注塑機驅動系統不同聯接方式的響應研究

宋春華

（西華大學機械工程與自動化學院，四川 成都610039）

注塑機驅動系統不同聯接方式的響應研究

宋春華

（西華大學機械工程與自動化學院，四川 成都610039）

針對高速度、高精度和低噪聲之間的矛盾，提出了對注塑機伺服電機和變量泵聯接方式的結構改進設計。用當量扭振系統的理論對兩質量和三質量系統進行了分析，對扭振系統進行了仿真并進行了運行實驗。結果表明，電機和泵同軸的兩質量系統有利于提高響應速度。

注塑機；伺服電機；變量泵；響應

0 前言

隨著精密注塑行業的不斷發展，對注塑機驅動系統響應的要求也越來越高[1－4]。注塑機驅動系統目前存在著高速、高精度和低噪聲之間的矛盾[3－5]，國內外許多專家和研究機構都在降低噪聲和提高響應方面做了很多的研究[6－9]。本文致力于降低電動機、泵整體裝置運行時的噪聲，提高響應速度，并盡量降低成本，為注塑機驅動系統高速度和高精度研究開辟一種新的方法和途徑。

1 注塑機驅動系統結構改造

原來的注塑機驅動系統是電機加泵和聯軸器構成的三質量系統，本文采用伺服電機和變量柱塞泵聯接的注塑機驅動系統。將電機軸與變量柱塞泵的軸做為一體，減少中間聯接環節，但仍要保證油泵內必要的油封，對電動機的端蓋進行加厚并對應泵體的安裝孔對電動機端蓋進行改造，使之能與泵體匹配。其示意圖如圖1所示。

圖1 電動機和泵的裝配示意圖Fig.1 Assembly drawing of motor and pump

2 雙質量系統和三質量系統的仿真

2.1 雙質量系統仿真

對無聯軸器時系統電動機轉子施加外力矩，油缸體端自由地有阻尼受迫扭轉振動，根據力矩平衡方程，可得：

式中 φ4——雙質量系統中電動機轉子右端面處的角位移

φ5——油缸體左側小臺面的角位移

T——干擾力矩

K3——等效剛度

J4、J5——雙質量系統2部分的等效轉動慣量

f1′——無聯軸器系統電動機轉子處的固體摩擦力矩

f2′——無聯軸器系統中油缸體組件處的固體摩擦力矩

在Simulink模型窗口中建立雙質量扭轉振動系統的有阻尼受迫振動仿真模型[10]，設置T為持續時間設為0.5s、終值為4N·m的階躍信號。對等效質量處的阻尼系數按照阻尼力矩與等效質量的角速度成正比關系來定一種阻尼系數c，當無聯軸器的軸段阻尼系數c4，5取1.136時，在Matlab命令窗口中編輯function函數 。針對此模型進行仿真得到（φ4－φ5）和的結果，從仿真結果可以看出根據阻尼系數c4，5＝1.136建立的模型的仿真過程中，響應期間（φ4－φ5）的值最大時為8.8337×10－5rad；可觀察到響應期間，（φ4－φ5）變化的周期大約為0.97×10－3s。

2.2 三質量系統仿真

同理可以得到三質量系統的仿真。有聯軸器時J2、J3之間的軸段阻尼系數c2，3取1，考慮軸段剛度不同，取J1、J2之間的軸段阻尼系數c1，2為4.583。根據阻尼系數c1，2＝4.583，c2，3＝1建立的模型的仿真，系統仿真結果為：（φ2－φ3）的值最大時為9.3198×10－5rad；響應期間的值經過一段正負變化后很快趨于零并最終為零，變化期間，其最大正值為0.0646rad/s，負值的絕對值最大為0.0334rad/s；響應期間的最大正值為0.2673rad/s，負值的最大絕對值為0.1924rad/s，可見聯軸器以及油缸體處有一定的速度沖擊。可觀察到在響應期間，（φ2－φ3）變化的周期近似為1.2×10－3s。

3 雙質量和三質量系統的壓力響應實驗

3.1 速度階躍響應實驗

壓力為10MPa時速度從0階躍到1000r/min的雙質量系統和三質量系統的響應曲線如圖2所示。

從圖2可得2種聯接方式的速度響應指標（表1）。從圖2的特性曲線和表1可以看出，不同的聯接方式對系統的速度響應特性有很大的影響，電機與泵同軸的雙質量系統無論是上升時間、調整時間還是超調量都要明顯好于齒形聯軸器聯接的三質量系統。

圖2 雙質量系統和三質量系統的速度階躍響應Fig.2 Step response of speed on dual and three－mass system

3.2 壓力階躍響應實驗

圖3是轉速為1000r/min，壓力從0階躍到10MPa時，沒有加節能控制方法時的壓力階躍響應曲線。從圖3可以得到2種聯接方式的壓力響應指標（如表2）。

從圖3的特性曲線和表2中可以看出，不同的聯接方式對系統的壓力響應特性有很大的影響：（1）在相同條件下，雙質量系統比三質量系統的波形毛刺少些，壓力響應圖明顯要好些；（2）雙質量系統無論是上升時間、調整時間還是超調量都要明顯好于三質量系統。

圖3 雙質量系統和三質量系統的壓力階躍響應Fig.3 Step response of pressure on dual and three－mass system

表1 2種質量系統的速度響應指標Tab.1 Target of speed response on dual and three－mass system

表2 轉速為1000r/min時2種質量系統的壓力響應指標Tab.2 Target of pressure response on dual and three－mass system

從表3看出，雙質量系統角位移差（φ4－φ5）的最大值和穩定值比三質量系統角位移差（φ2－φ3）的小，從而說明雙質量系統比三質量系統的振動幅度小，振動微弱。雙質量系統的角速度差穩定時間比三質量系統的角速度差和的穩定時間短，說明雙質量系統的振動時間比三質量系統的振動時間短，所以雙質量系統的響應比三質量系統的響應快。

表3 三質量系統和雙質量系統的角位移差和角速度差Tab.3 Angular displacement and angular velocity difference of dual and three－mass system

從以上的速度階躍響應和壓力階躍響應可以看出，三質量系統響應時間比較長，這與仿真分析的結果相一致。分析其原因，驅動系統的響應受到聯軸器中存在的間隙，裝配偏差以及聯軸器柱銷松動等因素的影響。

實驗測試三質量系統與雙質量系統的上升時間差值比較接近，說明本文測試誤差考慮不夠周全，但速度響應調整時間明顯雙質量系統比三質量系統好，說明本文的實驗是可行的。齒形聯軸器的加工精度不同或者不同品牌的聯軸器，因為其配合誤差不同和同軸度誤差等原因，對三質量系統的影響比較明顯，而雙質量系統因為沒有聯軸器，所以影響不大，這也是雙質量系統的優點之一。而在三質量系統中由于聯軸器選擇的不同會因為裝配偏差和精度等因素的影響而出現精度高、誤差小的聯軸器聯接的三質量系統響應時間快。

在工程應用中，與三質量系統相比，雙質量系統因為少了一個元件而可靠性更高一些，特別是在注塑機系統里，可以進一步提高響應速度，滿足注塑行業高速注塑的要求，為制造出更高質量的手機外殼等產品提供了可能，在一定程度上促進了高速、高精度注塑行業的發展。

4 結論

（1）通過仿真，雙質量系統的扭振動性能要優于三質量系統的性能；

（2）通過實驗研究發現雙質量系統的速度響應和壓力響應都比三質量系統的好，實驗和理論相符合，將三質量系統的驅動系統改成雙質量的驅動系統是有效的。

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Response Research on Drive Systems of Plastic Injection Molding Machines with Different Joint Ways

SONG Chunhua
（School of Mechanical Engineering and Automation，Xihua University，Chengdu 610039，China）

The system response was determined by the joint way between servo motor and variable pump.In order to achieve a compromise among high speed，high precision，and low noise，a new joint way of the motor and variable pump was proposed.Dual－mass and three－mass systems were analyzed by theory of torsion vibration system.The torsion vibration characteristic was simulated and the experiment was carried out.It was found that the dual－mass system had better response.

injection molding machine；servo motor；variable pump；response

TQ320.66＋2

B

1001－9278（2011）11－0094－04

2011－06－14

西華大學人才引進項目（Z1020211）；四川省科技廳項目（2010JY0117）

聯系人，sch217628＠163.com