注塑机驱动系统不同联接方式的响应研究

宋春华

（西华大学机械工程与自动化学院，四川 成都610039）

注塑机驱动系统不同联接方式的响应研究

宋春华

（西华大学机械工程与自动化学院，四川 成都610039）

针对高速度、高精度和低噪声之间的矛盾，提出了对注塑机伺服电机和变量泵联接方式的结构改进设计。用当量扭振系统的理论对两质量和三质量系统进行了分析，对扭振系统进行了仿真并进行了运行实验。结果表明，电机和泵同轴的两质量系统有利于提高响应速度。

注塑机；伺服电机；变量泵；响应

0 前言

随着精密注塑行业的不断发展，对注塑机驱动系统响应的要求也越来越高[1－4]。注塑机驱动系统目前存在着高速、高精度和低噪声之间的矛盾[3－5]，国内外许多专家和研究机构都在降低噪声和提高响应方面做了很多的研究[6－9]。本文致力于降低电动机、泵整体装置运行时的噪声，提高响应速度，并尽量降低成本，为注塑机驱动系统高速度和高精度研究开辟一种新的方法和途径。

1 注塑机驱动系统结构改造

原来的注塑机驱动系统是电机加泵和联轴器构成的三质量系统，本文采用伺服电机和变量柱塞泵联接的注塑机驱动系统。将电机轴与变量柱塞泵的轴做为一体，减少中间联接环节，但仍要保证油泵内必要的油封，对电动机的端盖进行加厚并对应泵体的安装孔对电动机端盖进行改造，使之能与泵体匹配。其示意图如图1所示。

图1 电动机和泵的装配示意图Fig.1 Assembly drawing of motor and pump

2 双质量系统和三质量系统的仿真

2.1 双质量系统仿真

对无联轴器时系统电动机转子施加外力矩，油缸体端自由地有阻尼受迫扭转振动，根据力矩平衡方程，可得：

式中 φ4——双质量系统中电动机转子右端面处的角位移

φ5——油缸体左侧小台面的角位移

T——干扰力矩

K3——等效刚度

J4、J5——双质量系统2部分的等效转动惯量

f1′——无联轴器系统电动机转子处的固体摩擦力矩

f2′——无联轴器系统中油缸体组件处的固体摩擦力矩

在Simulink模型窗口中建立双质量扭转振动系统的有阻尼受迫振动仿真模型[10]，设置T为持续时间设为0.5s、终值为4N·m的阶跃信号。对等效质量处的阻尼系数按照阻尼力矩与等效质量的角速度成正比关系来定一种阻尼系数c，当无联轴器的轴段阻尼系数c4，5取1.136时，在Matlab命令窗口中编辑function函数 。针对此模型进行仿真得到（φ4－φ5）和的结果，从仿真结果可以看出根据阻尼系数c4，5＝1.136建立的模型的仿真过程中，响应期间（φ4－φ5）的值最大时为8.8337×10－5rad；可观察到响应期间，（φ4－φ5）变化的周期大约为0.97×10－3s。

2.2 三质量系统仿真

同理可以得到三质量系统的仿真。有联轴器时J2、J3之间的轴段阻尼系数c2，3取1，考虑轴段刚度不同，取J1、J2之间的轴段阻尼系数c1，2为4.583。根据阻尼系数c1，2＝4.583，c2，3＝1建立的模型的仿真，系统仿真结果为：（φ2－φ3）的值最大时为9.3198×10－5rad；响应期间的值经过一段正负变化后很快趋于零并最终为零，变化期间，其最大正值为0.0646rad/s，负值的绝对值最大为0.0334rad/s；响应期间的最大正值为0.2673rad/s，负值的最大绝对值为0.1924rad/s，可见联轴器以及油缸体处有一定的速度冲击。可观察到在响应期间，（φ2－φ3）变化的周期近似为1.2×10－3s。

3 双质量和三质量系统的压力响应实验

3.1 速度阶跃响应实验

压力为10MPa时速度从0阶跃到1000r/min的双质量系统和三质量系统的响应曲线如图2所示。

从图2可得2种联接方式的速度响应指标（表1）。从图2的特性曲线和表1可以看出，不同的联接方式对系统的速度响应特性有很大的影响，电机与泵同轴的双质量系统无论是上升时间、调整时间还是超调量都要明显好于齿形联轴器联接的三质量系统。

图2 双质量系统和三质量系统的速度阶跃响应Fig.2 Step response of speed on dual and three－mass system

3.2 压力阶跃响应实验

图3是转速为1000r/min，压力从0阶跃到10MPa时，没有加节能控制方法时的压力阶跃响应曲线。从图3可以得到2种联接方式的压力响应指标（如表2）。

从图3的特性曲线和表2中可以看出，不同的联接方式对系统的压力响应特性有很大的影响：（1）在相同条件下，双质量系统比三质量系统的波形毛刺少些，压力响应图明显要好些；（2）双质量系统无论是上升时间、调整时间还是超调量都要明显好于三质量系统。

图3 双质量系统和三质量系统的压力阶跃响应Fig.3 Step response of pressure on dual and three－mass system

表1 2种质量系统的速度响应指标Tab.1 Target of speed response on dual and three－mass system

表2 转速为1000r/min时2种质量系统的压力响应指标Tab.2 Target of pressure response on dual and three－mass system

从表3看出，双质量系统角位移差（φ4－φ5）的最大值和稳定值比三质量系统角位移差（φ2－φ3）的小，从而说明双质量系统比三质量系统的振动幅度小，振动微弱。双质量系统的角速度差稳定时间比三质量系统的角速度差和的稳定时间短，说明双质量系统的振动时间比三质量系统的振动时间短，所以双质量系统的响应比三质量系统的响应快。

表3 三质量系统和双质量系统的角位移差和角速度差Tab.3 Angular displacement and angular velocity difference of dual and three－mass system

从以上的速度阶跃响应和压力阶跃响应可以看出，三质量系统响应时间比较长，这与仿真分析的结果相一致。分析其原因，驱动系统的响应受到联轴器中存在的间隙，装配偏差以及联轴器柱销松动等因素的影响。

实验测试三质量系统与双质量系统的上升时间差值比较接近，说明本文测试误差考虑不够周全，但速度响应调整时间明显双质量系统比三质量系统好，说明本文的实验是可行的。齿形联轴器的加工精度不同或者不同品牌的联轴器，因为其配合误差不同和同轴度误差等原因，对三质量系统的影响比较明显，而双质量系统因为没有联轴器，所以影响不大，这也是双质量系统的优点之一。而在三质量系统中由于联轴器选择的不同会因为装配偏差和精度等因素的影响而出现精度高、误差小的联轴器联接的三质量系统响应时间快。

在工程应用中，与三质量系统相比，双质量系统因为少了一个元件而可靠性更高一些，特别是在注塑机系统里，可以进一步提高响应速度，满足注塑行业高速注塑的要求，为制造出更高质量的手机外壳等产品提供了可能，在一定程度上促进了高速、高精度注塑行业的发展。

4 结论

（1）通过仿真，双质量系统的扭振动性能要优于三质量系统的性能；

（2）通过实验研究发现双质量系统的速度响应和压力响应都比三质量系统的好，实验和理论相符合，将三质量系统的驱动系统改成双质量的驱动系统是有效的。

[1] 魏世化.变频器在注塑机节能改造中的应用[J].变频器世界，2005，（6）：87－89.

[2] 周孚宏.变频器用于注塑机节能改造[J].电气传动，2005，（2）：88－90.

[3] 张友根.注塑机节能技术的分析研究（上）[J].橡塑技术与装备，2008，34（3）：52－60.

[4] 张友根.注塑机节能技术的分析研究（下）[J].橡塑技术与装备，2008，34（3）：57－65.

[5] 倪卫涛.注塑机节能系统的应用与发展[J].橡胶技术与装备，2004，30（12）：21－24.

[6] 汪存亮.注塑机节能控制技术之应用[J].塑料工业，2005，（2）：36.

[7] 文生平，汪剑强.注塑机节能控制技术的最新发展与应用[J].工程塑料应用，2006，34（5）：59－62.

[8] 饶启琛，张 涛.比例变量泵系统在注塑机上的应用[J].橡塑技术与装备，2002，28（4）：53.

[9] 李 大，柯 坚，邓 斌，等.基于一体化的电机泵装置的研究[J].机械研究与应用，2007，20（2）：55－56.

[10] 薛定宇.控制系统计算机辅助设计——MATLAB语言与应用[M].北京：清华大学出版社，2006：183－223.

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

西华大学人才引进项目（Z1020211）；四川省科技厅项目（2010JY0117）

联系人，sch217628＠163.com