專利名稱：電機(jī)驅(qū)動的模具夾緊裝置及模具夾緊方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于電機(jī)驅(qū)動的注塑機(jī)的電機(jī)驅(qū)動的模具夾緊裝置的改進(jìn)，以及一種改進(jìn)的模具夾緊方法。
電機(jī)驅(qū)動的注塑機(jī)現(xiàn)在已逐步取代了液壓注塑機(jī)械，并且在近幾年中電機(jī)驅(qū)動的注塑機(jī)的使用已逐漸增多。這種現(xiàn)象的一個原因在于，與液壓注塑機(jī)相比，電機(jī)驅(qū)動的注塑機(jī)由于不需要液壓泵、液壓管道及液壓閥而結(jié)構(gòu)簡單。此外，用作動力源的伺服電機(jī)使得電機(jī)驅(qū)動的注塑機(jī)的控制更容易。許多情況下在注射裝置中和模具夾緊方法中使用這種伺服電機(jī)。
就電機(jī)驅(qū)動的模具夾緊裝置而言，常常以肘桿系統(tǒng)為基礎(chǔ)。肘桿系統(tǒng)利用一個肘關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)使伺服電機(jī)產(chǎn)生的力翻倍，然后該力借助于肘節(jié)桿傳遞到模具。電機(jī)驅(qū)動的模具夾緊裝置的這些類型一直在變化和改進(jìn)中。在日本專利公開第1-22135號中公開了一個改進(jìn)了的肘動電機(jī)驅(qū)動的模具夾緊裝置的例子。這種公開的電機(jī)驅(qū)動的模具夾緊裝置包括一個伺服電機(jī)和一個用于檢測該伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)位置的位置檢測器。該模具夾緊裝置還包括一個用于將伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為直線運動的轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)。該轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)有一個滾珠絲杠機(jī)構(gòu)。該轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)用于驅(qū)動肘關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)，而位置檢測器則檢測可動模具的位置，從而實現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動的模具夾緊的控制操作。當(dāng)模具夾緊時，伺服電機(jī)就被流過其內(nèi)的微電流驅(qū)動。
對于肘關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)，使用微電流的原因是為了用盡可能減小了的稱為膝曲(knicking)的現(xiàn)象產(chǎn)生一個足夠的夾緊力。這就提供了一個較大的肘桿放大系數(shù)并由此而容許伺服電機(jī)的輸出量較小。使用上述類型的肘關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)的電機(jī)驅(qū)動的模具夾緊裝置優(yōu)點在于其只需要較小的動力消耗。正如下面所要說明的，其膝曲越小，距離肘關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)的死點的間距也就越短。
然而，較小的膝曲會在連接點和形成電機(jī)驅(qū)動的模具夾緊裝置的機(jī)械部件的接觸部分上產(chǎn)生較大的摩擦力作用。因此這會增加運轉(zhuǎn)上的滯后。這樣大的運動滯后對伺服電機(jī)提供的模具夾緊力的控制精度具有一種負(fù)面影響。
因此，本發(fā)明的一個目的是提高模具夾緊力的控制精度同時降低在連接點和形成電機(jī)驅(qū)動的模具夾緊裝置的機(jī)械部件的接觸部分上產(chǎn)生較大的摩擦力作用。
與本發(fā)明相應(yīng)的一個電機(jī)驅(qū)動的模具夾緊裝置包括一個用于推進(jìn)和縮回可動盤的肘關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)；以及一個適合于通過滾珠絲杠機(jī)構(gòu)來驅(qū)動肘關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動伺服電機(jī)。
與本發(fā)明的一個方案相應(yīng)，電機(jī)驅(qū)動的模具夾緊裝置是用肘關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)中的位于預(yù)定的范圍內(nèi)的膝曲以及由不小于額定電流的20％的電流驅(qū)動的伺服電機(jī)來控制模具夾緊力。
一種與本發(fā)明相應(yīng)的采用電機(jī)驅(qū)動方式夾緊模具的方法是通過由伺服電機(jī)運轉(zhuǎn)的肘關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)來夾緊模具。在這種方法中，模具夾緊力是受肘關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)中位于預(yù)定范圍內(nèi)的膝曲及由不小于額定電流的20％的電流驅(qū)動的伺服電機(jī)控制的。
為了更完整地理解本發(fā)明，應(yīng)參考下列附圖

圖1所示的是應(yīng)用本發(fā)明的一種電機(jī)驅(qū)動的模具夾緊裝置的結(jié)構(gòu)；圖2所示的是用于本發(fā)明中的模具夾緊力反饋控制系統(tǒng)的方塊圖；圖3所示的是在模具夾緊力的控制期間的滯后的特性曲線；圖4所示的是說明用于圖1所示的電機(jī)驅(qū)動的模具夾緊裝置中的滾珠絲杠機(jī)構(gòu)的局部剖視圖；圖5所示的是說明理論肘桿放大系數(shù)和肘關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)中的膝曲K之間的關(guān)系。
圖1所示的是應(yīng)用本發(fā)明的一種電機(jī)驅(qū)動的模具夾緊裝置。在圖1中，電機(jī)驅(qū)動的模具夾緊裝置包括一個固定盤11和一個肘桿支撐件12。四根連接桿13(圖中只顯示出兩根)設(shè)置在肘桿支撐件12和固定盤11之間。一個可動盤14與固定盤11相對使得可動盤14能夠沿著連接桿13自由地前進(jìn)和后退。一個固定模具(圖中未示出)安裝在與可動盤14相對的固定盤11的表面上。同樣地，一個可動模具(圖中未示出)安裝在與固定盤11相對的可動盤14的表面上。
在可動盤14的后端面上設(shè)有一個推桿進(jìn)料裝置15。推桿進(jìn)料裝置15用來推動推桿(未示出)以頂出被模制產(chǎn)品。在推桿進(jìn)料裝置15中，用于頂出的伺服電機(jī)16通過行程Sa推進(jìn)或拉回頂桿17。
在肘桿支撐件12和可動盤14之間設(shè)置有一個肘關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)。驅(qū)動一個用于模具夾緊的伺服電機(jī)18來推進(jìn)和拉回十字頭19以產(chǎn)生一個由肘桿放大系數(shù)放大了的模具夾緊力。該模具夾緊力被用來推進(jìn)和拉回可動盤14(在圖1中的右側(cè))以達(dá)到模具夾緊的目的。
該肘關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)由肘節(jié)桿20和21以及肘臂22組成。肘節(jié)桿20可繞樞軸轉(zhuǎn)動地支承在十字頭19上。肘節(jié)桿21可繞樞軸轉(zhuǎn)動地支承在肘桿支撐件12上。肘臂22可繞樞軸轉(zhuǎn)動地支承在可動盤14上。肘節(jié)桿20和肘節(jié)桿21相連。肘節(jié)桿21和肘臂22相連。在伺服電機(jī)18中設(shè)置有一個旋轉(zhuǎn)編碼器23來檢測十字頭19的位置(以下將稱之為十字頭位置)。旋轉(zhuǎn)編碼器23通過直接檢測伺服電機(jī)18的旋轉(zhuǎn)速度來檢測十字頭位置。
現(xiàn)在，來描述膝曲的含義。假設(shè)在肘關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)中的肘節(jié)桿21上的轉(zhuǎn)軸B和肘臂22上的施力點A之間有一條線段。假定有另一條線段，該線段與上述線段AB平行，且經(jīng)過肘臂22上的轉(zhuǎn)軸(也就是，肘節(jié)桿21和肘臂22之間的連接點C)。這兩條線段之間的間距K就被稱之為膝曲或膝曲間距。因此，膝曲K越小，離肘關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)的死點的距離就越短。
在日本專利申請?zhí)?-327017(與日本專利公開號9-164571一致)的日本專利申請中已公開了上述類型的模具夾緊裝置。在該專利申請中公開的這種裝置被稱之為“內(nèi)置式驅(qū)動型”且其一個特征是不需要用于驅(qū)動力傳遞的諸如皮帶的附加驅(qū)動機(jī)構(gòu)。
參見圖4，對滾珠絲杠機(jī)構(gòu)進(jìn)行簡要說明。伺服電機(jī)18有一個空心輸出軸18-1。球狀螺母18-2固定在空心輸出軸18-1的端部。一個滾珠絲杠軸18-3與球狀螺母18-2嚙合并被插入空心輸出軸18-1的空心部分。十字頭19則安裝在滾珠絲杠軸18-3的端部。這樣，空心輸出軸18-1的旋轉(zhuǎn)運動就通過球狀螺母18-2被轉(zhuǎn)換成十字頭19的往復(fù)運動。
參照圖2，所示的是一個模具夾緊力反饋控制系統(tǒng)。在圖1中所示的四根連接桿13中的任何一根上設(shè)置有一個應(yīng)變儀30。應(yīng)變儀30通過檢測在夾緊過程中在連接桿13上施加應(yīng)力而引起的形變來檢測模具的夾緊力。該檢測到的模具夾緊力在轉(zhuǎn)換器31中被轉(zhuǎn)換為十字頭位置的位置量。十字頭的轉(zhuǎn)換位置量被供應(yīng)給減法器32。減法器32計算出十字頭的轉(zhuǎn)換位置量的值和由設(shè)定單元(圖中未示出)輸入的十字頭位置設(shè)定值之間的差值。減法器32將減法運算的結(jié)果作為差值信號輸送給一個位置控制放大器33。該位置控制放大器33將所收到的差值信號放大成適用于速度反饋系統(tǒng)的信號并將它作為一個放大信號輸送給減法器34。減法器34計算出放大信號和由旋轉(zhuǎn)編碼器23輸入的速度反饋信號之間的差值。然后減法器34將減法運算的結(jié)果作為差值信號輸送給一個速度放大器35。該速度放大器35將所收到的差值信號放大成適用于電流反饋系統(tǒng)的信號。然后速度放大器35將該放大信號經(jīng)限制放大信號的上下限的限幅器36輸送給減法器37。減法器37計算出由速度放大器35輸送來的信號和由一個電流檢測器40輸入的電流反饋信號之間的差值，該電流檢測器用于檢測來自于電機(jī)驅(qū)動器39的輸出電流。接著減法器37將計算差值信號輸送給一個電流放大器38。接著電流放大器38把對伺服電機(jī)18的電流指令值輸送給電機(jī)驅(qū)動器39。
如上所述，由模具夾緊力反饋控制系統(tǒng)控制的模具夾緊裝置具有下述問題。當(dāng)在肘節(jié)桿21和肘臂22幾乎完全伸展的條件下進(jìn)行夾緊時，也就是在最小可能的膝曲條件下，在滾珠絲杠機(jī)構(gòu)中的滾珠絲杠得不到模具夾緊力的反作用力。該反作用力被肘節(jié)桿21和肘臂22承受而不是被傳遞到滾珠絲杠上。得不到反作用力意味著對于伺服電機(jī)18只需要一個較小的電動力。然而，較小的膝曲會在鉸接點和組成模具夾緊裝置的機(jī)械部件的接觸部分上產(chǎn)生較大的摩擦力作用，這就會增加裝置的運轉(zhuǎn)滯后。
由于在合模操作過程中摩擦力起到了阻力作用，這種較大的運轉(zhuǎn)滯后使得扭矩沿圖3中的直線L1增大。另一方面，摩擦力也有助于扭矩在開模的操作過程中沿圖3中的直線L2減小。結(jié)果，該扭矩就具有一個非線形的特征曲線，且控制特性就變差了。因此，當(dāng)該裝置的膝曲K較小時，不可能動態(tài)地控制模具夾緊力。正如前面所述，它還對由伺服電機(jī)18提供的模具夾緊力的精確控制有一個副作用。
本發(fā)明的一個特征在于模具夾緊的時間。本發(fā)明是在肘節(jié)桿21和肘臂22沒有完全展開的情況下，即在具有相對較大的膝曲K的情況下，進(jìn)行模具夾緊。在這種狀態(tài)下，需要向伺服電機(jī)18提供足夠大的電流，該電流等于或接近于電機(jī)的額定電流。盡管動力需求因此增加了，但這帶來了許多重要的優(yōu)點，包括摩擦力作用降低以及更容易高精度地控制模具夾緊力，當(dāng)然并不僅限于此。
下面將參照圖5就理論肘桿放大系數(shù)與肘關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)中的膝曲K之間的關(guān)系進(jìn)行說明。通常，肘關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)具有圖5所示的特性。圖5中，如果膝曲K接近于零，理論肘桿放大系數(shù)則趨向無窮大。這意味著，如果膝曲K是一個較小的值，即使用小于額定電流的小電流驅(qū)動伺服電機(jī)18，也能夠獲得一個充分的模具夾緊力。在本實施例中，所用的肘關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)其理論肘桿放大系數(shù)在20到80之間的范圍內(nèi)。這是由于下述原因。如果所用的肘關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)其理論肘桿放大系數(shù)較大，那么運轉(zhuǎn)滯后就會變得較大且控制精度就會變差。當(dāng)所用的肘關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)其理論肘桿放大系數(shù)在20到80之間的范圍內(nèi)時，就要求用接近于額定電流的電流驅(qū)動伺服電機(jī)18。然而，由于運轉(zhuǎn)滯后變得較小從而使較容易地控制模具夾緊力成為可能。
用不小于額定電流的20％的電流驅(qū)動伺服電機(jī)18。最好用至少是額定電流的70％的電流驅(qū)動伺服電機(jī)。
此外，膝曲K的值是由用于肘關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)中的理論肘桿放大系數(shù)來確定的。如果肘關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)中的肘節(jié)桿21和肘臂22的尺寸被改變，那么膝曲K的值也會發(fā)生變化。這意味著膝曲K的值隨著肘關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)的尺寸改變而變化。例如，膝曲K的值可以確定在預(yù)定的范圍5至10毫米(mm)之內(nèi)。然而，本發(fā)明并不僅限于上述范圍。伺服電機(jī)18的額定輸出由所需的模具夾緊力、理論肘桿放大系數(shù)以及滾珠絲杠軸18-3的導(dǎo)程等來確定。
盡管通過將本發(fā)明運用于內(nèi)置式電機(jī)驅(qū)動的模具夾緊裝置的舉例方式對本發(fā)明的最佳實施例進(jìn)行了說明，但本發(fā)明也可以運用于其他類型的電機(jī)驅(qū)動的模具夾緊裝置。
如上所述，按照本發(fā)明，借助于在相對較大膝曲的條件下控制模具夾緊力，在降低模具夾緊裝置的機(jī)械部件之間的摩擦力的副作用的同時，對模具夾緊力進(jìn)行高精度地控制是可以實現(xiàn)的。
保持在本發(fā)明的構(gòu)思和范圍內(nèi)的各種改進(jìn)對本領(lǐng)域技術(shù)熟練的人員而言是顯而易見的。為了確定本發(fā)明的范圍，應(yīng)參看隨附的權(quán)利要求。
權(quán)利要求
1.一種電機(jī)驅(qū)動的模具夾緊裝置，其特征在于，它包括一個用來將可動盤推向固定盤和拉回以遠(yuǎn)離固定盤的肘關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)；以及一個適用于借助于滾珠絲杠機(jī)構(gòu)驅(qū)動所述肘關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)的伺服電機(jī)，其中使肘關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)、可動盤以及固定盤具備一定的形狀以便在肘關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)中的膝曲位于預(yù)定的范圍內(nèi)的條件下控制模具夾緊力，從而用不小于額定電流的20％的電流來驅(qū)動所述的伺服電機(jī)，以保持該模具夾緊力。
2.如權(quán)利要求1所述的電機(jī)驅(qū)動的模具夾緊裝置，其特征在于，用至少是所述額定電流的70％的電流驅(qū)動所述伺服電機(jī)。
3.一種電機(jī)驅(qū)動的模具夾緊裝置，其特征在于，它包括一個用來將可動盤推向固定盤和拉回以遠(yuǎn)離固定盤的肘關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)；以及一個適用于借助于滾珠絲杠機(jī)構(gòu)驅(qū)動所述肘關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)的伺服電機(jī)，其中使肘關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)、可動盤以及固定盤具備一定的形狀以便在肘關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)中的膝曲位于預(yù)定的范圍內(nèi)的條件下控制模具夾緊力，從而用等于或接近于額定電流的足夠大的電流來驅(qū)動所述的伺服電機(jī)，以保持該模具夾緊力。
4.如權(quán)利要求3所述的電機(jī)驅(qū)動的模具夾緊裝置，其特征在于，還包括一個用于檢測模具夾緊力的檢測器，所述檢測器位于模具夾緊力所施加的一個位置上；以及一個模具夾緊力反饋控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)借助于由所述的檢測器檢測到的該模具夾緊力來控制所述伺服電機(jī)，由此控制該模具夾緊力。
5.如權(quán)利要求4所述的電機(jī)驅(qū)動的模具夾緊裝置，其特征在于，所述的可動盤可以沿著連接桿移動，所述的檢測器位于所述的連接桿上以檢測作用在其上的應(yīng)變。
6.如權(quán)利要求5所述的電機(jī)驅(qū)動的模具夾緊裝置，其特征在于，所述的檢測器包括一個位于連接桿上的應(yīng)變儀。
7.如權(quán)利要求5所述的電機(jī)驅(qū)動的模具夾緊裝置，其特征在于，所述的模具夾緊力反饋控制系統(tǒng)包括一個用于將檢測器的輸出量轉(zhuǎn)換成位置量的轉(zhuǎn)換器；一個第一減法器，用于從設(shè)定值中減去位置量；一個旋轉(zhuǎn)編碼器，用于檢測伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度，所述的旋轉(zhuǎn)編碼器向一個第二減法器提供一個信號，所述的第二減法器確定第一減法器的放大輸出量與旋轉(zhuǎn)編碼器的輸出信號之間的差值；一個第三減法器計算出第二減法器的放大輸出量與電機(jī)驅(qū)動電流的差值；以及一個電機(jī)控制裝置，該裝置用于根據(jù)第三減法器的放大輸出量來驅(qū)動伺服電機(jī)，由此控制模具夾緊力。
8.一種在具有肘關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)的模具夾緊裝置中夾緊模具的方法，其特征在于，所述方法包括以下幾個步驟提供一個用來將可動盤推向固定盤和拉回以遠(yuǎn)離固定盤的肘關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)；提供一個適用于借助于滾珠絲杠機(jī)構(gòu)驅(qū)動所述肘關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)的伺服電機(jī)；通過構(gòu)造位于肘關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)中的膝曲的一定形狀在預(yù)定的范圍內(nèi)來控制模具夾緊力，從而用不小于額定電流的20％的電流來驅(qū)動伺服電機(jī)，由此將該模具夾緊力維持在預(yù)定值。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，用至少是所述額定電流的70％的電流驅(qū)動所述伺服電機(jī)。
10.一種在具有肘關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)的模具夾緊裝置中夾緊模具的方法，其特征在于，所述方法包括以下幾個步驟提供一個用來將可動盤推向固定盤和拉回以遠(yuǎn)離固定盤的肘關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)；提供一個適用于借助于滾珠絲杠機(jī)構(gòu)驅(qū)動所述肘關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)的伺服電機(jī)；通過構(gòu)造位于肘關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)中的膝曲的一定形狀在預(yù)定的范圍內(nèi)來控制模具夾緊力，從而用被控制在等于或接近于額定電流的電流來驅(qū)動所述的伺服電機(jī)，由此將該模具夾緊力維持在預(yù)定值。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，通過向伺服電機(jī)提供反饋控制電流來完成控制模具夾緊力的步驟，所述的反饋控制是以一個所檢測到的模具夾緊力和一個所檢測到的伺服電機(jī)輸入電流為基礎(chǔ)。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，所述控制模具夾緊力的步驟包括一個計算肘關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)的被驅(qū)動元件的位置的步驟，所述的反饋控制是以該被驅(qū)動元件的計算出的位置值為基礎(chǔ)。
13.一種借助于伺服電機(jī)驅(qū)動的肘關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)采用電機(jī)驅(qū)動方式夾緊模具的方法，其特征在于，該方法包括這樣一個步驟，即用位于預(yù)定范圍內(nèi)的肘關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)中的膝曲以及等于額定電流或接近于額定電流的電流驅(qū)動的伺服電機(jī)來控制模具夾緊力。
14.如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，控制模具夾緊力的步驟是通過模具夾緊力反饋控制系統(tǒng)來實現(xiàn)的，該系統(tǒng)是借助于一個模具夾緊力檢測器檢測到的模具夾緊力以控制所述的伺服電機(jī)，該檢測器位于模具夾緊力所施加的位置上。
全文摘要
一種電機(jī)驅(qū)動的模具夾緊裝置包括一肘關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)以及一通過滾珠絲杠機(jī)構(gòu)驅(qū)動肘關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)的伺服電機(jī),肘關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)、可動盤以及固定盤被構(gòu)造使得在肘關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)中的膝曲在預(yù)定的范圍內(nèi)控制模具夾緊力,從而用等于或接近于額定電流的電流來驅(qū)動伺服電機(jī),以保持模具夾緊力。一種控制模具夾緊力的方法包括:提供肘關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)和伺服電機(jī),以及通過肘關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)中的膝曲來控制模具夾緊力,從而用等于或接近于額定電流的電流來驅(qū)動伺服電機(jī)。
文檔編號B29C45/66GK1242283SQ99109080
公開日2000年1月26日 申請日期1999年6月18日 優(yōu)先權(quán)日1998年6月18日
發(fā)明者大西祐史 申請人:住友重機(jī)械工業(yè)株式會社