基于UG的雙動折邊機構運動仿真分析

陳曉龍，畢大森，魏 偉

(1.天津理工大學 材料科學與工程學院，天津 300384；2.天津市光電顯示材料與器件重點實驗室，天津 300384；3.天津市電工銅質線材企業重點實驗室，天津 300384；4.天津市精密級進模具成型技術工程中心，天津 300384；5.天津鑫茂天和機電科技有限公司，天津 300112)

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基于UG的雙動折邊機構運動仿真分析

陳曉龍1,2，畢大森1,3,4，魏 偉5

(1.天津理工大學 材料科學與工程學院，天津 300384；2.天津市光電顯示材料與器件重點實驗室，天津 300384；3.天津市電工銅質線材企業重點實驗室，天津 300384；4.天津市精密級進模具成型技術工程中心，天津 300384；5.天津鑫茂天和機電科技有限公司，天津 300112)

由于雙動折邊機構在汽車覆蓋件包邊模具中被廣泛使用，并且為了提高汽車覆蓋件外緣的包邊尺寸精度和表面質量。現基于UG/Motion運動分析模塊，對雙動折邊機構進行運動模擬仿真，并分析其機構運動過程，機構干涉情況、機構復位及機構的運動速度。

UG；包邊機構；雙動折邊機構；運動仿真

0 前言

近幾年，隨著我國汽車工業的飛速發展，車型更新換代速度加快,生產規模呈現臺階頻躍，所以對汽車車身的設計制造質量，特別是對汽車覆蓋類零件的質量，提出了許多新的要求。由于汽車覆蓋件是由內、外板通過包邊設備包合而成，這些零件大都為空間曲面結構，形狀復雜，所以其制造質量直接影響到汽車的安全性、密封性及外觀。實現汽車白皮車身的車門、機蓋、行李箱蓋等零件的內、外板扣合包邊的方法有很多，根據其生產規模和投資大小、場地要求，可以使用機械包邊，可以通過手工包邊或半機械包邊；可以利用壓力機與包合模具包邊，也可以利用液動控制的包邊胎包邊[1]。根據車身裝配工藝的要求，包邊設備應該包含工件上下料及輸送、工件包邊工作狀態確定及定位夾緊、工件預包邊及包邊等多項動作[2]。包邊工藝是一種將零件上沖壓產生的上翻邊或下翻邊包彎壓平后，使零件的內外板連接在一起的一種裝配工藝[3]。在設計包邊設備時，為了保證內、外包邊的質量，需要注意避免預包邊杠桿及模塊、包邊杠桿及模塊和工件夾緊杠桿各自運動軌跡相互干涉的現象[4]。

1 雙動折邊機構結構及運動原理

本文針對汽車覆蓋件包邊模具中的雙動折邊機構，根據型號HPPL45建立模型，HPPL45實物如圖1所示，使用UG 軟件進行運動仿真，分析其機構運動狀態，檢查機構運動干涉情況。

圖1 HPPL45實物圖Fig.1 Actual Product of HPPL45

雙動折邊機構結構形式如圖2所示。

圖2 雙動折邊機構結構示意圖Fig.2 Double action hemming mechanism ctructure

由于雙動折邊機構各個機構組成類似一個平行四邊形機構，所以機構的運動是遵循平行四邊形原理。雙動折邊機構由一個裝在三角行狀的塊上的滾輪來提供驅動，借助平行四邊形四桿機構實現包邊。運動過程中，雙動折邊機構上的包邊刀塊姿勢保持不變，連接平行四邊形機構上面的各點之間的相對位置在運動的過程中不發生改變，實現包邊刀塊的平動。雙動折邊機構運動示意圖如圖3所示。由于拉彈簧的作用，其滾輪始終和斜楔的表面相貼合，所以在運動的過程中其空間運動軌跡是確定的。這種機構在板料包邊中的運動形式比較簡單。裝在雙動包邊機構上的包邊刀塊的運動姿態即是刀塊在包邊行程終點的姿態。并且該機構設立有限位塊，使機構的運動控制在一定范圍內，而且適用于彎曲線變化大的地方。

圖3 雙動折邊機構運動示意圖Fig.3 Double action hemming mechanism

2 雙動折邊機構運動仿真

2.1 機構運動過程

選取某型號汽車發動機蓋包邊模具上的雙動折邊機構，如圖4所示。雙動折邊機構運動過程是驅動器裝在汽車覆蓋件包邊模的上模上，基座裝在汽車覆蓋件包邊模的下模上。包邊模的上模下行使驅動器下行，驅動導輪帶動三角擺塊、擺塊在銷軸做四連桿運動，推動回轉托架帶動鑲塊完成折邊動作，包邊模的上模繼續下行，導輪與驅動器脫開，折邊部分在拉簧作用下回位，上模與下模合模壓合工件，包邊模的上模上行，機構分開完成折邊壓合。托架的運動軌跡追蹤如圖5所示，由于平行四邊形運動的特點，托架運動軌跡近乎直線，所以與此預包邊機構相連的預包邊刀塊在運動過程中的空間姿態不變，預包邊刀塊上的每一點都有相同的運動。由于實用新型采用四連桿的結構，雙動折邊機構設計使機構具有高強的穩定性。而且雙動折邊機構成功的把基座部分、驅動部分與包邊部分分離出模具中心，大大節省了模具的尺寸。

圖4 雙動折邊機構在模具上的裝配圖Fig.4 Hemming die assembly parts drawing

圖5 托架的運動軌跡追蹤圖Fig.5 Trajectony traking of bracket

2.2 機構干涉分析

雙動折邊機構的機構干涉圖如圖6、圖7所示。若驅動器的自動回位裝置(即限位塊)與斜楔之間的間隙不足，從而導致滾輪無法正常沿斜楔運動，造成驅動器與三角擺塊放生干涉，在大的壓力機帶動驅動器工作下，對驅動器和雙動折邊機構造成破壞，所以自動回位裝置和斜楔的間隙要選擇合適[7]。間隙過大時會在彈簧失效后不能讓包邊刀塊按要求回位，間隙過小時，導致滾輪不能順利通過發生運動干涉，在嚴重的情況時，包邊機構會在壓機力的作用下遭到破壞。可以通過縮短自動回位裝置長度，增大與斜楔之間的間隙，如圖8所示，斜楔與回位裝置之間的間隙為44.34 mm，斜楔回位面與工作面的角度為45°，從而消除滾輪與驅動器之間在運功工作中產生的干涉。

圖6 雙動折邊機構限位塊與斜楔干涉圖Fig.6 Stnuture interfacence of limted block and cam driver

圖7 雙動折邊機構在閉合模具位置Fig.7 Double hemming mechanism position in die closed

圖8 驅動器尺寸示意圖Fig.8 Driver block

基座尾部角度不能太小，要滿足三角擺塊的回程量，否則基座尾部易與三角擺塊產生干涉，使三角擺塊無法正常復位，照成托架無法復位，不能保證刀塊與包邊板之間的間隙，從而使折邊精度降低，如圖9所示。

圖9 雙動折邊機構基座尾部與三角擺塊干涉圖Fig.9 Structure interfacence of mount and pendulum triangle block

為了消除基座與三角擺塊之間在運功工作過程中相互之間的干涉，可將基座，三角擺塊設計加工尺寸如圖10和圖11所示。基座尾部與基座上水平面之間角度為150°，基座尾部與基座垂直面角度為135°，三角擺塊的滾輪孔和三角擺塊與基座連接的孔的角度為45°，三角擺塊的后側角度為148°，從而保證基座與三角擺塊之間在運功工作過程中，相互之間不發生干涉，來保證刀塊與包邊板之間的間隙，從而使提高折邊精度。

圖10 雙動折邊機構基座設計加工圖Fig.10 Mount of double action hemming mechanism

圖11 雙動折邊機構三角擺塊設計加工圖Fig.11 The pendulum triangle block of double action hemming mechanism

2.3 機構復位分析

雙動折邊機構復位拉簧位置如圖12所示。雙動折邊機構復位拉簧的拉簧力變化如圖13所示。包邊模具閉合過程中，彈簧處于拉伸狀態。托架靠彈簧A和彈簧B平穩恢復到工作前狀態，在整個機構運動過程中彈簧力變化幾乎為線性變化，圖中最大最小值時分別為模具在開模，機構在工作點運動間隙的停止時間。彈簧B比彈簧A在機構工作點的彈簧力大。

為了滿足機構運動的確定性，在預包邊過程中彈簧必須提供足夠的拉力使滾輪始終和斜楔的表面貼合。在預包邊過程中，斜楔推動預包邊機構的過程較為緩慢。在預包邊機構上連接有預包邊刀架和預包邊刀塊，整個機構的質心重力對機構中心的轉矩在預包邊完成處最大，此時彈簧力對旋轉中心的力臂為最短。所以保證彈簧可以將整個機構拉回位，彈簧的剛度必須保證此時彈簧力對旋轉中心的力矩大于質心重力的力矩。在維護時,僅更換同一截面若干個彈簧中的一個或幾個,即新、舊彈簧混裝,造成承載大小不均,引起承受載荷大的彈簧失效[8]。所以在維護中，要同時更換四個彈簧，以保證造成承載大小分布均勻，保證復位準確及時，以防止刀塊卡在坯料上。

2.4 機構運動速度分析

圖14為擺塊與基座連接處速度變化，圖15為擺塊與托架連接處速度變化，圖16為三角擺塊與基座連接處速度變化圖，圖17為三角擺塊與托架連接處速度變化。速度變化幾乎呈拋物線性變化，速度變化沒有大的突變區域。由四張圖對比看出，擺塊及三角擺塊在傳動中平穩運動，相互運動配合一致，從而使托架運動姿勢穩定，使刀塊運動姿態穩定，利于機構進行折邊成型。

圖12 雙動折邊機構拉簧位置圖Fig.12 The spring position of double action hemming mechanism

圖13 彈簧力變化圖Fig.13 The spring force distribution

圖14 擺塊與基座連接處速度變化 Fig.14 Speed changes of pendulum block and mount

圖15 擺塊與托架連接處速度變化 Fig.15 Speed changes of pendulum block and bracket

圖16 三角擺塊與基座連接處速度變化圖 Fig.16 Speed changes of pendulum triangle bloc and mount

圖17 三角擺塊與托架連接處速度變化Fig.17 Speed changes of pendulum triangle block and bracket

3 結 論

本文通過UG對雙動折邊機構進行運動模擬分析，看出雙動折邊機構采用四連桿的結構設計使機構具有高強的穩定性，基座部分、驅動部分與包邊部分分離出模具中心，大大節省了模具的尺寸，降低了折邊模具的設計難度。但雙動折邊機構生產制造裝配后，易造成驅動器與三角擺塊放生干涉，基座尾部與三角擺塊產生干涉。并且由于包邊模具中的包邊機構在模具包邊成型中反復運動，應定時檢查更換拉簧，使雙動折邊機構能夠準確復位。

[1] 李云峰.凸輪機構在包邊模中的應用[J]. 模具工業，1999(04)：32-35.

[2] 陸增斌.汽車門蓋包邊機設計及調試的探討[J].企業科技與發展，2008(16)：100-105.

[3] 楊磊.車身四門兩蓋包邊工藝的幾種結構型式和試制包邊模的優化[J].上海汽車， 2012(05)：50-54.

[4] 許薔.基于函數驅動的汽車包邊機運動仿真[J].裝備制造技術，2009(10)：15-17.

[5] 張晉西，張甲瑞，郭學琴編著.UG NX/Motion機構運動仿真基礎及實例[M].北京：清華大學出版社，2009.

[6] 朱崇高，謝福俊編著.UG NX CAE基礎與實例應用[M].北京：清華大學出版社，2010.

[7] 袁騰飛.汽車包邊模的CAE分析及優化設計[D].湖南：湖南大學，2009.

[8] 李霞.影響彈簧失效的主要因素及其預防措施[J].科技資訊，2009(27)：140.

Motion simulation analysis technology of double-action hemmingmechanism based on UG

CHEN Xiao-long1,2，BI Da-sen1,3,4, WEI Wei5

(1.School of Materials Science and Engineering Tianjin University of Technology, Tianjin 300384, China；2.Tianjin Key Lab for Photoelectric Materials & Devices, Tianjin 300384, China；3.Tianjin Enterprise Key Laboratory of Cooper Wires for Electrical Purposes, Tianjin 300384, China；4.Tianjin Engineering Research Center of Manufacturing Technology For Precise Die & Mold, Tianjin 300384, China;5.Tianjin XinMaoTianHe Tooling Electronics & Technology Co., Ltd., Tianjin 300112, China)

The double-action hemming mechanism is widely used in the automobile panel hemming die. For improving the dimensional accuracy and the surface quality of the edges of automobile panel, it analyses kinematic of its status by simulation program with UG / Motion motion analysis module.

UG; hemming mechanism; double-action hemming mechanism; motion simulation

2014-05-04；

2014-06-02

天津市科技支撐計劃項目13ZCZDGX01300

陳曉龍(1989-)，男，天津理工大學材料科學與工程學院，碩士研究生，研究方向為汽車覆蓋件大型復合模具多方位精密成形功能模塊。

TH113.2

A

1001-196X(2015)01-0068-05