沖壓模具與自動沖壓線的動態仿真研究

張偉 孔凡彬 周連國

摘要：由于設備的諸多限制，自動沖壓線模具是設計中最困難的模具類型。在模具制造的初期，我們可以直接、簡單地驗證和優化沖壓件的工藝流程和模具設計結構的合理性，改進端部拾取器和模具的結構設計，消除碰撞干擾問題，提高生產效率。

關鍵詞：自動化沖壓生產線;仿真模擬;沖壓模具;端拾器;干涉檢查

目前，國內汽車工業的快速發展，許多汽車制造商為了適應水平，檔次的需要，迫切需要高水平的自動沖壓生產線，或現有的妙語自動化轉型，國內有很多自動沖壓生產線幾乎全部從國外進口。主要包括兩部分：自動沖壓線模具成形過程優化分析和模具設計，既能保證沖壓金屬板具有良好的成形質量，并考慮工件、模具結構和機制的干擾問題，傳統的設計方法基于靜態干擾曲線很難考慮復雜的運動條件。

一、自動沖壓生產線使用現狀

為了滿足日益增長的汽車需求，中國的大型汽車廠采用了自動化沖壓生產線，以滿足快速生產的需要。自動化生產線在降低成本和提高產品質量的同時，使零件的沖壓過程能夠快速有效地進行。工作期間自動沖壓生產線上的交通系統，由沖壓自動化大體上是由工業機器人型鉸接式的6個自由度，具有以下優點：機器人搬運，完全避免了硬幣硬幣表面上的沖突這些傷害提高了車身覆蓋件的沖壓質量，避免了制造過程中造成的身體傷害，使工人從事繁重、枯燥和危險的工作。沖壓生產線實現非個性化生產，結束了機床沖壓壓機過程中發生人身安全事故。

1.沖壓模具自動沖壓生產線工作流程。模具自動化生產線的一般流程為：拆垛→清洗噴油→對中→各工序模具沖壓→產品輸出。由叉車將料片放至堆垛裝置，采用磁力分離原理拆垛，料片被真空吸盤吸起，經檢查無雙料片后，由磁性皮帶輸送料片至清洗噴油工序，然后在對中臺掃描對中后，機器人將料片抓起，放到第一序模具上，之后由機器人依次在各序模具間抓取、放置制件，由壓力機進行沖，最后由傳送帶將產品件輸送出壓力機。

2.沖壓模具運動仿真的主要內容。沖壓模具運動過程中主要有兩類干涉問題：一是模具結構部件之間產生的干涉;二是模具實體與自動化生產線之間產生的干涉。運動仿真系統的主要作用是模擬汽車模具的沖壓運動過程，避免模具實物制造階段出現的真實干涉，減少裝配、修模、試模的次數，減少經濟損失，提高模具設計的可靠性，縮短模具開發周期，因此，運動仿真是設計與制造的橋梁。

二、沖壓生產線的動態仿真

常見的自動沖壓線分為單機串聯沖壓線和大型多工位壓力機兩種，主要由以下部分組成：前端上料拆垛清洗涂油裝置、壓力機、尾端取料設備、自動送料機構。自動送料機構的種類較多：如橫桿式、機器人式、機械臂、SpeedBar、上下料機械手配穿梭小車等等。本文按照搬運系統與壓機滑塊的運動關系將自動沖壓線分為兩類：同步運動控制送料機構和信號互鎖控制送料機構。沖壓生產線的動態仿真關鍵是在計算機里能夠構建出準確體現沖壓線幾何運動特性的數字樣機。數字樣機在描述沖壓線的幾何特性時，只考慮與模具設計相關的幾何特征。例如：壓力機，只考慮它的滑塊、工作臺、壓板槽、滑塊行程、閉合高度等要素（見圖1）。在表達沖壓線的運動規律時，假定沖壓線中所有的運動部件都為剛體。因每個剛體在三維空間皆有6個運動自由度，3個沿坐標軸線平移，3個繞坐標軸線旋轉，所以通過定量控制這6個自由度可以描述剛體在三維空間的任意位置和姿態。通過對壓機滑塊，搬運系統的各個運動部件機械運動特性的分析，找出它們的運動自由度類型及其數量，添加適當的運動副，就能真實描述它們的運動規律。例如：壓機滑塊做上下往復的直線運動，只有一個平移自由度，對數字樣機的滑塊添加平移運動副就可表達出壓機滑塊的運動規律。

1.送料機構采用同步運動控制的沖壓線動態仿真。這類沖壓線的顯著特點是使用同步運動控制技術控制滑塊連續運動，送料機構上下料操作與壓機滑塊運動同時進行，送料機構的運動軌跡比較固定，只有幾種形式。同步控制可以實現壓機與壓機之間的同步，壓機與送料機構之間的同步。伺服驅動器采集反饋信號驅動伺服電機做高動態響應的運動，反饋信號是由安裝在壓機凸輪上的編碼器輸出的，在同步控制中這個編碼器就作為主軸，其它從軸隨這個主軸按照預先編輯的同步曲線運動。運動控制層級如圖2所示，RM代表壓機實軸，VM是虛擬主軸，VX、VY、VZ等代表送料機構的送進，提升等運動方向的虛擬軸，當與壓機同步運行時，RM與VM耦合;當送料機構單獨運行時，RM與VM解耦合。

圖2各軸虛擬電器控制邏輯

沖壓線數字樣機同步運動的實現邏輯與實際沖壓線的運動控制邏輯類似，采用曲線驅動虛擬軸來控制送料機構位置與壓機位置同步。本文采用的是圖2方框內的控制模型，采用上述剛體自由度模型，VX、VY、VZ等虛擬軸直接用相應的運動副代替;VM作為全局同步控制器，直接輸入壓機、送料機構各軸的運動曲線并直驅各個運動副，實現數字樣機與真實沖壓線的運動一致性。沖壓線數字樣機建立起來就能仿真模擬整條沖壓線的真實運行情況，可以詳細模擬零件的取放搬運過程中及其與壓機、模具、空工位、機械手之間的干涉情況，不必到實際的沖壓生產線進行反復調試。

2.送料機構采用信號互鎖控制的沖壓線動態仿真。這類沖壓線一般都是在老式手動沖壓生產線改造而來，送料機構的運動軌跡沒有固定規律，變化多樣，但是各個軸都有一定的運動范圍，例如采用機器人做搬運系統的部分生產線。這種情況下數字樣機通常需要采用反向運動學來求解沖壓線的真實運行情況，運動學反解的方法很多，在求解過程中，有些解在運動范圍內具有不確定性，產生多解。這種多解在實際運動中的體現就是：機器人可以通過不同的運動軌跡達到同一位置和姿態，可使用適當的反解算法，使機器人達到最優位姿和行走最短路徑，達到最優的生產節拍。

3.模具的動態仿真。沖壓線的數字樣機能動態仿真壓機、送料機構的運動，但不能模擬一副模具內部活動件的運動，例如壓料板、CAM的運動，也就不能發現模具內部件的干涉問題。模具活動件的動態仿真難點是模擬各種CAM的運動。CAM由驅動器、滑塊、滑塊底座3部分構成，驅動器通過導滑接觸面驅動滑塊做各種需要的的運動。如圖3所示，A為驅動器，B為滑塊，C為底座。CAM的運動機構類型較特別，驅動塊與滑塊之間形成的運動副具有瞬時性，只在驅動器與滑塊接觸時才存在，不像普通的運動副始終存在，而在模擬沖壓全過程時要求運動副必須始終存在。為解決這一矛盾，需構建虛擬的運動副來滑塊的運動，就是在滑塊取一點（B處）讓其始終在虛擬的滑塊曲線軌跡上運動。

模具和沖壓線的動態仿真幫助沖壓工程師設計、仿真、優化沖壓工藝，優化模具結構。所有的運動部件按照它們真實的運動軌跡運行，做到離線安裝調試，有效地減少了設計更改時間，消除模具在線運行碰撞干涉風險和不穩定性。總之動態仿真技術的使用對提高模具的設計水平和自主開發能力將起到顯著作用，參與高端模具市場的競爭有著重要意義。

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（作者單位：曲阜天博汽車零部件制造有限公司）