黎秀郁

(珠海格力智能裝備有限公司，廣東 珠海 519015)

合模伺服電機(jī)的選擇是肘桿式全電動注塑機(jī)設(shè)計工作中的一項重要工作，合適的伺服電機(jī)對設(shè)備成本的合理性、設(shè)備效能的發(fā)揮有重要意義，評估合模伺服電機(jī)額定功率傳統(tǒng)做法有兩種：

（1）依據(jù)經(jīng)驗規(guī)劃出工作周期內(nèi)電機(jī)輸出功率與時間的關(guān)系圖，依據(jù)由關(guān)系圖計算出的額定功率來選擇電機(jī)，此種方法嚴(yán)重依賴經(jīng)驗，結(jié)果準(zhǔn)確度不高，往往需要根據(jù)實測數(shù)據(jù)調(diào)整電機(jī)選型。

（2）以計算的伺服電機(jī)最大出力矩乘以最大速度為瞬時最大功率，然后除以過載系數(shù)作為選擇電機(jī)的參考額定功率；以電機(jī)的額定功率接近參考額定功率為依據(jù)選擇伺服電機(jī)。過載系數(shù)是個經(jīng)驗值，尤其未考慮工作周期，選出的電機(jī)往往滿足不了工作周期短的工況需求。

本文介紹一種確定伺服電機(jī)額定功率的數(shù)值計算方法，忽略電機(jī)停歇對額定功率的影響，利用伺服電機(jī)在形變區(qū)的輸出功率與行程的關(guān)系來計算額定功率，計算的額定功率有隨十字頭行程增大而減小的特點，依此可得出適用的額定功率

范圍，從而在可選的電機(jī)型號中準(zhǔn)確地選出經(jīng)濟(jì)的、適用的電機(jī)。用實例驗證了方法的可行性。

1 注塑機(jī)工藝特點

注塑機(jī)工作是幾個成型步驟按次序周而復(fù)始的過程，一個工作循環(huán)從合模算起，依次為注射、保壓、塑化、冷卻、開模、頂出產(chǎn)品、合模。

把制品取出來，動模板需移開一定的距離，如圖1所示。為了有更高的生產(chǎn)率，動模板移開的距離恰好滿足取出產(chǎn)品即可。

圖1 動模板行程

2 肘桿式合模機(jī)構(gòu)工作特點

圖2是五點肘桿式合模機(jī)構(gòu)的運(yùn)動簡圖，是共用一連架桿的兩個偏置搖桿滑塊機(jī)構(gòu)的串聯(lián)機(jī)構(gòu)，其中一個滑塊D（十字頭）通過驅(qū)動連架桿進(jìn)而驅(qū)動另一個滑塊B（動模板），當(dāng)滑塊D勻速運(yùn)動時，滑塊B是“慢—快—慢”運(yùn)動，滑塊B的速度可以遠(yuǎn)小于滑塊D的速度。

圖2 五點肘桿式合模機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖

全電動注塑機(jī)的肘桿式合模機(jī)構(gòu)是把電能轉(zhuǎn)換為形變能的機(jī)構(gòu)，對一確定的合模力，機(jī)構(gòu)的變形是確定的；在形變區(qū)，十字頭的受力與十字頭的位置是一一對應(yīng)的。從模具接觸至合模力變到最大，形變能隨時間變大。忽略非形變區(qū)十字頭的受力，在合模過程中，機(jī)構(gòu)形變在模具剛接觸時開始發(fā)生，在合模結(jié)束時形變達(dá)最大，此形變力即是合模力，形變力為阻力，伺服電機(jī)克服形變力做功。在開模過程中，在機(jī)構(gòu)形變區(qū)的自鎖行程段，伺服電機(jī)克服形變力的摩擦力矩做功；在機(jī)構(gòu)形變區(qū)的非自鎖行程段，形變力為驅(qū)動力，伺服電機(jī)抵抗形變力做功。

研究表明，伺服電機(jī)在機(jī)構(gòu)形變區(qū)做的功在工作周期所做功中占主導(dǎo)地位。

3 伺服電機(jī)額定功率確定

伺服電機(jī)的額定功率是周期中輸出功率的均方根值，用（1）式計算。

其中：Pi是ti時間段電機(jī)的輸出功率，t是電機(jī)工作周期時間。

根據(jù)注塑機(jī)工藝特點及肘桿式合模機(jī)構(gòu)的工作特點，對肘桿式全電動注塑機(jī)合模機(jī)構(gòu)，作下1～4點處理后，合模電機(jī)的額定功率可用關(guān)于行程的輸出功率均方根值表示，用(2)式計算，計算形變及行程見文獻(xiàn)[1]，計算受力見文獻(xiàn)[2]。

（1）僅以開模與合模兩個過程來考量電機(jī)的額定功率；

（2）在機(jī)構(gòu)沒形變時，十字頭在運(yùn)動方向上的受力以零計算；

（3）十字頭速度以勻速計算，開模及合模的速度大小相同；

（4）利用十字頭速度、十字頭行程、十字頭在形變區(qū)的受力來計算伺服電機(jī)的額定功率；

（5）把形變區(qū)行程分為充分小的n等分，每區(qū)間的受力以區(qū)間首點位置受力及末點位置受力的平均值代替。

其中：F1為在合模時機(jī)構(gòu)發(fā)生形變（忽略模具和模板形變）過程時十字頭在運(yùn)動方向上的受力；

S1為在合模時機(jī)構(gòu)發(fā)生形變過程時的十字頭行程；

F2為在開模時機(jī)構(gòu)形變力為阻力時（自鎖段）十字頭在運(yùn)動方向上的受力；

S2為在開模時機(jī)構(gòu)形變力為阻力時（自鎖段）的十字頭行程；

F3為在開模時機(jī)構(gòu)形變力為驅(qū)動力時（非自鎖段）十字頭在運(yùn)動方向上的受力；

S3為在開模時機(jī)構(gòu)形變力為驅(qū)動力時（非自鎖段）的十字頭行程；

S'為開、合模時十字頭的行程；

μ為修正系數(shù)，取1.2；

η為伺服電機(jī)至十字頭間的動力傳遞系統(tǒng)的總效率。

由（2）式可知，與額定功率計算值有關(guān)的因素有：十字頭受力F(合模力)，開、合模速度V，開、合模行程S'。改變?nèi)魏我粋€因素值就可以得到不同的電機(jī)額定功率參考值，無需考慮實際的電機(jī)工作過程。十字頭受力F越大（合模力越大），額定功率計算值越大；開、合模速度V越大，額定功率計算值越大；開、合模行程S'越大，額定功率計算值越小。

在條件：合模力最大，開、合模的速度最大，僅是有形變的開、合模的行程，額定功率的計算值最大，作為額定功率上限參考值。

在條件：合模力最大，開、合模的速度最大，行程是最小容模量模具的常用開模行程（取最小容模量的1/3，因為一般地，模具在動模板上的厚度是定模板上的厚度的2倍。）對應(yīng)的十字頭行程，額定功率的計算值為基本值，作為額定功率下限參考值。

電機(jī)額定功率滿足式子：額定功率下限參考值≤電機(jī)額定功率≤額定功率上限參考值，這些電機(jī)都是滿足工況需求的。合模伺服電機(jī)在注射、保壓、塑化、冷卻、頂出產(chǎn)品等步驟時是處于停歇狀態(tài)的，如果考慮停歇時間的影響，（2）式的分母會更大，額定功率的計算值也就會更小；又用最大合模力及三分之一最小容模的開模行程的工況很少出現(xiàn)。因此，計算結(jié)果是安全的。

4 方法驗證

某公司機(jī)型GE100A合模機(jī)構(gòu)，伺服電機(jī)至十字頭是“同步帶傳動+滾珠絲桿”傳動系統(tǒng)，總效率取0.89；合模機(jī)構(gòu)系統(tǒng)剛度1 170 729.83 N/mm；見圖2，L1=240 mm，L2=285 mm，L3=93.94 mm，L4=81 mm，L5=160.08 mm，h1=50 mm，h2=135 mm，dD=dC=30 mm，dA=dB=dO=55 mm；十字頭最大速度為600 mm/s，最大合模力100 T，最小容模量是150 mm。實際用菲仕伺服電機(jī)U31007A.15，功率是8.2 kW。用本方法計算的最大額定功率是16.05 kW，基本額定功率是8.60 kW，與實際接近，說明方法可靠。計算步驟及關(guān)鍵結(jié)果數(shù)值如下：

（1）計算100 T合模力下的系統(tǒng)形變量△L?！鱈=0.854 2 mm

（2）計算十字頭對應(yīng)系統(tǒng)形變量△L的行程S。首位置Sg0為108.132 mm，末位置是140.782 mm，那么兩者差值即為S，數(shù)值為32.65 mm。

（3）計算十字頭對應(yīng)開模行程等于1/3最小容模量的行程S"。本例計算的開模行程是50 mm，對應(yīng)的十字頭行程計算是113.85 mm。

（4）把S分為n等份，每等份的長度用△S表示，本例子取1 000等份。計算出n+1個離散點的位置值，Sg0、Sg0+△S、Sg0+2△S、……、Sg0+n△S。為計的算方便，開模的離散點取與合模的相同。

（5）計算出合模過程及開模過程，各離散點位置對應(yīng)的十字頭在運(yùn)動方向上受力大小。

（6）用各區(qū)間首點及末點的十字頭受力的平均值近似表示十字頭在此區(qū)間的受力。

（7）分別用十字頭行程32.65 mm及113.85 mm，用公式(2)計算額定功率。

5 結(jié)語

求解十字頭的行程和在形變區(qū)的受力條件下，用數(shù)列求和的方法來近似計算的電機(jī)額定功率，計算的基本額定功率比實際用電機(jī)的額定功率大約4.9%。

改變十字頭的速度或行程即可得到相應(yīng)的額定功率，無需考慮電機(jī)隨時間的實際功率輸出過程，使用方便。