沖壓模具運動虛擬仿真實驗

李 陽，張希磊，黎 慰，章志兵

沖壓模具運動虛擬仿真實驗

李 陽，張希磊，黎 慰，章志兵

（華中科技大學 材料成形與模具技術國家重點實驗室，湖北 武漢 430074）

基于虛擬運動仿真原理，建立了沖壓模具運動仿真的實驗步驟和評價方法。利用多工位汽車覆蓋件沖壓模具生產線運動仿真實例，進行沖壓模具運動過程的研究。沖壓模具運動虛擬仿真實驗再現沖壓模具運動過程。通過分析沖壓模具的干涉檢查結果，對沖壓模具設計存在的問題提出修改意見，提高沖壓模具設計質量，保證沖壓模具各個部件、生產線送料機構在工作時的通過性和運動無干涉。

沖壓模具；運動虛擬仿真；實驗教學

目前，虛擬仿真實驗已經成為高校實驗教學研究的重要內容[1-2]。虛擬仿真實驗可以完成許多真實實驗難以完成的實驗項目，可以設置極端實驗條件，是信息化教育前提下人才培養的重要方法之一[3-5]。

沖壓模具自動生產線實現了換模、送料等生產過程的自動化，在降低的生產線工作人員數量的前提下，提高了生產的安全性、效率和制件的質量[6-8]。但是自動化沖壓生產線對設備要求高、占地面積大，而且在實驗過程中容易發生干涉等風險。本文設計了沖壓模具運動虛擬仿真實驗，實現了大型復雜零件的自動沖壓生產實驗，提升了沖壓模具教學效果。

1 實驗目的與原理

設計沖壓模具運動仿真實驗的目的是使學生了解沖壓模具運動虛擬仿真實驗原理，掌握仿真實驗的過程和沖壓模具中關鍵運動部件（如上下模、夾鉗、斜楔等）的運動規律，并且根據實驗結果分析沖壓模具運動過程中干涉位置，結合沖壓模具設計知識，提出避免干涉的解決方案。

自動沖壓生產線相對于手工生產線，提高了對模具的要求。設計人員在保證模具結構設計質量的同時，還需要保證模具部件與沖壓設備之間能夠完美契合，實現連續、高效的沖壓和送料動作。在整個循環動作中，要保證各個運動部件的通過性和運動無干涉[8-10]。通過對沖壓模具運動的虛擬仿真，可以檢查模具設計是否合理，降低后期檢查模具運動合理性的成本。

沖壓模具運動仿真實驗是動態模擬實驗。該實驗基于現有的計算機科學技術，抽象出現有的沖壓模具運動仿真模型，并且根據模擬實驗的結果對沖壓模具的運動情況進行分析，判斷沖壓模具中各種零件的設計是否合理，部件在運動過程中是否會產生干涉等問題，并對沖壓模具設計中的問題提出改進方案。

2 沖壓模具運動仿真實驗設計

以多工位汽車覆蓋件沖壓模具生產線為實例進行運動虛擬仿真實驗設計。多工位汽車覆蓋件沖壓模具生產線一般包括拉延、修邊、側修邊、側沖孔、整形等不同生產工序，覆蓋了沖壓模具中上下模、斜楔、滑塊和夾鉗等常見的關鍵運動部件的運動過程，比較適于實驗教學。在實驗中，學生對覆蓋件模具中的關鍵運動部件做運動曲線和運動情況的詳細分析，通過對比運動理論分析結果和仿真結果，查看運動仿真實驗的準確性。

2.1 仿真軟件選擇

進行沖壓模具運動仿真實驗，首先要選擇一套使用方便、功能齊全、適合實驗教學的仿真軟件。目前，常用的運動仿真軟件分為兩種：一是通用CAD設計軟件中提供的運動仿真和干涉檢查模塊，例如SolidWorks中的Animation插件、Pro/Engineer 中的DADS/Pro模塊以及SoildEdge中的Simple Motion、CATIA中的DMU模塊、UG中的Motion Simulation等；二是專業的運動仿真軟件，例如日本UEL公司開發的三維CAD/CAE軟件SolidAidMeister等。這兩種仿真軟件各有所長。

通用CAD中的干涉檢查模塊的數模文件在同一平臺下進行結構設計和仿真檢查，避免了格式轉換中數模信息丟失或是效率降低，并且設計人員可以在同一個平臺下快速進行模具設計修改，提高檢驗與修改設計的效率[11-13]；其缺點是內嵌的仿真模塊大多是通用性模塊，對于運動部件多、運動方式復雜的運動仿真，操作繁瑣、設置復雜。

使用專業的運動仿真軟件進行運動仿真和干涉檢查，仿真過程專業、便捷，但是需要對數模進行反復的格式轉換，不但效率較低，還有可能丟失相關的數模信息。

本實驗采用的是實驗室開發的基于通用CAD軟件CATIA的快速運動仿真系統（RP-DMU），該系統既可以快速進行沖壓模具中運動部件和運動關系定義，又避免了不同設計平臺之間數模格式轉換造成的數模信息丟失和效率低的問題，可以有效提高運動仿真和模具設計修改效率。

2.2 快速運動仿真系統（RP-DMU）系統開發

開發的沖壓模具運動虛擬仿真實驗系統基于CATIA平臺，基于CAA的開發技術完成運動軌跡定義、運動仿真定義、干涉檢查定義和干涉結果分析等4個功能模塊的開發。

系統采用3層系統結構。

（1）物理層：系統基于CATIA軟件平臺開發，通過使用CAA 開發工具，調用CAA API、Excel API、 Windows API進行開發，分別完成與CATIA相關的功能、Excel信息讀取和文件操作等功能。

（2）數據層：對功能層中輸入和處理后的各種數據進行存儲，并隨時提供讀寫和更新。數據層處理的數據包括：①基本運動曲線（壓機運動曲線和三維夾鉗的運動曲線），用于解析計算其他部件的運動規律；②部件定義信息（設計人員根據需求定義仿真時，完整約束部件運動方式的各種信息）；③仿真驅動數據（根據設計人員的定義數據，結合基本的運動曲線數據，對各個仿真部件進行運動軌跡的計算、解析出來的數據）；④干涉檢查報告。

（3）功能層：系統對多工位模具運動仿真和干涉檢查包含4個功能模塊。運動仿真部分包括運動部件定義、運動軌跡定義以及運動仿真；干涉檢查與分析部分包括干涉檢查設置以及干涉檢查結果分析。

2.3 沖壓模具運動虛擬仿真實驗技術路線

用快速運動仿真系統（RP-DMU）實現沖壓模具運動仿真實驗的主要過程分為3個階段。

（1）準備虛擬仿真實驗的沖壓模具模型。要求模具中每個單獨運動的部件必須放在單獨的零件節點下，運動方式相同的部件必須放在同一個裝配節點下，無用部件必須刪除，模具部件必須是實體。

（2）定義模型并進行運動仿真。主要是兩方面的工作：一是針對不同的工序定義沖壓模具中關鍵運動部件如，上/下模、壓料裝置、頂出提升機構、斜楔、工序件等；二是根據沖壓模具運動的相關要求，設置合適的行程參數和參考的運動部件，保證運動仿真的結果與實際沖壓生產線中沖壓模具的運動結果相吻合。

（3）輸出報告。根據虛擬運動仿真實驗的結果輸出報告，可以動態查看每個運動時刻是否存在干涉，并針對發生干涉的時刻，檢查模具中干涉發生的部件和位置，提出修改意見。

3 沖壓模具運動虛擬仿真實驗

3.1 虛擬仿真模型運動分析

要正確進行汽車覆蓋件沖壓模具運動虛擬仿真實驗，需要對沖壓模具各部分的運動有準確的認知。沖壓模具的運動的主要動力源是壓機，模具中的運動部件主要包括：上下模、滑塊、斜楔和工序件等。各部件的運動方式如下：

（1）模具中下模一般是固定件，是其他運動部件的參考部件；

（2）上模與壓機直接裝配在一起，運動曲線就是壓機運動曲線；

（3）滑塊主要包括壓料圈、上下壓料芯以及頂出提升裝置，這些部件的運動要增加一定的運動參考（如上模），在滑塊與其他部件接觸之前，其運動方式與參考運動部件相同，接觸之后發生相對運動；

（4）工序件主要在送料和沖壓方向上進行運動，多工位生產線中還有用于自動送料的三維夾鉗裝置，其運動方式分解為送料、夾持和提升3個方向上的運動。

3.2 虛擬仿真實驗結果分析

以多工位汽車覆蓋件模具自動沖壓生產線為例，利用快速運動仿真系統（RP-DMU），快速進行沖壓模具運動仿真，同時生成相關的運動情況和干涉檢查報告。

利用RP-DMU系統實現多工位模具的運動仿真，檢驗其中關鍵運動部件三維夾鉗、上下滑塊以及斜楔的運動規律，驗證仿真運動的真實有效性。如圖1所示，RP-DMU系統自動解析出的各運動部件的驅動曲線，與分析結果一致。

圖1 關鍵部件的運動曲線

滑塊運動以上壓料心為例，分析上壓料芯的運動。以模具下死點為基準點，以上模為參考部件，上壓料芯的運動曲線如圖2所示。在上壓料芯與下模部件碰撞之前，它與上模是相對靜止的，此時的運動曲線與壓機曲線相同，當到達接觸點位置時，產生相對運動。上模繼續在壓機的作用下向下運動，而上壓料芯與工件相碰，處于壓料狀態，此時上模與上壓料芯之間的氣缸或彈簧逐漸壓縮，直至上模到達下死點。在這一過程中，上壓料芯的運動曲線為水平直線。隨著上模開始上行，上壓料芯的運動過程正好與下行過程對稱，如圖所示即可得到上壓料芯的運動曲線。但是，上述曲線是以上模為參照的曲線，上壓料芯的上死點位置與上模的上死點位置正好相差一個行程，上壓料芯運動到的接觸點位置時，應正好是其下死點位置。因此，真實上壓料芯的運動曲線還需要進行修正，將上述的運動曲線沿軸方向向下平移一個行程的距離即可得到（見圖2）。

圖2 上壓料芯運動曲線

下滑塊運動以頂出提升裝置為例。考察頂出提升裝置的運動，以模具下死點為基準，以下模為參考部件。在上模或其附屬部件對頂出提升裝置施加壓力前，它處于靜止狀態。由于此時的氣缸或彈簧處于完全舒展狀態，此時部件處在最大行程處。從接觸點開始，在壓機的作用下，頂出提升裝置開始受到壓力，氣缸或彈簧逐漸收縮，一直到上模運動到下死點位置。這一階段的頂出提升裝置與上模一同向下運動，其運動曲線與壓機曲線相同。在上模回程向上運動的過程中，頂出提升裝置與前一階段的運動正好對稱，其完整運動過程如圖3所示。

圖3 頂出裝置運動曲線

在一個沖壓周期內，工序件主要在送料和沖壓方向進行運動。工序件在三維夾鉗進給送料時，與三維夾鉗一起運動，在夾鉗松開回退到下一個工序的階段，工序件此時已經放置在模具上，工序件與頂出提升裝置或壓邊圈一起在沖壓方向運動。根據分析，工序件同樣可分解為送料和沖壓兩個方向上的運動。其中送料方向的運動在三維夾鉗的FEED送料曲線上處理得到，沖壓方向的運動則由三維夾鉗LIFT提升曲線和模具下滑塊曲線處理得到，若當前工序沒有下滑塊部件，則直接為LIFT曲線。如圖4所示，LIFT為三維夾鉗提升方向的運動曲線，LIFT-PAD為當前工序中頂出提升裝置的運動曲線，可得到工序件沖壓方向的運動曲線。

將上下模運動曲線、壓料芯、頂出裝置、三維夾鉗、工序件等不同部件的運動規律和運動曲線合起來即是圖5所示的運動曲線。本文不涉及有限元力學分析，在無更多運動參數的輸入條件下，以不發生干涉為前提，實現近似真實的仿真運動。

圖4 工序件在沖壓方向運動曲線

圖5 工序件在送料方向的運動曲線

在仿真過程中，利用傳感器對部件產生干涉的時間和數目進行記錄，即可輸出動態干涉記錄結果。對照動態干涉結果記錄表和仿真時間軸，可以查看發生干涉的具體時刻和部件的具體情況（見表1）。

表1 干涉發生的時間和數量

在仿真過程中，可以根據發生干涉的時間，動態查看沖壓模具的干涉情況（圖6）。在運動仿真過程中設置需要檢查的干涉的類型，可以直接定位到發生干涉的時刻，通過三維視圖和列表檢查發生干涉的部件、干涉程度。圖6顯示模具三維夾鉗和模具上模發生干涉，干涉類型為碰撞，干涉深度為60.21 mm。

圖6 詳細干涉情況

根據設計需要，可以通過CATIA提供的相關接口，輸出靜態干涉檢查報告，作為設計人員修改沖壓模具設計的參考使用。

3.3 沖壓模具運動虛擬仿真實驗的教學效果

通過多工位汽車覆蓋件模具運動的虛擬仿真實驗，將難以隨時呈現的模具運動過程真實地再現出來。學生可以通過多次不同的模具虛擬運動仿真過程，觀察到沖壓模具的運動過程和發生干涉的位置，直觀地理解和掌握沖壓模具的運動規律以及可能存在的設計問題，感受模具運動過程中干涉發生位置和干涉程度。教師引導學生針對實驗中沖壓模具運動中存在的干涉情況，分析發生干涉的原因，提出合理的模具設計修改方案，最終提高學生的實驗操作能力和分析問題的能力，得到較好的實驗教學效果。

4 結語

通過建立開放的沖壓模具運動仿真實驗平臺，學生可以通過不同的沖壓模具結構的運動過程，自主對沖壓模具設計問題提出合理化的修改意見，培養學生自主分析問題和獨立的創新思維，顯著提高學生解決工程問題的綜合能力。

[1] 紀金豹，李炎峰，李振寶，等.結構虛擬實驗教學系統的開發與應用[J].實驗室研究與探索，2013, 32(9): 98–100.

[2] 馮峰，孫聰，曲先強.船海虛擬仿真實驗教學中心的建設與發展[J].實驗技術與管理，2014, 31(1): 11–14.

[3] 劉亞豐，吳元喜，蘇莉，等.信息化背景下虛擬仿真實驗教學中心建設規劃與實踐[J].高校生物學教學研究（電子版），2015, 5(3): 39–43.

[4] 劉亞豐，余龍江.虛擬仿真實驗教學中心建設理念及發展模式探索[J].實驗技術與管理，2016, 33(4): 108–114.

[5] 楊光祥，梁華，曹曉莉，等.過程控制系統仿真與實踐結合的實驗教學設計[J].實驗技術與管理，2013, 30(1): 91–93, 100.

[6] 陳景松，王平，蔡軍.現代轎車制造業中的壓力機[J].鍛壓裝備與制造技術，2003(1): 29–31.

[7] 閔鵬，李廣平，閔建成.多工位壓力機發展研[J].鍛壓裝備與制造技術，2013(3): 9–14.

[8] 肖遙，杜亭，章志兵，等.基于NX平臺的自動沖壓線汽車模具運動仿真系統[J].塑性工程學報，2014(1): 38–43.

[9] 莊宇昀，徐輝.沖壓線的發展[J].一重技術，2005(4): 20–22.

[10] 陳玉全，汪歡，溫國安，等.汽車零件側沖模具參數化建模與仿真[J].裝備制造技術，2007(7): 4–6.

[11] 龍玲，殷國富，胡新如.多工位級進模具運動仿真技術研究與應用[J].機械設計與制造，2012(2): 239–241.

[12] 崔令江.汽車覆蓋件沖壓成形技術[M].北京：機械工業出版社，2003.

[13] 范成建，熊光明，周明飛.虛擬樣機軟件MSC. ADAMS應用與提高[M].北京：機械工業出版社，2006.

Virtual simulation experiment of stamping die movement

LI Yang, ZHANG Xilei, LI Wei, ZHANG Zhibing

(State Key Laboratory of Material Forming and Die Technology, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China)

Based on the principle of virtual motion simulation, the experimental steps and evaluation methods of stamping die motion simulation are established. The motion simulation of stamping die production line for multi-station automobile panel is used to study the motion process of stamping die, and the result of the virtual simulation experiment of stamping die motion plays back the process of stamping die motion. By analyzing the results of interference inspection of stamping dies, some suggestions are put forward to solve the problems existing in the design of stamping dies, so as to improve the design quality of stamping dies and ensure that the passing and movement of the parts of stamping dies and the feeding mechanism of production lines are not interfered in the work.

stamping die; motion virtualsimulation; experimental teaching

TP391.9；TG385

A

1002-4956(2019)07-0116-04

10.16791/j.cnki.sjg.2019.07.028

2018-12-27

湖北省教學改革項目（140114）；華中科技大學教學改革項目；華中科技大學實驗室技術改造項目

李陽（1979—），男，湖北武漢，博士，高級工程師，主要研究方向為材料成型及工藝優化.E-mail: liyang@hust.edu.cn