3.3.2 伺服电机技术性能参数与移模制动行程之间关联的设计理论研究

移模制动行程是高端注塑成型的主要合模技术性能参数，要求0.01mm。开发伺服电机驱动系统的合模性能，实现精密的移模制动行程。

在移模运行中，伺服电机接到控制系统的制动命令，但由于伺服电机本身的制动的动态反映需一定时间，电机轴仍然做惯性转动，推力座在伺服电机驱动力带动下，仍然做移模运动，直至电机轴停止运转而停止运行。

动态反映性能与制动行程。例1中，在锁模伺服电机额定转速3000r/min下，主动轮齿速为：

系统动态制动反映时间20ms，主动轮转齿数减速度，由式（2）：

系统动态制动反映时间内，根据运动学原理，主动轮运转齿数，由式（3）：

推力座在制动时间移动：

如选用普通的动态反映时间50ms的伺服电机，则在额定转速的50ms制动时间内，主动轮转动40齿，推力座在制动时间内惯性移动40齿×0.0638mm/齿=2.552mm，制动性能远低于制动反映时间20ms的伺服电机。

降低制动始点转速，达到精密制动行程要求。上面分析中说明，如采用额定转速，无法达到移模制动行程0.01mm的精度要求。与3.2.5节的设计措施同样，提前降低制动点的伺服电机转速即齿速，才能实现移模制动行程达到0.01mm的精度要求。以例1为例，由表5，肘杆机构在移模行程阶段，行程比约为0.85，在移模制动行程0.01mm工况下，由式（10），推力座行程：

实现推力座行程0.012mm，主动轮运转齿数为：

主动轮运转齿数0.188齿，机主动轮制动点转速：

根据伺服电机转速与动态反映时间的线性关系，制动时间：

上述分析，说明选用高动态反映性能的伺服电机有利于降低制动时间，即提高运转速度。移模制动行程可通过调节主动轮转速，达到成型工艺要求。   

3.3.3 调模副与移模行程定位重复精度关联的设计理论研究

模内表面装饰、模内涂装等注塑新工艺提出0.10mm移模行程定位重复精度，对伺服驱动的肘杆合模机构的设计提出新的要求。移模行程定位重复精度由两个方面组成：调模副在负载运行中的间隙回复的重复精度；伺服动力系统在负载运行中的行程定位重复精度。

滚珠丝杠副可实现无间隙运行，不存在由于往复运行而带来的间隙造成的定位重复精度误差。3.2.6节分析表明,伺服动力驱动的制动行程可通过调节降到最低，所以在移模行程定位误差环节中，可忽略不计。

调模副是移模行程定位重复精度误差的主要因数。肘杆合模机构的调模螺纹副的啮合精度、调模副与尾板的轴向间隙精度是影响移模行程定位重复精度误差的主要机械因数。创新结构设计、提高加工及装配精度，达到减小机械机构/结构对行程定位重复精度的干扰。调模副的结构实现注塑机专用滚珠丝杆副的无轴向间隙的运行；调模副与尾板的轴向无间隙运行；提高调模螺纹的加工精度、表面强度；科学设计接触强度。

传统肘杆合模机构的调模副的结构设计、加工及装配等诸方面，仅满足普通注塑工程，未能在微观领域考虑这些因数对移模行程定位重复精度模的干扰，因此不能达到精密化的高端注塑工程的要求。例如，传统肘杆合模机构的调模副与尾板之间的轴向间隙一般为0.15~0.20mm，有的甚至0.30~0.50mm，而且往往四组调模副与尾板之间的轴向间隙不做一致性的配置，而且由于机械间隙在每次运行过程中弹性回复的不一致性，导致模具厚度重复精度误差偏大，不能达到高端的模具厚度精密化的0.05mm~0.10mm的要求。例如，日本某公司制造的一台1000kN锁模力的全电动注塑机，虽然在加工精度、装配等方面做了保证，但在调模副结构未作无间隙结构的创新创造，未能消除调模副结构对模具运动的轴向定位精度的干扰因素，经测试，移模行程定位重复精度为0.10mm，如需进一步提高重复精度，唯有作调模副的结构创新创造。目前国际上全电动注塑机调模副的还没有无间隙的结构，成为调模副结构的研发方向。

3.3.4 护模行程的设计理论研究

护模性能只有体现在护模行程的控制精度上。护模行程可控性对于高端精密注塑具有特别重要的作用。一副高精密模具往往超过注塑加工设备的价格。

护模行程指移动模板运行至临界变形角之前的区域,精密模具的护模区域为0.10mm,这就要求移动模板在0.10mm护模区域内能实时制动,这就涉及到伺服电机制动的动态反映性能及其控制性能。

肘杆合模机构在护模行程区域内，推力座的行程与移动模板行程之比远大于1，表5也说明了这个特性的存在。特别是行程比大的肘杆机构，这个比例系数也越大。由于肘杆机构存在这个特性，在护模行程区域内，推力座的速度小于移动模板的运行速度，给护模性能的发挥创造了条件。要达到有效的护模性能，在护模行程区域内，伺服电机动态制动反映时间所产生的推力座行程小于推力座的护模行程，也可理解为伺服电机动态制动反映时间所产生的移模行程行程小于0.10mm的护模行程，才能保证模具在未接触停止运行。

例1中，伺服电机额定转速为3000r/min，主动齿轮32齿，动态制动反映时间为20ms。护模区域为0.10mm的情况下，推力座行程为2.68mm，由式（4），主动轮运行齿数：

上述计算说明，主动轮在护模动态制动时间内，运转的齿数小于42齿，系统才能起到护模作用。

由3.3.1节分析，主动轮在20ms的动态制动时间从开始至结束传动16齿，小于护模区域的42齿，所以例1的伺服动力驱动的设计符合护模的要求。

根据以上分析，由式（4），推力座在护模动态制动时间内位移：

推力座离其护模极限位置距离：

在护模行程段，推力座行程与移动模板行程做线性处理，移动模板位移：

移动模板离其护模极限位置距离：

移动模板离护模极限位置还有0.035mm，所以模具分型面不会接触，起到了护模作用。

护模区域为无负载工况，可把制动转矩设定数值减小，以提高制动力，适合急减速工况。

3.3.5 伺服驱动制动制动反映性能与锁紧动力学之间关联的设计理论研究

肘杆机构锁紧动力学经过两个运行阶段：从临界变形角位置至锁模角位置，系统的增力比急剧增至系统的额定值，伺服电机的输出扭矩从最小增至最大；从锁模角位置至锁模结束，系统的增力比急剧增至无穷大，伺服电机输出的扭矩急剧下降，从理论上说，这一阶段，机构运行只需速度，不需动力。

肘杆机构锁紧动力学的特点，提出了一个推力座锁紧行程定位的性能问题，也列出了定位的技术设计课题。液压驱动肘杆机构，可通过设计油缸活塞行程，以及在装配中调节推力座的锁紧的位置，从而实现推力座锁紧行程终点的精确位置。伺服动力驱动肘杆机构，无法实现液压驱动肘杆机构的推力座的机械定位，只能在控制上实现精确的制动，但由于伺服动力驱动系统存在一个制动动态反映的时间因数，而肘杆机构在锁紧终点的位置处所需的扭矩极小，所以伺服动力驱动系统的反映极其灵敏，因此伺服动力驱动系统的制动动态反映性能直接干扰推力座的锁紧行程的定位。以例1为例分析研究，图7为例1的肘杆机构的锁紧终点位置，表6为推力座锁模位置点参数。从图7可以看出，如果推力座行程超越了锁紧点，就会出现两次锁模运动，同样也会出现两次开模，这种不合理的运动，不但损坏模具，严重的甚至造成不能启模。实现伺服动力驱动肘杆机构的正常锁模，就是把其制动动态反映的性能与肘杆机构锁模的性能，两者结合起来，在设计上加以解决。

例1中，由图7，实现伺服动力驱动肘杆机构的正常锁模，就是推力座的锁模终点位置不能超过7.681mm，考虑到加工装配等综合因数，可适当增大，一般为前、后肘杆联接点可里凹0.5mm，此时例1的L为11.038mm，中间可调节的推力座行程为△L=11.038mm-7.681mm=3.357mm。推力座可调节的行程可弥补伺服动力驱动制动动态反映时间所带来的驱动行程的误差。例1中，上面分析中表明，在额定转速3000r/min工况下，制动动态反映产生的推力座行程为2.68mm，小于3.357mm，在容许的误差范围内，锁模制动始点位置可为7.681mm+3.357mm+2.68mm=13.7mm。如果例1中采用50ms的制动动力反映时间的伺服电机，则50ms产生的推力座行程为2.68mm×（50ms÷20ms）=6.7mm，则必须把制动动态位置点提前，锁模制动始点位置可为7.681mm+3.357mm+6.7mm=17.7mm。

从上面分析可看出，推力座锁模位置点直接与伺服电机的制动动态性能相关。

             图7 肘杆机构锁模终点位置图

表6  推力座锁模位置

3.3.6 超大锁模力的设计理论研究

目前最大负荷的注塑机专用滚珠丝杆副NSK公司的HTF-20032-7.5，额定动负荷为。锁模部分考虑到高压低速开模冲击因数，滚珠丝杠可靠性系数取1.6，则许用额定动负荷：

根据此滚珠丝杠的动负荷设计肘杆合模机构，按作者的设计经验，肘杆机构按运动性能较优的大行程比设计，增力比M约为18，肘杆机构的机械效率η取0.7。根据上述条件，肘杆机构能达到最大的变形力：

根据肘杆机构变形力的特性，合模机构能达到最大锁模力：

上面从理论上分析，运用HTF-20032-7.5单滚珠丝杆副驱动肘杆合模机构，能达到最大锁模力约在20000kN，超过此锁模力规格，需采用双组滚珠丝杠副传动结构，或研发更大规格的专用滚珠丝杠，实现单组滚珠丝杠副传动。例如要实现锁模力40000kN的伺服驱动合模机构，可用双组HTF-20032-7.5滚珠丝杆副传动。

移模速度。滚珠丝杆除满足动负荷外，还需满足移模速度要求。根据NSK公司提供的HTF系列滚珠丝杠副导程32mm的允许d·n≤50000（表3）, HTF-20032-7.5滚珠丝杠副允许转速为：50000÷32=1562r/min。根据常规的移模速度24m/min，增力比M约为18的行程比为1.2，即滚珠丝杆副的轴向速度为24m/min×1.2=28.8 m/min， 则滚珠丝杠副的额定转速为：28.8÷（32×10^-3）=900r/min＜1562r/min，可见HTF-20032-7.5滚珠丝杠副也能满足移模速度的要求。

3.4伺服驱动系统技术参数设计理论的科技创新^[8]

全电动注塑机由于伺服电机驱动，技术参数确定的计算理论同比于液压驱动有其很大的不同，目前诸多的研究着重于控制技术，缺乏对技术设计理论的研究，还无一套成熟的伺服驱动系统技术参数确定的计算理论。作者根据设计实践和研究成果，针对设计中存在问题，提出以下伺服驱动系统技术参数确定的计算理论要点，供参考。

3.4.1塑化伺服驱动系统技术参数设计理论的科技创新要点

塑化伺服驱动系统技术参数确定的计算理论的关键：塑化的基准对象；螺杆剪切热占塑料熔融热量的比重。根据所需要的剪切热来确定驱动螺杆塑化的扭矩，设计伺服驱动系统。目前普遍存在驱动塑化伺服电机的规格（功率）偏大，造成制造成本高，能量浪费。

塑料注射塑化功率包括螺杆剪切所需功率和机筒加热提供的功率，前者是塑化功率主要提供者，后者是辅佐提供，两者之间存在一定的比例关系，正确确定两者之间较为合理的比例，是设计螺杆塑化剪切功率的基础。螺杆塑化剪切功率与塑化功率之间的关系，还无一套能正确反映出实际的量化的正确表达式，绝大多数注塑机装载的塑化功率都大于实际螺杆塑化剪切功率的（30~50）%，正是说明了由于计算理论的不成熟带来了资源的浪费和能耗的增加。

沿用液压驱动塑化的传统设计观念，对塑化功率不做认真的理论研究和实践探讨。没有按照全电动注塑机成型加工的特点，确定驱动功率设计的基准对象，科学地设计驱动功率和加热功率。

塑化基准对象。以PPS作为确定伺服电机扭矩的设计基准。工程塑料中，PPS的比热容最大，达到0.55 cal/g·⁰C，熔融温度为300 ⁰C ~350 ⁰C，也就是说，PPS塑化所需剪切热量最大。

螺杆剪切热占塑料熔融热量的比重。螺杆剪切热量约占塑料熔融热量的85%，其余热量由机筒加热提供。

高速低扭矩伺服电机通过同步带减速机构驱动螺杆旋转塑化系统的伺服电机扭矩，可以通过同步带机构的转速比达到伺服电机扭矩与螺杆塑化所需扭矩达到最佳的匹配，充分发挥伺服电机的潜能，但对设计的技术水平要求高。为发挥所选伺服电机的最大潜能，同步带速比根据螺杆塑化剪切所需的扭矩，确定最大速比，但同步带机构的速比通常最大做到1：10，再大会严重影响使用寿命，推荐速比不要超过1:5。螺杆塑化设计转速控制在80r/min已能满足工程塑料的塑化剪切要求。在满足扭矩设计的要求下，选取伺服电机的额定转速。

3.4.2 注射伺服驱动系统技术参数设计理论的科技创新要点

注射伺服驱动系统技术参数确定的计算理论的关键：选用的伺服电机额定扭矩与额定注射压力两者之间完全吻合，以为用户提供正确的参数。

一般注射伺服驱动都为旋转型伺服电机把旋转运动变为直线运动直接驱动螺杆注射。

伺服电机额定扭矩。液压驱动注射系统，额定注射压力可根据液压系统额定工作压力方便地设计出注射油缸工作面积而达到，而伺服动力驱动系统的额定注射压力的计算涉及滚珠丝杠副传动机构，计算较为复杂，是注射参数的理论计算的研究的重点。

额定注射速度。注射伺服系统的根据额定注射压力确定伺服电机驱动扭矩后，额定注射速度基本上已得到确定。注射伺服电机转速都为高速伺服电机，额定转速也分为几个档次，一般标准注射速度采用3000r/min的伺服电机，高速注射速度采用5000r/min的伺服电机。注射速度设计必须考虑到滚珠丝杆副的5m/s的最大线速度。

注射用滚珠丝杠的轴向允许负荷是选用的主要的力学技术参数，许用轴向负荷的可靠性系数为1.25。

3.4.3 合模肘杆机构伺服驱动系统技术参数设计理论的科技创新要点

合模肘杆机构伺服驱动系统技术参数确定的计算理论的关键：肘杆机构机械效率；以额定锁模力为基准，科学调整滚珠丝杆副和伺服电机的技术参数，充分发挥伺服电机的最大驱动能力，实现最佳性价比。

肘杆机构机械效率。锁模力是合模机构的第一技术参数，而且锁模力的技术参数本质不同于注射压力的理论本质，是一个实际测试必须达到的技术参数，设计中最难确定的是肘杆机构的机械效率，而机械效率直接关系到伺服驱动扭矩计算的正确性。液压驱动肘杆机构，对肘杆机构的机械效率的精度要求并不十分高，一般为防止由于机械效率影响而达不到锁模力，适当加大锁模缸的直径，设计锁模力大于额定锁模力。而对于伺服电机驱动系统，要求选用的伺服电机的规格匹配于实际达到的额定锁模力，过大规格的伺服电机，意味着伺服电机功能的浪费和制造成本的增加，机械效率的偏差，直接影响到伺服电机的选用规格。肘杆机械效率涉及到诸多因素，如系统刚度、肘杆刚度、销轴刚度等，主要根据设计者的实践经验而定。达到额定锁模力，设计计算的驱动扭矩与选用的伺服电机的额定扭矩之间误差在2%之内，才能体现出设计的合理性、科学性。

伺服电机的驱动扭矩。伺服电机额定扭矩都有规定的规格，达到使选用的伺服电机额定扭矩与设计的额定锁模力匹配，这是计算研究重点。伺服电机额定扭矩与设计的额定锁模力匹配，通过调节同步带机构的减速比，从而达到所需要的锁模驱动扭矩。但减速比又必须符合移模行程步长的要求。

伺服电机不能超载运行，给设计计算带来了更高要求。液压驱动肘杆合模机构，如锁模力计算存在瑕疵，在低速高压的运行中达不到额定锁模力，可采用高速高压进行冲击运行，达到额定锁模力，虽然这种运行是不容许的，但在锁模力检测中是容许的。锁模伺服动力驱动系统，如选用的伺服电机的额定扭矩小于额定锁模力所需要的驱动扭矩，由于伺服电机不能如液压系统一样冲击超载运行，不可能达到额定锁模力；如选用的伺服电机的额定扭矩较大幅度高于额定锁模力所需要的驱动扭矩，因锁模力过大引起锁模机构的使用寿命及可靠性大幅度降低。伺服电机驱动扭矩涉及到不确定的因素较多，根据理论计算加以实践经验修正才能去达到正确、合理的设计值。

伺服电机额定转速取决于移模速度的设计要求。移模速度一般控制在24m/min。移模速度与锁模伺服动力驱动系统相关的技术参数为滚珠丝杆的导程、同步带机构的速比，伺服电机额定转速分为几个规格，一般取额定转速3000r/min的伺服电机。伺服电机额定扭矩确定后，滚珠丝杆的直径和导程、同步带机构的速比等两个技术参数成为已知参数。肘杆锁模机构设计确定后，移模行程与丝杆轴向行程之比成为定值，即丝杆轴向行程为已知参数。上述四个已知参数没有调节的余地。如伺服电机额定扭矩确定的系统技术参数达不到移模速度的要求，就需要对锁模伺服动力驱动的有关技术参数重新协调，直至达到要求。

锁模用滚珠丝杠的动负荷是选用的主要的力学技术参数，考虑到到高压开模的弹性回复冲击力矩，许用动负荷的可靠性系数为1.6。