張 鑫

（蘇州泰格驅(qū)動(dòng)技術(shù)有限公司，江蘇 蘇州 215021）

當(dāng)前，對(duì)復(fù)雜面鈑金軸類(lèi)沖壓模具機(jī)械自動(dòng)化設(shè)計(jì)方法主要基于位形角參數(shù)模擬的機(jī)械自動(dòng)化設(shè)計(jì)方法、基于整機(jī)動(dòng)態(tài)模擬加工的復(fù)雜面鈑金軸類(lèi)沖壓模具機(jī)械自動(dòng)化設(shè)計(jì)方法以及基于裝配位置變換的機(jī)械自動(dòng)化設(shè)計(jì)方法等[1，2]，采用部件的剛度參數(shù)模擬和自動(dòng)化參數(shù)識(shí)別的方法，建立機(jī)床的固有模態(tài)參數(shù)識(shí)別模型。采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的方法，結(jié)合數(shù)字模擬實(shí)現(xiàn)復(fù)雜面鈑金軸類(lèi)沖壓模具機(jī)械自動(dòng)化設(shè)計(jì)，制備出高強(qiáng)度的沖壓模具材料及部件，但該方法存在韌性和硬度不高的問(wèn)題。另外，采用微觀結(jié)構(gòu)隨機(jī)性的參數(shù)分析方法進(jìn)行復(fù)雜面鈑金軸類(lèi)沖壓模具自動(dòng)化設(shè)計(jì)，在材料的參數(shù)誤差估計(jì)中具有不確定性。針對(duì)上述問(wèn)題，本文根據(jù)工業(yè)機(jī)械自動(dòng)化設(shè)計(jì)存在隨動(dòng)性大、幾何標(biāo)定誤差大等問(wèn)題，進(jìn)行設(shè)計(jì)方法改進(jìn)，提出基于接觸式隨動(dòng)測(cè)量和形位誤差測(cè)量補(bǔ)償?shù)膹?fù)雜面鈑金軸類(lèi)沖壓模具工業(yè)機(jī)械自動(dòng)化設(shè)計(jì)方法。

1 復(fù)雜面鈑金軸類(lèi)沖壓模具設(shè)計(jì)參數(shù)及動(dòng)態(tài)特性

（1）復(fù)雜面鈑金軸類(lèi)沖壓模具設(shè)計(jì)參數(shù)。為了實(shí)現(xiàn)復(fù)雜面鈑金軸類(lèi)沖壓模具機(jī)械自動(dòng)化設(shè)計(jì)，結(jié)合復(fù)雜面鈑金軸類(lèi)沖壓模具的穩(wěn)定性參數(shù)分析和固有頻率參數(shù)模擬的方法，構(gòu)建加工位姿參數(shù)分布模型，通過(guò)自動(dòng)化的參數(shù)識(shí)別，利用機(jī)床實(shí)測(cè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行機(jī)械自動(dòng)化參數(shù)設(shè)計(jì)，構(gòu)建機(jī)床動(dòng)態(tài)特性模擬模型，得到復(fù)雜面鈑金軸類(lèi)沖壓模具的機(jī)床固有模態(tài)參數(shù)分布律，表示：

其中，ρ為機(jī)械自動(dòng)化加工設(shè)計(jì)的多體系統(tǒng)，ui為雜面鈑金軸類(lèi)沖壓三軸數(shù)控參數(shù)，Sm為繞Z軸的偏擺參數(shù)，xi為機(jī)床智能體的分布誤差，結(jié)合機(jī)床模態(tài)固有頻率加工模擬和加工工件參量測(cè)定，通過(guò)徑向基參數(shù)模擬的方法，得到工業(yè)機(jī)械自動(dòng)化的動(dòng)量特征分布方程為：

式中：

表示相鄰低序體參數(shù)分布，通過(guò)偏擺誤差分析，得到各項(xiàng)幾何誤差的位移參數(shù)，通過(guò)指機(jī)床各組成環(huán)節(jié)的參數(shù)分布，得到X軸Y軸的理想幾何參數(shù)分布模型，得到復(fù)雜面鈑金軸類(lèi)沖壓模具的滾擺動(dòng)態(tài)特征分布為：

在模具開(kāi)裂情況下通過(guò)結(jié)構(gòu)沖裁和卸料板座穩(wěn)態(tài)控制，進(jìn)行復(fù)雜零件設(shè)計(jì)中的屬性表達(dá)和模型面修補(bǔ)，復(fù)雜面鈑金軸類(lèi)沖壓模具設(shè)計(jì)參數(shù)分布見(jiàn)表1。

表1 復(fù)雜面鈑金軸類(lèi)沖壓模具設(shè)計(jì)參數(shù)

根據(jù)表1所示的復(fù)雜面鈑金軸類(lèi)沖壓模具設(shè)計(jì)參數(shù)設(shè)計(jì)，根據(jù)模型中晶粒平均分布，加入適量的增強(qiáng)相顆粒進(jìn)行復(fù)雜面鈑金軸類(lèi)沖壓模具曲面優(yōu)化設(shè)計(jì)，構(gòu)建符合斷裂韌性強(qiáng)度的復(fù)雜面鈑金軸類(lèi)沖壓模硬度關(guān)系分析模型，通過(guò)有限元模擬方法，得到微觀參數(shù)分布結(jié)構(gòu)見(jiàn)表2。

表2 微觀參數(shù)分布結(jié)構(gòu)

結(jié)合表2的參數(shù)分布，采用回軸線誤差標(biāo)定算法構(gòu)建復(fù)雜面鈑金軸類(lèi)沖壓模具的接觸性測(cè)量模型，根據(jù)工件軸線的動(dòng)態(tài)參數(shù)識(shí)別，建立抗拉受力分析模型，根據(jù)后刀面磨損量的試件結(jié)構(gòu)參數(shù)分析，進(jìn)行不同切削深度下的部件優(yōu)化設(shè)計(jì)[3]。

（2）動(dòng)態(tài)特性參數(shù)分析。在復(fù)雜面鈑金軸類(lèi)沖壓模具機(jī)械自動(dòng)化設(shè)計(jì)中，采用超強(qiáng)鋼300M作為模型構(gòu)件，采用交互對(duì)象設(shè)計(jì)方法，進(jìn)行復(fù)雜面鈑金軸類(lèi)沖壓模具的等效離心載荷特征分析和荷載參數(shù)估計(jì)，得到動(dòng)態(tài)疲勞參數(shù)分析模型，在凹槽固定座上，確定疲勞破壞動(dòng)態(tài)參數(shù)，為：

在應(yīng)力損傷的累積過(guò)程中，建立復(fù)雜面鈑金軸類(lèi)沖壓模具的湍流方程為方程，表示為：

其中復(fù)雜面鈑金軸類(lèi)沖壓模具采用四面實(shí)體單元設(shè)計(jì)，湍流參數(shù)取值分別為 ：C1ε=1.44，C2ε=1.92，Cμ=0.09，σk=1.0，σε=1.3。通過(guò)激勵(lì)載荷分布，建立工業(yè)自動(dòng)化設(shè)計(jì)中的力學(xué)參數(shù)分析模型。復(fù)雜面鈑金軸類(lèi)沖壓模具的承受流體壓力分析模型，采用MAR-M247鎳基高溫合金材料作為微觀基材料，得到動(dòng)態(tài)力增益系數(shù)，有限元分析軟件ANSYS進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和邊緣結(jié)構(gòu)參數(shù)分析，結(jié)合計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的方法，得到工業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)特性參數(shù)分布見(jiàn)表3。

表3 動(dòng)態(tài)特性參數(shù)分布

2 復(fù)雜面鈑金軸類(lèi)沖壓模具設(shè)計(jì)優(yōu)化

（1）水平屈服后剛度計(jì)算。在臨界屈曲壓力參數(shù)估計(jì)中，采用弧度加工的方法，建立符合復(fù)雜面鈑金軸類(lèi)沖壓模具剛度的量化分析模型，得到加載剛度與卸載剛度的表現(xiàn)如下：①加載剛度在滿(mǎn)足2.5MPa的荷載以下，摩擦滑塊的材料能滿(mǎn)足壓力支撐，得到豎向工況參數(shù)分布；②在最大采樣頻率1200KHZ，條件下，隨著試件的不斷加載，剪應(yīng)變?cè)黾?，采用徑向循環(huán)加工的方法，提高加載控制能力；③在水平向力學(xué)性能均衡狀態(tài)分布下，通過(guò)滯回曲線分布，得到豎向屈服響應(yīng)滿(mǎn)足整體分布性，在水平應(yīng)力支撐下，得到豎向剛度的衰減分布模型。

根據(jù)工件軸線的方向進(jìn)行自動(dòng)化機(jī)械設(shè)計(jì)過(guò)程中的回轉(zhuǎn)軸線標(biāo)定，在極坐標(biāo)系下進(jìn)行參數(shù)擬合，得出復(fù)雜面鈑金軸類(lèi)沖壓模具的模型參數(shù)見(jiàn)表4。

表4 復(fù)雜面鈑金軸類(lèi)沖壓模具模型參數(shù)

復(fù)雜面鈑金軸類(lèi)沖壓模具的模型參數(shù)分布，進(jìn)行剛度計(jì)算，得到工件的水平屈服后剛度，表達(dá)式為：

其中，uxx為豎向剛度的衰減，uyy為電液伺服加載，uzz為空載狀態(tài)的壓載量。

通過(guò)上述設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜面鈑金軸類(lèi)沖壓模具的水平屈服后剛度，由此得到位移控制模型，基于最大樣本誤差分布，通過(guò)豎向和水平工況分析，得到激勵(lì)載荷的關(guān)聯(lián)性特征分布示為：

其中，ε(T)為鎳基高溫輻射率。T表示試驗(yàn)裝置上的葉片頻率，σ為焊接屈服強(qiáng)度。根據(jù)上述分析，構(gòu)建了復(fù)雜面鈑金軸類(lèi)沖壓模具剛度的力學(xué)參數(shù)解析模型，根據(jù)對(duì)力學(xué)和屈服參數(shù)模擬，進(jìn)行工業(yè)自動(dòng)化設(shè)計(jì)中的樣本回歸誤差補(bǔ)償控制。

（2）復(fù)雜面鈑金軸類(lèi)沖壓模具設(shè)計(jì)改進(jìn)實(shí)現(xiàn)。在上述進(jìn)行復(fù)雜面鈑金軸類(lèi)沖壓模具的力學(xué)參數(shù)分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)行預(yù)光順參數(shù)分析，構(gòu)建復(fù)雜面鈑金軸類(lèi)沖壓模具分析，構(gòu)建隨動(dòng)接觸測(cè)量模型，輪廓表面動(dòng)態(tài)參數(shù)模擬過(guò)程表示如下：

上式中，X表示接觸測(cè)量裝置的退化位移；θ為直線光柵的分布角度；δ表示直線光柵尺，δ為實(shí)際復(fù)雜面鈑金軸類(lèi)沖壓模具的直線光柵的速度；MP為復(fù)雜面鈑金軸類(lèi)沖壓模具的質(zhì)量；MR為凸輪輪廓表面模量。根據(jù)升程變化率中的最大值分布，采用最小二乘法局部尋優(yōu)的方法，得到復(fù)雜面鈑金軸類(lèi)沖壓模具的線性規(guī)劃模型，取sinθp=θp，cosθp=1。此時(shí)，JPδ是復(fù)雜面鈑金軸類(lèi)沖壓模具的截面抗彎剛度垂直方向軸（Y軸）的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，復(fù)雜面鈑金軸類(lèi)沖壓模具的平面?zhèn)阮^值與θP有關(guān)，在隨動(dòng)接觸測(cè)量裝置中，得到荷載-位移恢復(fù)約束函數(shù)可以表述為：

其中，xt為隨動(dòng)接觸測(cè)量裝置在t時(shí)刻的測(cè)量參數(shù)值，wt為相應(yīng)平面測(cè)頭傾角xk的權(quán)值向量。

復(fù)雜面鈑金軸類(lèi)沖壓模具在焊接熱點(diǎn)t= 0 ,1,… ,k，對(duì)應(yīng)的屈服應(yīng)力分布值Zk= {z0,z1, … ,zk}，用xk表示輪基圓段的升程誤差：{xk,yk,θk}。隨動(dòng)接觸測(cè)量的輸出系統(tǒng)描述為：

式中uk表示為運(yùn)動(dòng)狀態(tài)參數(shù)的輸入數(shù)據(jù)，比如里程計(jì)的數(shù)據(jù)。wk表示焊接過(guò)程中的噪聲。得到機(jī)器人的熱誤差測(cè)量方程為：

式中M為豎向屈服前加載構(gòu)件單元體的剛度，vk表示橡膠支座的剪切變形參數(shù)。水平屈服后剛度表達(dá)式為：

根據(jù)貝葉斯估計(jì)原理，得到復(fù)雜面鈑金軸類(lèi)沖壓模具修正后的表觀彈性模量為：

其中，zt為復(fù)雜面鈑金軸類(lèi)沖壓模具卸載剛度，ut-1為復(fù)雜面鈑金軸類(lèi)沖壓模具的屈服強(qiáng)度，xt為豎向屈服功率。在滑動(dòng)連接件處，工進(jìn)行工業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)的輸出可靠性控制，從而實(shí)現(xiàn)復(fù)雜面鈑金軸類(lèi)沖壓模具機(jī)械自動(dòng)化設(shè)計(jì)。

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試分析

為了測(cè)試本文方法在實(shí)現(xiàn)復(fù)雜面鈑金軸類(lèi)沖壓模具機(jī)械自動(dòng)化設(shè)計(jì)中的性能，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，實(shí)驗(yàn)中，設(shè)定力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表5。

表5 力學(xué)參數(shù)設(shè)定

根據(jù)表4的力學(xué)參數(shù)設(shè)定，得到面鈑金軸類(lèi)沖壓模具的輪廓分布模型如圖1所示。

圖1 面鈑金軸類(lèi)沖壓模具的輪廓分布模型

根據(jù)圖1的面鈑金軸類(lèi)沖壓模具的輪廓分布，進(jìn)行各個(gè)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)誤差參數(shù)測(cè)量，得到對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 設(shè)計(jì)誤差參數(shù)測(cè)量

分析表6得知，本文方法進(jìn)行機(jī)械自動(dòng)化設(shè)計(jì)的誤差較小，測(cè)試面鈑金軸類(lèi)沖壓模具的點(diǎn)跟蹤云圖，如圖2所示。

圖2 面鈑金軸類(lèi)沖壓模具的點(diǎn)跟蹤云圖

分析圖2得知，采用新的方法進(jìn)行復(fù)雜面鈑金軸類(lèi)沖壓模具自動(dòng)化設(shè)計(jì)，提高了設(shè)計(jì)工藝精密度，可以有效降低加工誤差，云圖點(diǎn)跟蹤性能較好。

4 結(jié)語(yǔ)

采用模型參數(shù)識(shí)別的聯(lián)動(dòng)軸參數(shù)加工優(yōu)化技術(shù)，根據(jù)機(jī)床動(dòng)態(tài)特性分析，實(shí)現(xiàn)柔性參數(shù)識(shí)別和優(yōu)化，構(gòu)建加工位姿參數(shù)分布模型，通過(guò)自動(dòng)化的參數(shù)識(shí)別，利用機(jī)床實(shí)測(cè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行機(jī)械自動(dòng)化參數(shù)設(shè)計(jì)，建立抗拉受力分析模型，根據(jù)后刀面磨損量的試件結(jié)構(gòu)參數(shù)分析，進(jìn)行不同切削深度下的部件優(yōu)化設(shè)計(jì)。研究得知，采用改進(jìn)方法進(jìn)行復(fù)雜面鈑金軸類(lèi)沖壓模具機(jī)械自動(dòng)化設(shè)計(jì)的效果較好，有效降低加工和設(shè)計(jì)的點(diǎn)跟蹤誤差。