CN1242283A - 电机驱动的模具夹紧装置及模具夹紧方法 - Google Patents

Abstract

一种电机驱动的模具夹紧装置包括一肘关节机构以及一通过滚珠丝杠机构驱动肘关节机构的伺服电机,肘关节机构、可动盘以及固定盘被构造使得在肘关节机构中的膝曲在预定的范围内控制模具夹紧力,从而用等于或接近于额定电流的电流来驱动伺服电机,以保持模具夹紧力。一种控制模具夹紧力的方法包括:提供肘关节机构和伺服电机,以及通过肘关节机构中的膝曲来控制模具夹紧力,从而用等于或接近于额定电流的电流来驱动伺服电机。

Description

电机驱动的模具夹紧装置及模具夹紧方法

本发明涉及一种用于电机驱动的注塑机的电机驱动的模具夹紧装置的改进，以及一种改进的模具夹紧方法。

电机驱动的注塑机现在已逐步取代了液压注塑机械，并且在近几年中电机驱动的注塑机的使用已逐渐增多。这种现象的一个原因在于，与液压注塑机相比，电机驱动的注塑机由于不需要液压泵、液压管道及液压阀而结构简单。此外，用作动力源的伺服电机使得电机驱动的注塑机的控制更容易。许多情况下在注射装置中和模具夹紧方法中使用这种伺服电机。

就电机驱动的模具夹紧装置而言，常常以肘杆系统为基础。肘杆系统利用一个肘关节机构使伺服电机产生的力翻倍，然后该力借助于肘节杆传递到模具。电机驱动的模具夹紧装置的这些类型一直在变化和改进中。在日本专利公开第1-22135号中公开了一个改进了的肘动电机驱动的模具夹紧装置的例子。这种公开的电机驱动的模具夹紧装置包括一个伺服电机和一个用于检测该伺服电机的旋转位置的位置检测器。该模具夹紧装置还包括一个用于将伺服电机的旋转运动转换为直线运动的转换机构。该转换机构有一个滚珠丝杠机构。该转换机构用于驱动肘关节机构，而位置检测器则检测可动模具的位置，从而实现电机驱动的模具夹紧的控制操作。当模具夹紧时，伺服电机就被流过其内的微电流驱动。

对于肘关节机构，使用微电流的原因是为了用尽可能减小了的称为膝曲(knicking)的现象产生一个足够的夹紧力。这就提供了一个较大的肘杆放大系数并由此而容许伺服电机的输出量较小。使用上述类型的肘关节机构的电机驱动的模具夹紧装置优点在于其只需要较小的动力消耗。正如下面所要说明的，其膝曲越小，距离肘关节机构的死点的间距也就越短。

然而，较小的膝曲会在连接点和形成电机驱动的模具夹紧装置的机械部件的接触部分上产生较大的摩擦力作用。因此这会增加运转上的滞后。这样大的运动滞后对伺服电机提供的模具夹紧力的控制精度具有一种负面影响。

因此，本发明的一个目的是提高模具夹紧力的控制精度同时降低在连接点和形成电机驱动的模具夹紧装置的机械部件的接触部分上产生较大的摩擦力作用。

与本发明相应的一个电机驱动的模具夹紧装置包括一个用于推进和缩回可动盘的肘关节机构；以及一个适合于通过滚珠丝杠机构来驱动肘关节机构的驱动伺服电机。

与本发明的一个方案相应，电机驱动的模具夹紧装置是用肘关节机构中的位于预定的范围内的膝曲以及由不小于额定电流的20％的电流驱动的伺服电机来控制模具夹紧力。

一种与本发明相应的采用电机驱动方式夹紧模具的方法是通过由伺服电机运转的肘关节机构来夹紧模具。在这种方法中，模具夹紧力是受肘关节机构中位于预定范围内的膝曲及由不小于额定电流的20％的电流驱动的伺服电机控制的。

为了更完整地理解本发明，应参考下列附图：

图1所示的是应用本发明的一种电机驱动的模具夹紧装置的结构；

图2所示的是用于本发明中的模具夹紧力反馈控制系统的方块图；

图3所示的是在模具夹紧力的控制期间的滞后的特性曲线；

图4所示的是说明用于图1所示的电机驱动的模具夹紧装置中的滚珠丝杠机构的局部剖视图；

图5所示的是说明理论肘杆放大系数和肘关节机构中的膝曲K之间的关系。

图1所示的是应用本发明的一种电机驱动的模具夹紧装置。在图1中，电机驱动的模具夹紧装置包括一个固定盘11和一个肘杆支撑件12。四根连接杆13(图中只显示出两根)设置在肘杆支撑件12和固定盘11之间。一个可动盘14与固定盘11相对使得可动盘14能够沿着连接杆13自由地前进和后退。一个固定模具(图中未示出)安装在与可动盘14相对的固定盘11的表面上。同样地，一个可动模具(图中未示出)安装在与固定盘11相对的可动盘14的表面上。

在可动盘14的后端面上设有一个推杆进料装置15。推杆进料装置15用来推动推杆(未示出)以顶出被模制产品。在推杆进料装置15中，用于顶出的伺服电机16通过行程Sa推进或拉回顶杆17。

在肘杆支撑件12和可动盘14之间设置有一个肘关节机构。驱动一个用于模具夹紧的伺服电机18来推进和拉回十字头19以产生一个由肘杆放大系数放大了的模具夹紧力。该模具夹紧力被用来推进和拉回可动盘14(在图1中的右侧)以达到模具夹紧的目的。

该肘关节机构由肘节杆20和21以及肘臂22组成。肘节杆20可绕枢轴转动地支承在十字头19上。肘节杆21可绕枢轴转动地支承在肘杆支撑件12上。肘臂22可绕枢轴转动地支承在可动盘14上。肘节杆20和肘节杆21相连。肘节杆21和肘臂22相连。在伺服电机18中设置有一个旋转编码器23来检测十字头19的位置(以下将称之为十字头位置)。旋转编码器23通过直接检测伺服电机18的旋转速度来检测十字头位置。

现在，来描述膝曲的含义。假设在肘关节机构中的肘节杆21上的转轴B和肘臂22上的施力点A之间有一条线段。假定有另一条线段，该线段与上述线段AB平行，且经过肘臂22上的转轴(也就是，肘节杆21和肘臂22之间的连接点C)。这两条线段之间的间距K就被称之为膝曲或膝曲间距。因此，膝曲K越小，离肘关节机构的死点的距离就越短。

在日本专利申请号7-327017(与日本专利公开号9-164571一致)的日本专利申请中已公开了上述类型的模具夹紧装置。在该专利申请中公开的这种装置被称之为“内置式驱动型”且其一个特征是不需要用于驱动力传递的诸如皮带的附加驱动机构。

参见图4，对滚珠丝杠机构进行简要说明。伺服电机18有一个空心输出轴18-1。球状螺母18-2固定在空心输出轴18-1的端部。一个滚珠丝杠轴18-3与球状螺母18-2啮合并被插入空心输出轴18-1的空心部分。十字头19则安装在滚珠丝杠轴18-3的端部。这样，空心输出轴18-1的旋转运动就通过球状螺母18-2被转换成十字头19的往复运动。

参照图2，所示的是一个模具夹紧力反馈控制系统。在图1中所示的四根连接杆13中的任何一根上设置有一个应变仪30。应变仪30通过检测在夹紧过程中在连接杆13上施加应力而引起的形变来检测模具的夹紧力。该检测到的模具夹紧力在转换器31中被转换为十字头位置的位置量。十字头的转换位置量被供应给减法器32。减法器32计算出十字头的转换位置量的值和由设定单元(图中未示出)输入的十字头位置设定值之间的差值。减法器32将减法运算的结果作为差值信号输送给一个位置控制放大器33。该位置控制放大器33将所收到的差值信号放大成适用于速度反馈系统的信号并将它作为一个放大信号输送给减法器34。减法器34计算出放大信号和由旋转编码器23输入的速度反馈信号之间的差值。然后减法器34将减法运算的结果作为差值信号输送给一个速度放大器35。该速度放大器35将所收到的差值信号放大成适用于电流反馈系统的信号。然后速度放大器35将该放大信号经限制放大信号的上下限的限幅器36输送给减法器37。减法器37计算出由速度放大器35输送来的信号和由一个电流检测器40输入的电流反馈信号之间的差值，该电流检测器用于检测来自于电机驱动器39的输出电流。接着减法器37将计算差值信号输送给一个电流放大器38。接着电流放大器38把对伺服电机18的电流指令值输送给电机驱动器39。

如上所述，由模具夹紧力反馈控制系统控制的模具夹紧装置具有下述问题。当在肘节杆21和肘臂22几乎完全伸展的条件下进行夹紧时，也就是在最小可能的膝曲条件下，在滚珠丝杠机构中的滚珠丝杠得不到模具夹紧力的反作用力。该反作用力被肘节杆21和肘臂22承受而不是被传递到滚珠丝杠上。得不到反作用力意味着对于伺服电机18只需要一个较小的电动力。然而，较小的膝曲会在铰接点和组成模具夹紧装置的机械部件的接触部分上产生较大的摩擦力作用，这就会增加装置的运转滞后。

由于在合模操作过程中摩擦力起到了阻力作用，这种较大的运转滞后使得扭矩沿图3中的直线L1增大。另一方面，摩擦力也有助于扭矩在开模的操作过程中沿图3中的直线L2减小。结果，该扭矩就具有一个非线形的特征曲线，且控制特性就变差了。因此，当该装置的膝曲K较小时，不可能动态地控制模具夹紧力。正如前面所述，它还对由伺服电机18提供的模具夹紧力的精确控制有一个副作用。

本发明的一个特征在于模具夹紧的时间。本发明是在肘节杆21和肘臂22没有完全展开的情况下，即在具有相对较大的膝曲K的情况下，进行模具夹紧。在这种状态下，需要向伺服电机18提供足够大的电流，该电流等于或接近于电机的额定电流。尽管动力需求因此增加了，但这带来了许多重要的优点，包括：摩擦力作用降低以及更容易高精度地控制模具夹紧力，当然并不仅限于此。

下面将参照图5就理论肘杆放大系数与肘关节机构中的膝曲K之间的关系进行说明。通常，肘关节机构具有图5所示的特性。图5中，如果膝曲K接近于零，理论肘杆放大系数则趋向无穷大。这意味着，如果膝曲K是一个较小的值，即使用小于额定电流的小电流驱动伺服电机18，也能够获得一个充分的模具夹紧力。在本实施例中，所用的肘关节机构其理论肘杆放大系数在20到80之间的范围内。这是由于下述原因。如果所用的肘关节机构其理论肘杆放大系数较大，那么运转滞后就会变得较大且控制精度就会变差。当所用的肘关节机构其理论肘杆放大系数在20到80之间的范围内时，就要求用接近于额定电流的电流驱动伺服电机18。然而，由于运转滞后变得较小从而使较容易地控制模具夹紧力成为可能。

用不小于额定电流的20％的电流驱动伺服电机18。最好用至少是额定电流的70％的电流驱动伺服电机。

此外，膝曲K的值是由用于肘关节机构中的理论肘杆放大系数来确定的。如果肘关节机构中的肘节杆21和肘臂22的尺寸被改变，那么膝曲K的值也会发生变化。这意味着膝曲K的值随着肘关节机构的尺寸改变而变化。例如，膝曲K的值可以确定在预定的范围5至10毫米(mm)之内。然而，本发明并不仅限于上述范围。伺服电机18的额定输出由所需的模具夹紧力、理论肘杆放大系数以及滚珠丝杠轴18-3的导程等来确定。

尽管通过将本发明运用于内置式电机驱动的模具夹紧装置的举例方式对本发明的最佳实施例进行了说明，但本发明也可以运用于其他类型的电机驱动的模具夹紧装置。

如上所述，按照本发明，借助于在相对较大膝曲的条件下控制模具夹紧力，在降低模具夹紧装置的机械部件之间的摩擦力的副作用的同时，对模具夹紧力进行高精度地控制是可以实现的。

保持在本发明的构思和范围内的各种改进对本领域技术熟练的人员而言是显而易见的。为了确定本发明的范围，应参看随附的权利要求。

Claims (14)

1.一种电机驱动的模具夹紧装置，其特征在于，它包括：

一个用来将可动盘推向固定盘和拉回以远离固定盘的肘关节机构；以及

一个适用于借助于滚珠丝杠机构驱动所述肘关节机构的伺服电机，其中：

使肘关节机构、可动盘以及固定盘具备一定的形状以便在肘关节机构中的膝曲位于预定的范围内的条件下控制模具夹紧力，从而用不小于额定电流的20％的电流来驱动所述的伺服电机，以保持该模具夹紧力。

2.如权利要求1所述的电机驱动的模具夹紧装置，其特征在于，用至少是所述额定电流的70％的电流驱动所述伺服电机。

3.一种电机驱动的模具夹紧装置，其特征在于，它包括：

一个用来将可动盘推向固定盘和拉回以远离固定盘的肘关节机构；以及

一个适用于借助于滚珠丝杠机构驱动所述肘关节机构的伺服电机，其中：

使肘关节机构、可动盘以及固定盘具备一定的形状以便在肘关节机构中的膝曲位于预定的范围内的条件下控制模具夹紧力，从而用等于或接近于额定电流的足够大的电流来驱动所述的伺服电机，以保持该模具夹紧力。

4.如权利要求3所述的电机驱动的模具夹紧装置，其特征在于，还包括：

一个用于检测模具夹紧力的检测器，所述检测器位于模具夹紧力所施加的一个位置上；以及

一个模具夹紧力反馈控制系统，该系统借助于由所述的检测器检测到的该模具夹紧力来控制所述伺服电机，由此控制该模具夹紧力。

5.如权利要求4所述的电机驱动的模具夹紧装置，其特征在于，所述的可动盘可以沿着连接杆移动，所述的检测器位于所述的连接杆上以检测作用在其上的应变。

6.如权利要求5所述的电机驱动的模具夹紧装置，其特征在于，所述的检测器包括一个位于连接杆上的应变仪。

7.如权利要求5所述的电机驱动的模具夹紧装置，其特征在于，所述的模具夹紧力反馈控制系统包括一个用于将检测器的输出量转换成位置量的转换器；

一个第一减法器，用于从设定值中减去位置量；

一个旋转编码器，用于检测伺服电机的旋转速度，所述的旋转编码器向一个第二减法器提供一个信号，所述的第二减法器确定第一减法器的放大输出量与旋转编码器的输出信号之间的差值；

一个第三减法器计算出第二减法器的放大输出量与电机驱动电流的差值；以及

一个电机控制装置，该装置用于根据第三减法器的放大输出量来驱动伺服电机，由此控制模具夹紧力。

8.一种在具有肘关节机构的模具夹紧装置中夹紧模具的方法，其特征在于，所述方法包括以下几个步骤：

提供一个用来将可动盘推向固定盘和拉回以远离固定盘的肘关节机构；

提供一个适用于借助于滚珠丝杠机构驱动所述肘关节机构的伺服电机；

通过构造位于肘关节机构中的膝曲的一定形状在预定的范围内来控制模具夹紧力，从而用不小于额定电流的20％的电流来驱动伺服电机，由此将该模具夹紧力维持在预定值。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，用至少是所述额定电流的70％的电流驱动所述伺服电机。

10.一种在具有肘关节机构的模具夹紧装置中夹紧模具的方法，其特征在于，所述方法包括以下几个步骤：

提供一个用来将可动盘推向固定盘和拉回以远离固定盘的肘关节机构；

提供一个适用于借助于滚珠丝杠机构驱动所述肘关节机构的伺服电机；

通过构造位于肘关节机构中的膝曲的一定形状在预定的范围内来控制模具夹紧力，从而用被控制在等于或接近于额定电流的电流来驱动所述的伺服电机，由此将该模具夹紧力维持在预定值。

11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，通过向伺服电机提供反馈控制电流来完成控制模具夹紧力的步骤，所述的反馈控制是以一个所检测到的模具夹紧力和一个所检测到的伺服电机输入电流为基础。

12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述控制模具夹紧力的步骤包括一个计算肘关节机构的被驱动元件的位置的步骤，所述的反馈控制是以该被驱动元件的计算出的位置值为基础。

13.一种借助于伺服电机驱动的肘关节机构采用电机驱动方式夹紧模具的方法，其特征在于，该方法包括这样一个步骤，即用位于预定范围内的肘关节机构中的膝曲以及等于额定电流或接近于额定电流的电流驱动的伺服电机来控制模具夹紧力。

14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，控制模具夹紧力的步骤是通过模具夹紧力反馈控制系统来实现的，该系统是借助于一个模具夹紧力检测器检测到的模具夹紧力以控制所述的伺服电机，该检测器位于模具夹紧力所施加的位置上。

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