豐鐵塑機(jī)（廣州）有限公司，廣東廣州510800

摘要：針對(duì)液壓驅(qū)動(dòng)鎖模機(jī)構(gòu)能耗損失大、動(dòng)態(tài)響應(yīng)遲滯及精度衰減等行業(yè)難題，文章創(chuàng)新性地提出基于動(dòng)態(tài)耦合控制的全電動(dòng)鎖模系統(tǒng)解決方案。通過(guò)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)雙曲肘鉸鏈與斜排連桿復(fù)合傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，引入非線性擾動(dòng)觀測(cè)器（NDOB）構(gòu)建多軸同步補(bǔ)償模型，有效抑制機(jī)械間隙與變慣量負(fù)載引起的動(dòng)態(tài)誤差。系統(tǒng)集成高剛性行星滾柱絲杠與17位絕對(duì)值編碼器，配合諧波振動(dòng)抑制算法，實(shí)現(xiàn)鎖模過(guò)程力-位混合精準(zhǔn)控制。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明，新型機(jī)構(gòu)在3500kN鎖模力工況下，重復(fù)定位精度達(dá)±0.008mm，鎖模速度提升至1.2s/cycle，單位能耗較液壓系統(tǒng)降低53.7%，力控穩(wěn)態(tài)誤差小于0.5%。為精密注塑成型裝備的機(jī)電一體化設(shè)計(jì)提供了可量化的技術(shù)參考。

關(guān)鍵詞：立式注塑機(jī)；全電動(dòng)鎖模；雙曲肘機(jī)構(gòu)；伺服控制；節(jié)能降耗

注塑成型作為塑料加工領(lǐng)域的核心技術(shù)，其生產(chǎn)設(shè)備能耗約占全球工業(yè)總能耗的5%～8%。在成型精度要求日益提升的背景下，傳統(tǒng)液壓鎖模系統(tǒng)暴露出一系列技術(shù)問(wèn)題：油液泄漏導(dǎo)致的壓力波動(dòng)、動(dòng)態(tài)響應(yīng)遲滯引發(fā)的周期延長(zhǎng)，以及液壓元件維護(hù)帶來(lái)的額外成本等問(wèn)題，嚴(yán)重制約了精密注塑裝備的發(fā)展。隨著工業(yè)能效標(biāo)準(zhǔn)的持續(xù)升級(jí)，采用電驅(qū)動(dòng)技術(shù)替代液壓系統(tǒng)已成為注塑機(jī)械革新的重要方向。

1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與力學(xué)分析

1.1機(jī)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化

針對(duì)全電動(dòng)鎖模機(jī)構(gòu)的高效傳力需求，本文提出融合雙曲肘鉸鏈與斜排連桿的復(fù)合拓?fù)錁?gòu)型。基于D-H（Denavit-Hartenberg）參數(shù)法建立五自由度運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，定義各關(guān)節(jié)坐標(biāo)系為：

公式1

式中，Li為連桿長(zhǎng)度，mm；θi為關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角，rad；ai為D-H參數(shù)中的連桿長(zhǎng)度投影，mm；di為D-H參數(shù)中的連桿偏移量，mm。通過(guò)構(gòu)建雅可比矩陣J=∂x/∂q分析末端執(zhí)行器速度特性，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)單曲肘機(jī)構(gòu)存在速度波動(dòng)率高達(dá)18%的缺陷。采用改進(jìn)型NSGA-II多目標(biāo)遺傳算法進(jìn)行尺寸優(yōu)化，設(shè)置適應(yīng)度函數(shù)：

公式2

式中，K為增力比，Δv為速度波動(dòng)率，權(quán)重系數(shù)ω1=0.6、ω2=0.4。經(jīng)200輪迭代優(yōu)化后，獲得最優(yōu)解集：大臂長(zhǎng)度L1=320mm，斜排連桿傾角α=12°,最大開(kāi)模角度θmax=175°。

優(yōu)化后機(jī)構(gòu)增力比提升至12.8:1，較傳統(tǒng)單曲肘機(jī)構(gòu)提升23%，速度波動(dòng)率降低至4.7%。通過(guò)ADAMS動(dòng)力學(xué)仿真驗(yàn)證，鎖模階段驅(qū)動(dòng)力矩峰值為82N·m，滿足伺服電機(jī)45N·m額定轉(zhuǎn)矩的短時(shí)過(guò)載能力（180%瞬時(shí)過(guò)載系數(shù)）。

1.2靜動(dòng)態(tài)特性研究

靜力學(xué)分析中，設(shè)置20MPa鎖模壓力等效為模板面載荷，采用HexDominant網(wǎng)格劃分。六邊形主導(dǎo)網(wǎng)格劃分結(jié)果示意圖如圖1所示，材料選用42CrMo合金鋼（彈性模量210GPa，泊松比0.3），接觸副定義摩擦系數(shù)0.15。計(jì)算結(jié)果表明，模板最大變形量0.15mm出現(xiàn)在頂出孔邊緣區(qū)域，應(yīng)力集中區(qū)位于肘桿鉸接處，峰值應(yīng)力328MPa，低于材料屈服強(qiáng)度（785MPa），安全系數(shù)2.39。動(dòng)力學(xué)分析采用BlockLanczos法求解模態(tài)特性，前六階固有頻率分別為89、127、214、291、356、403Hz。其中一階振型表現(xiàn)為模板橫向彎曲振動(dòng)，與注塑周期0.5～2Hz存在足夠頻域間隔，避免共振風(fēng)險(xiǎn)。

?

圖1六邊形主導(dǎo)網(wǎng)格劃分結(jié)果示意圖

2驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1多軸同步控制策略

針對(duì)全電動(dòng)鎖模機(jī)構(gòu)的多自由度協(xié)同運(yùn)動(dòng)需求，本文開(kāi)發(fā)了基于主從同步架構(gòu)的分布式控制系統(tǒng)。系統(tǒng)采用三菱MR-J4系列伺服電機(jī)作為執(zhí)行單元，額定輸出轉(zhuǎn)矩45N·m匹配機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)負(fù)載要求。核心控制算法融合了交叉耦合補(bǔ)償機(jī)制，通過(guò)建立各運(yùn)動(dòng)軸間的動(dòng)態(tài)耦合模型，實(shí)時(shí)修正由機(jī)械間隙、負(fù)載擾動(dòng)引起的同步誤差。伺服電機(jī)動(dòng)力學(xué)特性由二階微分方程描述，其中電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子角加速度、角速度及q軸電流呈非線性關(guān)系，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J的精確辨識(shí)采用諧波激勵(lì)法，在空載與帶載工況下分別施加頻率掃描信號(hào)，通過(guò)頻譜分析獲得J=0.12kg·m2的等效慣量值。為提升多軸運(yùn)動(dòng)同步精度，控制架構(gòu)中嵌入基于滑模變結(jié)構(gòu)的同步補(bǔ)償器。

2.2位置精度補(bǔ)償

為實(shí)現(xiàn)鎖模機(jī)構(gòu)微米級(jí)定位精度，本文構(gòu)建了激光干涉儀在線測(cè)量與模糊PID復(fù)合控制系統(tǒng)。測(cè)量系統(tǒng)采用RenishawXL-80型激光干涉儀，線性分辨率為0.001mm，采樣頻率5kHz，通過(guò)多路光路分時(shí)復(fù)用技術(shù)同步采集四個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的位置偏差。原始誤差數(shù)據(jù)經(jīng)卡爾曼濾波預(yù)處理后，輸入至三輸入單輸出的模糊PID控制器。控制系統(tǒng)的核心采用三輸入單輸出的模糊PID控制器架構(gòu)，通過(guò)融合傳統(tǒng)PID控制的穩(wěn)定性與模糊邏輯的適應(yīng)性，突破單一控制策略的局限性。

3立式注塑機(jī)全電動(dòng)鎖模機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)及性能

3.1全電動(dòng)鎖模機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與驅(qū)動(dòng)力優(yōu)化

立式注塑機(jī)全電動(dòng)鎖模機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)核心在于突破傳統(tǒng)液壓系統(tǒng)的動(dòng)力傳遞瓶頸。本文采用雙伺服電機(jī)直驅(qū)拓?fù)錁?gòu)型，通過(guò)行星滾柱絲杠副（PlanetaryRollerScrew）將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線鎖模力，最大輸出鎖模力可達(dá)3500kN，較同規(guī)格液壓系統(tǒng)提升15%。相較于液壓系統(tǒng)依賴高壓油泵持續(xù)供能的模式，電動(dòng)鎖模機(jī)構(gòu)僅在啟閉階段消耗能量，空載待機(jī)功耗僅為液壓系統(tǒng)的3%，且無(wú)液壓油溫升導(dǎo)致的熱變形問(wèn)題，模具平行度誤差控制在0.01mm/m以內(nèi)，滿足精密光學(xué)透鏡成型需求。

3.2動(dòng)態(tài)響應(yīng)與能耗特性的技術(shù)突破

全電動(dòng)鎖模機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)控制性能顯著優(yōu)于液壓驅(qū)動(dòng)方式。基于永磁同步伺服電機(jī)的直接驅(qū)動(dòng)方案，速度響應(yīng)帶寬達(dá)到500Hz以上，模板開(kāi)合時(shí)間從液壓系統(tǒng)的2.2s縮短至1.5s，且加速度曲線平滑無(wú)超調(diào)。

3.3精度保持性與全生命周期成本優(yōu)勢(shì)

全電動(dòng)鎖模機(jī)構(gòu)通過(guò)結(jié)構(gòu)剛性優(yōu)化實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)期精度穩(wěn)定性。四立柱預(yù)緊力自補(bǔ)償機(jī)構(gòu)采用應(yīng)變片實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)立柱拉伸量，配合有限元拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)的箱體結(jié)構(gòu)，使系統(tǒng)剛性達(dá)到12.5kN/μm，較液壓機(jī)型提升40%。在千萬(wàn)次循環(huán)疲勞測(cè)試中，電動(dòng)機(jī)構(gòu)的位置重復(fù)定位精度仍保持±0.005mm（3σ),而液壓系統(tǒng)因密封件磨損導(dǎo)致的精度衰減量達(dá)0.03mm。

4結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)機(jī)電一體化創(chuàng)新設(shè)計(jì)，成功構(gòu)建了全電動(dòng)鎖模機(jī)構(gòu)的新型技術(shù)體系。相較于傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)方案，該技術(shù)顯著提升了鎖模系統(tǒng)的綜合性能，在運(yùn)行穩(wěn)定性、能源效率與精密控制等方面實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)性突破。創(chuàng)新性主要體現(xiàn)在三個(gè)維度：

①通過(guò)復(fù)合式增力機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，有效突破了傳統(tǒng)傳力機(jī)構(gòu)增力效率與空間約束的矛盾。②基于智能控制算法與多軸協(xié)同策略的創(chuàng)新應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了微米級(jí)運(yùn)動(dòng)精度的閉環(huán)控制。

③模塊化集成設(shè)計(jì)理念的應(yīng)用，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)復(fù)雜度，在制造成本與環(huán)境友好性方面有顯著優(yōu)化。

參考文獻(xiàn)

[1]王瀚毅，曾愛(ài)平，尹志宏，等.基于AMESim的注塑機(jī)能耗分析及其節(jié)能技術(shù)[J].機(jī)電工程技術(shù)，2024，53（12）:300-303.

[2]Grace.邁向高效、智能、綠色制造時(shí)代WINTEC攜全新注塑機(jī)系列亮相2024年中國(guó)國(guó)際橡塑展[J].上海化工，2024，49（3）:41.

[3]邁向高效、智能、綠色制造時(shí)代WINTEC攜全新注塑機(jī)系列亮相CHINAPLAS2024[J].化工裝備技術(shù)，2024，45（3）:14.

[4]何和智，高琦，張濤.國(guó)內(nèi)外大型注塑機(jī)技術(shù)發(fā)展動(dòng)態(tài)綜述[J].中國(guó)塑料，2022，36（11）:140-149.

[5]石則滿.由注塑機(jī)行業(yè)窺視國(guó)內(nèi)基礎(chǔ)工業(yè)的現(xiàn)狀與未來(lái)之路[J].橡塑技術(shù)與裝備，2021，47（22）:16-18.

[6]燕衛(wèi)亮.全電動(dòng)注塑機(jī)斜排五點(diǎn)雙曲肘機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造工程，2021，50（6）:21-24.