注塑机结构毕业设计.doc

'本科毕业设计论文题目:注塑机结构设计与控制院（系）：机械工程学院班级：姓名：学号：指导教师：教师职称： 毕业设计任务书一、课题名称：二、指导教师：三、设计内容与要求：1.课题概述2.设计内容及要求3.设计原始资料4.设计课题的特点与目的5.设计成果四、设计参考书五、设计说明书要求1.封面2.目录3.内容摘要4.引言5.正文6.结束语7.附录六、毕业设计进程安排七、毕业设计答辩及论文要求1.毕业设计答辩要求答辩前三天，每个学生应按时将毕业设计说明书或毕业论文、专题报告等必要资料交指导教师审阅，由指导教师写出审阅意见。学生答辩时对自述部分应写出书面提纲，内容包括课题的任务、目的和意义，所采用的原始资料或参考文献、设计的基本内容和主要方法、成果结论和评价。答辩小组质询课题的关键问题，质询与课题密切相关的基本理论、知识、设计与计算方法、实验方法、测试方法，鉴别学生独立工作能力、创新能力。 2.毕业设计论文要求文字要求:说明书要求打印(除图纸外)，不能手写。文字通顺，语言流畅，排版合理，无错别字，不允许抄袭。图纸要求:按工程制图标准制图，图面整洁，布局合理，线条粗细均匀，圆弧连接光滑，尺寸标注规范，文字注释必须使用工程字书写。曲线图表要求：所有曲线、图表、线路图、程序框图、示意图等不准用徒手画，必须按国家规定的标准或工程要求绘制。 注塑机结构设计与控制摘要针对注塑机结构的设计与控制，本文着手设计一款注塑量为60g合模力为500KN杆长比λ=0.7（0.5-0.7），模板行程S=180mm的注塑机。经过查找各种资料最终选定设计卧式单缸液压马达直接驱动的往复螺杆式注塑机。本文首先简要介绍了注塑机行业的发展情况和今后的发展方向，其次就是对注射装置和合模装置的结构设计，注塑机控制装置的设计。最后使用CAD软件画出注塑机与注射装置和合模装置的装配图，并且选出典型零件画出零件图。关键词：注塑机，结构设计，控制装置的设计，CAD画图0 注塑机结构设计与控制AbstractTodesigntheinjectiondevice,thepaperisdevotedtodesigntheinjectiondeviceforinjectionmachineswhichinjectionmolding60gandforce500KN.Ieventuallychoicetheinjectiondeviceofthehorizontalsinglecylinderhydraulicmotordriversandscrewreciprocatingmotion.First,thispaperbrieflyintroducestheinjectionmachinesofindustrydevelopmentandfuturedevelopment,andsecondly,designthestructuraloftheinjectiondevice,Themaindesignsaretheselectionforthehydraulicmotor,designforthescrew,barrel,andnozzle,andthecalculationofthebasicparametersfortheinjectionmachine.Then,drawtheassemblydrawingoftheinjectionmachinesandinjectiondevice.Keywords:Injectiondevicedesign,Structuraldesign，Calculatetheparameters,CADdrawing0 注塑机结构设计与控制目录摘要ⅠAbstractⅡ第1章绪论11.1国内外发展状况11.2课题的提出3第2章注塑机概论42.1注塑成型机的分类42.2注塑机的基本组成及工作过程42.2.1注塑机的基本组成42.2.2注塑机的工作过程42.2.3注塑机的基本功能52.2.4本机介绍6第3章注射装置73.1注射装置简介73.2注射装置的型式73.3注射装置的设计83.3.1螺杆式塑化部件83.3.2螺杆头与止逆阀设计143.3.3喷嘴设计163.3.4料筒设计173.3.5螺杆驱动传动的连接件设计203.3.6注射装置机架导向设计21第4章合模装置224.1合模装置简介.224.2合模机构主要部件的设计及计算224.2.1调模装置的选择.234.2.2肘杆机构的设计计算234.2.3拉杆的设计计算250 注塑机结构设计与控制4.2.4顶出装置的选择26第5章PLC控制程序设计285.1PLC的基本原理285.2PLC的基本结构285.3PLC的工作原理295.4PLC机型的选择步骤与原则305.4.1.305.4.2325.4.35.4.45．55.65.7.结语致谢参考文献0 注塑机结构设计与控制第1章绪论1.1注塑机的国内外发展状况塑料注射成型机(简称注塑机)是将热塑性塑料或热固性塑料制成各种塑料制件的主要成型设备。加工范围从几克甚至几毫克的手表、仪表小齿轮、激光唱盘、微电子元件等，到几千克的电视机、音响、空调及洗衣机外壳，再到上万克的浴缸、桌椅、赛艇船体。注塑机是一种集成度很高的机电液一体化设备，其技术含量在很大程度上反映一个国家的机械、电子、液压等基础工业的水平。随着现代工业和尖端科学技术的发展，塑料制件被越来越广泛地应用到国防、机械、电气、航空、交通运输、建筑、农业、文教、卫生及人民生活等各个领域。注射成型机是在19世纪中叶出现的金属压铸机(1849年STURGRSS)的基础上逐渐形成的。最初主要用来加工纤维素硝翻旨和醋酸纤维一类的塑料。直至1932年，才由德国弗兰兹·布劳恩((FRANZBRAUN)厂生产出全自动柱塞式卧式注射成型机，并向各国推广使用，这也是目前所用的柱塞式注射成型机的基本形式。之后，由于石油化学工业的发展，促进了塑料工业的发展。其中热塑性塑料无论是在品种或是在数量方面，增长都很迅速，这就要求发展与之相适应的加工技术和机器设备。1948年在注射成型机上开始使用螺杆塑化装置，并于1965年在世界上出现了第一台往复螺杆式注射成型机。这是注射成型工艺技术方面的重大突破，从而使更多的塑料通过比较经济的注射成型方法加工成各种塑料制件成为可能。0 注塑机结构设计与控制在我国塑料机械工业80年代以后才获得了蓬勃发展,特别是塑料注塑机年生产能力已达万台以上,不仅满足了国内生产的需要,还大量出口创汇,为满足这种机器高输出力、快速响应、高速、压力控制精度和重复精度的技术要求,国产注塑机几乎全部采用了液压传动和电液比例控制技术。为进一步提高精度,国外还开发了过程变量:模腔压力、注射速度、螺杆转速等闭环微机控制的电液系统。我国在这方面也作了相应的研究。但是进入90年代以来,随着世界各国在环境保护,如能耗、噪声、泄漏等控制方面日益严格的要求,节能已成为注塑机电液系统的研究重点。为降低能耗,德、日等国已开发了全电气传动控制的注塑机,并投放市场。与电液控制相比,目前电气传动还存在无法实现集中控制,很难实现高精度的压力控制,必须经过中间转换装置才能实现直线传动等不足,但已向电液控制提出了严厉的挑战。因此,电液控制系统必须在节能技术方面做出相应发展,才可能避免被全电控技术取代。注塑机是塑料加工业中使用量最大的加工机械，不仅有大量的产品可用注塑机直接生产，而且它还是组成注拉吹工艺的关键设备。目前中国已成为世界塑机台件生产的第一大国，宁波海天也成为全球产量最大的注塑机生产企业。除液电复合式注塑机外，中国已经能制造肘杆式、全液压和全电动式注塑机。其中肘杆式注塑机已实现了升级换代，全液压式注塑机也已从传统的单缸充液式完善到两板直压式。中国注塑机的生产与世界水平的差距在缩小，某些方面已达到世界先进水平。这些机械已经基本上可以满足国内市场上的需要，并且相当数量的产品出口到包括欧美等国家的海外市场。两大因素促成了中国注塑机设备制造业的起飞。一是与国际着名企业进行合资和技术合作，如海天和震雄；二是中国企业逐渐适应了机械零部件的国际釆购方式，掌握了釆购渠道。通过与发达国家注塑机生产企业的合作，中国注塑机生产企业在较短的时间里提高了设计和制造能力，部分产品开始从通用型设备向专用设备过渡；从低端市场和中端市场进入。如海天推出的超大锁模力的注塑机和高速、高精密注塑机系列产品，已经可以满足大型汽车配件和小型精密电子产品的生产。而震雄推出的PET瓶坯专用注塑机等，也成为了国产专用注塑机产品的代表。此外，中国注塑机的生产还表现出很强的区域特色。浙江的宁波和广东的东莞等地，已成为中国乃至全球重要的注塑机生产基地。如宁波市的北仑港，汇集了25家注塑机生产企业，30多家配件企业，其中外资企业15家，注塑机产值年均增速高达20%。全球产量最大、产销量第一的宁波海天股份有限公司也在该区。2003年，该区共生产注塑机整机16000多台，实现销售收入36.22多亿元，利税7.61亿元，出口创汇8030万美元；产量约占全国总产量的1/3，销售收入占全国的40%以上。为了提高研发能力，中国注塑机企业也开始走出国门，把研发机构建到海外，同时也为产品更便捷地打入海外市场创造条件。如海天2003年8月在意大利的Brescia成立了海天欧洲公司，并于今年开业。不久欧洲生产的部件便会出现在中国制造的标准机中。与此同时，海天也通过自己的海外分公司销售产品。虽然出自海天欧洲公司的机器的价格将比海天标准机高25%左右，但是与同类欧洲机相比还是要便宜30%-40%。在中国注塑机生产企业走出去的同时，欧美大型注塑机生产企业纷纷走进来。如美国Milacron公司也计划今年在中国投资生产注塑机和吹塑机，以及这些机械的基本部件。在中国建生产基地的主要原因就是他们认为在中国生产的机械部件会比西方发达国家生产的便宜20%-30%。据了解，Milacron0 注塑机结构设计与控制公司在中国生产的机械可能主要销往东南亚和南美。事实上，欧美厂商在中国生产的注塑机基本上都是中档产品，并且随着中国本土注塑机制造水平的提高，进口的中档注塑机正面临较大的竞争危胁。不仅如此，预计未来数年，中国注塑机将继续扩大出口比例，在国际市场上占有越来越大的份额。与此相对应，将有越来越多的外国注塑机生产厂家，把生产基地转移到中国。目前高速瓶坯机、电动光盘注塑机、薄壁精密产品注塑和大型汽车用塑料件注塑等，是高档注塑机的主要市场。这一部分市场进口品牌机的地位仍无法动摇。如中国手机机体90%以上的塑料件都是由国外塑机生产的。1.2课题的提出注塑机自本世纪30年代问世以来，主机结构及传动原理变化不大，但其控制却在不断更新和发展，国外以由手动操作的第一代产品发展成为基于微机闭环控制的第五代产品，自动化程度不断提高，国内直到50年代末才开始生产注塑机，由于采用了引进消化、吸收和逐步提高、国产化的方针，再加上钢材价格上涨，石化工业能够提供原料（包括工程塑料），便形成了“以塑代钢”、“以注塑代压延成型”的趋势。国内注塑机的发展速度异常快，但控制水平较低，档次不高，绝大多数仍基于继电器控制，自动化程度较低，产品竞争能力不强。近年来，随着注塑机在行业中的比重不断加大，其出口量已超过造纸机，成为我国轻工业系统最大宗的出口设备。但能源危机的出现，劳动力缺乏，加之对制品的要求越来越高，注塑机的节能高效、自动化程度高的性能已为用户所追求；同时，对于大中规模注塑工厂，甚至量少、品种多的小规模注塑车间，在保证制品质量的前提下，如何利用成熟的自动化设备，提高产品精度，降低废品、次品率，节约原材料和能源，来降低成本，增强市场竞争已引起人们的高度重视，采用先进的控制技术和管理手段已成为必然的趋势。我国目前普通的技术含量低的塑料机械产品处于饱和过剩状态，而高精度、高效率、高技术含量的塑料机械还需大量的投入和开发，目前这部分产品基本依赖进口。本课题就是在这样的背景下提出的，通过对前人技术的吸收、继承和发展，并实地考察了我国注塑机的技术情况，旨在开发一套既符合我国国情又具有一定市场竞争力的可编程控制的精密注塑机。0 注塑机结构设计与控制第2章注塑机概论2.1注塑成型机的分类根据注射装置对塑料的塑化方式的不同可分为柱塞式和螺杆式两大类，尤其以螺杆式注塑机最为常见。根据合模装置的不同可以分为机械式、液压式和液压机械式。根据注射装置的排列方式的不同可分为卧式注射成型机、立式注射成型机、角式注射成型机和多工位注射成型机，而其中卧式注射成型机较为常见。按机器的特殊结构和用途还可以分为热塑性通用型注射成型机、热固性塑料注射成型机、排气式注射成型机、发泡注射成型机、多组分注射成型机、鞋用注射成型机等。2.2注塑机的基本组成及工作过程1.2.1注塑机的基本组成一台通用型注塑机主要包括以下部件：合模装置、注射装置、液压传动系统和电器控制系统。注射装置：其主要作用是使塑料均匀地塑化成熔融状态，并以足够的压力和速度将一定量的熔料注射入模腔内，因此，注射装置应具有塑化良好、计量准确的性能。合模装置：主要作用是保证模具地闭合和实现启模动作，是成型制品的工作部分。注射时要求合模装置给模具以足够的合模力，防止制品发生飞边现象。液压传动和电器控制系统：注射成型是由塑料塑化、模具闭合、塑料注射入模腔、压力保持、制品固化成型、开模取出制品等工序组成的连续过程。液压和电器系统则是为了保证注塑机按工艺过程预定的要求（压力、速度、温度、时间）和动作顺序，准确无误地进行工作而设置的传动和控制系统。2.2.2注塑机工作过程（1）闭模与合紧注塑机的成型周期一般从模具闭合开始。模具首先低压快速进行闭合，当动模板与定模板快要接近时，合模的动力系统自动切换成低压、低速，在确认模具内无异物时，再切换成高压将模具合紧。（2）注射装置前移和注射0 注塑机结构设计与控制在确认模具达到所要求的合紧程度后，注射装置前移，使喷嘴与模具贴合，便可以向注射油缸通入压力油，则与油缸活塞杆相接的螺杆以高压、高速将头部的熔料注入模腔，此时螺杆头部作用于熔料上的压力为注射压力。注射压力和速度，以及熔料与模具的温度，决定了塑料能否充满模腔。（3）压力保持注入模腔的熔料，由于低温模具的冷却作用会产生收缩，压力保持就是对熔料保持一定的压力进行补缩，使制品致密，此时螺杆作用于熔料上的压力称为保压压力。保压时，螺杆因补缩而有少量前移。制品冷却和预塑当保压进行到模腔注入的熔料失去从浇口回流的可能性时，保压压力即可卸去，使制品冷却定型，此时螺杆在液压马达的驱动下转动，来自料斗的粒状塑料借助旋转螺杆的输送作用，不断沿螺槽向前运动。塑料在运动的过程中，由于外部加热及螺杆剪切作用发生剧烈的内摩擦，温度均匀升高，最终逐步软化成为熔融粘流状态，并不断地被输送到料筒前端。由于螺杆头部熔料压力的作用，使螺杆后退，当退至计量值时，螺杆即停止转动，准备下一次注射。（4）注射装置后退和开模顶出制品制品冷却后，合模装置升模并自行顶落制品，注塑机作业循环流程如图1-1所示图1-1注塑机工作程序框图2.2.3注塑机的基本功能注射成型机必须具备以下基本功能：①对所加工的塑料物料能实现塑化、计量并把熔融物料压入模具模腔的功能；②对成型模具能实现启闭和锁紧的功能；③对成型过程中所需的能量能实现转换、传递和控制的功能；④对成型过程及工艺条件可进行设定与调整的功能。0 注塑机结构设计与控制2.2.4本机介绍本次设计的课题是注射量为60g，合模力为500KN的可编程控制注塑机，为普通型注射成型机。合模装置采用五节点双曲轴式合模装置。往复螺杆式注射装置，采用双导轨支承、注射座移动油缸为单缸、注射油缸为单缸；一线式液压马达预塑装置。液压部件中系统压力流量用比例阀控制。电器部分采用PLC控制方案实现，能实现半自动和全自动控制。顶出、合模、注射动作为线移型位移传感器控制。床身部分为整体式床身，采用稀油润滑。0 注塑机结构设计与控制第3章注射装置3.1注射装置简介注射装置在注射成型机的工作过程中，主要实现塑化计量、注射和保压补缩三项功能。因此，在设计此装置时，应能满足下列基本要求：（1）在规定的时间内，提供一定数量的，组分和温度均匀的熔料；（2）根据塑料性能和制品结构情况，应有合适的速度和压力，将一定量的熔料注入模腔。3.2注射装置的形式目前，在注射成型机上采用的注射装置，从原理上分主要有柱塞式和预塑式两大类。其中以预塑式特别是往复螺杆式使用为最多。现在介绍一下预塑式注射装置的型式及其工作原理。对塑料的塑化和熔料注射分开进行的注射装置，统称预塑式注射装置。该装置在注射前先将已塑化的一定量的熔料存放到料筒前端（又称储料室），然后再由柱塞（或螺杆）将储存的熔料注入模腔。本次设计的注塑机采用往复螺杆式，亦称螺杆一线式，这种型式的主要特点如下：（1）结构上的特点：由于螺杆是同时具有塑化和注射两个功能，所以螺杆不仅要回转塑化，同时还要往复注射。这就需要在螺杆设计以及连接结构上，加以特殊的考虑。（2）塑料是依靠螺杆的剪切热和外加热的共同作用下，塑化成均匀的熔体。但在塑化时，因伴随着螺杆的轴向位移，故熔料温度形成的轴向温差较大，而且难以完全克服。可是，螺杆的塑化情况是可以方便地通过调整螺杆转速和背压得到调整。常用的往复螺杆式一般具有如下优点：（1）塑化能力大。这为发展高速和大型注射成型机提供了可能；（2）塑化速率快、均化好。这为注射成型扩大了加工塑料的范围。目前绝大多数的热塑性塑料（包括热敏性塑料、填充塑料等）都可用来注射成型。除此，还可直接进行染色和粉状塑料的加工；（3）0 注塑机结构设计与控制注射时压力损失小，加之塑化时均化作用好。因此，在工艺上可以用较低的塑化温度和注射压力。另外往复螺杆式还具有结构紧凑、熔料停滞分解现象少、清理料筒方便等优点。事物都是一分为二的。往复螺杆式注射装置虽有很多优点，但结构比较复杂。例如要增加螺杆传动系统。由于液压技术的发展，出现了多种型式的低转速大扭矩液压马达，可供直接驱动螺杆使用。这样，使原结构大为简化。图3-1所示，是本次设计采用的布置形式。液压马达放置在注射油缸后面，螺杆、注射油缸、液压马达三者呈一线排列的形式。图3-1注射装置3.3注射装置的设计在设计螺杆式注射装置时，一般要考虑下述几个问题：塑化部件的结构；螺杆传动与连接方式；注射和移动油缸的结构和布置；注射座往复运动和结构形式；注射座固定连接方式；螺杆的拆卸等。在这些问题中，塑化部件（料筒和螺杆）和螺杆的传动设计是主要的。因此，螺杆式注射装置的设计，主要是塑化部件和传动部件的设计。3.3.1螺杆式塑化部件螺杆式塑化部件如图3-2所示，主要由螺杆、机筒（又称料筒）、喷嘴等组成。塑料在转动螺杆的连续推进过程中，实现物理状态的变化，最后呈熔融状态而被注入模腔。因此，塑化部件是完成均匀塑化、定量注射的核心部件[2]。0 注塑机结构设计与控制图3-2螺杆式塑化部件1——喷嘴2——机筒3——螺杆螺杆式塑化部件一般具有如下特点：（1）螺杆具有塑化和注射两种功能；（2）螺杆在塑化时，对制品不发生直接的联系，仅作预塑用；（3）塑料在塑化过程中，所经历的热历程要比挤出长；（4）塑料在塑化和注射时，均要发生轴向位移，同时螺杆又处于时转时停的间歇式工作状态，因此形成了螺杆塑化过程的非稳定性。螺杆结构如下所述：（1）螺杆型式注射成型机在使用过程中，由于经常需要更换塑料品种，所拆换螺杆也就比较频繁。停机调换螺杆不仅劳动强度大，同时又会影响机器的生产。因此，设计一种适应性比较强的通用性螺杆既必要而且又是可能的。这样不仅使用中免于经常更换螺杆的麻烦，同时也会降低机器的成本。通用型螺杆的分段如图3-3所示。它的结构特点是：压缩段的长度约3～5个螺距。这样的分段，既考虑到一些非结晶型塑料，经受不了突变螺杆在压缩段高的剪切作用；同时有注意到一些结晶型塑料未经足够的预热是不能软化熔融和难以压缩的特点。图3-3通用型螺杆（2）螺杆头0 注塑机结构设计与控制为了防止注射时熔料回泄的螺杆头，采用止逆螺杆头。它的工作原理：当螺杆旋转塑化时，自螺槽出来的熔料，具有一定的压力，则将止逆环顶升。熔料经设计的通道进入螺杆前端的储料室。注射时，螺杆前移，当螺杆短部的锥台与止逆环右端锥面相遇时，便形成对熔料回泄的密封。并随储料室熔料压力的升高，密封愈加紧密，从而阻止熔料的回泄。一个良好的止逆型螺杆头结构，应该是启闭灵活、注射时熔料回泄量及其在止逆环动作区域内发热量保持在最低程度。因此，需要注意以下几点：（a）止逆环与料筒的配合要适合。过松易造成大的回泄，随之而产生高剪切流动和热解现象。反之，过紧又会影响到止逆动作的效果。其环隙一般取0.1～0.2毫米为宜，止逆环的宽度大约为止逆环直径的0.6～0.8倍；（b）螺杆头处的通流截面要适当。熔料的流通面积小，限流作用大，这会降低螺杆的塑化能力，同时熔料在滑环区也易发热，形成能量积聚，使工艺不易稳定；但是也不能过大，大了会使止逆动作迟缓，降低了止逆效果，从而影响到注出量的精度。止逆环的位移量大约取为螺杆均化段的螺槽深度；（c）启闭灵活。在设计中采用滚动球式的结构，具有启闭灵活、升压快、使用寿命长等热点；（d）止逆环是易于磨损的零件。因它容易更换，故硬度选择要低于料筒。（3）螺杆参数计算（a）螺杆直径（Ds）和行程（S）往复螺杆式的螺杆直径，应从保证注射量和塑化能力这两个条件来确定。从满足注射量要求，而计算出的螺杆直径，一般也能满足对塑化能力的要求。因此，螺杆直径先由下式计算出后，再校核其塑化能力。Ds==（3-1）式中V------机器注射量(厘米3)----注射系数，根据加工树脂的类型和螺杆结构而定，取值范围0.75～0.9s------注射行程（厘米），s=kDsk----螺杆行程与直径的比值，常取3左右，最大可到5左右，视螺杆性能而定已知机器注射量为60g，通用型螺杆的塑化能力为25公斤/时（PS）。计算螺杆直径：0 注塑机结构设计与控制设计的螺杆是用来加工热塑性塑料的，其形式为止逆结构的螺杆，故取注射系数为=0.8；为适当提高螺杆强度，取k=2.8，代入后即得：Ds===32.5cm=3.25mm（3-2）将其圆整为35mm螺杆行程：S=kDs=2.8×35=98mm(3-3)将其圆整为100mm所以S=100mm（b）螺杆长径比（L/Ds）L是螺杆螺纹部分的有效长度。螺杆长径比大，说明螺纹长度越长，直接影响到物料在螺槽中输送的热历程，影响吸收能量的能力。此能量分为两部分：一部分是料筒外面的加热圈传给的，另一部分是螺杆转动时产生的摩擦热和剪切热，由外部机械能转化。因此，L/直接影响到物料的熔化效果和熔体质量。但是如果L/太大，则传递扭矩加大，能量消耗增加。过去，L/数值在16～18；现在，由于塑料品种增加，工程塑料增多，L/已增加到19～23。（c）加料段长度（）加料段又称输送段或进料段。为提高输送能力，螺槽表面一定要光洁。的长度应保证物料有足够的输送能长度，一般=（8~9）Ds，本次设计加料段长度为：=8Ds=835=280mm（d）加料段的螺槽深度（）深，则容纳物料多，提高了供料量，但会影响物料塑化效果以及螺杆根部的剪切强度。一般（0.12~0.16）Ds。本设计取=0.14Ds=0.14ⅹ35=4.9mm（e）均化段螺纹长度（）熔体在段的螺槽中得到进一步的均化；黏度均匀，组分均匀，分子量分布均匀，形成较好的熔体质量。0 注塑机结构设计与控制长度有助于稳定熔体在螺槽中的波动，有稳定压力的作用，使物料以均匀的料量从螺杆头部挤出，所以又称计量段。一般=（4～5）Ds。本设计取=4Ds=435=140mm（f）均化段螺槽深度（）和螺杆压缩比（）均化段的螺槽深度是螺杆性能的重要参数之一，它是由加工塑料的比热、导热性、稳定性、粘度以及塑化时的压力等因素所定。小，螺槽浅，提高了塑料熔体的塑化效果，有利于熔体的均化。但过小会导致剪切速率过高，以及剪切热过大，引起大分子链的降解，影响熔体质量。反之，如果过大，由于在预塑时，螺杆背压产生的回流作用增强，会降低塑化能力。所以合适的应由压缩比来决定：ε=h1／h3(3-4)注射螺杆压缩比是指熔融段螺槽深度（）与均化段螺槽深度（）之比。压缩比大，会增强剪切效果，但回减弱塑化能力，压缩比取得小一些有利于提高塑化能力和增加对物料的适应性。通用螺杆可取2.3～2.6，本设计取=2.5。所以均化段螺槽深度：h3=h1／ε=4.9／2.5=1.96mm≈2.0mm(3-5)实际压缩比为=0.93×2.5=2.23。通常所说的压缩比大于实际压缩比。（g）塑化段（压缩段）螺纹长度（）物料在料筒中不断地受到压缩、剪切和混练作用，物料从段入点开始，熔池不断地加大，到出点处熔池已占满全螺槽，物料完成从玻璃态，经过高弹态向黏流态的转变，从固体床向熔体床的转变。长度会影响从固态到黏流态的转化历程，太短会来不及转化，固料堵塞在段的末段，形成很高的压力、扭矩或轴向力、太长也会增加螺杆的扭矩和不必要的能耗，一般=（6～8）。对于结晶型的塑料，物料熔点明显，熔融范围窄，所以可短些，=（3～4）。本设计取=4=4×35=140mm。（h）螺距（S）0 注塑机结构设计与控制螺距的大小影响螺旋角，从而影响螺槽的输送效率，一般S≈=35mm。（i）螺棱宽度（e）螺棱宽度影响螺槽的容料量、容体的漏流以及螺棱耐磨损程度，一般为（0.05～0.07）。本设计取e=0.07=0.07×35=2.5mm。（j）螺棱推力圆角（）和背面圆角（）螺棱推力圆角和背面圆角的大小影响螺槽的有效容积、物料的滞留情况以及螺棱根部的强度等，一般=e=2.5mm,=（0.3～0.5）,本设计取=0.4=0.4×2.5=1mm。（k）螺杆的强度注射螺杆处于比较恶劣的条件下工作，它不仅要承受注射时的高压，同时还要经受熔料的磨蚀作用和预热时的频繁负载启动。注射螺杆的磨损是相当严重的（特别是加工玻璃纤维增强材料），小直径螺杆疲劳断裂破坏也常有发生。这就要求选用耐磨蚀、高强度的材料。目前螺杆所用材料，大都为氮化钢（）或其它合金钢材。为了提高耐磨能力和基体金属的性能，近来也有采用在螺杆表面喷涂碳化钛和对螺杆进行离子氮化处理等技术。螺杆表面硬度65～70，氮化层深度可至0.8㎜，螺杆工作表面光洁度不低于。(m)螺杆塑化能力校核：计算螺杆转速NsNs=ν／(Dπ)=0.4×60／(0.035×3.14)=218.4r/min取通用螺杆的转速n=220r/min；均化段槽深h3=2㎜,螺距S=Ds=35mm（=17°42′）；PS塑化温度230℃时，=0.97克/厘米3；效率η=0.9，代入下式得：G=n×(3-6)=220××××0.2×0.304×0.953×0.9×0.97=672g/min=40.32kg/h计算结果表明其塑化能力符合要求。0 注塑机结构设计与控制（4）螺杆的材料与热处理方式对材质的要求：由注射过程可知，螺杆是在高温、一定腐蚀、强烈磨损、大扭矩下工作的，因此，螺杆必须：1）耐高温，高温下不变形；2）耐磨损，寿命长；3）耐腐蚀，物料具有腐蚀性；4）高强度，可承受大扭矩，高转速；5）具有良好的切削加工性能；6）热处理后残余应力小，热变形小等。目前我国常用的螺杆材料有45号钢、40Cr、氨化钢、等。热处理方式为调质、渗碳、高频淬火、镀硬铬等。材料及热处理选用：这次的设计材料选用。热处理：调质HB220—270，高频淬火HRC45—483.3.2螺杆头与止逆阀设计(1)螺杆头设计最高的压力发生在螺杆最前端的螺杆头位置，因此，从加工的观点来说，可藉由装配一个闭锁组件，避免材料回流到后面的牙部之中；此种情形在射出及保持压力阶段特别地重要。最简单的设计，就是在螺杆前端加装一个比螺杆根径大的螺杆头，由于在螺杆头及料管之间的间隙相当的小，使得压力升高且避免材料回流；而螺杆的角度在６０～９０度之间。无论如何，如果要做到完全的防止回流，那么一定要使用止逆阀才可以。这次设计采用一般适合热塑性塑料的螺杆头，实图如下。增加输出量的螺牙设计，在射出阶段时，避免材料的堆积以及防止回流。材料选用45号钢，进行调质HB220—270热处理。螺杆头的基本要求①螺杆头要灵活、光洁；②止逆环与料筒配合间隙要适宜，即要防止熔体回流，又要灵活；③既有足够的流通截面，又要保证止逆环端面有回程力，使在注射时快速封闭；④结构上应拆装方便，便于清洗；⑤螺杆头的螺纹与螺杆的螺纹方向相反，防止预塑时螺杆头松脱。0 注塑机结构设计与控制(2)止逆阀设计因为止逆阀上面有密封的组件，可藉由移动而和另外组件密合达到防止逆流的效果。防腐蚀处理，通常是镀铬或镍；而高合金钢的螺杆头也同样被使用。止逆阀是装配在螺杆最前端的组件，它最主要的功用在于射出及保持压力阶段时，防止塑料之回流。如果经由一个能够迅速关闭的断面而产生相当大的压力差，那么，这个止逆阀的功用将是最好的。在进料阶段，当熔体通过断面时，在反方向同样地有压力差，使得在有背压的状况下，塑料熔体仍然可以持续地往前输送。如果熔融塑料在通过断面时，压力上升得大时，将会对输出量产生影响，压力甚至于会使塑料破坏。一般止逆阀的设计，都会将通道截面积设计成螺杆尾端的环状通道面积的８０％以上。这次设计采用最普遍的环状止逆阀，动作原理如图2-8所示，它包含了三个部分。1-头部藉由螺纹轴和螺杆接在一起2-环座3-轴向滑动环在关闭的位置时，滑动环紧地靠在环座上，接触面系和轴成４５～６０度之锥面；在进料阶段，滑动环位于打开的位置，靠在像是散热片一样的３到４片的肋上。止逆环的材料选用45号钢，进行调质HB220—270热处理。图2-8环状止逆阀3.3.3喷嘴设计喷嘴是连接塑化装置与模具流道的重要部件，注射时，料筒内的熔料在螺杆的推动下，以高压和快速流经喷嘴嘴注入模具。因此喷嘴的结构形式、喷孔大小以及制造精度将影响熔料的压力和温度损失，射程远近、补缩作用的优劣以及是否产生“流涎"现象等。目前使用的喷嘴种类繁多，且都有其适用范围，这里只讨论用得最多三种。0 注塑机结构设计与控制(1)直通式喷嘴  这种喷嘴呈短管状，熔料流经这种喷嘴时压力和热量损失都很小，而且不易产生滞料和分解，所以其外部一般都不附设加热装置。但是由于喷嘴体较短，伸进定模板孔中的长度受到限制，因此所用模具的主流道较长。为弥补这种缺陷而加大喷嘴的长度，成为直通式喷嘴的一种改进型式，又称为延伸式喷嘴。这种喷嘴必须添设加热设置。为了滤掉熔料中的固体杂质，喷嘴中也可加设过滤网。以上两种喷嘴适用于加工高粘度的塑料，加工低粘度塑料时，会产生流涎现象。(2)自锁式喷嘴  注射过程中，为了防止熔料的流涎或回缩，需要对喷嘴通道实行暂时封锁而采用自锁式喷嘴。自锁式喷嘴中以弹簧式和针阀式最广泛，这种喷嘴是依靠弹簧压合喷嘴体内的阀芯实现自锁的。注射时，阀芯受熔料的高压而被顶开，熔型遂向模具射出。熔胶时，阀芯在弹簧作用下复位而自锁。其优点是能有效地杜绝注射低粘度塑料时的“流涎”现象，使用方便，自锁效果显著。但是，结构比较复杂，注射压力损失大，射程较短，补缩作用小，对弹簧的要求高。（3）杠杆针阀式喷嘴  这种喷嘴与自锁式喷嘴一样，也是在注射过程中对喷嘴通道实行暂时启闭的一种，它是用外在液压系统通过杠杆来控制联动机构启闭阀芯的。使用时可根据需要使纵的液压系统准确及时地开启阀芯，具有使用方便，自锁可靠，压力损失小，计量准确等优点。此外，它不使用弹簧，所以，没有更换弹簧之虑，主要缺点是结构较复杂，成本较高。 注射时，塑料熔体在螺杆的推动下，以极高的剪切速度流经射嘴而进入模腔。在这种高速剪切作用下，熔体温度快速升高。特别是对于粘度较高的PVC、PP-R、PMMA、PC、高抗冲击ABS等，过小的喷嘴孔直径会造成塑料的高温分解。而对于充模困难的薄壁精密制品，则宜用射程较远的喷嘴，对于厚壁制品则需要补塑作用好的喷嘴。另外，对于某些熔体粘度很低的塑料(如PA等)，需要使用具有防流涎功能的自锁喷嘴。在许多机器上，除了针对一般粘度的通用型喷嘴，还有自锁喷嘴、PVC喷嘴、PMMA喷嘴等特殊喷嘴可供选用，这次选用的是适合用于热塑性塑料的喷嘴。如下图2-100 注塑机结构设计与控制图2-10喷嘴结构3.3.4料筒设计(1)料筒结构料筒的结构其实就是一根中间开了下料口的圆管。这次设计的料筒基本结构如图2-11所示。图2-11料筒基本结构1-电热圈；2-螺孔；3-加料口料筒材料常用38CrMnAl,氮化处理深0.5mm,硬度Hv900～1000（2）机筒的壁厚0 注塑机结构设计与控制影响机筒壁厚的因素是多方面的，除满足强度要求外，还要充分注意到本身结构及其对成型工艺条件所带来的影响。例如，过薄的机筒虽然温升快、重量轻，但因热容量小，故难于取得稳定的温度条件。反之，厚的机筒不仅结构笨重，升温慢，而且还会因热惯性大，导致温度在调节过程中，产生比较严重的滞后现象。因此，为了使机筒具有足够的热容量和合适的热惯性，根据经验一般取机筒外径（）和内径（）之比（K）为2～2.5。表3-1部分机筒的K值螺杆直径（毫米）3442506585110130150机筒壁厚（毫米）25293547.547757560比值（K）2.472.402.402.482.102.362.151.80在初步确定机筒直径（）后，可根据机筒受力情况，按厚壁筒计算中的能量理论，校核其强度或计算壁厚机筒的总应力机筒壁厚式中——注射压力（公斤力/）——材料许用应力，——材料在工作温度下的屈服极限（公斤力/）0 注塑机结构设计与控制——安全系数，一般取2.5～3我们在这里计算机筒壁厚，螺杆直径=35㎜（即=35㎜），注射压力p=1400公斤力/，机筒材料（在300℃条件下工作，=5750公斤力/）机筒外径（取K=2.47）=2.47×35=86.45㎜将其圆整为90mm机筒壁厚===27.5mm机筒总应力=公斤力/材料许用应力=公斤力/因，故安全。（3）机筒与螺杆的配合间隙机筒与螺杆的间隙值时是设计的重要数据，间隙大了，将会使塑化能力下降和注射时熔料回泄量增加，反之，小了又会增加制造方面的困难和螺杆的功率消耗。根据实际使用情况，间隙值一般为0.002～0.005。(4)加料口加料口的结构形式直接影响进料效果和塑化部件的吃料能力，注塑机大多数靠料斗中物料的自重加料，所以这次采用最常用的对称形料口，如下图2-12所示。图2-12加料口形状(5)加热装置设计0 注塑机结构设计与控制为使机筒内的物料在某一恒定的熔融温度范围，防止物料在机筒内发生大量的化学反应，使熔体呈现出最好的流动特性，接近于固化的临界状态，因此，要对料筒进行加热。注塑机料筒的加热方式有电阻电热、陶瓷加热、铸铝加热，常用的是电阻加热和陶瓷加热，这次设计采用一般的电阻电热。料筒一般被分成几个恒温的加热区间,每个加热区间都有独立的加热器。加热器由热电阻加热线圈构成,给加热器通电则热电阻释放热量。各加热区间的温度设定值沿着料筒应有一定的温度分布。注塑塑料通过料斗进入料筒中,在螺杆的推动作用下向喷嘴移动。塑料经过每个加热区间时吸收热量温度升高达到熔融状态。注塑制品质量与料筒内熔体的质量有直接关系,为了保证熔体质量,要合理设置各区间的料筒温度设定值,并且将该区间的温度控制在一定的精度范围之内。因此在注塑过程中,料筒温度控制成为影响注塑制品质量的关键技术。这次的设计是具有4个加热区间段的注塑机。各段温度设定值如下:第一段料筒内塑料的加热温度设定值确定为180℃,第二段、第三段料筒内塑料的加热温度设定值为200℃,第四段料筒内塑料的加热温度设定值确定为190℃。在料筒温度控制系统中,控制变量为加热器提供的热量,被控变量为被加热塑料的温度。由于注塑机料筒没有设置冷却散热系统,因此塑料降温过程是完全依赖于自然散热。由于料筒的壁较厚,自然散热的速度很慢,因此塑料升温和降温过程是一个典型的非线性过程。因为各个区间加热器的加热功率不同,同时各区间段内塑料总量也不相同,因此在加热过程中,各个区间段的温度不是同步变化的,存在着温度差异,因此相邻塑料加热区间段内塑料会进行热传递,导致加热区间段之间的温度会相互影响,具有耦合性。随着温度的升高,塑料的比热容、热扩散系数、导热系数、密度等参数也都会发生变化,因此,注塑机的料筒温度对象具有多变量、非线性、强耦合、时变等特点。(6)加料斗设计加料斗是储存塑料原料的部件，也有的在加料斗上加上发热和吹风装置做成干燥料斗。加料斗的形状一般是下部圆锥形与上部圆筒形。圆锥形的锥面斜度对于不同粒度、不同颗粒形状、颗粒之间摩擦系数和粘结系数不同的塑料部有不同的最佳值。这次设计采用的锥度为50°，壁厚为3mm。材料选用45号钢，进行调质HB220—270热处理3.3.5螺杆驱动传动的连接件设计根据选择的液压马达型号，液压马达和轴之间采用联轴器进行连接，这其中还需要用到键来进行定位。0 注塑机结构设计与控制首先我们确定选用凸缘联轴器（GB/T5843-2003）型号GY5键根据液压马达的型号确定为GB/T1096键8×7×35注射油缸的密封圈采用O型密封圈GB/T3452.1-20053.3.6注射装置机架导向设计推理座:注射时，推理座通过推力轴推动螺杆进行注射；而预塑时，通过油压马达驱动推力轴带动螺杆旋转实现预塑。座移油缸：当座移油缸进油时，实现注射座的前进或后退动作，并保证注塑喷嘴与模具主浇套圆弧面紧密地接触，产生封闭熔体的注射座压力。将注射座装在与主轴平行的导柱上，机筒的轴线也与这些导柱平行，并且在同一个轴向平面上，导柱配装上活塞，液压缸在其上面运动，液压缸与注座连接，使得注座可以全过程滑动。注射油缸的工作原理是:注射油缸进油时，活塞带动活塞杆及其置于推力座内的轴承，推动螺杆前进或后退。通过活塞杆头部的螺母，可以对两个平行活塞杆的轴向位置以及注射螺杆的轴向位置进行同步调整。0 注塑机结构设计与控制第4章合模装置4.1合模装置简介合模部分位于机器床身的左侧，它由后模板、动模板、前模板、拉杆、顶出油缸等组成。后模板上的合模油缸带动合模装置使动模板在四根拉杆上移动，完成合模和启模动作。在动模板的下侧床身上，装有可调节的导轨平台，用以减少动模板与拉杆之间的磨损。本机采用的合模机构为五节点肘杆机构-液压合模，它较之于一般的机械合模机构具有扩力比大、开合模速度快、刚性好、锁模性能可靠、运动特性优良等特点，尤其是肘杆距死点越近时，动模板移动速度越慢，因此可以达到冲击力小而压力大的效果。模间距调节完毕后，根据不同的工艺要求调节锁模力。在设计时，对最大锁模力留有一定的安全余量，考虑到机器的使用寿命和安全生产，一般不易经常在锁模力最大的情况下工作，更不可将锁模力调到其允许的最大值之外。合模时，高压油进入合模油缸使油缸活塞推动杆向前移动，在肘杆和牵连杆的作用下，推动动模板在四根拉杆上向前移动，从而完成合模动作。同样，当合模油缸在高压油的作用下向后移动，完成开模动作。（1）设计中对合模装置的要求合模装置是保证成型模具可靠的闭紧和实现启闭动作及顶出制品的部件，因此，合模装置性能的好坏，直接关系到成型制品的质量和数量。一个比较完整的合模装置，应满足在规定的注射量范围内，对力、速度、安装模具与取出制品时的空间位置这几方面的要求。同时，系统要有足够的合模力和系统刚性，保证模具在熔料的压力作用下，不产生溢料现象。（2）合模机构对能耗的影响0 注塑机结构设计与控制目前由于注塑机在注射装置上普遍采用了螺杆，所以在注射参数接近的情况下，其能耗也是接近的。因此，合模装置在很大程度上决定着机器的总能耗。肘杆机构因具有力的放大作用，使用的油缸直径远小于液压式，其合模力又是以机构预变形来实现，即使卸去油泵压力，也能锁紧模具。（3）机器机构与成本肘杆式零件多，如肘杆、模板一类的零件，加工精度要求高，结构复杂，还需要单独设置调模和润滑系统。液压式虽然本身结构简单，但由于需要的液压系统和电器系统比较复杂，这样所形成的实际成本对中小型机器来说要高于肘杆式。4.2合模机构主要部件的设计及计算4.2.1肘杆机构设计根据《注塑机成型与设备维修技术问答》可知，我国国产中小型注塑机一般采用五节点双曲轴式合模装置。其具有合模力大，模板形成小等特点。在本设计中，肘杆机构设计为五节点肘杆机构。见图3-1。3-1五节点肘杆式合模机构（1）肘杆机构的特性双曲轴机构一般要比单曲轴的里放大倍数大（在变形角以内），可是双曲肘的移模力在移模行程某区域内会急剧下降。这就有可能出现开模时移模力不足的问题，因为在这区域经常需要采用机械顶出杆顶出制品。因此，在双曲轴机构设计时，固然要求在变形角度以内有大的增力倍数，但同时还要兼顾到对开模力的要求。0 注塑机结构设计与控制图1肘杆机构运动几何图图2肘杆机构各运动点的速度图（2）肘杆尺寸计算根据运动条件，杆长比λ=0.7（0.5-0.7）模板行程S=500mm，最大起始角（参照SX-ZY500型注塑机），可得：=912mm1303mm（3）机构变形力及其与机构移模力的关系0 注塑机结构设计与控制机构变形力是指肘杆机构在锁紧模具的过程中，因合模系统发生弹性变形而形成的实际预紧力。他取决月和墨系统变形量的大小。而移模力是从静力学观点研究了油缸推力经肘杆机构的放大，在模板（或模具）出产生的推力的大小。因此，肘杆机构的正常工作条件必须是：油缸的驱动力经机构放大所形成的移模力要大于机构由于变形而形成的变形阻力。4.2.2拉杆的设计计算拉杆的受力分析及尺寸设计根据拉杆的工作条件，选择制造的拉杆应有足够的强度和刚度，同时，表面要耐磨。按拉杆的工作环境，其形状应设计成圆柱体，用优质碳素钢制造。如用45号钢制造，毛坯应进行锻造，调质处理，然后精加工完成。圆柱工作面的耐磨性，表面应热处理。硬度HRC不低于45，拉杆与模板装配时，配合部分应采用H7/f7或H8/f7配合。直度允许误差不大于0.05/1000.参照SX-ZY60型注塑机，合模力=500kN,开模力为合模力的25%=125kN，(《注射成型手册》P182)F:每根拉杆的预载荷，F=45918kN，取F=4600kND：拉杆直径；由公式：T=KDF/12(《注射成型手册》P183)K：0.2（0.15～0.2）D=12T/KF=12*120/0.2*46000=0.05m=50mm考虑到拉杆轴向前后移动，成熟锁紧模具时的巨大拉伸力和支撑模板和模具作用的弯曲力，这里将拉杆直径D取50mm。4.2.3顶出装置的选择（1）顶出装置的类型及特点0 注塑机结构设计与控制合模机构中顶出装置的配备，目的是为了注塑制品的顺利脱模取出。要求这个顶出杆应有一定的顶出力，以把制品顶出成型模具。在小型注塑机只用一根顶出杆即可，在大型注塑机中，由于注塑件形状大而复杂，需要多个顶出杆工作才能是制品顺利脱模。为避免损坏制品，要求多个顶出点力要均匀，顶出杆的出入频率和移动速度要与模板开闭速度协调匹配。顶出杆的行程大小也应按模具的尺寸大小调节。顶出装置的结构有液压式和机械式。图4-2所示为液压式顶出装置。图中顶出杆的顶出力来自于液压系统的顶出油缸活塞。这种顶出杆的顶出力大小，行程距离以及工作频率容易控制顶出杆的安装比较方便，目前注塑机的顶出装置结构多用此类形式。图3-20液压式顶出机构（2）顶出装置的选择本设计参照国产SX-ZY60型注塑机，在顶出装置的选择上使用液压式顶出装置。0 注塑机结构设计与控制第五章注塑机液压系统设计5.1注射机液压系统设计要求及有关设计参数5.1.1对液压系统的要求（1）合模运动要平稳，两片模具闭合时不应有冲击；（2）当模具闭合后，合模机构应保持闭合压力，防止注射时将模具冲开。注射后，注射机构应保持注射压力，使塑料充满型腔；（3）预塑进料时，螺杆转动，料被推到螺杆前端，这时，螺杆同注射机构一起向后退，为使螺杆前端的塑料有一定的密度，注射机构必需有一定的后退阻力；（4）为保证安全生产，系统应设有安全联锁装置。5.1.2液压系统设计参数60克塑料注射机液压系统设计参数如下：螺杆直径35mm螺杆行程100mm最大注射压力153MPa螺杆驱动功率5kW螺杆转速60r/min注射座行程230mm注射座最大推力27kN最大合模力(锁模力)500kN开模力49kN动模板最大行程180mm快速闭模速度0.1m/s慢速闭模速度0.02m/s快速开模速度0.13m/s慢速开模速度0.03m/s注射速度0.07m/s注射座前进速度0.06m/s注射座后移速度0.08m/s5.2液压执行元件载荷力和载荷转矩计算5.2.1各液压缸的载荷力计算（1）合模缸的载荷力合模缸在模具闭合过程中是轻载，其外载荷主要是动模及其连动部件的起动惯性力和导轨的摩擦力。锁模时，动模停止运动，其外载荷就是给定的锁模力。开模时，液压缸除要克服给定的开模力外，还克服运动部件的摩擦阻力。0 注塑机结构设计与控制（2）注射座移动缸的载荷力座移缸在推进和退回注射座的过程中，同样要克服摩擦阻力和惯性力，只有当喷嘴接触模具时，才须满足注射座最大推力。（3）注射缸载荷力注射缸的载荷力在整个注射过程中是变化的，计算时，只须求出最大载荷力。式中，d——螺杆直径，由给定参数知：d＝0.035m；p——喷嘴处最大注射压力，已知p＝153MPa。由此求得Fw＝192kN。各液压缸的外载荷力计算结果列于表l。取液压缸的机械效率为0.9，求得相应的作用于活塞上的载荷力，并列于表5-1中。表5-1各液压缸的载荷力液压缸名称工况液压缸外载荷/kN活塞上的载荷力合模缸合模50100锁模5001000开模4955座移缸移动2.73预紧2730注射缸注射1922130 注塑机结构设计与控制5.3液压系统主要参数计算5.3.1初选系统工作压力60克塑料注射机属小型液压机，载荷最大时为锁模工况，此时，高压油用增压缸提供；其他工况时，载荷都不太高，参考设计手册，初步确定系统工作压力为6.5MPa。5.3.2计算液压缸的主要结构尺寸（1）确定合模缸的活塞及活塞杆直径合模缸最大载荷时，为锁模工况，其载荷力为1000kN，工作在活塞杆受压状态。活塞直径此时p1是由增压缸提供的增压后的进油压力，初定增压比为5，则p1＝5×6.5MPa＝32.5MPa，锁模工况时，回油流量极小，故p2≈0，求得合模缸的活塞直径为，取Dh＝0.2m。按表2—5取d/D＝0.7，则活塞杆直径dh＝0.7×0.2m＝0.14m，取dh＝0.15m。为设计简单加工方便，将增压缸的缸体与合模缸体做成一体(见图1)，增压缸的活塞直径也为0.2m。其活塞杆直径按增压比为5，求得，取dz＝0.07m。⑵注射座移动缸的活塞和活塞杆直径座移动缸最大载荷为其顶紧之时，此时缸的回油流量虽经节流阀，但流量极小，故背压视为零，则其活塞直径为0 注塑机结构设计与控制，取Dy＝0.1m由给定的设计参数知，注射座往复速比为0.08／0.06＝1.33，查表2—6得d/D＝0.5，则活塞杆直径为：dy＝0.5×0.1m＝0.05m⑶确定注射缸的活塞及活塞杆直径当液态塑料充满模具型腔时，注射缸的载荷达到最大值213kN，此时注射缸活塞移动速度也近似等于零，回油量极小；故背压力可以忽略不计，这样，取Ds＝0.22m；活塞杆的直径一般比螺杆外径大点，取ds＝0.04m。5.4液压缸的设计5.4.1液压缸主要尺寸的确定液压缸壁厚和外经的计算液压缸的壁厚由液压缸的强度条件来计算。液压缸的壁厚一般指缸筒结构中最薄处的厚度。从材料力学可知，承受内压力的圆筒，其内应力分布规律应壁厚的不同而各异。一般计算时可分为薄壁圆筒和厚壁圆筒。液压缸的内径D与其壁厚的比值的圆筒称为薄壁圆筒。工程机械的液压缸，一般用无缝钢管材料，大多属于薄壁圆筒结构，其壁厚按薄壁圆筒公式计算式中——液压缸壁厚(m)；D——液压缸内径(m)；——试验压力，一般取最大工作压力的(1.25~1.5)倍；——缸筒材料的许用应力。无缝钢管。则：在中低压液压系统中，按上式计算所得液压缸的壁厚往往很小，使缸体的刚度往往很不够，如在切削过程中的变形、安装变形等引起液压缸工作过程卡死或漏油。因此一般不作计算，按经验选取，必要时按上式进行校核。液压缸壁厚算出后，即可求出缸体的外经为为0 注塑机结构设计与控制同理夹紧与定位液压缸的壁厚与外径为：缸体外径夹紧与定位液压缸的壁厚与外径为：，2）液压缸工作行程的确定液压缸工作行程长度，可根据执行机构实际工作的最大行程来确定，并参阅<<液压系统设计简明手册>>P12表2-6中的系列尺寸来选取标准值。液压缸工作行程选夹紧与定位液压缸选3)缸盖厚度的确定一般液压缸多为平底缸盖，其有效厚度t按强度要求可用下面两式进行近似计算。无孔时有孔时式中t——缸盖有效厚度(m)；——缸盖止口内径(m)；——缸盖孔的直径(m)。液压缸：无孔时，取t=20mm有孔时，取t’=50mm夹紧与定位液压缸：无孔时，取t=17mm0 注塑机结构设计与控制有孔时：，取t’=35mm4)最小导向长度的确定当活塞杆全部外伸时，从活塞支承面中点到缸盖滑动支承面中点的距离H称为最小导向长度（如下图2所示）。如果导向长度过小，将使液压缸的初始挠度（间隙引起的挠度）增大，影响液压缸的稳定性，因此设计时必须保证有一定的最小导向长度。图2液压缸的导向长度对一般的液压缸，最小导向长度H应满足以下要求：式中L——液压缸的最大行程；D——液压缸的内径。活塞的宽度B一般取B=(0.6~10)D；缸盖滑动支承面的长度，根据液压缸内径D而定；当D<80mm时，取；当D>80mm时，取。为保证最小导向长度H，若过分增大和B都是不适宜的，必要时可在缸盖与活塞之间增加一隔套K来增加H的值。隔套的长度C由需要的最小导向长度H决定，即液压缸：最小导向长度：，取H=72mm0 注塑机结构设计与控制活塞宽度：B=0.8D=64mm缸盖滑动支承面长度：隔套长度：夹紧与定位液压缸：最小导向长度：，取H=47mm活塞宽度：B=0.8D=50.4mm，取B=50mm缸盖滑动支承面长度：隔套长度：5)缸体长度的确定液压缸缸体内部长度应等于活塞的行程与活塞的宽度之和。缸体外形长度还要考虑到两端端盖的厚度。一般液压缸缸体长度不应大于内径的20~30倍。液压缸：缸体内部长度夹紧与定位液压缸：缸体内部长度5.4.2液压缸的结构设计液压缸主要尺寸确定以后，就进行各部分的结构设计。主要包括：缸体与缸盖的连接结构、活塞与活塞杆的连接结构、活塞杆导向部分结构、密封装置、排气装置及液压缸的安装连接结构等。由于工作条件不同，结构形式也各不相同。设计时根据具体情况进行选择。1)缸体与缸盖的连接形式缸体与缸盖的连接形式与工作压力、缸体材料以及工作条件有关。本次设计中采用外半环连接，如下图3所示：0 注塑机结构设计与控制图3缸体与缸盖外半环连接方式优点：结构较简单；加工装配方便缺点：外型尺寸大；缸筒开槽，削弱了强度，需增加缸筒壁厚2)活塞杆与活塞的连接结构参阅<<液压系统设计简明手册>>P15表2-8，采用组合式结构中的螺纹连接。如下图4所示：图4活塞杆与活塞螺纹连接方式特点：结构简单，在振动的工作条件下容易松动，必须用锁紧装置。应用较多，如组合机床与工程机械上的液压缸。3)活塞杆导向部分的结构0 注塑机结构设计与控制活塞杆导向部分的结构，包括活塞杆与端盖、导向套的结构，以及密封、防尘和锁紧装置等。导向套的结构可以做成端盖整体式直接导向，也可做成与端盖分开的导向套结构。后者导向套磨损后便于更换，所以应用较普遍。导向套的位置可安装在密封圈的内侧，也可以装在外侧。机床和工程机械中一般采用装在内侧的结构，有利于导向套的润滑；而油压机常采用装在外侧的结构，在高压下工作时，使密封圈有足够的油压将唇边张开，以提高密封性能。在本次设计中，采用导向套导向的结构形式，其特点为：(1)导向套与活塞杆接触支承导向，磨损后便于更换，导向套也可用耐磨材料。(2)盖与杆的密封常采用Y形、V形密封装置。密封可靠适用于中高压液压缸。(3)防尘方式常用J形或三角形防尘装置。活塞及活塞杆处密封圈的选用活塞及活塞杆处的密封圈的选用，应根据密封的部位、使用的压力、温度、运动速度的范围不同而选择不同类型的密封圈。在本次设计中采用O形密封圈。0 注塑机结构设计与控制第六章PLC控制程序设计6.1PLC的基本概念可编程控制器(ProgrammableController)是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的。早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器(ProgrammableLogicController)，简称PLC，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展，这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称PC。但是为了避免与个人计算机(PersonalComputer)的简称混淆，所以将可编程控制器简称PLC。6.2PLC的基本结构PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，如图所示：a.中央处理单元(CPU)中央处理单元(CPU)是PLC的控制中枢。它按照PLC系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。当PLC投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。为了进一步提高PLC的可靠性，近年来对大型PLC还采用双CPU构成冗余系统，或采用三CPU的表决式系统。这样，即使某个CPU出现故障，整个系统仍能正常运行。b、存储器存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。0 注塑机结构设计与控制存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。C、电源PLC的电源在整个系统中起着十分重要的作用。如果没有一个良好的、可靠的电源系统是无法正常工作的，因此PLC的制造商对电源的设计和制造也十分重视。一般交流电压波动在+10%(+15%)范围内，可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去。6.3PLC的工作原理当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。(1)输入采样阶段在输入采样阶段PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应得单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。(2)用户程序执行阶段在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。0 注塑机结构设计与控制即，在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。(3)输出刷新阶段当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时，才是PLC的真正输出。6.4PLC机型的选择步骤与原则随着PLC技术的发展，PLC产品的种类也越来越多。不同型号的PLC，其结构形式、性能、容量、指令系统、编程方式、价格等也各有不同，适用的场合也各有侧重。因此，合理选用PLC，对于提高PLC控制系统的技术经济指标有着重要意义。PLC的选择主要应从PLC的机型、容量、I/O模块、电源模块、特殊功能模块、通信联网能力等方面加以综合考虑。6.4.1PLC机型的选择PLC机型选择的基本原则是在满足功能要求及保证可靠、维护方便的前提下，力争最佳的性能价格比。选择时主要考虑以下几点：(1)合理的结构型式PLC主要有整体式和模块式两种结构型式。整体式PLC的每一个I／O点的平均价格比模块式的便宜，且体积相对较小,一般用于系统工艺过程较为固定的小型控制系统中；而模块式PLC的功能扩展灵活方便,在I／O点数、输入点数与输出点数的比例、I／O模块的种类等方面选择余地大，且维修方便，一般于较复杂的控制系统。(2)安装方式的选择PLC系统的安装方式分为集中式、远程I／O式以及多台PLC联网的分布式。0 注塑机结构设计与控制集中式不需要设置驱动远程I／O硬件，系统反应快、成本低；远程I／O式适用于大型系统，系统的装置分布范围很广，远程I／O可以分散安装在现场装置附近，连线短，但需要增设驱动器和远程I／O电源；多台PLC联网的分布式适用于多台设备分别独立控制，又要相互联系的场合，可以选用小型PLC，但必须要附加通讯模块。(3)相应的功能要求一般小型(低档)PLC具有逻辑运算、定时、计数等功能，对于只需要开关量控制的设备都可满足。对于以开关量控制为主，带少量模拟量控制的系统，可选用能带A／D和D／A转换单元，具有加减算术运算、数据传送功能的增强型低档PLC。对于控制较复杂，要求实现PID运算、闭环控制、通信联网等功能，可视控制规模大小及复杂程度，选用中档或高档PLC。但是中、高档PLC价格较贵，一般用于大规模过程控制和集散控制系统等场合。(4)响应速度要求PLC是为工业自动化设计的通用控制器，不同档次PLC的响应速度一般都能满足其应用范围内的需要。如果要跨范围使用PLC，或者某些功能或信号有特殊的速度要求时，则应该慎重考虑PLC的响应速度，可选用具有高速I／O处理功能的PLC，或选用具有快速响应模块和中断输入模块的PLC等。（5)系统可靠性的要求对于一般系统PLC的可靠性均能满足。对可靠性要求很高的系统，应考虑是否采用冗余系统或热备用系统。(6)机型尽量统一一个企业，应尽量做到PLC的机型统一。主要考虑到以下三方面问题：１)机型统一，其模块可互为备用，便于备品备件的采购和管理。２)机型统一，其功能和使用方法类似，有利于技术力量的培训和技术水平的提高。0 注塑机结构设计与控制３)机型统一，其外部设备通用，资源可共享，易于联网通信，配上位计算机后易于形成一个多级分布式控制系统。6.4.2PLC容量的选择步骤与原则PLC的容量包括I／O点数和用户存储容量两个方面。(1)I／O点数的选择PLC平均的I／O点的价格还比较高，因此应该合理选用PLC的I／O点的数量，在满足控制要求的前提下力争使用的I／O点最少，但必须留有一定的裕量。通常I／O点数是根据被控对象的输入、输出信号的实际需要，再加上10％~15％的裕量来确定。(2)存储容量的选择用户程序所需的存储容量大小不仅与PLC系统的功能有关，而且还与功能实现的方法、程序编写水平有关。一个有经验的程序员和一个初学者，在完成同一复杂功能时，其程序量可能相差25％之多，所以对于初学者应该在存储容量估算时多留裕量。PLC的I／O点数的多少，在很大程序上反映了PLC系统的功能要求，因此可在I／O点数确定的基础上，按下式估算存储容量后，再加20％~30％的裕量。存储容量（字节）＝开关量I／O点数×10＋模拟量I／O通道数×100。另外，在存储容量选择的同时，注意对存储器的类型的选择。根据注塑机的工艺特性、控制要求及实际输入/输出点数情况,并考虑将来系统扩大功能的需要,选定PLC型号为三菱公司的FX2N-48MR。6.5注塑机PLC程序的顺序控制设计顺序控制的目的就是要完成上述介绍的工艺流程，让注塑机有条不紊地按照PLC的命令工作。工艺流程中每个工序到位的检测是通过行程开关作为传感元件的，行程开关的状态（开、关）就代表每个工序是否到位；而检测出来的状态通过光耦输入给计算机，经过逻辑运算处理后，再输出控制信号去作用于具体的阀，开闭相应的某个阀就可以让注塑机实现相应的动作。0 注塑机结构设计与控制表6-1电平变化表ABCDE备注接近开关+5V0微机读取接近开关的状态信息是反向的状态（A点）0+5V微机输出（C点+5V0+24V电磁阀（D）失电0+12V0电磁阀（D）得电表6-2行程开关的作用说明1X安全作用，关上安全门才能闭模3X模板闭紧，注射开始4X切断D1电源，移模慢速5X开模结束7X预塑停止，进行冷却9X注射完毕，开始保压位移传感器检测位移量0 注塑机结构设计与控制表6-3注射工艺与电磁阀的对应关系电磁阀注塑工艺D1D2D3D4D5D6D7D8D9接近开关状态快速闭模+++1X=1慢速闭模++4X=1注射+++++3X=1保压++++9X=1预塑+++7X=0慢速启模++4X=1快速启模+++4X=0启模停止5X=1注释“+”电磁阀得电，“1”触点接通，“0”触点断开顺序控制共用了六个接近开关，输出的控制点为九个电磁阀和一个比例流量阀及一个比例压力阀。接近开关和位移传感器的作用见表6-2。0 注塑机结构设计与控制从表6-3可看出，注塑机整个顺序控制的要求是：检测工序到位后，注塑机就应该打开相应的阀执行下一个工序，顺序控制是检测状态（接近开关）和输出状态（电磁阀）的过程[6]。6.5.1料筒温度的闭环控制在注塑机中，料筒温度控制是十分重要的。如果温度过高，料筒中的塑料会发生分解而变质；如果温度过低会使塑料塑化不良，流动性变差，制品成型不好。在注射过程中，料筒的温度是分段控制的，以便逐段加热，避免加热过分激烈，而引起塑料的粘度变化，发生填充不良现象。料筒温度分布状况如图6-4图6-4料筒温度分布图6-5耦合系统料筒外加热器采用分三段加热，每一段装一组加热线圈，有一相电源加热。在每段几何中心安装一个温度传感器检测温度，温度要求稳定在设定值附近，使偏差在℃范围内。0 注塑机结构设计与控制我们可以把料筒看作一个三输入三输出的耦合系统，系统如图6-5所示。其中第i段温度可用式(6-1)表示：i=1,2,3(6-1)每一段的温度，不仅取决于本段的设定值，而且其它段的温度对它也有一定的影响。但是由于料筒一般采用定值控制，且误差范围不大，这种影响可近似看作定植，这样系统就可简化为三个独立的单输入单输出环节。每个单输入单输出环节的对象是由加热器、料筒和熔料组成的，其传递函数从理论上推导比较复杂，可采用测试法建立其数学模型，被控对象的阶跃响应曲线如图6-6所示。根据图示曲线，用一阶惯性环节家纯迟延来拟合，则被控对象的传递函数为：（6-2）6.2.1料筒温度控制方案温变模块把由于温度变化而引起铂热电阻的变化转换成标准的点信号输出，单片机经采样电路得到该信号，然后进行A/D转换，采用PID算法求出控制量，计算机通过PWM输出控制信号，经驱动电路控制固态继电器（SSR）的直流端，通过调节给定周期中SSR的通断次数比，来控制加热线圈上的输出功率，从而达到控制温度的目的。由于采用SSR实现了强电（加热垫圈部分）与弱电（PLC部分）的光电隔离，因此系统的抗干扰能力得以增强，工作可靠性好，简化了控制及辅助装置。图6-6螺杆加热系统阶跃响应图料筒温度闭环控制框图如图6-7所示0 注塑机结构设计与控制图6-7温变闭环控制框图（1）温度传感器：热电阻传感器主要是利用温度变化时传感器电阻发生变化的原理测量温度，这种温度传感器在常温和较低温区范围内有比热电偶更高的灵敏度，常用于（-200——650℃）内的温度测量。由于注塑机的温度范围一般在200℃～400℃之间，可采用应用最为广泛的铂热电阻测温，铂热电阻的测温范围-200℃～+500℃，它在氧化性介质或高温中有较好的物理和化学稳定性，因此，利用铂金属制作的铂电阻温度传感器有较高的精度，热电偶测温范围为-200℃～+1300℃（镍铬-镍硅），对注塑机的温度范围来说，铂电阻测温也比热电偶精度高。另一方面热电偶测温时还得需要温度冷端补偿，这会增加硬件系统和软件编程的难度。热热电阻测温就较方便。铂电阻的主要技术参数有：（a）铂电阻温度与电阻的关系在-200～0℃范围内，铂电阻的电阻值与温度t的关系为式（6-3）℃）]（6-3）在0～800℃范围内，与t的关系为式（6-4）（6-4）式中——温度为t℃时的铂电阻的电阻值——0℃时铂电阻的电阻值A、B、C分别为常数，其值为：A=3.90802×/℃B=-5.802×/℃C=-4.27350×/℃满足上式的铂电阻，其温度系数为：0 注塑机结构设计与控制=3.850×/℃（b）电阻值铂电阻温度传感器的精度与铂丝的纯度有关，通常用电阻比/来衡量铂丝的纯度，其中和分别为铂电阻传感器在100℃和0℃的电阻值。IEC标准规定=1.3850。铂电阻在0℃时的电阻值分别为两种：100和10，其中，优选值为100。0℃时电阻值为10的铂电阻传感器一般用于600℃温度以上的测量。（2）温变模块温变模块的作用就是把非电量信号变换成电信号。该模块把由于温度变化而引起的铂热电阻的变化，转换成4—20mA的电流信号输出。再由I/V转换电路将电流信号转换成1～5V的电压信号，直接输入到单片机的A/D输入端。（3）固态继电器（SSR）固态继电器（SSR）是一种电子开关，无触点工作，避免了负载电流频繁通过触点造成损坏，故使用寿命长，隔离性能好；输出端与外壳间高绝缘，输入端和输出端之间采用光电隔离耦合，避免了输出功率负载对输入逻辑电路产生影响。因此SSR既有微弱控制信号的传递和转换作用，同时又起光电隔离器件的作用，避免强弱信号的串扰，从而使控制装置工作可靠，抗干扰能力强。温度控制输出由交流固态继电器完成，通过调节SSR在给定周期内，输出端导通与关断的次数比，来控制输出功率。当在SSR输入端加直流或脉冲信号时，输出端输出相对于输入端为导通或关断状态。0 注塑机结构设计与控制0'