基于NX MCD的冲压生产线运动仿真研究

代小龙，杨 丹

（四川成飞集成科技股份有限公司，四川 成都 610092）

0 引 言

随着国内汽车行业的迅速发展，冲压生产线的生产节拍要求越来越高，模具开发周期越来越短。因此，在模具设计阶段对模具结构进行虚拟运动仿真，及时发现零件干涉和自动线匹配问题，优化模具结构，避免在生产制造阶段暴露问题，有效减少模具返工，缩短模具开发周期，降低模具开发成本，提高模具品质。

常见的运动模拟仿真软件有CATIA（DMU模块）、NX（Motion模块）、Proe（DADS/Pro模块）、Solid-Works（Animation模块）以及 ADMAS与 SolidAid-Meister等，除了SolidAidMeister是一款专门检查模具零件运动干涉的模拟仿真软件[1]，其他软件模块都属于通用型运动仿真系统。通用型软件系统的优势在于模具结构设计与运动仿真同平台，不需要数据转换，数据更新迅速，缺点是没有兼顾模具结构的复杂性，仿真设置繁琐，操作复杂。SolidAid-Meister软件可对模具进行自动化生产线传送仿真模拟和干涉检查[2]，虽然运动仿真设置操作有简化，但是转换数据会丢失装配关系，每次修改数据后需要重新进行数据转换和模型设置，不便于同步设计。

为了解决通用型运动仿真系统操作繁琐等不足，有学者开发了基于CAD软件的汽车模具运动仿真系统，如黎慰利用CATIA的DMU模块开发了基于CATIA平台的汽车模具运动仿真系统[3]；肖遥等利用NX的Motion模块开发了基于NX平台的自动冲压线汽车模具运动仿真系统[4]；刘一薇等利用NX/OpenAPI在NX9.0平台上研发一种基于NX运动仿真的模具动态干涉检查系统[5]。

NX平台冲模运动仿真解决方案都是基于Motion模块，依靠Motion模块的XY函数和STEP函数控制各个部件的运动关系，设置驱动后进行求解。但运动控制函数复杂，且每次修改数据后都需要重新求解，运算时间长，适用于单副模具或局部运动的检查，且对于一些零件抓取和工序件变换等动作实现困难，难以模拟整个冲压生产线的运动过程。现基于NX软件的机电概念设计模块建立整个冲压生产线运动过程的仿真模型进行研究，以实现多副模具同时联动工作及工件传递的运动过程的仿真模拟。

1 MCD模块简介

为了满足机械制造行业对机电一体化产品快速设计及虚拟仿真的需求，西门子软件公司提出了机电一体化概念设计解决方案（mechatronics concept design，MCD)，融合了需求管理、系统工程、仿真建模、机械设计、电气设计、工业自动化、智能重用以及调试验证等模块，并完善了各模块之间的接口，使其能整合从机电产品概念设计到产品制造完成阶段的所有信息，可对将要开发的产品设计一套全新的解决方案[6]。同时能实现多部门协同开发与调试验证，只需要等实物制造完成再切换到实际中进行最后测试，提高产品质量、缩短设计周期并降低制造成本，设计原理如图1所示。

图1 NX机电一体化概念设计原理

MCD可对一系列行为进行仿真，涉及运动学、动力学、碰撞、驱动器弹簧、凸轮、物料流等方面[7]，机械运动部分的基本操作流程与运动仿真模块相似，通过定义仿真模型的运动刚体、运动副约束、控制驱动、传感器、控制时序等物理属性和运动控制属性实现运动仿真，因此使用MCD能对冲压生产线进行运动仿真。MCD模块包含了常用的建模工具，方便用户在不切换到建模环境下即可更改模型，其流程如图2所示，与运动仿真模块相比，MCD模块不需要创建求解过程。

图2 MCD运动仿真流程

2 冲压生产线运动仿真过程设计

常见的冲压自动化生产线输送方式有单臂横杆式、双臂横杆式、共轨式、机器人传输式等。研究选用汽车前门内板模具，基于MCD模块建立前门内板模具多工位共轨式生产线运动过程的仿真模型。

前门内板模具一共4道工序，分别为：①拉深；②修边冲孔；③整形；④修边侧修边冲孔。模具运动过程分为2个部分：①每道工序模具的运动过程；②横梁带动板料及工序件取放和输送过程。生产线结构简化后如图3所示。

图3 生产线简化图

2.1 各工序模具运动过程

根据MCD运动仿真流程（见图2）与模具自身的运动过程（见图4、图5），在MCD中设置工序①～工序④模具运动仿真模型，设置完成后得到4副模具，但不包含工序件部分的运动过程。

图4 工序①模具运动过程

图5 工序②～工序④模具运动过程

2.2 横梁及工序件取放和输送过程

横梁运动时机械爪抓取板料，并输送到后工序。上模下降到位后工序件变换并被横梁继续传送，直到工件被送到传输带装箱，流程如图6所示。

图6 工序件取放与变换及输送流程

横梁的运动过程包括横梁前进→机械爪夹持工序件→横梁提升→横梁前进送工序件至后工序→横梁下降→机械爪释放工序件→横梁返回到前工序，简化后分为3个阶段：①抓工序件阶段；②送工序件及放工序件阶段；③返回阶段。横梁的运动曲线如图7所示，由4段网线组成，其中曲线1是机械爪进入模具抓取工序件，曲线2是横梁送工序件到后工序，曲线3是机械爪释放工序件并退出，曲线4是返回初始位置。在MCD设置横梁运动时，使用基于曲线的路径约束运动副，在仿真序列编辑器里设置每根横梁的运动逻辑关系，左右横梁同步对称运动，分开设置，通过仿真序列控制左右横梁的同步运动。

图7 运动曲线

把对中台上的板料设置为对象源，可以模拟板料拆跺过程。工件输送带设置传输面可以模拟工件在传输带上的运动过程。板料及工序件的传递过程是仿真运动模型建立的难点，因为抓取后要随横梁运动，释放后要随模具下降和顶起或静止在空工位上，上模下降到下止点时工序件需要变换为后工序工序件，然后在横梁下个运动周期被抓取后继续传递（见图8）。

图8 单工序模具中工序件传递流程

为了实现板料及工序件的取放、输送和变换，在MCD中设置多个碰撞传感器，通过传感器信号控制其取放、输送和变换。当机械爪随横梁抓件接触板料时，碰撞传感器触发，然后板料随横梁一起运动，当横梁把板料输送到位时，释放板料，板料下落到压边圈上后随压边圈一同下降，等上模下降到位后触发碰撞传感器，将板料变换成工序件，工序件再随顶件器顶起，并被横梁传输到下一个工序。由此循环，直到最后工序的工件被传输到传送带上。

工序件抓取动作的实现需要定义碰撞感应器，并对每组横梁设置一个固定副，在仿真序列编辑器中通过碰撞信号控制工序件的抓取与释放。工序件的变换动作通过对象变换器实现，上模下降到位后碰撞感应器触发对象变换器。

通过仿真序列编辑器和各种传感器信号控制各部件的运动逻辑关系，设置好所有仿真模型后得到整个冲压生产线运动过程模型，实现模具与横梁运动、工序件取放变换等动作的仿真，自动化冲压生产线运动过程的仿真模拟如图9所示。

图9 仿真序列编辑器与仿真结果

3 结束语

基于NX MCD模块能建立完整的自动化冲压生产线运动仿真模型，实现多副模具运动、板料及工序件的取放、变换、传输等动作的仿真，实现模具结构设计与运动仿真同平台，仿真结果即时解算不需要手动解算，能实时查看仿真结果并验证仿真设置是否正确。设计员在更改实体数据后不需要重新设置仿真数据即可及时有效地反馈设计更改后的结果，有助于提升模具设计效率与质量，并缩短模具设计周期。其仿真数据直接存放在对应part文件中，总装配文件可以读取并重用子part文件中的仿真数据，提高重用性与仿真模型创建效率，控制方式多种多样，不仅能使用运动曲线、速度位移等控制器、仿真序列及内部虚拟传感器信号等控制运动关系，也可以使用外部信号，如联动实机PLC或PLC软件信号。

NX MCD模块目前没有单独的运动干涉检查功能，只能通过设置碰撞感应器或眼睛查看模具结构在运动过程中的干涉情况，也无法自动生成运动干涉报告，仿真模型配置数据不能导入和导出，不便于模型设置信息模板化扩展。与运动仿真模块一样存在设置操作不简便的问题，没有典型的运动结构模板。因此，需要针对汽车冲模的特性对模块进行二次开发与封装，让机构运动定义设置能模板化，简化前台设置操作，才能符合模具设计人员习惯，方便设计人员使用，有效地提高效率，缩短周期。