基于NX MCD的沖壓生產(chǎn)線運(yùn)動(dòng)仿真研究

代小龍，楊 丹

（四川成飛集成科技股份有限公司，四川 成都 610092）

0 引 言

隨著國(guó)內(nèi)汽車行業(yè)的迅速發(fā)展，沖壓生產(chǎn)線的生產(chǎn)節(jié)拍要求越來(lái)越高，模具開發(fā)周期越來(lái)越短。因此，在模具設(shè)計(jì)階段對(duì)模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行虛擬運(yùn)動(dòng)仿真，及時(shí)發(fā)現(xiàn)零件干涉和自動(dòng)線匹配問(wèn)題，優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)，避免在生產(chǎn)制造階段暴露問(wèn)題，有效減少模具返工，縮短模具開發(fā)周期，降低模具開發(fā)成本，提高模具品質(zhì)。

常見(jiàn)的運(yùn)動(dòng)模擬仿真軟件有CATIA（DMU模塊）、NX（Motion模塊）、Proe（DADS/Pro模塊）、Solid-Works（Animation模塊）以及 ADMAS與 SolidAid-Meister等，除了SolidAidMeister是一款專門檢查模具零件運(yùn)動(dòng)干涉的模擬仿真軟件[1]，其他軟件模塊都屬于通用型運(yùn)動(dòng)仿真系統(tǒng)。通用型軟件系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)在于模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)仿真同平臺(tái)，不需要數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)更新迅速，缺點(diǎn)是沒(méi)有兼顧模具結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，仿真設(shè)置繁瑣，操作復(fù)雜。SolidAid-Meister軟件可對(duì)模具進(jìn)行自動(dòng)化生產(chǎn)線傳送仿真模擬和干涉檢查[2]，雖然運(yùn)動(dòng)仿真設(shè)置操作有簡(jiǎn)化，但是轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)會(huì)丟失裝配關(guān)系，每次修改數(shù)據(jù)后需要重新進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和模型設(shè)置，不便于同步設(shè)計(jì)。

為了解決通用型運(yùn)動(dòng)仿真系統(tǒng)操作繁瑣等不足，有學(xué)者開發(fā)了基于CAD軟件的汽車模具運(yùn)動(dòng)仿真系統(tǒng)，如黎慰利用CATIA的DMU模塊開發(fā)了基于CATIA平臺(tái)的汽車模具運(yùn)動(dòng)仿真系統(tǒng)[3]；肖遙等利用NX的Motion模塊開發(fā)了基于NX平臺(tái)的自動(dòng)沖壓線汽車模具運(yùn)動(dòng)仿真系統(tǒng)[4]；劉一薇等利用NX/OpenAPI在NX9.0平臺(tái)上研發(fā)一種基于NX運(yùn)動(dòng)仿真的模具動(dòng)態(tài)干涉檢查系統(tǒng)[5]。

NX平臺(tái)沖模運(yùn)動(dòng)仿真解決方案都是基于Motion模塊，依靠Motion模塊的XY函數(shù)和STEP函數(shù)控制各個(gè)部件的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，設(shè)置驅(qū)動(dòng)后進(jìn)行求解。但運(yùn)動(dòng)控制函數(shù)復(fù)雜，且每次修改數(shù)據(jù)后都需要重新求解，運(yùn)算時(shí)間長(zhǎng)，適用于單副模具或局部運(yùn)動(dòng)的檢查，且對(duì)于一些零件抓取和工序件變換等動(dòng)作實(shí)現(xiàn)困難，難以模擬整個(gè)沖壓生產(chǎn)線的運(yùn)動(dòng)過(guò)程?，F(xiàn)基于NX軟件的機(jī)電概念設(shè)計(jì)模塊建立整個(gè)沖壓生產(chǎn)線運(yùn)動(dòng)過(guò)程的仿真模型進(jìn)行研究，以實(shí)現(xiàn)多副模具同時(shí)聯(lián)動(dòng)工作及工件傳遞的運(yùn)動(dòng)過(guò)程的仿真模擬。

1 MCD模塊簡(jiǎn)介

為了滿足機(jī)械制造行業(yè)對(duì)機(jī)電一體化產(chǎn)品快速設(shè)計(jì)及虛擬仿真的需求，西門子軟件公司提出了機(jī)電一體化概念設(shè)計(jì)解決方案（mechatronics concept design，MCD)，融合了需求管理、系統(tǒng)工程、仿真建模、機(jī)械設(shè)計(jì)、電氣設(shè)計(jì)、工業(yè)自動(dòng)化、智能重用以及調(diào)試驗(yàn)證等模塊，并完善了各模塊之間的接口，使其能整合從機(jī)電產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)到產(chǎn)品制造完成階段的所有信息，可對(duì)將要開發(fā)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)一套全新的解決方案[6]。同時(shí)能實(shí)現(xiàn)多部門協(xié)同開發(fā)與調(diào)試驗(yàn)證，只需要等實(shí)物制造完成再切換到實(shí)際中進(jìn)行最后測(cè)試，提高產(chǎn)品質(zhì)量、縮短設(shè)計(jì)周期并降低制造成本，設(shè)計(jì)原理如圖1所示。

圖1 NX機(jī)電一體化概念設(shè)計(jì)原理

MCD可對(duì)一系列行為進(jìn)行仿真，涉及運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)、碰撞、驅(qū)動(dòng)器彈簧、凸輪、物料流等方面[7]，機(jī)械運(yùn)動(dòng)部分的基本操作流程與運(yùn)動(dòng)仿真模塊相似，通過(guò)定義仿真模型的運(yùn)動(dòng)剛體、運(yùn)動(dòng)副約束、控制驅(qū)動(dòng)、傳感器、控制時(shí)序等物理屬性和運(yùn)動(dòng)控制屬性實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)仿真，因此使用MCD能對(duì)沖壓生產(chǎn)線進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真。MCD模塊包含了常用的建模工具，方便用戶在不切換到建模環(huán)境下即可更改模型，其流程如圖2所示，與運(yùn)動(dòng)仿真模塊相比，MCD模塊不需要?jiǎng)?chuàng)建求解過(guò)程。

圖2 MCD運(yùn)動(dòng)仿真流程

2 沖壓生產(chǎn)線運(yùn)動(dòng)仿真過(guò)程設(shè)計(jì)

常見(jiàn)的沖壓自動(dòng)化生產(chǎn)線輸送方式有單臂橫桿式、雙臂橫桿式、共軌式、機(jī)器人傳輸式等。研究選用汽車前門內(nèi)板模具，基于MCD模塊建立前門內(nèi)板模具多工位共軌式生產(chǎn)線運(yùn)動(dòng)過(guò)程的仿真模型。

前門內(nèi)板模具一共4道工序，分別為：①拉深；②修邊沖孔；③整形；④修邊側(cè)修邊沖孔。模具運(yùn)動(dòng)過(guò)程分為2個(gè)部分：①每道工序模具的運(yùn)動(dòng)過(guò)程；②橫梁帶動(dòng)板料及工序件取放和輸送過(guò)程。生產(chǎn)線結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化后如圖3所示。

圖3 生產(chǎn)線簡(jiǎn)化圖

2.1 各工序模具運(yùn)動(dòng)過(guò)程

根據(jù)MCD運(yùn)動(dòng)仿真流程（見(jiàn)圖2）與模具自身的運(yùn)動(dòng)過(guò)程（見(jiàn)圖4、圖5），在MCD中設(shè)置工序①～工序④模具運(yùn)動(dòng)仿真模型，設(shè)置完成后得到4副模具，但不包含工序件部分的運(yùn)動(dòng)過(guò)程。

圖4 工序①模具運(yùn)動(dòng)過(guò)程

圖5 工序②～工序④模具運(yùn)動(dòng)過(guò)程

2.2 橫梁及工序件取放和輸送過(guò)程

橫梁運(yùn)動(dòng)時(shí)機(jī)械爪抓取板料，并輸送到后工序。上模下降到位后工序件變換并被橫梁繼續(xù)傳送，直到工件被送到傳輸帶裝箱，流程如圖6所示。

圖6 工序件取放與變換及輸送流程

橫梁的運(yùn)動(dòng)過(guò)程包括橫梁前進(jìn)→機(jī)械爪夾持工序件→橫梁提升→橫梁前進(jìn)送工序件至后工序→橫梁下降→機(jī)械爪釋放工序件→橫梁返回到前工序，簡(jiǎn)化后分為3個(gè)階段：①抓工序件階段；②送工序件及放工序件階段；③返回階段。橫梁的運(yùn)動(dòng)曲線如圖7所示，由4段網(wǎng)線組成，其中曲線1是機(jī)械爪進(jìn)入模具抓取工序件，曲線2是橫梁送工序件到后工序，曲線3是機(jī)械爪釋放工序件并退出，曲線4是返回初始位置。在MCD設(shè)置橫梁運(yùn)動(dòng)時(shí)，使用基于曲線的路徑約束運(yùn)動(dòng)副，在仿真序列編輯器里設(shè)置每根橫梁的運(yùn)動(dòng)邏輯關(guān)系，左右橫梁同步對(duì)稱運(yùn)動(dòng)，分開設(shè)置，通過(guò)仿真序列控制左右橫梁的同步運(yùn)動(dòng)。

圖7 運(yùn)動(dòng)曲線

把對(duì)中臺(tái)上的板料設(shè)置為對(duì)象源，可以模擬板料拆跺過(guò)程。工件輸送帶設(shè)置傳輸面可以模擬工件在傳輸帶上的運(yùn)動(dòng)過(guò)程。板料及工序件的傳遞過(guò)程是仿真運(yùn)動(dòng)模型建立的難點(diǎn)，因?yàn)樽ト『笠S橫梁運(yùn)動(dòng)，釋放后要隨模具下降和頂起或靜止在空工位上，上模下降到下止點(diǎn)時(shí)工序件需要變換為后工序工序件，然后在橫梁下個(gè)運(yùn)動(dòng)周期被抓取后繼續(xù)傳遞（見(jiàn)圖8）。

圖8 單工序模具中工序件傳遞流程

為了實(shí)現(xiàn)板料及工序件的取放、輸送和變換，在MCD中設(shè)置多個(gè)碰撞傳感器，通過(guò)傳感器信號(hào)控制其取放、輸送和變換。當(dāng)機(jī)械爪隨橫梁抓件接觸板料時(shí)，碰撞傳感器觸發(fā)，然后板料隨橫梁一起運(yùn)動(dòng)，當(dāng)橫梁把板料輸送到位時(shí)，釋放板料，板料下落到壓邊圈上后隨壓邊圈一同下降，等上模下降到位后觸發(fā)碰撞傳感器，將板料變換成工序件，工序件再隨頂件器頂起，并被橫梁傳輸?shù)较乱粋€(gè)工序。由此循環(huán)，直到最后工序的工件被傳輸?shù)絺魉蛶稀?/p>

工序件抓取動(dòng)作的實(shí)現(xiàn)需要定義碰撞感應(yīng)器，并對(duì)每組橫梁設(shè)置一個(gè)固定副，在仿真序列編輯器中通過(guò)碰撞信號(hào)控制工序件的抓取與釋放。工序件的變換動(dòng)作通過(guò)對(duì)象變換器實(shí)現(xiàn)，上模下降到位后碰撞感應(yīng)器觸發(fā)對(duì)象變換器。

通過(guò)仿真序列編輯器和各種傳感器信號(hào)控制各部件的運(yùn)動(dòng)邏輯關(guān)系，設(shè)置好所有仿真模型后得到整個(gè)沖壓生產(chǎn)線運(yùn)動(dòng)過(guò)程模型，實(shí)現(xiàn)模具與橫梁運(yùn)動(dòng)、工序件取放變換等動(dòng)作的仿真，自動(dòng)化沖壓生產(chǎn)線運(yùn)動(dòng)過(guò)程的仿真模擬如圖9所示。

圖9 仿真序列編輯器與仿真結(jié)果

3 結(jié)束語(yǔ)

基于NX MCD模塊能建立完整的自動(dòng)化沖壓生產(chǎn)線運(yùn)動(dòng)仿真模型，實(shí)現(xiàn)多副模具運(yùn)動(dòng)、板料及工序件的取放、變換、傳輸?shù)葎?dòng)作的仿真，實(shí)現(xiàn)模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)仿真同平臺(tái)，仿真結(jié)果即時(shí)解算不需要手動(dòng)解算，能實(shí)時(shí)查看仿真結(jié)果并驗(yàn)證仿真設(shè)置是否正確。設(shè)計(jì)員在更改實(shí)體數(shù)據(jù)后不需要重新設(shè)置仿真數(shù)據(jù)即可及時(shí)有效地反饋設(shè)計(jì)更改后的結(jié)果，有助于提升模具設(shè)計(jì)效率與質(zhì)量，并縮短模具設(shè)計(jì)周期。其仿真數(shù)據(jù)直接存放在對(duì)應(yīng)part文件中，總裝配文件可以讀取并重用子part文件中的仿真數(shù)據(jù)，提高重用性與仿真模型創(chuàng)建效率，控制方式多種多樣，不僅能使用運(yùn)動(dòng)曲線、速度位移等控制器、仿真序列及內(nèi)部虛擬傳感器信號(hào)等控制運(yùn)動(dòng)關(guān)系，也可以使用外部信號(hào)，如聯(lián)動(dòng)實(shí)機(jī)PLC或PLC軟件信號(hào)。

NX MCD模塊目前沒(méi)有單獨(dú)的運(yùn)動(dòng)干涉檢查功能，只能通過(guò)設(shè)置碰撞感應(yīng)器或眼睛查看模具結(jié)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的干涉情況，也無(wú)法自動(dòng)生成運(yùn)動(dòng)干涉報(bào)告，仿真模型配置數(shù)據(jù)不能導(dǎo)入和導(dǎo)出，不便于模型設(shè)置信息模板化擴(kuò)展。與運(yùn)動(dòng)仿真模塊一樣存在設(shè)置操作不簡(jiǎn)便的問(wèn)題，沒(méi)有典型的運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)模板。因此，需要針對(duì)汽車沖模的特性對(duì)模塊進(jìn)行二次開發(fā)與封裝，讓機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)定義設(shè)置能模板化，簡(jiǎn)化前臺(tái)設(shè)置操作，才能符合模具設(shè)計(jì)人員習(xí)慣，方便設(shè)計(jì)人員使用，有效地提高效率，縮短周期。