（机械制造及其自动化专业论文）曲肘式注塑机合模机构有限元仿真与优化设计.pdf

浙江大学硕士学位论文摘要 摘要 本文结合国家自然科学基金项目“复杂机电产品质量特性多尺度耦合理论与 预防性控制技术”( 5 0 8 3 5 0 0 8 ) ，根据浙江博创机械有限公司生产实际需要，开展 了曲肘式注塑机合模机构的有限元仿真与优化设计的研究。全文内容如下： 第一章：阐述了论文的研究背景，介绍了国内外注塑机的发展概况和趋势， 阐述了合模机构的组成及国内外研究现状，介绍了课题的来源、主要研究内容及 章节安排。 第二章：分析了产品客户化设计方法和模式，在此基础上，提出了注塑机合 模机构的设计过程模型，并对设计流程进行了详细的分析。 第三章：应用t o p d o w n 建模方法建立了注塑机合模机构的三维模型，构建 了合模机构的虚拟样机，为后面章节提供了数字化模型支持。基于虚拟样机技术 对合模机构开展了运动仿真分析，并在此基础上实现了合模机构优化设计。 第四章：应用有限元分析软件a n s y s 开展了合模机构进行了总体静力学分 析，再对该机构的重要部件前模板和动模板进行单独分析。在此基础上，对应力 与变形最大的零件动模板进行了疲劳分析。 第五章：分析了有限元拓扑优化与参数优化方法。利用a n s y s 的拓扑优化功 能对前模板和动模板进行优化分析，寻找模板的最优结构形式；并通过参数优化， 确定前模板的实际结构尺寸值。最后对优化前后的模板进行了对比分析，检验了 优化模板结构及其参数的合理性。 第六章研究：对论文全文进行总结，阐述了论文的主要工作及研究内容，对 未来的研究工作进行了展望。 关键词：注塑机、合模机构、虚拟样机、运动仿真、有限元分析、拓扑优化、参 数优化、 i i 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t b a s e do nt h er e s e a r c ho fn a t i o n a ln a t u r e s c i e n c ef u n dp r o j e c t c o m p l e x e l e c t r o m e c h a n i c a lp r o d u c td e s i g nq u a l i t ye v a l u a t i o ns y s t e mo fm u l t i s c a l er e s e a r c ha n d p r e v e n t i v ec o n t r o lt e c h n o l o g y ( 5 0 8 3 5 0 0 8 ) a n dt h ep r o d u c t i o nr e q u i r e m e n to ft h eb o r c h m e c h a n i c a lc o ，l t d ，t h ef e ms i m u l a t i o na n do p t i m i z a t i o no ft o g g l ec l a m p i n g m e c h a n i s mi ss t u d i e d t h es t m c t u r eo ft h i sd i s s e r t a t i o ni sa sf o l l o w e d ： i nt h ef i r s tc h a p t e r , t h er e s e a r c hb a c k g r o u n do ft h ed i s s e r t a t i o ni sr e v i e w e da n dt h e o v e r v i e wa n dt r e n d si nt h ed e v e l o p m e n to fi n j e c t i o nm o l d i n gm a c h i n ea th o m ea n d a b r o a di ni n t r o d u c e d 1 1 b ec o n s t r u c t i o no fc l a m p i n gm e c h a n i s ma n di t sc u r r e n tr e s e a r c h s i t u a t i o ni sd e l i v e r e d ，t h es i g n i f i c a n c eo fi n d e p e n d e n c ed e s i g no fc l a m p i n gm e c h a n i s m i sp u tf o r w a r d t h e nt h es o u r c eo ft h ep r o j e c t ，m a i nr e s e a r c hc o n t e n t sa n da r r a n g e m e n t o fa l lc h a p t e r si sg i v e n i nt h es e c o n dc h a p t e r , p r o d u c t c u s t o m i z a t i o nd e s i g na p p r o a c hi ss t u d i e da n dt h e d e s i g np r o c e s sm o d e lo fc l a m p i n gm e c h a n i s mo fi n je c t i o nm o l d i n gm a c h i n e i s p r o p o s e d i nt h e “r dc h a p t e r , t h ec l a m p i n gm o l d i n gm e c h a n i s mi sm o d e l e db a s e do nt h e t o p - d o w nm o d e l i n ga p p r o a c h ，i ns u p p o r to ft h ef o l l o w i n gc h a p t e r s k i n e m a t i c t h e o r yo fc l a m p i n gm e c h a n i s mi sa n a l y z e da n d i t sv i r t u a lp r o t o t y p ei se s t a b l i s h e da n d k i n e m a t i cs i m u l a t i o na n do p t i m i z a t i o ni sc a r r i e do u t i nt h ef o u r t hc h a p t e r , t h eo v e r a l ls t a t i ca n a l y s i so fc l a m p i n gm e c h a n i s mi sp u t f o r w a r da n dt h e nf r o n tb o a r da n dm o t i o n a lb o a r di sa n a l y z e di n d i v i d u a l l y t h em o t i o n a l b o a r d ，t h el a r g e s ta n dm o s ti m p o r t a n tp a r ti sf o c u s e di nr e s e a r c ha n di t sf a t i g u ea n a l y s i s i sc a r r i e do u t ，a f t e rw h i c ht h el i f e t i m eo fm o t i o n a lb o a r di sc a l c u l a t e d i nt h ef i f t h c h a p t e r , r e l a t e dt h e o r i e s o ff e at o p o l o g i c a lo p t i m i z a t i o na n d p a r a m e t r i c a lo p t i m i z a t i o na r es t u d i e d u s i n gt o p o l o g i c a lo p t i m i z a t i o nf u n c t i o no f a n s y s ，t h ef r o n tb o a r da n dt h em o t i o n a lb o a r di sa n a l y z e di no r d e rt of m dt h e o p t i m i z e ds t r u c t u r e ；p a r a m e t r i c a lo p t i m i z a t i o ni sa l s op u tf o r w a r d t oa s c e r t a i nt h ef r o m b o a r da n dt h em o t i o n a lb o a r d sa c t u a ls t r u c t u r ed i m e n s i o n f i n a l l y , b o a r d sb e f o r ea n d a f t e ro p t i m i z a t i o na r ec o m p a r e du s i n gf e mc o m p a r a t i v ea n a l y s i sa p p r o a c h ，a n dt h e i i i 浙江大学硕士学位论文a b s t r a c t r a t i o n a l i t ya n df e a s i b i l i t yo f t h eo p t i m i z a t i o no nb o a r d s s t i u c n l r ea r ee x a m i n e d i nt h es i x t hc h a p t e r , a l lt h ew o r ko fd i s s e r t a t i o ni ss u m m a r i z e d a c h i e v e m e n t sa n d l a c ko ft h er e s e a r c ha r ea n a l y z e da n ds u g g e s t i o n sh a v eb e e nm a d e t h ef u t u r e d e v e l o p m e n ta n d r e s e a r c hw o r ka r ep r o s p e c t e d k e y w o r d s ：i n j e c t i o nm o l d i n gm a c h i n e ，c l a m p i n gm e c h a n i s m ，v i r t u a lp r o t o t y p i n g ， k i n e m a t i cs i m u l a t i o n ，f e a ，t o p o l o g i c a lo p t i m i z a t i o n ，p a r a m e t r i c a lo p t i m i z a t i o n i v 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝姿盘鲎或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：签字日期：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝鎏盘堂有权保留并向国家有关部门或机构 送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝姿盘茔可 以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：导师签名： 签字日期：年月 日 签字日期：年月日 浙江大学硕士学位论文致谢 致谢 时光荏苒，2 年半的学 - - j 时光过去了，此刻无限感慨和依恋，衷心感谢身边 的老师、同学和朋友的帮助，让我在浙大的日子充实而有意义。 首先，要向我的导师杨将新教授表示由衷地感谢，并致以崇高的敬意! 感谢 杨老师两年来在学习和生活等方面给予的无微不至的关怀! 本论文是在杨老师的 精心指导和严格要求下完成的，导师渊博精深的知识、精益求精的科研精神和言 传身教的学者风范，使我受益终生。 其次，要特别衷心感谢曹衍龙副教授对我在学习上所给予的悉心指导和帮助， 尤其从毕业论文的选题、开题、撰写等方面给了我耐心的指导和大力的支持，在 此由衷地感谢曹老师! 本论文在写作过程中，得到了郑华文博士的耐心指点和热心帮助，使得我的 科研工作得以顺利开展，在此谨表示深深的感谢! 此外还要感谢何元峰博士、张 恒博士、曹乃亮硕士、朱惊浪硕士、程实硕士、金鹭硕士、汪琛琛硕士、赵奎硕 士、管佳燕博士、李博博士、李洁冻硕士、姜胜利硕士等师兄弟在论文撰写期间 给予我的鼓励和帮助，其中凸现的深厚的友谊，令我终生难忘，受益一生。 与此同时，向百忙中抽出宝贵时间评审本论文的各位专家、学者表示深深的 谢意! 刘少玉 2 0 10 年1 月于求是园 浙n 学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 【内容提要】 本章夼绍了课题研究的背景和意义，综述了注塑机的发展概况和趋势，简要 介绍了注塑机台模机构的组成与重要性，分析了注塑机台模机构的国内外研究进 展情况，最后提出了本课题的来源与论文的主要内容。 1 1 课题研究背景 随着生物、电子、信息、制造等领域产品甘益月新的变化，材料学科也得到 了长足的发展，由于塑料具有强度高、密度小、耐磨性能优越、化学稳定性高、 减震、隔音性能优越、电气性能好等特点，并且还具备易切削、易成型、易焊接、 以及能与金属、木材、玻璃及其它材料很好的粘接的特性，从而使得以塑料代替 钢材、木材、石料等材料为一大趋势。注塑机就是将热固性或者热塑性塑料制 成各种塑料制品的成型设备，其基本结构如图1 - 1 所示。塑料制品加工中最重要 的工艺环节之一就是注塑成型，它在很大程度上反映了一个国家电子、机械，液 压等基础工业的水平。目前，我国的塑料工业还处于初级阶段，我国在注塑机的 研究和制造上与欧美国家相比还有较大差距。 动幔；具定幔板 树简料斗 ：= ? j 睦譬；l 医| 匿 圉i - l 注塑机示意图 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 合模机构是注塑机中最重要的组成部分，它的作用主要是开启和锁闭模具， 在注射和保压的阶段将模具锁紧，防止制料外溢。进行高质量的合模机构的设计， 是提高注塑机性能的基础。只有设计出令人满意的合模机构，才能增强整个注塑 机的性能，从而提高生产效率并缩小与外国的差距【2 1 。 过去注塑机合模机构主要靠测绘以及经验设计法，参照已有的合模机构的尺 寸和结构进行设计。所获得的机构参数通常不是最佳组合，也难以满足多个目标 的性能要求。这在一定程度上降低了合模机构的实际应用价值，特别是在系列化 设计中，整个系列的机器性能不能保证一致，设计水平不易提高。 近年来，随着计算机技术的发展，以有限元法为代表的数值计算方法迅速发 展起来，为力学研究开辟了新的求解途径。不管多么复杂的工程结构件，都可以 用有限元法求得满足精度要求的力学数值解，给出相应的应力和变形分布【3 训。这 也使得机械设计与制造这一古老的学科焕发出新的生机。 有限元法( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，简称f e m ) ，就是用结构力学方法求解弹性 力学问题。从6 0 年代起，我国著名数学家冯康等人就开始了这方面的研究。但 直到8 0 年代有限元法的工程化应用才逐渐在国内开始，先后出现了a n s y s 、 c o m s o l 、a b a q u s 、a d i n a 等有限元软件【5 司。目前，有限元分析软件已在国 外广泛应用于机械制造、汽车交通、核工业、石油化工、电子、土木工程、日用 家电等领域。在汽车行业，国外某著名轿车公司在设计豪华轿车时，以前需要制 造2 0 0 多辆样车才能完成汽车安全碰撞试验。但通过有限元分析软件在电脑中模 拟仿真后，有8 0 多辆样车进行试验就足够了，这样可以节约2 3 的资金和大量研 制时间。在飞机制造业，以前都需要通过做风洞试才能验检测飞机各项性能，现 在通过电脑仿真就可以实现。在日用消费品设计中，有限元仿真分析应用也很广 泛，如著名体育用品制造商耐克公司在对高级旅游鞋的受力结构设计中，就是采 用了有限元法进行分析，在保证鞋体受力均衡的情况下同时取得了鞋的最理想重 量，降低了生产成本，这也成为了体育用品的一个设计典- 汜4 4 - 【7 一。 随着现代设计水平及要求的提高，有限元分析软件有如下发展趋势：运行平 台纷纷以微机为基础；开始向c a d 渗透，让一般设计工程师也可以使用并进行 2 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 产品设计；向多物理场发展，例如结构力学、流体力学、热力学等。使用有限元 软件能满足设计师的各种设计及分析需求，达到事半功倍的效果，加上友好的用 户界面及计算结果的图形显示，有限元通用软件越来越受到工程师的青睐，使工 程应力分析与强度计算更加准确、快速【9 。o 】，成为用户的得力助手，有限元分析 的引入对于机械设计领域具有飞越性的意义。 1 2 注塑机发展概况与趋势 1 2 1 国外现状及发展趋势 注塑机于1 8 7 2 年在美国产生至今将近有1 4 0 年的历史，但其迅猛发展并在行 业被广泛采用则是近5 0 年的事情。世界上第一台往复螺杆式注塑机出现在1 9 5 6 年，这是注射成型工艺上的一项里程碑式的突破，往复螺杆式注塑机使塑料通过 经济、快速的注射成型工艺，被加工成各种塑料制品成为可能。到了2 0 世纪8 0 年代，日本日精树脂工业公司开发出了一类将往复螺杆式注塑机中的液压油缸以 伺服电机代替、来完成驱动执行机构进行注射、开合模具等动作的注塑机，这就 是全电动注塑机。由于它不需要任何液压动力装置，全电动注塑机的出现在注塑 工业中开辟了一个新的领域。 全电动注塑机虽然有其高洁净、省能源、低噪音的特点，但由于其滚珠螺杆 的耐用度不高、制造成本过高等限制，使得全电动注塑机仍无法取代全部的机种 类型 1 1 - 1 2 】。近年来，许多欧美厂商如加拿大的h u s k y 、意大利的s a n d r e t t o ， 德国d e m a g 、a r b u r g 及k r a u s s m a f f e i ，甚至日本的j s w 、s o d i c k 及 t o s h i b a ，都相继推出油电复合式( 非全电动) 注塑机。油电复合式注塑机结合 了电气及油压两种结构的特点，既具有油压结构注塑机高推力的特性，又具有全 电动注塑机定位精准及低能耗的优点。换一句话说，油电复合式注塑机不但成本 低于全电动注塑机，还能有效改善传统油压式注塑机精度不高及耗能源等问题， 而且能够大幅降低噪音及减少污染，在高速循环的多模穴薄壁成型的应用场合优 越性更加明显。销售业绩显示，具备油压及电气两种结构优点的油电复合式注塑 机正逐渐获得市场关注，不但销售比例在逐渐上升，而且在重要展会的展出比例 开始增加，已经打开了一个新局面。 3 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 目前全球注塑机的生产制造商主要有法纳克、辛辛那提米拉克郎、日精树脂 工业、东洋机械金属、奥格马、川口铁工、巴登菲尔德等，其中规模最大、运营 最成功的是法纳克公司，年产量约为2 5 0 0 台，且在全球销售的1 5 3 0 0 吨机型已 超过1 5 0 0 0 台【1 3 】。 从近年美国n p e 展中展出的注塑机品种来看，美洲、欧洲和日本参展品种均 有大幅提高，其中全电动注塑机占其总数的3 7 ，较前几年提高了1 1 ；而亚洲 除日本外大部分国家还以油压式注塑机为主，占参展数量的8 4 ，技术比较落后。 从世界各国注塑机发展趋势看，欧美的注塑机生产商以多色多组分注射的复合化 技术和油压- 9 电动组合的复合式注塑机为发展重点【1 4 1 ；而日本的注塑机生产商则 以短循环周期( 高循环速度) 及精密注射为目标，大力发展全电动注塑机。 1 2 2 国内现状及发展趋势 我国目前生产的注塑机与国际先进水平相比存在一定差距，相当一部分产品 仍处在欧美发达国家7 0 年代末的水平，例如：欧美国家多采用微机自动控制或程 序控制，注塑机都带有位移和压力传感器、模温控制器、自动上料器、机械换模 装置等；国内注塑机仍采用一、二次仪表、继电器、行程开关等进行控制，设备 体积大，功能少，速度慢，只能做简单的控制，缺乏灵活性。在进行注射压力和 速度控制时，需要使用多个压力阀，导致故障发生的可能性变大。 由于我国注塑机起步较晚，发展才刚刚开始，现在国内注塑机制造商虽然在 技术上有一定的突破，但与先进国家相比还存在很大差距，尤其是生产注塑机的 关键零部件需要从国外进口，这种情况导致制造商一方面几乎无法获得产品的利 润，另一方面也很难实现超越，在国际竞争中难以立足。事实表明，与国外的先 进技术相比，我们引进的技术往往保持着至少1 0 年的差距。我们想要迎头赶上， 就必须抢占行业的高端领域，发展高技术含量、高精度的注塑机，走自主创新、 自主研发的道路。优化我国的注塑机行业的结构，关键是要加大对基础理论研究 的投入，加强注塑机基础理论的研究，为我国从注塑机生产大国转变为注塑机生 产强国打下基础。 4 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 1 3 注塑机合模机构概述 1 3 1 合模机构的组成 合模机构是注塑机中最重要的组成部分，它的作用主要是开启和锁闭模具， 在注射和保压的阶段将模具锁紧，防止制料外溢。注塑机通常有三种合模方式【1 5 1 ： 液压式、机械式、液压机械复合式。目前国内常见的热塑性注塑机一般采用液压 机械复合式合模机构。液压机械复合式合模机构是以合模油缸的往复运动推动肘 杆机构形成移模运动、同时合模油缸推力通过肘杆机构力的放大比作用实现模具 的锁紧。 一个典型的合模机构如图1 2 所示。合模机构的关键组成部件通常是三块模板 即前模板( 也叫定模板、头板) 、动模板( 也叫二板) 和后模板( 尾板) ；肘杆机 构；拉杆和拉杆螺母；顶出机构等。 广 l 图1 - 2 注塑机合模机构 1 3 2 合模机构设计的重要性 在进行塑料制品加工时，合模机构各个部件都会受到循环应力作用，因此， 合模机构失效的主要形式之一是金属的疲劳破坏。注塑机合模机构最重要的零件 是三块模板，注塑机成本中占比重最大的是模板成本，模板一旦破坏注塑机就得 停工检修。模板的材料可以采用铸钢、韧性铁或者低碳钢，但生产厂家从性价比 考虑，通常采用球墨铸铁来代替以上材料铸造模板。曲肘式注塑机合模机构模板 s 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 容易出现裂纹，主要是由于模板靠系统的弹性变形来产生锁模力时，局部区域应 力集中的结果。 长期以来，我国注塑机生产企业在设计合模机构时，主要是依靠经验，缺乏 科学依据，具有较大的盲目性；不但计算模型粗糙，而且生产成本很高，难以保 证质量；在肘杆机构的设计中，也往往是采用类比法，基于经验在己有的合模机 构基础上进行类比设计。这种情况下，机构的各种参数显然很难达到最佳值，机 构的性能要求也难以满足，这在很大程度上降低了合模机构的实用价值【l6 1 。在系 列化设计中，也不能保证同系列的产品具有一致的性能。在实际生产中，模板会 经常发生应力集中导致不同程度的断裂问题，整个机构的运动性能参数也不能达 到设计要求。事实上，设计不当的机器生产出来后，为纠正设计缺陷所花费的成 本是非常高的。 1 3 3 国内外合模机构的研究现状 目前，国内注塑机普遍使用的是曲肘式合模机构，此种机构具有锁模速度分 布合理、锁模刚度大、造价低廉和节能等特点。但是曲肘式合模机构的设计复杂， 如果靠采用传统的作图法以及近似公式来试凑，不但难以获得好的性能而且工作 量大。在实际生产过程中，合模机构常常会发生模板发生不同程度的疲劳破裂、 移模行程不理想、移模不顺畅、移模过程中存在冲击等问题。 冯良为【1 7 】利用解析法对双曲肘注塑机合模机构进行了力学特性和运动分析， 推导出了模板行程、速度、加速度、力的放大比等计算公式，为注塑机合模机构 的合理设计、优化设计数学建模提供了理论依据。但该文的公式都采用手工计算， 并且缺乏实例的验证，所以其实际应用价值还有待考证。樊冰峰【1 8 1 开发了一套注 塑机模板设计的有限元处理程序，其前处理程序被证明能基本建立有限元模型， 后处理程序则可实现网格、节点和位移的图像显示以及主应力的计算。通过对模 板进行优化设计，得出在在重量相等的情况下，箱式模板比带筋模板具有更大的 刚度与强度的结论。但该文程序简单，结果误差比较大，也没有分析出筋的分布 形式及尺寸对结果的影响。丁玉梅【1 9 1 运用有限元法分析了筋的结构对模板受力变 形的影响，提出采用带框米字筋或交叉筋的模板是较为合理的，并提出板高与板 6 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 厚之比最好相同的建议。但是，由于没有前处理软件，过程中采用手工准备数据、 分也不够理想，导致计算的精度不够高，处理过程也有待于验证，而且只分析了 几种形式的模板，她得出的结论并不具有普遍意义。应济【2 0 】等人采用有限元法对 注塑机模板进网格划行了应力分析，所需数据全部用前处理软件生成，计算结果 由后处理软件进行处理，并通过实验，用实测数据证明了分析的准确性。而且该 文还提供了一种后处理软件的开发方法。李竞2 他3 1 等运用有限元分析软件a n s y s 对后模板进行研究，其研究结果有：提出模板变形较大区域通常在承载区，由于 模板拉杆孔周围局部应力较大而且分布不均匀，导致了合模精度及制品质量不高； 提出在模板结构的设计中对承载区域进行改进，为避免受力集中，模板背部槽孔 应该进行合理设计。另外，在还对模板进行了拓扑优化，给出了筋板材料的分布， 为模板结构的优化提供了依据。但是其优化和分析仅仅是针对某一型号的后模板， 没有实现模板的系列化设计，所以也不具有普遍意义。丁永红、徐敬一【2 4 】提出将 模板简化成两端固定普通梁的假设，并采用回归分析法及有限元法建立了注塑机 前模板、后模板的计算模型。通过进行计算某公司注塑机模板，得出了大型注塑 机的模板实际厚度大于计算结果的结论，于是指出大型注塑机模板厚度还可以减 薄。但是他们的研究没有考虑到注塑机模板结构的复杂性，特别是忽略了模板具 有加强筋结构，总的说来，其工程实用价值及公式准确度还有待进一步考查。于 彦江、尤文林【2 5 】等通过p r o e m e c h a n i s m 和m a t h c a d 软件对整个合模机构进行了 优化设计，并在优化设计的基础上进行了运动学仿真分析，指出数据优化的结果 有时候并不能起到实际的效果，必须要通过仿真实验，才能得到最优设计方案。 o s s w a l d 2 6 】等在其编著的注射成型手册中指出，如果零件被重复加载，只要有 承受静载荷时的1 4 大小的应力就可以破坏材料，因此要以疲劳强度作为确定设计 应力的基准；前模板的挠度及极限应力主要取决于模具的尺寸大小，考虑模板的 极限应力时对应小型模具，大型模具则需考虑模板的极限挠度；在设计模板厚度 时，要限制在最大模具的边角和机器中心线之间的最大相对挠度，增大模板耐压 能力；前模板一旦加载锁模力，就会发生围绕模具成弧状变形和曲挠变形，产生 一种凹球形表面，使用有限元法对其进行分析可以精确的得到挠度值的大小。可 7 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 见在国外，用有限元法对模板进行分析，并在分析的基础上进行合理的结构设计 也是非常普遍的事情。 目前，国内能将有限元分析及计算机辅助设计应用到注塑机的实际生产中的 生产厂家并不多见，从文献 2 7 - 3 0 1 可知，我国注塑机的技术及制造水平与欧美国家 相比，差距还比较大，因此，有必要在计算机辅助设计和分析方面做进一步的研 究。 1 4 课题来源及论文研究主要内容 1 4 1 课题来源 浙江博创机械有限公司是一家初具规模和创新活力的注塑机械与设备综合服 务商，主要从事高精密注塑设备技术与产品领域的研发和生产，目前其为客户所生 产的2 6 0 吨注塑机在设计方面以传统方法为主，主要凭借设计人员的直觉与经验在 2 2 0 吨的基础上进行设计，致使所生产的产品相对比较笨重，结构不够合理，移模 行程不够理想，导致部分模板在工作中产生了裂纹，影响了产品质量，并给公司 造成较大的经济损失。为改变这一状况，本课题结合博创公司的实际需求，研究 了注塑机合模机构的设计，提出满足客户需求的合理的注塑机合模机构设计过程 模型，利用有限元方法对原有b t 2 6 0 v - i i 注塑机合模机构进行了运动性能及强度、 刚度、疲劳寿命等方面的分析，并在此基础上进行了运动优化及结构优化设计， 以达到提高产品质量、降低生产成本的目的。 1 4 2 论文研究主要内容 本文结合国家自然科学基金资助项目“复杂机电产品质量特性多尺度耦合理 论与预防性控制技术”( 5 0 8 3 5 0 0 8 ) ，根据浙江博创公司实际需求，针对曲肘式注 塑机合模机构开展研究，基于有限元方法实现了注塑机合模机构的仿真分析与优 化设计。论文各章节主要内容如下： 第一章：阐述了论文的研究背景，介绍了国内外注塑机的发展概况和趋势， 分析了合模机构的组成及国内外研究现状，介绍了课题的来源、主要研究内容及 章节安排。 第二章：研究了产品客户化设计方法，分析了产品客户化设计的模式，在此 r 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 基础上，提出了注塑机合模机构的设计过程模型，并对设计流程步骤进行了详细 的分析。 第三章：应用t o p d o w n 建模方法建立了注塑机合模机构骨架模型，构建了 合模机构三维模型，在此基础上建立了合模机构的虚拟样机。对合模机构进行了 运动学理论与仿真分析，在分析的基础上进行了合模机构优化设计。 第四章：首先应用有限元分析软件a n s y s 进行了合模机构总体静态分析，再 对重要零件前模板和动模板进行单独分析，找出受应力与变形最大的零件动模板。 在分析的基础上，对动模板进行了疲劳分析。 第五章：分析了有限元拓扑优化与参数优化方法。利用a n s y s 的拓扑优化功 能对前模板和动模板进行优化分析，寻找模板的最优结构形式；并通过参数优化， 确定前模板的实际结构尺寸值。最后对优化前后的模板进行了有限元对比分析， 检验了优化模板结构的合理性和可用性。 第六章研究：对论文进行总结，分析了课题的主要工作及研究内容，对未来 发展及研究工作进行了展望。 1 5 本章小结 提出了课题研究的背景和课题意义，讨论了国内外注塑机的发展概况和趋势， 分析了注塑机合模机构的组与国内外的研究进展情况，提出了本课题的来源并介 绍了论文的主要内容和章节安排。 浙江大学硕士学位论文第二章注塑机合模机构设计过程模型 第二章注塑机合模机构设计过程模型 【内容提要】 分析了产品客户化设计的基本方法和理论。在此基础上，提出了注塑机合模 机构的设计过程模型，并对设计步骤进行了详细分析。 2 1 前言 现阶段，国内各大注塑机生产厂家生产的注塑机整机都是根据客户需求和技 术参数进行配置，由各公司自行开发设计，属于个性化小批量生产。目前注塑机 合模机构在设计方面仍以传统方法为主，主要凭借设计人员的直觉与经验在原有 注塑机合模机构的基础上进行设计，致使所设计的产品往往存在相对笨重、结构 不够合理、移模行程不够理想、移模运动不顺畅等问题，影响了产品质量，并增 加了公司的生产成本。 产品设计是在满足各种设计约束条件和需求后的创造性工作，由一系列设计 活动来具体体现3 1 1 。随着计算机技术的高速发展，先进辅助设计手段的出现，给 产品设计的发展与研究提供了契机，同时也带来了挑战。本章主要进行注塑机合 模机构设计过程研究。 2 2 产品客户化设计 一个产品的设计过程，主要由该产品的参数的演变与产品结构的选择来反映。 由于客户需求以及设计者的习惯不同，产品参数以及结构往往是不同的。将反映 客户及设计者意图的参数及产品结构作为独立参数和结构，通过产品特性( 关联 关系) ，可以导出其与中间层参数以及下层从属参数之间的演变关系，其过程如图 2 - 1 所示。其中，产品中参数和产品结构问的相互关系表示为约束，关联关系是 单向的，约束是双向的。 为了满足客户的个性化需求，在产品原有型号的基础上产生新的满足客户需 求的设计方案，这种产品客户化设计现在越来越受到设计人员的重视。一般情况 下，产品客户化设计通常是对原有产品模型的产品结构、参数和系数等对象进行 变异或者再设计，从而得到新的产品【3 2 1 。产品客户化设计一般有4 种模式，具体 1 0 浙江大学硕士学位论文第二章注望机合模机构设计过程模型 如图2 - 2 所示。 独立的参数，结构 关联关系 中间层参数 关联关系 下层从属参数 约束关系 图2 - 1 设计过程中设计参数及结构的演变 图2 - 2 产品客户化设计模式图 1 1 浙江大学硕士学位论文第二章注望机合模机构设计过程模型 ( 1 ) 模式1 变异或再设计是基于现有的成功的产品模型实例，对这些实例 直接进行相关约束的检查和设计能力的校核，如果通过，则可作为新的设计方案； 如果没有通过校核，可以按一定比例扩大产品模型实例范围，最终得到满意的方 案。需要注意的是，为了继承成功产品模型实例的优势，所选的实例需要按照与 客户需求的匹配度进行排序，并按次序进行相应的检测和校核。 ( 2 ) 模式2 在进行变异或再设计前，没有相关成功产品模型实例可供参考， 只能根据客户需求，自行设计产品相关参数、系数和产品结构，使其在一定范围 内进行变化。在进行相关约束检查和设计能力校核后，可以得到若干基于产品特 性的变异后的群体。这种情况下，得到的参数和系数可能是连续或离散的，为了 获得最优的设计参数，应该尽量选用随机变异方法，如果没有得到满意方案，可 以增加变异的次数再次进行随机变异。 ( 3 ) 模式3 变异或再设计从那些没能够通过相关约束检测的实例模型开 始。根据没有通过检测的约束表达式，可以得到新的参数及变化趋势。当有多个 约束检测不能通过的时候，进行再设计的产品参数、系数的选择将更加明了，但 变化范围也有可能会发生冲突。 ( 4 ) 模式4 变异或再设计是从那些已经通过了约束检测但是没有通过设计 能力校核的产品实例开始。将没能通过设计能力校核的失败实例依次进行排序， 通过再设计规则，可以得出需要进行变异的参数、系数及其变化规律。 从图2 - 2 我们可以看出，影响再设计结果主要有以下几个因素： 产品模型的差异； 选择的设计实例差异； 不同的变异或再设计模式； 参数、系数和产品结构设计的不同； 对没能通过校核的失败实例的不同排序； 以上5 点因素的不同组合也会影响再设计的结果。 浙江大学硕士学位论文第二章注塑机合模机构设计过程模型 2 3 基于产品客户化的注塑机合模机构设计 2 3 1 基于产品客户化的注塑机合模机构设计过程模型 为满足客户需求，在产品客户化设计方法的基础上，提出了注塑机合模机构 设计过程模型如图2 - 3 所示： 图2 - 3 注塑机合模机构设计过程模型 注塑机合模机构客户化设计的主要步骤及说明如下： 1 、用户需求的输入。 产品不同，则甩户需求的描述也不同。对于注塑机合模机构，本文对用户需 求提出两级描述方法：第l 级是产品类型，产品类型不同，用户的需求描述内容 自然不同；第2 级是工程项目，工程项目不同，需求的输入数据也不同。 2 、功能确定。 浙江大学硕士学位论文第二章注塑机合模机构设计过程模型 根据设计任务的需求，确定合模机构基本功能，分析整个注塑机的工作原理 及合模机构合模的相关工艺过程，同时确定机构的运动循环图。 3 、合模机构的选择、参数的变异或再设计。 从合模机构的类型库、分析库中进行产品实例搜索。根据用户需求确定产品 实例，在确定实例的基础上进行变异或再设计。所选合模机构应该具有如下特性： 1 ) 能够满足或接近满足客户的需求；2 ) 能够近似满足相应的基本功能；3 ) 具有 相应的产品结构；4 ) 产品结构参数应该具有定义域范围；5 ) 所选合模机构中参 数具有相关约束。 4 、合模机构方案评价。 从强度、刚度、疲劳、运动性能等多方面进行评价。评价手段采用目前最流 行的有限元方法对机构进行模拟仿真。 5 、优化设计。 根据评价结果，在原本的设计方案中选定薄弱环节，经过优化设计，产生优 化的方案。优化的对象通常是产品参数、系数及产品结构。 6 、约束检查。 约束指的是参数、结构之间的关系。约束类型通常包括尺寸约束、结构约束、 制造约束等。本文在注塑机合模机构设计中，采用有限元技术进行分析验证。 7 、设计能力校核。 机械产品设计的评价准则可用层次化结构3 3 】进行描述。这种结构包括评价 项、评价内容、评价等级和性能等校核指标。通过与设计能力校核指标进行对比， 可以对设计方案的各种设计能力进行评价。 8 、再设计决策。 再设计的核心是再设计规则，规则包括条件部分和结论部分。条件部分由评 价因素和评价结果组成；结论部分由优化参数、修改方向和规则权重组成。如果 设计校核没有通过，就会触发一些变异再设计规则3 4 1 。通过触发的再设计规则及 权重可以对变异对象进行选择。 通过以上设计过程模型，将会产生新的优化设计方案。将新方案中参数、系 1 4 浙江大学硕士学位论文第二章注塑机合模机构设计过程模型 数值的集合集成到c a d 中，使新产品具有新的参数；在进行产品的c a d 造型 时，要确定可能需要变异或再设计的参数；成功实例的变化参数、系数值将被传 送到c a d 环境中，可以对新的几何模型进行分析和观察，同时还可以检查机构 是否发生干涉。 2 3 2b t 2 6 0 v - i i 注塑机合模机构的设计 根据浙江博创公司的实际需要，本文以其新开发的产品b t 2 6 0 v - i i 注塑机合 模机构设计过程进行研究。b t 2 6 0 v - i i 注塑机合模机构的主要功能与参数，是根 据客户需求由浙江博创公司与客户协商确定的，如表2 - 1 所示，其数值的大小是 在原有机型b t 2 2 0 v 合模机构参数的基础上依据经验确定的。 表2 - 1 合模机构基本参数 技术参数项目单位主要技术参数 锁模结构形式采用头板有四个锁模结构的三板机 合模行程 m m 苎2 0 锁模力 k n2 6 0 模板尺寸 ( 水平垂直) m m8 3 5 x 8 4 5 锁 拉杆间距 模 ( 水平垂直) m m 6 7 0 x 6 7 0 系 容模量 统 ( 最小一最大) n 蚰1 5 0 2 8 0 模具装夹方式按照博创公司标准布置的螺钉孔及t 型槽 模具定位方式定位环及定位销 动定模冷却水组及流量 动定模各两组，2 进2 出，总流量为2 4 l r a i n 动定模吹气功能动定模各一组，风量加大 1 、斜排式快速移模油缸：2 、高速锁定与解锁装置； 主要功能配置 3 、低压模保装置；4 、强化处理动模板移动耐磨钢带； 5 、自动集中润滑系统。 顶出布置方式2 0 孔圆形排列加矩形排列的复合顶出系统 浙江大学硕士学位论文第二章注塑机合模机构设计过程模型 顶顶出行程 1 1 1 m2 2 0 出顶出杆数量 1 6 系 顶出力 k n6 5 统 主要功能配置 1 、液压顶出方式；2 、顶出力设定及保护装置 作为注塑机中最重要的部件之一，合模机构通常需要具有如下特点：启闭摸 时运动要流畅、平稳、高速；具有足够的合模行程和装模空间；合模部件具有足 够的强度和刚度；能够达到额定锁模力的要求，能可靠的锁紧模具。本文主要对 合模机构的运动、行程、强度及刚度等方面进行分析与优化。 依据2 3 1 节给出设计过程模型，本文在上述参数的基础上，首先对注塑机合 模机构进行三维建模，然后建立注塑机合模机构的虚拟样机，基于虚拟样机技术 对注塑机合模机构进行运动性能仿真分析，并进行优化设计( 第三章) ；其次对注 塑机合模机构进行强度、刚度与疲劳寿命的校核( 第四章) ；最后从降低生产成本 出发，在保证合模机构的强度和刚度前提下，对合模机构模板进行优化设计( 第 五章) 。 2 4 本章小结 本章介绍了产品客户化设计方法，分析了产品客户化设计的四种模式，在此 基础上，给出了基于产品客户化设计方法的注塑机合模机构设计过程模型，并对 设计流程步骤进行了详细的分析。最后结合博创公司实际情况，对b t 2 6 0 v - i i 注 塑机合模机构设计进行了分析。 1 6 浙江大学硕士学位论文第三章基于虚拟样机的注塑机合模机构运动仿真及优化设计 第三章基于虚拟样机的注塑机合模机构运动仿真及优化设计 【内容提要】 应用t o p d o w n 建模方法建立了注塑机合模机构骨架模型，构建了合模机构 三维模型，为之后的有限元分析和优化设计提供数字化模型的支持。建立了合模 机构的虚拟样机，对合模机构进行了运动学理论与仿真分析，基于分析结果实现 了合模机构的优化设计。 3 1 前言 注塑机合模机构的运动学性能一直是注塑机设计研究工作的重点内容。对于 曲肘式注塑机，尽管其运动学正解相对于反解要容易计算，但这项工作通常也需 要进行大量的复杂矩阵运算，工作量大而且易出错。近年来随着虚拟样机技术的 发展，使得快速、便捷的分析系统的动态特性成为可能，而且虚拟样机技术具有 结果准确、成本低的优点。因此，运用虚拟样机技术建立比较完备的合模机构动 力学仿真模型，对于准确分析影响注塑机性能因素具有重要意义。 本章首先基于t o p d o w n 建模方法建立了初始设计的b t 2 6 0 v - i i 一屯注塑机合 模机构的三维模型，在此基础上建立了b t 2 6 0 v - i i 注塑机合模机构虚拟样机；然 后应用此虚拟样机进行了运动学仿真研究，并在仿真结果上进行了优化设计。 3 2 注塑机合模机构三维模型建立 3 2 1 基于t o p d o w n 方法的注塑机合模机构建模 1t o p d o w n 建模方法 机械产品建模主要有两种方式：一种是按