优化！全电动注塑机设备的合模机构，

导语

目前，塑料制品在工业生产及居民生活中应用规模不断扩大，年增速可达30%，塑料工业的发展速度在国民经济194个行业中占据前列 [1-2] 。塑料制品可通过注塑机、挤出机和吹塑机以及近年来高速发展的3D打印机制作，在这些成型方式中，注塑成型是最主要的塑件加工方式，注塑机是加工生产塑料的核心设备 [3] 。注塑成型一次能够成型一个或多个形状结构复杂的塑件，具有生产速度快、自动化程度高、表面质量较高和尺寸精度高的特点，极大地降低了生产时间，能够适应市场上迅速变化的需求，尤其是工程塑料和特种塑料 [4] 。注塑机的重要部件之一是合模机构，其主要作用是实现启闭运动，使模具系统产生弹性变形而达到锁模力，进而控制模具型腔的压力，进一步决定了塑件制品的成型质量 [5] 。合模机构有全液压式、液压肘杆式、电动式等，本实验综合各种结构形式的特点，提出了一种电动连杆式合模机构，建立了滑块的运动学模型，基于遗传算法对此机构进行了优化分析，得到了符合优化目标的合模机构。

01

合模机构的形式

注塑机的合模机构按传动形式可分为全液压式、液压肘杆式、电动式。全液压式的合模动作通过液压油作用在活塞上来实现，耗能大、精度低；液压肘杆式通过肘杆机构的来实现模具的合模动作，但是此结构较为复杂，易磨损，精度低；电动式是指利用电机作为驱动力，通过连杆机构来实现合模动作，此种机构由伺服电机驱动，速度精度控制高、环境污染少、噪音低 [6] 。

#01合模机构结构简图

02

合模机构运动学分析

曲柄滑块机构中曲柄AB和A’B’的长度和初始角度与连杆BC和B’C’的长度对滑块C的工作空间和推力有着十分关键的影响，为了保证合模机构足够的工作空间和合模力，对此机构进行参数化建模十分必要 [8] 。

由于两个滑块机构尺寸一致，因此只对其中一个滑块机构进行数学建模分析。为了便于运动学关系的建立和表达，按如图2所示建立参考坐标系。图2中曲柄AB与x轴正方向的夹角为α，连杆BC与x轴负方向的夹角为β，曲柄AB和连杆BC的长度标记为l AB 和l BC ，滑块距离x轴的距离为h。

#02合模机构运动学数学模型

03

合模机构运动学分析

优化目标及变量

为了保证注塑机合模机构的运动的平稳性及足够的工作空间和推力，应使其运动时速度为平滑曲线，无突变。工作空间可由其横坐标最大值与最小值之差来计算。由理论力学可知，此机构中的推力与滑块运动的加速度有关，加速度越大，推力越大，因此应使滑块在极限位置时的加速度处于较大范围。

故优化目标可表示为：

式（5）中：f 1 (x)为滑块的行程；f 2 (x)为在滑块横坐标最大时的加速度。此优化模型的变量为3个，x=[l AB ，l BC ，h]

约束条件

由曲柄滑块机构的运动特性可知，要保证曲柄成立，应使曲柄和连杆长度的和大于等于偏心距和连杆与曲柄的差大于等于偏心距。同时，由于整个合模机构尺寸的限制，曲柄AB和连杆BC应有上限和下限。将以上关系用数学表达式表示为：

遗传算法

由上述分析可知，优化模型为带约束的非线性优化问题，需进行优化解算。遗传算法是基于达尔文生物进化论的一种启发式搜索算法，也可称作进化算法 [9] 。遗传算法的分析优化流程如图3所示。

#03遗传算法分析流程

首先根据约束条件随机产生初始种群，作为优化问题的第一代解，接着对种群中的个体进行编码，计算种群中每个个体的适应度，然后根据适应度的大小判断是否满足优化条件，如果满足的话则此解即为最佳个体，输出结果；如果不满足优化条件，则依次进行选择、交叉、变异操作，增加基因的多样性，淘汰适应度低的个体，逐步迭代处所有子代中适应度最高的个体。

遗传算法能够直接对优化结构对象进行操作，采用基因编码的方式工作，无须进行求导和对函数连续性进行判定，也不用给定初值，利用概率化的寻优操作，自适应的更改搜索途径，常被用于解决航空航天、电子信息和智能智造等领域的优化问题。

优化分析

由于Matlab中自带遗传算法工具箱，故只需将上述数学模型、优化函数和约束条件建立，然后调用遗传算法工具箱即可。在进行遗传算法优化时，设置编码方式为二进制，初始种群规模为200，适应函数规模选择随机模式，保留上一代个体数量选择为种群规模的5%，交叉概率设置为80%，变异概率设置为20%，迭代最大次数设置为200。

按照上述设置进行遗传算法优化，当迭代次数进行到86时，优化完毕，为了便于取值，对各个变量进行取整后为：

04

优化模型验证

Creo是三维建模常用的软件，因操作性强和交互性好而被广泛运用于各类机械设计中。ADAMS是一款机械动力学分析软件，采用拉格朗日方程法建立系统动力学方程，能够较为准确的模拟出各类机构的运动学和动力学情况。由于合模机构是由两个完全一样的曲柄滑块机构组成，为了节省时间和提高效率，仅对单个曲柄滑块机构进行验证。由于ADAMS建模能力较弱，因此首先在Creo中，根据上述结构简图和优化结果构建出合模机构的简要模型，如图4所示。

#04合模机构简要模型

将此模型转为通用格式“.xt”文件导入ADAMS中，依次设置固定副、运动副、重力、接触力和驱动电机，然后再设置步长为2 000，运动时间为15 s，进行运动学仿真。仿真结束后，进入ADAMS后处理界面，选择滑块的位置、速度和加速度图像，如图5所示。从图5可以看出，整个滑块的行程约187 mm，从速度和加速度曲线可以看出，整个运动过程中，滑块速度与加速度变化平滑、无突变。此外当滑块运行到负y轴极限位置时（即合模动作）加速度同样处在最大的位置，说明此时的推力处于最大值。综上所述，所优化的注塑机合模机构具有较大的工作行程，在合模极限位置拥有最大的推力，能够满足设计需求。

#05ADAMS仿真数据

01

如何申请法律援助

1.基于曲柄摇杆机构，提出了一种新型电动连杆式合模机构，该机构结构简单机构，具有磨损轻、寿命大、刚度强和稳定性好的特点。可利用连杆实现较为复杂的运动规律，能够保证合模运动具有足够的工作空间；

2.基于矢量方程法，构建了电动连杆式合模机构的运动学模型，得到了滑块的位置、速度和加速度关系；

3.构建了优化数学模型，设定了优化目标及约束条件，基于遗传算法对此机构的尺寸形状进行了优化；

4.基于三维建模技术和虚拟样机仿真技术，对机构进行了运动学仿真，结果表明：滑块速度与加速度变化平滑、无突变，所优化的注塑机合模机构具有较大的工作行程，在合模极限位置拥有最大的推力，能够满足设计需求。

论国内塑料机械技术融合创新和产业高质量发展，从产业发展新思路、装备软硬件结合新技术、数字化转型新趋势、融合创新新模式等多个角度共同探讨！—— 2022年3月17-18日 “ 第二届中国（宁波）塑机产业创新发展高峰论坛 ” 与您不见不散！

论坛概况

主办单位：

宁波市塑料机械行业 、InfoCon|易肯资讯

承办单位：

北京化工大学英蓝实验室 、宁波易肯资讯科技有限公司

支持单位：

北京化工大学机电工程学院、海天塑机集团有限公司、宁波海太工贸有限公司、宁波甬华塑料机械制造有限公司、宁波创基机械有限公司、宁波市海达塑料机械有限公司、震雄机械（宁波）有限公司、伯乐智能装备有限公司、宁波海星机械制造有限公司、宁波弘讯科技股份有限公司、宁波海雄塑料机械有限公司、浙江金鹰塑料机械有限公司、宁波华美达机械制造有限公司、富强鑫（宁波）机器制造有限公司、宁波方力科技股份有限公司、国家塑料机械产品质量监督检验中心

论坛时间：2022年3月17-18日

论坛地点：宁波 · 国大雷迪森广场酒店

论坛规模：400人

活 动 亮 点

10+场技术前沿 告

20+家科研机构参与

100+家塑机企业大咖

400+位参会代表

论坛 规划

3月17日上午

主题一：塑机产业的发展洞察与数字化变革机遇

3月17日下午

主题二：数字科技赋能产业发展

主题三：塑机装备关键技术突破

3月17日晚上

招待晚宴

3月18日上午

私享会

（仅限特邀人员参与）

四、演讲单位，展商（部分）

海天塑机集团 北京化工大学 香港科技大学 TUV南德

利时集团 浙江大学 山东大学 上海智引

德国帝尔 倍福自动化 老狗科技 上海泛盾

老狗科技 恩格尔 鼎捷软件 益模科技

艾克森 中创智造 宁波华热 中科晟达

参会单位（部分）

塑 机 企 业

海天 京琼 台意德 福莱士 爱科 海太 亚力士 泰立克 佳通 大禹 甬华 海涌明大 博纳 海航 德耐 创基 甬江洲丞 优灿 捷泰迩 捷立 海达 双盛 艾力士 京琼 宝氏 震雄 力松 科隆阁 明震 大牌 伯乐 可司曼 弘创嘉德 瑞宝 立注 海星 宁塑 艾尔法 海达 同大 海雄 泰瑞 力信 双盛 百塑 金鹰 申达 德库玛 震飞 米拉克龙 富强鑫 力维 希格玛 金益 瑞塑 华美达 力劲 至上重工 捷豪 胜沃 恒威 海江 科力 金海 通佳 三顺 优诺姆 明广伟业 鸿正联塑 光塑 威力仕 海晶 大爱 力劲 华模 海鹰 永生 迪本 华泰 亨润 恩格 鼎丰 华亿

其 他 企 业

弘讯 威克斯 华热 加鑫 诚尚 方力 协力 大生 徳而森 大利 利拓 艾盟 艾克森 望腾 亿达 伊士通 伊顿 亚启 新星 睿能高齐 华泰 太重集团 意宁 诺我宏发 天星 润倍万灵 蓝润 天泰美克 山海 信易 博世力士乐 东亚 华崯 藦卡 康润 新会北部 合一 克萨斯 华锚 金星 帝洲 富冈 贝加莱 迅达 华业 和卓智物 莱恩广电 大工 宇劲 嘉善德诺 卡松 德垦 金亿 德玛吉 沃伏龙 欧易 久润 佳塑 拓铁 中茂 双工 锐诺 德鑫 菲仕 埃斯顿 安美 科强 金腾 丹顿 ABB 易封 欧瑞 永成 通达 固特 创源 佳震 鸿途 精劲 安德路 澳泊 荣睿鑫 锐捷 兴泰 中达电通 伯虎 星辉 德热 海特克 海菱 锦珂 伟立

科 研 机 构

北京化工大学 华南理工大学 中南大学 华中科技大学 香港科技大学 山东大学 浙江大学 中北大学 哈尔滨工业大学 华东理工大学 青岛科技大学 苏州大学 四川大学 大连理工大学 南昌大学 郑州大学 太原理工大学 上海工程技术大学 武汉理工大学 广东工业大学

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类型 1人参会 2人及以上

其他企业及单位 2800元/人 2500元/人

宁波塑机 会员单位 会员单位1人免费参会，另加人按 800 元/人收费

理事以上单位2人免费，另加人按800元/人收费

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