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(jìn)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(jì)階段運(yùn)用軟件進(jìn)行虛擬運(yùn)動仿真技術(shù)及時(shí)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(jì)產(chǎn)品[1]。

常見的汽車沖壓模具運(yùn)動仿真軟件主要分為兩種：一種是通用型運(yùn)動仿真模塊方案，如達(dá)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(yùn)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(yùn)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(diǎn)在于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與運(yùn)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(diǎn)是一般沒有考慮到模具結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，運(yùn)動仿真設(shè)置操作繁瑣復(fù)雜，實(shí)際效率比較低；專業(yè)性系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)在于運(yùn)動仿真設(shè)置操作簡便，缺點(diǎn)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(shí)，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(yùn)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(yùn)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(yùn)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(gè)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(jì)開發(fā)軟件，目前大家熟知的NX平臺的沖壓模具運(yùn)動仿真解決方案比較單一，基本上都是通過NX的運(yùn)動仿真模塊（Motion Simulation）來實(shí)現(xiàn)。只有少量學(xué)者研究了基于NX平臺沖壓模具運(yùn)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(yùn)用NX軟件的裝配模塊和表達(dá)式功能，對某汽車翼子板修邊模各組件進(jìn)行了運(yùn)動模擬，成功地實(shí)現(xiàn)了運(yùn)動順序及干涉的檢查[6]。

針對上述情況，本文以一組吊楔運(yùn)動仿真為例，探討NX平臺的沖壓模具運(yùn)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(yùn)動仿真研究與應(yīng)用提供多種思路。

3 方法

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

圖1 吊楔運(yùn)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(yùn)動，Z向運(yùn)動400mm后到上死點(diǎn)再返回下死點(diǎn)，整個(gè)運(yùn)動周期按360劃分后，由此得到底座與滑塊運(yùn)動曲線數(shù)據(jù)并保存為csv格式，以便仿真時(shí)使用。

3.1 基于運(yùn)動仿真模塊

運(yùn)動仿真模塊是最常規(guī)的運(yùn)動仿真工具，NX集成Simcenter Motion、NX Motion、ADAMS、RecurDyn 4種求解器，可以對機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)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(yùn)動仿真模塊的操作流程

按順序設(shè)置連桿、運(yùn)動副和運(yùn)動驅(qū)動，然后進(jìn)行求解便得到仿真結(jié)果，完成對吊楔的運(yùn)動仿真。在設(shè)置運(yùn)動驅(qū)動時(shí)，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(yùn)動曲線文件即可，如圖3所示。檢查干涉情況時(shí)需要先定義要檢查的對象，解算后再查看結(jié)果時(shí)，軟件能高亮干涉的對象。

圖3 運(yùn)動驅(qū)動設(shè)置

3.2 基于機(jī)電概念設(shè)計(jì)模塊

機(jī)電概念設(shè)計(jì)模塊（Mechatronics Concept Designer，MCD）集成了運(yùn)動仿真和力學(xué)分析的功能,通過可控的運(yùn)動副約束設(shè)計(jì)好的模型，使執(zhí)行機(jī)構(gòu)按照既定計(jì)劃運(yùn)動[7]。

MCD模塊機(jī)構(gòu)運(yùn)動部分的基本操作流程與運(yùn)動仿真模塊相似，如圖4所示，但MCD沒有單獨(dú)的解算步驟，隨時(shí)可以查看與驗(yàn)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(yùn)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(yùn)動仿真。運(yùn)動控制部分使用的是電子凸輪控制運(yùn)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(shí)現(xiàn)，查看運(yùn)動仿真時(shí)，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(jì)模塊

動畫設(shè)計(jì)模塊（Animation Designer）可以模擬測試和分析機(jī)械裝配的運(yùn)動過程，沒有獨(dú)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(jī)械版，去掉了電氣部分，機(jī)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(jì)模塊的操作流程

按順序設(shè)置剛體、運(yùn)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(yùn)動仿真。運(yùn)動控制部分使用的是電子凸輪控制運(yùn)動曲線來完成，如圖7所示。開啟碰撞檢查后查看運(yùn)動仿真時(shí)，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(yàn)證模塊

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

圖8 沖模驗(yàn)證模塊的操作流程

在加載壓床模型時(shí)能進(jìn)入壓床模型設(shè)置界面，在此界面允許進(jìn)行導(dǎo)入運(yùn)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(yùn)動仿真查看結(jié)果，完成對吊楔的運(yùn)動仿真。可以在運(yùn)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(shí)需要先定義要檢查的對象，開啟碰撞檢查選項(xiàng)后，查看運(yùn)動仿真時(shí)，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(yùn)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(yàn)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(jī)、模具組件與鈑金零件的運(yùn)動過程。NX12新增模塊，擁有獨(dú)立的模塊環(huán)境，在新建.Prt文件時(shí)選擇沖壓生產(chǎn)線模板就可以創(chuàng)建基本的機(jī)床模型，而沖模驗(yàn)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(yùn)動曲線.csv文件后，就可以運(yùn)動仿真查看結(jié)果，完成對吊楔的運(yùn)動仿真。可以在運(yùn)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(shí)需要先定義要檢查的對象，開啟碰撞檢查選項(xiàng)后，查看運(yùn)動仿真時(shí)，軟件高亮干涉的對象。

圖12 安裝定義吊楔組件

圖13 運(yùn)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(yùn)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(yùn)動仿真中不具備實(shí)用價(jià)值，因此不再探討。

4 對比與分析

通過吊楔運(yùn)動仿真的應(yīng)用，對這幾種方法進(jìn)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(yùn)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(yùn)動仿真。

除了基于運(yùn)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(shí)時(shí)驗(yàn)證運(yùn)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(jī)電概念設(shè)計(jì)模塊沒有單獨(dú)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(yùn)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(jì)模塊功能簡單，無法完成復(fù)雜的空間運(yùn)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(yàn)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(shí)際使用還是與運(yùn)動仿真模塊、機(jī)電概念設(shè)計(jì)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(jìn)行二次開發(fā)與封裝，才能簡化操作方便使用。