基于NX動態(tài)仿真的干涉曲線分析方法

李東生，李開文，謝迎歡，黃 棋

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州 545007）

0 引言

在目前汽車制造行業(yè)中，自動化程度不斷提高，用機器取代人工將成為趨勢。現(xiàn)代化的沖壓車間，自動化連續(xù)生產(chǎn)線已成為主機廠的標準配置，生產(chǎn)過程中自動化連續(xù)生產(chǎn)線具有傳輸速度快，傳送穩(wěn)定性高等特點。在機械手送取零件過程中，需要規(guī)避模具零件與機械手在相對運動中的干涉現(xiàn)象。目前大多數(shù)研究的檢測方法是利用繪制的干涉曲線對機械手進出模具的運動軌跡進行仿真分析，保留安全空間裕度，避免發(fā)生干涉，雖然對送料機構(gòu)的干涉曲線靜態(tài)分析應(yīng)用進行了研究，但缺乏具體的操作分析步驟。對于自動化連續(xù)生產(chǎn)線，靜態(tài)干涉分析方法無法完全分析機械手在實際運動中是否發(fā)生干涉現(xiàn)象，現(xiàn)提出基于NX 動態(tài)仿真的干涉曲線分析方法，以空間坐標值的參數(shù)驅(qū)動方式對模具零件與機械手的相對位置進行動態(tài)分析，通過360 步結(jié)果展示，并在機械手在最小空間通過點測量安全空間，以評估機械手能否在特定SPM（strokes per minute，沖次/min）運行下順利進出模具的目的。

1 自動化連續(xù)生產(chǎn)線與干涉曲線解析

1.1 自動化連續(xù)生產(chǎn)線

在自動化連續(xù)生產(chǎn)線中機械手的應(yīng)用種類較多，如級進模整體抓取件、單臂機械手等。不同的自動化連續(xù)生產(chǎn)線的機械手工作形態(tài)不同，運動過程中發(fā)生干涉情況也不同。現(xiàn)只討論沖壓車間普遍應(yīng)用的4道工序成形大型覆蓋件的自動化連續(xù)生產(chǎn)線機械手干涉曲線分析方法。

與自動化斷續(xù)生產(chǎn)線不同，自動化連續(xù)生產(chǎn)線在運行過程中壓力機的凸輪一直旋轉(zhuǎn)，滑塊不會停止在上止點等待機械手進、出模具后再落下，其前后工序的壓力機之間的凸輪轉(zhuǎn)角相差75°，第1臺壓力機凸輪轉(zhuǎn)動至75°時，第2 臺壓力機凸輪開始轉(zhuǎn)動，以此類推。75°的相差角給2 臺壓力機凸輪之間一個時間差，在該時間差中，機械手結(jié)合壓力機滑塊下壓或上升過程中仍存在的空間完成從上一個工序抓取零件放入下一個工序，中間沒有等待時間，機械手與壓力機滑塊形成聯(lián)動，提高了生產(chǎn)效率，自動化連續(xù)生產(chǎn)線如圖1所示。

圖1 自動化連續(xù)生產(chǎn)線

常見的自動化連續(xù)生產(chǎn)線壓力機之間的零件傳送工具是單臂高速傳輸機械手，具有抓取零件穩(wěn)定和轉(zhuǎn)送抖動小的特點，最快的運行節(jié)拍為SPM=12。行業(yè)內(nèi)整條連續(xù)生產(chǎn)線運行的節(jié)拍SPM 一般為7～12，只有少數(shù)新建自動化連續(xù)生產(chǎn)線使用橫桿傳輸機械手時，SPM最高可達到14。

在SPM=12 的運行下，機械手需要準確地把握空隙和時間進入模具進行取、放零件，為了規(guī)避機械手運行過程中與模具零件干涉現(xiàn)象，需引入干涉曲線進行運動分析。在模具設(shè)計完成之初，根據(jù)機械手運動仿真分析結(jié)果，優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)設(shè)計，預(yù)防實際生產(chǎn)中因機械手與模具零件干涉而影響生產(chǎn)節(jié)拍的提升，同時動態(tài)仿真分析為沖壓車間后期的機械手路徑調(diào)試找出最優(yōu)理論運動曲線提供依據(jù)。

1.2 干涉曲線解析

自動化連續(xù)生產(chǎn)過程中，對機械手的運動過程進行定義：以下模為參考，將機械手送取料的運動軌跡稱為運動曲線；以上模為參考并結(jié)合上模的運動過程，將機械手送取料中與上模會發(fā)生碰撞的點連成線則形成干涉曲線，這樣獲得了圖2 所示的運動干涉曲線。將運動干涉曲線導(dǎo)入已經(jīng)設(shè)計好的模具中，能靜態(tài)檢查機械手運行過程中是否與上下模發(fā)生干涉現(xiàn)象。

圖2 運動干涉曲線

圖2 所示的干涉曲線包含一臺壓力機的模具，前一個機械手進、出送料和后一個機械手進、出取料的運動曲線和干涉曲線，將曲線導(dǎo)入對模具進行干涉檢查，稱之為靜態(tài)干涉曲線分析。

（1）檢查機械手的進出是否與下模發(fā)生干涉時，參照的運動曲線如圖3所示。

圖3 使用干涉曲線檢查下模是否干涉

（2）檢查機械手的進出是否與上模發(fā)生干涉時，參照的是干涉曲線，因模具圖是在閉合的狀態(tài)，所以檢查與上模的干涉曲線位置比運動曲線位置要低，如圖4所示。

圖4 使用干涉曲線檢查上模是否干涉

不同運行節(jié)拍的機械手運動軌跡不一樣，其干涉曲線形狀也不一樣，在檢查分析干涉時需以對應(yīng)節(jié)拍的干涉曲線對模具干涉進行分析。根據(jù)機械手運行過程中曲線軌跡點、節(jié)拍的不同，干涉曲線以相應(yīng)參數(shù)進行命名，如圖5所示。

圖5 干涉曲線命名

干涉曲線參數(shù)包含：P1 代表第一臺壓力機模具使用，P2 代表后續(xù)壓力機模具使用，如缺少P，則表示對整條生產(chǎn)線所使用的干涉曲線。中間數(shù)值150、250、350 代表機械手抓取零件時Z向的提升高度，與零件拉深深度有關(guān)，選取干涉曲線時，Z向的數(shù)值必須大于零件的拉深深度，否則無法將零件抓起足夠的高度而取出。中間數(shù)值90、110、140 代表機械手放好零件后退出時Z向的提升高度。10SPM、12SPM代表此干涉曲線相對應(yīng)的整條線運行節(jié)拍。

靜態(tài)分析能初步判斷模具的凸起部位是否與機械手發(fā)生干涉現(xiàn)象，可應(yīng)用于模具設(shè)計開始階段，指導(dǎo)設(shè)計者控制凸起部件的高度，如斜楔的插刀等。但干涉曲線缺乏機械手和端拾器的空間厚度，因此無法準確判斷機械手進、出的空間是否足夠，且零件前后工序存在角度旋轉(zhuǎn)時無法分析零件旋轉(zhuǎn)后是否還能順暢進出模具，必須使用NX 動態(tài)仿真干涉曲線分析方法才能分析模具在特定的SPM下是否存在干涉現(xiàn)象。

2 NX動態(tài)仿真干涉曲線分析應(yīng)用

2.1 機械手端拾器

因端拾器的立體厚度會占據(jù)機械手進出模具取放零件時上抬的空間，在NX 動態(tài)仿真干涉曲線分析前需將端拾器設(shè)計完成。端拾器的立體厚度與吸盤布置的位置相關(guān)，合理地布置吸盤不僅能夠減少其厚度，還能避開障礙高點，結(jié)合合適的角度旋轉(zhuǎn)，能將在靜態(tài)分析時的干涉警報解除。端拾器由吸盤和連接桿組成，吸盤布置的數(shù)量應(yīng)合理，并具有足夠的吸力和穩(wěn)定性，能夠穩(wěn)定地抓取零件。連接桿的結(jié)構(gòu)數(shù)量不能過多，否則會導(dǎo)致端拾器過重，在運行過程中抖動，導(dǎo)致抓取零件時掉落。端拾器的設(shè)計需要兼顧不同項目的同類零件的共用情況，形成端拾器結(jié)構(gòu)的平臺化，能節(jié)約制造成本。設(shè)計好的端拾器如圖6所示。

2.2 運動曲線的空間坐標值

NX 動態(tài)仿真過程中，將圖2 所示的干涉曲線在動態(tài)仿真過程中細分成360 步，以P1 壓力機的凸輪旋轉(zhuǎn)一圈360°為一個完整的周期，360°則對應(yīng)360步。通過360步動態(tài)仿真模具和機械手的相對位置可分析機械手進出模具時是否發(fā)生干涉現(xiàn)象。在360步仿真過程中包含3個部件的運動：①壓力機滑塊（即上模）的上、下運動；②安裝端拾器的機械手沿運動曲線運動；③零件在機械手的抓取下最終落在下一工序的模具上。

以P1壓力機的凸輪角度作為自變量，將每臺壓力機（上模）的運動曲線轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的空間坐標參數(shù)值，且前后工序壓力機之間的凸輪角度相差75°，得到壓力機（上模）、機械手、零件3個運動部件與運動曲線圖一一對應(yīng)的360 個參數(shù)化的坐標值，表1展示 IC_P00566-P1-300-120-12SPM、IC_P00566-P2-300-120-12SPM、IC_P00566-P3-300-120-12SPM 的運動曲線，從0 步至20 步的過程中，OP10、OP20、OP30機械手與壓力機P1、P2、P3 轉(zhuǎn)換后的空間坐標值，X向為送料方向，Z向為高度方向。

表1 SPM=12的運動曲線 從0步至20步的空間坐標值

2.3 NX動態(tài)仿真干涉曲線分析應(yīng)用實例

完成運動曲線的空間坐標值轉(zhuǎn)換后，使用NX動態(tài)仿真功能進行干涉分析，以下結(jié)合實例闡述動態(tài)仿真干涉曲線分析的具體步驟及每一步驟中的設(shè)置要點，NX 動態(tài)仿真分析的過程共分為8個關(guān)鍵步驟。

（1）導(dǎo)入裝配圖。使用NX 打開模具裝配圖，在模具閉合狀態(tài)下將整條生產(chǎn)線的4道工序模具圖依次導(dǎo)入仿真文件中，同時包含工序件和已經(jīng)設(shè)計完成的端拾器。OP10工序模具為壓邊圈頂起的狀態(tài)，后工序的模具壓料塊、斜楔等部件均需處于回退狀態(tài)，如下模存在頂料機構(gòu)，則需處于頂起狀態(tài)。導(dǎo)入模具圖后，將4道工序的模具圖排成一條線，相互間隔6 500 mm，如圖7所示。

圖7 模具排成一條線

（2）調(diào)整端拾器位置。確認零件位于凸模上，調(diào)整端拾器處于抓取零件的位置，如圖8所示。

圖8 端拾器處于抓取零件位置

（3）畫輔助線作為輔助運動連桿。在NX 動態(tài)仿真中，連桿在整個機構(gòu)中進行運動傳遞，參與當前運動仿真的部件都定義為連桿，每1 個連桿只能進行1 個方向的動作。機械手和工序件是沿X軸和Z軸2個方向的運動，因此需要畫2條直線作為輔助連桿，以實現(xiàn)機械手與工序件空間運動。首先將機械手和工序件定義為X向運動，通過勾選嚙合功能，連接輔助連桿的Z向運動后，即可實現(xiàn)X向和Z向的2 個方向運動，合成復(fù)雜的空間運動。其中拉深工序還包含上料機械手和板料，故需畫4 條直線作為輔助連桿，如圖9所示。

圖9 畫線作為輔助連桿

（4）建立仿真文件。進入運動模塊后選擇動力學類型建立NX仿真文件，如圖10所示。

圖10 建立仿真文件

（5）建立連桿。將所有工序的上模、下模、端拾器、零件設(shè)定為連桿，如圖11 所示，以實現(xiàn)運動傳遞。下模和壓力機機臺需勾選設(shè)定為固定連桿；其它部件設(shè)定連桿時選質(zhì)量屬性選項；實體優(yōu)先選擇自動；片/線體選用戶定義（質(zhì)量與力矩：質(zhì)心選片體上的點；質(zhì)量、lxx、lyy、lzz填10，其余不填）。

圖11 建立連桿

（6）建立運動副。運動副是建立在連桿上用于定義連桿的空間運動。

1）類型：零件和端拾器轉(zhuǎn)運過程需要做角度旋轉(zhuǎn)時選旋轉(zhuǎn)副，其余一般選滑塊。

2）選擇連桿：選擇相應(yīng)的連桿，原點選取在連桿上，矢量方向即此連桿的運動方向。

3）2 個方向運動時，勾選嚙合連桿，并選擇輔助連桿，如工序件需進行2個方向（X向、Z向），則需勾選嚙合Z向作為輔助連桿，如圖12所示。

圖12 建立運動副

（7）導(dǎo)入?yún)?shù)驅(qū)動運動副。運動副設(shè)定好后需要以參數(shù)化的方式進行驅(qū)動：①點選驅(qū)動→選擇函數(shù)→點箭頭選擇函數(shù)管理器；②選AFU 格式的表→新建；③確認AFU 文件及ID 信息，點選“XY”編入；④在編輯界面，將運動曲線轉(zhuǎn)化成空間坐標值拷入，依次點擊確定后完成運動副的驅(qū)動函數(shù)創(chuàng)建，所有連桿都需要一一進行設(shè)定，如圖13所示。

勞動(Labour)：創(chuàng)造價值并且只能在量上被計算的勞動。[注]Fuchs, Christian,Digital Labour and Karl Marx, New York: Routledge, 2014, p.26.

圖13 導(dǎo)入?yún)?shù)驅(qū)動運動副

（8）設(shè)定解算方案及求解。完成連桿和驅(qū)動副的設(shè)定后，可對設(shè)定的方案進行求解：解算方案→時間與步數(shù)均設(shè)置為361→勾選“按確定進行求解” →重力方向選擇“-Z” →點選確定，等待求解完成，如圖14所示。

圖14 解算方案及求解

2.4 動態(tài)仿真干涉曲線結(jié)果分析

整條生產(chǎn)線包含4 臺壓力機和5 個機械手，NX動態(tài)仿真結(jié)果會形成360 部連續(xù)的動畫，展示在不同時間下的相對空間位置，圖15 所示為第146 步時模具與機械手的空間位置。

圖15 第146步時模具與機械手的空間位置

根據(jù)機械手運行的要求，在運行過程中機械手的最高點距離上模最低點的距離不得小于SPM×7，如模具在IC_P00566-300-120-12SPM 的曲線下運行，機械手與上模的最小安全空間需大于12×7=84 mm。同時，機械手最低點距離下模的最高點安全空間需大于15 mm，否則視為干涉。

根據(jù)動畫展示的相對位置，對每個機械手進、出模具時最小空間通過點進行安全空間的測量，即可分析機械手是否與模具發(fā)生干涉。圖16 所示分析結(jié)果以O(shè)P10-P1命名，表示OP10的機械手對于第1 臺壓力機P1 模具的干涉情況，圖16 中下方2 個箭頭分別代表機械手進、出模具的方向，模具上方的數(shù)值為壓力機凸輪此時的旋轉(zhuǎn)角度，方框中的數(shù)值為在最小空間通過點測量的安全空間值，所有數(shù)值單位均為 mm。在最小空間通過點時，上模的安全空間為216 mm，大于84 mm；下模的安全空間為57.5 mm，大于15 mm，因此判斷OP10 機械手在進出模具時不會發(fā)生干涉現(xiàn)象，可在SPM=12 節(jié)拍下順暢運行。

圖16 機械手最小空間通過點的安全空間

2.5 動態(tài)仿真干涉分析問題優(yōu)化

對于復(fù)雜的側(cè)圍模具，拉深深度深且斜楔結(jié)構(gòu)多，機械手進、出空間小，在IC_P00566-300-120-12SPM 的曲線下運行時，整條生產(chǎn)線節(jié)拍SPM=12，機械手進、出模具取件的時間點較早，因此在最小空間通過點，仿真動畫出現(xiàn)機械手與模具的干涉現(xiàn)象，需分2種情況進行優(yōu)化處理。

（1）在最小空間通過點：上模安全距離+下模安全距離的總和小于SPM×7+15=99 mm，此情況判斷機械手無法進、出模具抓取零件，不能通過調(diào)整機械手運動路徑的方法解決，需改變模具結(jié)構(gòu)設(shè)計，減少上、下模的厚度，滿足通過整體空間大于99 mm后，才能滿足SPM=12 的節(jié)拍運行，否則只能在低一個檔次節(jié)拍的干涉曲線IC_P00566-300-120-10SPM下運行，即降低壓力機運行的速度，推遲機械手進入模具的時間點，以獲得更大安全空間，此情況一般出現(xiàn)在OP10 工序模具上。圖17 所示某側(cè)圍用IC_P00566-300-120-12SPM 的曲線分析，在壓力機旋轉(zhuǎn)至253°時：OP10-P1進入取料，在最小空間通過點與上模最低點只有25.9 mm，且端拾器距離下方最高點只有42 mm，整體空間＜99 mm，因此無法滿足SPM=12的節(jié)拍生產(chǎn)要求。

圖17 上模與下模的安全空間不足

圖18 整體安全空間足夠（下模空間不足）

（1）機械手進P3模具送料：在壓力機凸輪154°～158°逆時針旋轉(zhuǎn)18°，并升高50 mm 進入；在壓力機凸輪168°～171°順時針旋轉(zhuǎn)9°；在245°～252°逆時針旋轉(zhuǎn)8°，放下零件，如圖19所示。

圖19 機械手旋轉(zhuǎn)角度調(diào)整路徑進入

（2）機械手從P3模具退出：在壓力機凸輪195°～200°間順時針旋轉(zhuǎn)11°，并升高70 mm退出；在207°～213°間逆時針旋轉(zhuǎn)15°，如圖20所示。

圖20 機械手旋轉(zhuǎn)角度調(diào)整路徑退出

3 結(jié)束語

對自動化連續(xù)生產(chǎn)線的運行特點進行了說明，對運動干涉曲線的知識和靜態(tài)分析應(yīng)用做了解析，通過對比，指出NX 動態(tài)仿真干涉曲線分析的必要性。以實例說明了動態(tài)仿真分析過程的步驟和設(shè)置方法，通過對動態(tài)仿真結(jié)果的測量，可清晰地分析機械手在最小空間通過點的安全空間，確認模具對機械手運行的干涉現(xiàn)象，為模具設(shè)計優(yōu)化和沖壓車間機械手路徑的調(diào)試提供理論依據(jù)。針對發(fā)生的干涉現(xiàn)象，通過改變模具設(shè)計和調(diào)整機械手路徑，給出了解決方法，以滿足特定的SPM 運行。NX動態(tài)仿真分析方法不僅適用于自動化連續(xù)生產(chǎn)線模具，而且對于其它機械的運動工況，在設(shè)定相應(yīng)的空間參數(shù)坐標值后，參照上述步驟和設(shè)置方法，同樣可以實現(xiàn)動態(tài)仿真分析。