代小龍，羅勁竹，鄧在賓

（四川成飛集成科技股份有限公司，四川成都610092）

1 引言

目前汽車沖壓模具開發(fā)與產(chǎn)品開發(fā)同步化，模具結(jié)構(gòu)復(fù)雜化，模具制造周期緊張化。如果在模具制造階段出現(xiàn)結(jié)構(gòu)干涉情況，需要優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)并對模具進行返工整改，既影響模具制造周期又增加制造成本。因此，在模具結(jié)構(gòu)設(shè)計階段運用軟件進行虛擬運動仿真技術(shù)及時發(fā)現(xiàn)模具結(jié)構(gòu)中的干涉，不但可以大幅縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，降低產(chǎn)品開發(fā)成本，還能提高模具質(zhì)量，獲得最優(yōu)化的設(shè)計產(chǎn)品[1]。

常見的汽車沖壓模具運動仿真軟件主要分為兩種：一種是通用型運動仿真模塊方案，如達索CATIA中的DELMIA、DMU模塊，西門子NX中的Motion Simulation模塊，MSC的ADAMS等；另一種是針對沖壓模具的專業(yè)運動仿真軟件，如日本UEL的SolidAidMeister，山大華天的Sinovation等[2]。其它小眾沖壓仿真軟件還有西門子用于沖壓生產(chǎn)線整線運動仿真的沖壓線仿真平臺PLS（Tecnomatix Press Line Simulation）等。

通用型系統(tǒng)的優(yōu)點在于結(jié)構(gòu)設(shè)計與運動仿真同平臺，不需要數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)更新快，缺點是一般沒有考慮到模具結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，運動仿真設(shè)置操作繁瑣復(fù)雜，實際效率比較低；專業(yè)性系統(tǒng)優(yōu)點在于運動仿真設(shè)置操作簡便，缺點是需要反復(fù)格式轉(zhuǎn)換，會丟失數(shù)據(jù)的裝配關(guān)系，數(shù)據(jù)更新不及時，綜合效率也不太高。

目前已經(jīng)有不少學(xué)者研究與開發(fā)了基于CAD平臺的針對汽車沖壓模具的運動仿真系統(tǒng)，如黎慰等人利用CATIA的DMU模塊開發(fā)了基于CATIA平臺的汽車模具運動仿真系統(tǒng)[3]；肖遙等人利用NX的Motion Simulation模塊開發(fā)了基于NX平臺的自動沖壓線汽車模具運動仿真系統(tǒng)[4]；張國彬等人基于Pro/E平臺上研發(fā)了一個轎車車身沖壓生產(chǎn)線仿真系統(tǒng)[5]。

2 目的

NX軟件作為目前國內(nèi)主流的模具設(shè)計開發(fā)軟件，目前大家熟知的NX平臺的沖壓模具運動仿真解決方案比較單一，基本上都是通過NX的運動仿真模塊（Motion Simulation）來實現(xiàn)。只有少量學(xué)者研究了基于NX平臺沖壓模具運動仿真的其它解決方案。目前比較特別的方案是曹旭軍等運用NX軟件的裝配模塊和表達式功能，對某汽車翼子板修邊模各組件進行了運動模擬，成功地實現(xiàn)了運動順序及干涉的檢查[6]。

針對上述情況，本文以一組吊楔運動仿真為例，探討NX平臺的沖壓模具運動仿真的多種解決方案，并對比不同方案之間的差異，為基于NX平臺的沖壓模具運動仿真研究與應(yīng)用提供多種思路。

3 方法

選用吊楔的運動過程、吊楔在各個方向上的運動行程及參數(shù)命名如圖1所示。

圖1 吊楔運動過程及行程關(guān)系

吊楔組件在NX中分別命名：總裝配文件（CamAssembly.prt）、滑 塊（CamSlider.prt）、底 座（CamHolder.prt）、驅(qū)動座（CamDriver.prt）。

設(shè)定吊楔為100mm/s的勻速運動，Z向運動400mm后到上死點再返回下死點，整個運動周期按360劃分后，由此得到底座與滑塊運動曲線數(shù)據(jù)并保存為csv格式，以便仿真時使用。

3.1 基于運動仿真模塊

運動仿真模塊是最常規(guī)的運動仿真工具，NX集成Simcenter Motion、NX Motion、ADAMS、RecurDyn 4種求解器，可以對機構(gòu)進行運動學(xué)、靜力學(xué)和動力學(xué)分析，基本操作流程如圖2所示。

圖2 運動仿真模塊的操作流程

按順序設(shè)置連桿、運動副和運動驅(qū)動，然后進行求解便得到仿真結(jié)果，完成對吊楔的運動仿真。在設(shè)置運動驅(qū)動時，使用2D曲線的方式（注：ADAMS和RecurDyn求解器不支持），導(dǎo)入準(zhǔn)備好的吊楔運動曲線文件即可，如圖3所示。檢查干涉情況時需要先定義要檢查的對象，解算后再查看結(jié)果時，軟件能高亮干涉的對象。

圖3 運動驅(qū)動設(shè)置

3.2 基于機電概念設(shè)計模塊

機電概念設(shè)計模塊（Mechatronics Concept Designer，MCD）集成了運動仿真和力學(xué)分析的功能,通過可控的運動副約束設(shè)計好的模型，使執(zhí)行機構(gòu)按照既定計劃運動[7]。

MCD模塊機構(gòu)運動部分的基本操作流程與運動仿真模塊相似，如圖4所示，但MCD沒有單獨的解算步驟，隨時可以查看與驗證當(dāng)前設(shè)置情況。

圖4 MCD模塊的操作流程

按順序設(shè)置剛體、運動副和執(zhí)行控制器后就可以直接查看仿真結(jié)果，完成對吊楔的運動仿真。運動控制部分使用的是電子凸輪控制運動曲線來完成，如圖5所示。目前沒有專用的干涉檢查功能，如果需要檢查干涉情況，可以通過定義碰撞體并勾選高亮顯示的方式來實現(xiàn)，查看運動仿真時，軟件能高亮顯示發(fā)生碰撞的對象。

圖5 設(shè)置導(dǎo)航器及控制曲線

3.3 基于動畫設(shè)計模塊

動畫設(shè)計模塊（Animation Designer）可以模擬測試和分析機械裝配的運動過程，沒有獨立的模塊環(huán)境，需要在建模環(huán)境下使用。和MCD相似，算是MCD的精簡機械版，去掉了電氣部分，機械部分也作了精簡，基本操作流程如圖6所示。

圖6 動畫設(shè)計模塊的操作流程

按順序設(shè)置剛體、運動副和執(zhí)行控制器后就可以直接查看仿真結(jié)果，完成對吊楔的運動仿真。運動控制部分使用的是電子凸輪控制運動曲線來完成，如圖7所示。開啟碰撞檢查后查看運動仿真時，軟件會檢查所有對象的碰撞情況，能高亮干涉的對象。

圖7 設(shè)置導(dǎo)航器及控制曲線

3.4 基于沖模驗證模塊

沖模驗證模塊（Die Validation）是NX的汽車沖模3大模塊之一，其它兩個分別是沖模設(shè)計（Die Design）和沖模工程（Die Engineering）。沖模驗證可以模擬沖壓線中壓機、模具組件與鈑金零件的運動過程，與沖模驗證類似的模塊還有針對級進模的驗證模塊與針對注塑模的驗證模塊，基本操作流程如圖8所示。

圖8 沖模驗證模塊的操作流程

在加載壓床模型時能進入壓床模型設(shè)置界面，在此界面允許進行導(dǎo)入運動曲線、設(shè)置頂級部件屬性、定義操作及標(biāo)識沖壓數(shù)據(jù)信息等操作，如圖9所示，按順序完成基本設(shè)置后，就可以運動仿真查看結(jié)果，完成對吊楔的運動仿真?？梢栽谶\動仿真界面定義干涉檢查對象，如圖10所示。檢查干涉情況時需要先定義要檢查的對象，開啟碰撞檢查選項后，查看運動仿真時，軟件高亮干涉的對象。

圖9 壓床模型設(shè)置及組件安裝界面

圖10 運行仿真查看結(jié)果

3.5 基于沖壓模檢查模塊

沖壓模檢查模塊（Press Die Checker），沖模驗證模塊的升級版本，壓床模型的設(shè)置上有所不同，同樣可以模擬沖壓線中壓機、模具組件與鈑金零件的運動過程。NX12新增模塊，擁有獨立的模塊環(huán)境，在新建.Prt文件時選擇沖壓生產(chǎn)線模板就可以創(chuàng)建基本的機床模型，而沖模驗證模塊需要在建模環(huán)境下使用，基本操作流程如圖11所示。

圖11 沖壓模檢查模塊的操作流程

按順序加載壓床模型，安裝定義好各吊楔組件，如圖12所示，加載運動曲線.csv文件后，就可以運動仿真查看結(jié)果，完成對吊楔的運動仿真?？梢栽谶\動仿真界面定義干涉檢查對象，如圖13所示。檢查干涉情況時需要先定義要檢查的對象，開啟碰撞檢查選項后，查看運動仿真時，軟件高亮干涉的對象。

圖12 安裝定義吊楔組件

圖13 運行仿真查看結(jié)果

除以上方法外，借助NX提供的內(nèi)部幀變量FrameNumber的關(guān)鍵幀參數(shù)動畫方式，也可以通過設(shè)置參數(shù)驅(qū)動做出吊楔運動仿真，但由于動畫播放過程中無法自由操作視角，在模具運動仿真中不具備實用價值，因此不再探討。

4 對比與分析

通過吊楔運動仿真的應(yīng)用，對這幾種方法進行了探討研究，總結(jié)出各種方法的差異，如表1所示。

表1 5種方法對比表

5 結(jié)論

通過以上5種方法在具體吊楔運動仿真上的成功應(yīng)用，證明這5種方法都能應(yīng)用于沖壓模具運動仿真。

除了基于運動仿真模塊的方法，其它4種方法都沒有解算步驟，修改數(shù)據(jù)后能立即查看新結(jié)果，實時驗證運動過程，而且仿真數(shù)據(jù)存儲在.Prt文件中，不新增文件。目前NX12.0中的機電概念設(shè)計模塊沒有單獨的干涉檢查功能，只能通過設(shè)置碰撞體的方式查看模具結(jié)構(gòu)在運動過程中的干涉情況，期待后期版本能增加相關(guān)功能。動畫設(shè)計模塊功能簡單，無法完成復(fù)雜的空間運動，也不支持定義阻尼器，但上手容易，不需要解算和切換模塊環(huán)境，可以用于檢查單套模具多組吊楔干涉情況。沖模驗證和沖壓模檢查模塊雖然是針對沖模的專用仿真模塊，但實際使用還是與運動仿真模塊、機電概念設(shè)計模塊這些通用型解決方案一樣，存在仿真設(shè)置操作繁瑣復(fù)雜的問題。因此，需要針對沖壓模具的特性對模塊進行二次開發(fā)與封裝，才能簡化操作方便使用。