运动副上的位移、速度、加速度、作用力和作用力矩等数据，可同时输出高性能的动画和各种数据曲线，进行曲线编辑和数字信号处理。图3至图6的仿真曲线分别是曲肘角α随时间变化曲线、接触力与曲肘角α的关系曲线、拉杆拉力与曲肘角α的关系曲线及十字头移动副受力与曲肘角α的曲线。

图3 曲肘角α随时间变化曲线

图4 接触力与曲肘角α的关系曲线

图5 拉杆拉力与曲肘角α的关系曲线

图6 十字头移动副受力与曲肘角α的曲线

3 仿真结果分析

下面以双曲肘合模机构注塑机SZ-680T为例，具体说明机构的仿真结果。本文取临界角α0=5°，由图3的仿真曲线可知，总仿真时间为t=8.389 s，当仿真时间达到t=6.5 s时，曲肘角α=7.34°，曲肘角α随时间的变化趋于平稳，这有利于降低动模板与前模板之间的接触碰撞产生的振动。由图4的仿真曲线可知，当曲肘角α＞5°时，动模板与前模板之间没有接触，接触力为0；当曲肘角α=5°时，动模板与前模板开始接触，接触力随曲肘角α的减小而急增，曲肘角α=1°时，接触力达到最大值：9.87×106N。

图5为单根拉杆受力随曲肘角α变化的仿真曲线。当曲肘角α＞5°时，拉杆的拉力为：2000N；当曲肘角α=5°时，拉杆的拉力开始上升，并随曲肘角α的减小而增大，当曲肘角α=0°时，拉杆的拉力最大，达到1.75×106N，此时，锁模力达到最大：4×1.72×106N=6.88×106N。这说明本合模机构产生的变形力可满足设计要求。

图6为十字头移动副受力随曲肘角α变化的仿真曲线。当曲肘角α＞5°时，由于传动角的变化，十字头移动副的受力也随传动角的变化而变化，其值在3 000～40 000 N之间变动；当曲肘角α=5°时，十字头移动副的受力开始上升，并随曲肘角α的减小而增大，当曲肘角α=3.35°时，十字头移动副的受力最大，达到3.6×105N；随后，十字头移动副的受力随曲肘角α的减小而减小，当曲肘角α接近为0时，十字头移动副受的力也接近为0，这说明合模机构进入自锁状态。十字头移动副的受力是由合模油缸产生，由上述的数据和油泵规格就可以计算出合模油缸的规格。