基于NX平台的级进模运动仿真方法

目前可用于冲模和级进模的虚拟运动仿真平台很多，如MSC.Adams、NX、CATIA以及SOLIDAID-Meister等。MSC.Adams机构的运动仿真虽然应用广泛，但现在冲模结构建模大多采用NX软件，因为用MSC.Adams进行仿真分析，需使用CAD转换，两者之间转换模型存在公差不对等、信息丢失等问题，如圆孔通过转换后变成多边形，造成模型失真。SOLIDAID-Meister软件有DieMotion模块，是专门用于模拟汽车冲模运动仿真的工具，包含了冲压行业内较常见的部件种类和模具结构类型，但由于汽车冲压件成形难度越来越大、产品型面公差要求越来越高，汽车冲模结构越来越复杂，出现很多新型模具结构，SOLIDAID-Meister软件不能完全真实地模拟汽车冲模的各种运动类型，且无法对该软件模式进行修改优化，只能另寻解决方案。CATIA和NX软件上也有通用的模拟机构运动的仿真模块，但因汽车冲模结构类型多样和运动规律复杂，在这2款软件中用定义一般机械结构运动方法难以实现模具中各部件之间的运动关系。

为此，郑宇锋等基于CATIA开发了自动化冲压生产线端拾器运动模拟程序，专门用于吸盘冲压过程的虚拟仿真分析。肖遥等基于NX平台开发了自动冲压线汽车模具运动仿真系统，采用模板化定义方法，用STEP函数通过控制时间节点（等步距离散为360份）位移描述部件的运动规律，解决了SOLIDAID-Meister不能准确模拟机械手多工位送料过程的问题，但定义的机构模块有限，仅包括上模、下模、压边圈、上压料芯、下托料芯、斜楔及机械手臂等常用的机构模块。

原理及问题分析

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以上几种仿真模拟方式都不能完全解决机械手随手臂送料过程中同时发生旋转、有回顶情况（开模过程中内抬料板先于压料板向上运动）的级进模抬送料过程是否与模具干涉、安装在卸料板内的机构类型模拟、多工位级进模尾部抬料板搭料处掉落成形零件等问题。

在冲压生产过程中，模具内部结构运动的驱动方式可分为以下几种。

（1）第一种驱动方式是机械驱动，在机械手模具和级进模中较常见，驱动源来自冲床，如卸料板、抬料板、侧冲、吊冲等，不同时间的运动状态与冲床台面的运动方式相关，伺服冲床、偏心驱动冲床在汽车冲模生产中应用越来越多，而目前大部分仿真模拟系统只能模拟曲柄运动的机床冲压生产过程，不适用于伺服冲床、偏心驱动冲床的生产过程。

（2）第二种驱动方式是电气驱动，如气缸驱动、液压缸驱动。与机械手传送料运动、机械手夹料旋转及送料机传送料运动一样，模具内电气驱动的结构独立于模具运动之外又与模具内部机械驱动的结构运动情况相关，运动方式多样且自由灵活。需对各种运动结构的运动条件加以判断，使模拟结果与实际情况一致。

基于NX平台的冲模虚拟仿真技术以时间为统一基准，对模具内机械驱动的部件，通过推理各部件与冲床滑块之间的位移关系，用NX运动仿真中的if(x:e1,e2,e3)运动函数不断嵌入来描述其运动方式，对于电气驱动的部件，则采用step函数不断嵌入来描述其运动方式。

技术方案及实例应用

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（a）整体结构

（b）局部视图a

（c）局部视图b

图1 级进模不同运动部件

1.上模座 2.压料板 3.下模座 4.抬料板 5.工序8修边后零件 6.工序9成形后零件 7.内抬料板 8.凸模1 9.凸模2 10.料带

以有回顶情况的级进模为例，模具结构不同运动状态部件分类如图1所示，主要分为上模座、压料板、凸模1、凸模2、下模座、抬料板、内抬料板、料带、修边后零件、成形后零件。零件成形工序有17道，如图2所示。

图2 成形零件成形工序

图3 上模部分结构

1.上模座 2.外导柱 3.盖板 4.氮气弹簧 5.切边凸模 6.内导套 7.上翻边凸模 8.夹板 9.内限位块 10.吊模装置 11.外限位块 12.滑块座

在模具结构建模时设计的是模具闭合状态，为方便模拟，以模具闭合状态为时间零点推算各部件的驱动函数。该级进模冲压生产过程中使用曲柄驱动类型的冲床，行程为As=800mm、冲压周期Ts≈2.6s（要求每分钟冲压23次）。上模部分结构如图3所示，在NX仿真模块中用滑动副单独驱动，位移驱动函数为：冲床滑块行程/2×（(1-cos（2×pi×x/冲压周期）），其中x为时间自变量，该函数命名为upper_math_func。

图4 下模结构

下模固定在冲床下台面上，其整体结构如图4所示，局部视图c、d如图5所示。在NX仿真模块中定义连杆时直接固定，此模具每个工位压料板的运动状态都一致，其行程为80mm，压料板如图6所示。在NX仿真模块中用滑动副单独驱动，根据压料板运动的位移关系可推理其驱动函数：if(upper_math_func-压料板行程：0,0,upper_math_func-压料板行程)，该函数命名为op10_pad_math_func。

（a）局部视图c

（b）局部视图d

图5 下模局部视图

1.下模座 2.卸料定位销 3.外导套 4.内导套 5.氮气弹簧 6.下模刀块 7.下翻边凸模 8.外限位块 9.驱动块 10.平衡块

图6 压料板

图7 抬料板

抬料板如图7所示，与上模压料板接触，行程为90mm，定义为OP10抬料板。在NX仿真模块中用滑动副单独驱动，根据抬料板运动的位移关系可推理其驱动函数：if(upper_math_func-压料板行程:0，0，if(upper_math_func-压料板行程-OP10抬料板行程：upper_math_func-压料板行程，OP10抬料板行程，OP10抬料板行程))，该函数命名为op10_lift_math_func。

图8 工序9内抬料板

由于在工序9时内抬料板与上模座直接接触，与抬料板在前工序的运动状态不一样，定义为OP90内抬料板，如图8所示，其行程为30mm。在NX仿真模块中用滑动副单独驱动，可推理其驱动函数：if（upper_math_func-OP90内抬料板行程：upper_math_func，OP90内抬料板行程，OP90内抬料板行程），该函数命名为op90_lift_math_func。

图9 料带

料带如图9所示，由于工序9成形过程中存在回顶情况，料带区域发生变形，导致工序8和工序9成形零件的运动过程与整个料带的传送不一样，因此单独定义工序8修边后成形零件和工序9成形后成形零件的运动，料带在冲压方向随着OP10抬料部分运动，送料方向由送料机单独驱动。在NX仿真模块中用滑动副驱动，啮合连杆OP10抬料板，送料方向可用step函数驱动：step(x，150×冲压周期/360，0，210×冲压周期/360，送料步距)，其中送料步距为347mm，该函数命名为shape_math_func。

（a）工序8修边后成形零件

（b）工序9成形后成形零件

图10 工序8修边后成形零件和工序9成形后成形零件

工序8修边后的成形零件如图10所示，在开模过程中随着OP10抬料板向上运动，送料过程仍是送料机驱动，送到工位9闭合过程中先与OP90内抬料板接触，待上模开始压住成形零件后与OP90抬料板一起向下运动直至完全闭合。在NX仿真模块中建立一个虚拟连杆沿开模方向用滑动副驱动，其驱动函数为：if（x-冲压周期/2：if（upper_math_func-（压料板行程+OP10抬料板行程）：op10_lift_math_func，OP10抬料板行程，OP10抬料板行程），OP10抬料板行程，if(upper_math_func-OP90抬料板行程：upper_math_func，OP90抬料板行程，if（upper_math_func-（压料板行程+OP90抬料板行程）：OP90抬料板行程，OP90抬料板行程，if（upper_math_func-（压料板行程+OP10抬料板行程）：op10_lift_math_func，OP10抬料板行程，OP10抬料板行程））））。送料方向上用滑动副单独驱动工序8修边后成形零件，啮合虚拟连杆，用step函数驱动：step（x，150×冲压周期/360，0，210×冲压周期/360，送料歩距），同理可推出OP90驱动方式和驱动函数。

（a）滑块1

（b）滑块2

图11 滑块1和滑块2

滑块如图11所示，整个运动过程相对于上模沿回程方向做直线运动，在NX仿真模块中用滑动副驱动，啮合连杆上模座部分，根据三角函数转化可推出其驱动函数为：if（upper_math_func/sin（滑块1驱动方向与回程方向夹角×pi/180）-滑块1滑块行程/sin（（90-滑块1冲压方向与水平方向夹角）×pi/180）：upper_math_func×sin（（90-滑块1冲压方向与水平方向夹角）×pi/180）/sin（滑块1驱动方向与回程方向夹角×pi/180），滑块1滑块行程，滑块1滑块行程）。滑块2与滑块1为同一类型，其驱动函数只需替换该驱动函数内滑块1名称即可。

图12 NX表达式界面

以上驱动形式和驱动函数可以固化，只需替换名称即可。更换冲床类型，只需更新上模部分位移驱动函数，其余部件驱动函数不用变化。冲床行程、冲压周期、OP10抬料板行程、压料板行程等关键数据先以.exp格式导入NX中，都可以直接在NX表达式中修改，如图12所示。

（a）模具闭合状态

（b）模具打开状态

图13 模具工作过程中带料位置与平衡块之间的距离变化

设置部件之间的测量距离、干涉等，可实时看到在模具工作过程中部件之间的距离、干涉等情况，如图13所示，当安全量小于设定量会显示高亮。