高崇晖1，赵 震1，李玉强2，陆霓凤2，刘福强2
（1.上海交通大学模具CAD国家工程研究中心，上海200030；
2.上海赛科利汽车模具技术应用有限公司，上海 201209）
摘要：分析了多工位压力机相关部件的运动规律，提取出运动曲线数据，构建了具有等效运动的虚拟凸轮，建立了用等于模拟的多工位压力机相关部件的运动模型，用以检查模具和夹持结构在生产中的运动干涉情况，并对顶盖横梁覆盖件成形过程进行了模拟，模拟结果与实际生产一致，验证了模拟结果的有效性和可靠性。
关键词：多工位压力机；汽车覆盖件模具；运动仿真；干涉检查
1、引言
汽车覆盖件形状复杂（多为空间曲面），外形尺寸大，表面质量要求高，板料薄，土要采用拉深、胀形、弯曲、翻边、冲孔、切边等多种成形工艺生产。汽车覆盖件一般采用单机联线冲压生产线或大型多工位自动化生产线进行生产。在自动化生产过程中，既要保证工件的成形质量，又要防止工件与模具、工件与送料夹持器的干涉。在保证生产安全的前提下尽可能提高生产效率是制造企业面临的难题。虚拟制造技术的应用改善了传统的汽车覆盖件模具设计→制造→试模→改进这一方法，在设计阶段就可对模具设计进行验证和成型工艺的改进，大大提高了设计效率和产品质量[1～4]。
2、多工位压力机曲柄滑块机构运动规律
某汽车模具技术应用有限公司于2004年引进日本小松（KOMATSU）公司的20000kN多工位压力机（如图1所示）进行汽车覆盖件的生产，主要产品有4门2盖外覆盖件和车身内部焊接两大部分。20000kN多工位压力机上有4个工位，工位间采用夹持器自动送料（如图2所示），夹持器安装在两端的固定支架上跟随支架运动实现送料。夹持器在空间的3个方向运动叠加，有多种生产节拍选定。目前，模具设计人员只能参考夹持器与模具的二维干涉检查曲线，难以实时、准确地判断碰撞干涉情况。为避免碰撞发生，需要花费大量时间调试模具。随着计算机及相关技术的发展，将运动仿真技术引入覆盖件冲压生产过程已成为现代冲压工业的发展趋势[5]。
多工位压力机根据生产频率不同共有3种生产节拍：M1（18冲次/min）、M2（20冲次/min）和M3（22冲次/min），在实际生产中根据需要选取合适的生产节拍。以Ml为例（如图3所示），横轴为曲柄旋转角度（l个周期为360°），纵轴为相关部件的行程，曲线1为压机滑块行程曲线（行程为700mm），曲线2、3、4分别为夹持器前进返回（行程1200mm）、上升下降（行程200mm）、夹紧释放曲线（行程300mm）。
多工位压力机的滑块进行下降上升往复运动，每次行程完成一次冲压过程。夹持器的运动规律为：夹紧工件→取件上升→前进到下一工位→下降→释放工件→返回前一工位（如图4所示），完成送料动作。
图1 多工位压力机 图2 多工位模具和夹持器
3、运动模型建立
在生产过程中，4副模具安装在多工位压力机上，冲模的上模跟随压力机滑块运动。夹持器安装在传送横杆上，完成前进返回、上升下降、夹紧释放等动作，实现工件的自动传送。多工位压力机的相关部件运动规律前面已进行了详细分析，要实现模具的运动仿真，首先必须建立相多工位压力机相关部件的虚拟运动模型[6，7]。
图3 多工位压力机相关部件运动曲线（M1）
1、压力机滑块行程曲线 2、夹持器前进返回曲线 3、夹持器上升下降曲线 4、夹持器夹紧释放曲线
构建精确的冲压曲线模型是得到正确运动仿真结果的基础。图3运动曲线是从设备文档中得到，这些数据不能直接使用，首先要对这些曲线进行矢量化数据提取。采用ScanIt软件对这些曲线提取离散数据点（见图5），对得到的数据点进行降噪处理并重新拟合成曲线比对，以获得误差较小的数学模型。
3.2虚拟凸轮模型
多工位压力机的曲柄滑块机构和夹持器的运动过程可用等效运动的虚拟凸轮来简化，凸轮的旋转角度对应于曲柄角度，周期均为360°。选定合适的凸轮基圆直径，叠加不同时刻位移就可以得到轮廓线离散点。对数据点（xi，yi）（xi为曲柄角度，yi为滑块行程）进行坐标转换，换算成凸轮构建点的直角坐标（x，y）：
x=(yi+r)cos(xi)
y=(yi+r)sin(xi)
式中：r－凸轮基圆半径。
将所有离散点构建成封闭的曲线，就形成了凸轮的轮廓，然后再构建相应的从动杆模型（见图6）。
3.3运动副定义
几何模型构建完毕，要进行运动模型的定义[8]。多工位压力机滑块的运动较简单：凸轮旋转带动从动杆上下往复运动，分别定义凸轮和从动杆为刚体连杆，以凸轮中心为旋转轴的旋转副，上下往复运动的连杆滑动副，以平面高副建立凸轮轮廓和从动杆的约束关系，将凸轮旋转运动转化为从动杆的往复直线运动。夹持器的运动的定义与此类似，所不同的是：夹持器的运动由前进返回、上升下降、夹紧释放运动的叠加形成，3个动作分别由3组凸轮机构控制。前进返回凸轮的旋转副第二连杆为大地，上升下降凸轮的旋转副第二连杆则是前进返回凸轮机构的从动件，夹紧释放凸轮的旋转副第二连杆则是上升下降凸轮机构的从动件，因此，夹紧释放凸轮的从动杆的运动轨迹就是叠加后的夹持器的运动轨迹。
3.4工件运动规律
在实际生产中，夹持器抓取工件，前进送料，到达下一工位后，释放工件再返回，工件的运动与夹持器的运动只在某些时刻是一致的。以M1生产节拍为例，根据图4所示，工件在夹持器上升、前进、下降阶段与夹持器同步运动，其余时刻不同步运动。因此，驱动工件运动时根据这些情况做出相应的调整。
4、仿真实例
用多工位压力机生产某型号汽车的顶盖横梁，共有拉深、切边冲孔、修边冲孔和翻孔整形等4道工序（如图7所示），经过CAE分析，该工艺是可行的。
4副模具的设计和装配如图8所示，在实际生产之前，必须检查夹持器和模具之间的干涉情况。根据多工位压力机的运动模型，对模具和夹持器进行运动仿真，模拟在不同时刻相关部件所在空间位置。经过验证，夹持器和模具在运动中无干涉发生，在实际生产中，也验证了模拟结果的有效性和可靠性，节约了试模时间。
5、结束语
以多工位压力机为研究对像，应用运动仿真技术构建了几何模型和运动模型，用于对模具和夹持器的运动仿真，并对实际生产中的模具进行了测试，结果与实际生产情况相符，验证了仿真的有效性和可靠性。运动仿真技术的应用提高了模具设计质量、减少了试模时间、提高了生产效率。
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[8]胡小康.UG NX2 运动分析培训教程[M].北京：清华大学出版社，2002.
摘自——模具工业 2009年第9期
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