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[其他] NX6.0的机构运动仿真功能助力压合模制造

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发表于 2015-8-31 11:42:05 | 显示全部楼层 |阅读模式
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NX6.0的机构运动仿真功能助力压合模制造

NX6.0的机构运动仿真功能助力压合模制造

        图1  进入运动仿真模块操作界面

        福田模具针对复杂模具运动过程中易出现干涉现象,运用NX6.0的机构运动仿真功能通过建立多体运动学模型,实现了对复杂模具的运动过程进行运动仿真分析,降低了如压合模、子母斜楔类复杂模具的设计难度,并减少了三维实体模具的干涉,提高了三维实体设计水平,缩短了模具生产制造周期.
        长期以来,国内的汽车模具企业在设计和加工制造中都是采用二维图纸。二维图纸尺寸完整,适合于传统的汽车模具生产,但二维图纸存在线条尺寸多、设计工作量大、复杂模具表达不直观、隐藏的干涉多以及对工人识图要求高等问题。随着中国汽车行业的快速发展,各汽车厂为了尽可能早地抢占市场,对汽车模具的生产周期要求越来越短,精度要求越来越高。这就对模具设计以及制造等各个环节提出了更高的要求。随着CAD/CAM技术的深入应用,二维设计逐渐显现出越来越多的劣势,三维设计也就自然而然地成为国内汽车模具设计人员必须掌握的设计手段。三维实体设计主要的优势在于直观可见。
        在三维设计的支持下,汽车覆盖件模具结构变得越来越复杂,实际设计生产制造周期不断缩短。在复杂模具的设计、制造和调试过程中,工程师经常会遇到各种困难,如模具复杂机构的运动不协调、自动线冲压模具实体之间的干涉等,这使得模具的生产周期较以往大大延长,难以满足汽车制造厂家的需求。传统的模具设计都基于静态实体,很难模拟复杂模具结构的运动状况。为更好地减少复杂模具设计过程中的失误,提高三维实体设计水平,缩短模具设计制造周期,山东潍坊福田模具有限责任公司(以下简称“福田模具”)借助先进的机构运动仿真技术,对复杂模具的运动全过程进行仿真分析,并依据仿真计算结果对模具结构进行优化,从而在设计阶段发现问题、消除隐患,有效提高设计阶段的效率和准确性,最大限度地减少装配调试的时间和降低成本,缩短模具生产周期。
       

NX6.0的机构运动仿真功能助力压合模制造

NX6.0的机构运动仿真功能助力压合模制造

        福田模具信息化历程
        福田模具自 1997年引入NX设计软件之初就开始三维实体设计的研究,2003年初,PDM系统成功应用;2003年底,在PDM系统基础上成功推广三维实体设计,2005年,三维实体设计与模具实型三维加工技术得到了有效的结合应用:直接以三维实体为依据进行数控编程,加工泡沫和铸件以及装配。经过多年的摸索和实践,福田模具成功解决了模具三维实体设计应用中存在的问题,缩短了产品开发和模具制造周期,削减了项目开发成本。
        运动仿真技术
        机构运动仿真技术,是20世纪80年代随着计算机技术的发展而迅速发展起来的一项计算机辅助工程(CAE)技术,工程师在计算机上建立虚拟的三维模型,对模型进行各种动态性能分析,然后改进设计方案,用数字化形式代替传统的实物样机试验。运用虚拟样机运动仿真技术,可提高产品的系统性能,获得最优化的产品设计,同时大大缩短产品开发周期,大幅度降低开发成本。运动仿真技术的研究范围主要在机械系统动力学和运动学方面,其核心是利用计算机辅助分析技术进行机械系统的动力学和运动学分析,以确定系统及其构件在任意时刻的位置、速度和加速度。
       

NX6.0的机构运动仿真功能助力压合模制造

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        图4  压合机构

        NX6.0机构运动仿真功能
        NX6.0自带的MOTION模块是世界领先的机械系统运动学、动力学仿真分析软件。利用该功能能够建立和测试虚拟样机,实现在计算机上仿真分析复杂机械系统的运动学和动力学性能,可以快速、方便地创建机械系统的几何模型。该模型可以是从其他CAD软件中转换过来的造型逼真的几何模型,然后在几何模型上设置力、力矩和运动副,最后执行一组与实际状况十分接近的运动仿真测试,所得的测试结果就是机械系统工作过程的实际运动情况,因此可以在很短的时间内完成建造和测试模具运动全过程的工作,直观分析各设计机构的运动情况,检查运动实体结构之间是否存在干涉,指导复杂模具结构的设计开发。该模块提供机构仿真分析和文档生成功能,可在NX环境定义机构,包括铰链、连杆、弹簧、阻尼、初始运动条件和添加阻力等,然后直接在NX中进行分析,仿真机构运动。设计人员可以分析反作用力、图解合成位移、速度及加速度曲线,反作用力可输入有限元分析,可以极其方便地对设计方案进行模拟、验证、修改和优化。缩短生产周期,节约设计成本。一旦熟练掌握了此方法,就可以在极短的时间内给出完整且极具说服力的设计方案。
        运动仿真操作过程的重要阶段
        1.数据准备阶段
        在进行运动仿真模拟之前我们需要对已经设计好的三维模具进行简单的数据整理:模具设计工程师大都习惯按照最终工作状态来开展设计,而进行运动仿真时我们一般都习惯于从非工作状态开始进行(也可以在工作状态进行相关设置,不过具体实现起来可能不太方便,建议从非工作状态开始分析)。
       

NX6.0的机构运动仿真功能助力压合模制造

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        图5  压合模整套模具三维模型

        2.进入运动仿真模块
        数据准备完成以后我们首先要进入运动仿真模块(见图1)才能进行相关操作。这一步是必不可少的,因为在正常的建模或者是装配模式下是不能进行运动分析的。
        3.设置连杆机构
        连杆指机构中的刚体,机构中的每个运动零件均应定义为连杆。新建一个仿真,把一起运动的相关零部件设置为一个连杆机构,对于有相对运动关系的不同零部件需要分别设置为一个连杆机构。
        4.设置运动副
        创建连杆以后,每个独立的空间连杆具有6个自由度,需要用运动副将各连杆之间连接起来,在各连杆之间形成一定的约束,使连杆构成的运动链具有确定的运动,从而构建一个机构。这部分的主要任务是对于存在相对运动的连杆机构需要分别设置运动副,运动副的种类包括:旋转副、滑动副、圆柱副、螺钉副、Universal、球面副、平面副、固定副、恒定速度副、多点重合副、共线副、共面副、方位副、平行副和垂直副等。
        5.设置力、弹簧、阻尼和碰撞
        作用力使物体产生运动,作用力具有大小和方向,根据其方向的不同性质,在仿真模块分为标量力和矢量力。弹簧是一个弹性元件,可以给物体施加力。施加力的大小由胡可定律确定。阻尼对物体的运动起反作用,消耗能量,逐步降低运动响应,常和弹簧一起使用,控制弹簧的反作用力,使弹簧的运动比较缓和。
       

NX6.0的机构运动仿真功能助力压合模制造

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        当两个实体建立3D接触关系后,系统在每一步分析中检查两者的距离关系,一旦判断出有接触发生,求解器就计算出接触力和接触运动响应。
        6.对已经设置好的仿真求解
        所有设置完成之后需要建立解决方案对已经设置好的仿真求解。
        7.享受设置取得的成果
        在主菜单依次选择分析→Motion→动画,在随后弹出的对话框中点击“播放”按钮即可享受一场从未见过的视觉盛宴。同时我们还可以在画面中动态测量某两个点的距离变化;查看运动过程中的干涉情况;可以设置成运动过程中如果遇到干涉情况停止运动;可以求出某些关键点的运动轨迹等。
        压合模机构运动仿真分析
        汽车覆盖件中最重要的是外板覆盖件,外板与形状复杂的内板间通常是外板压合包裹住内板,图2是车门内、外板压合的示意图。这是一套周圈和窗口内圈在一套模具上完成的复杂模具,特别是窗口内部的多边自压合,工作内容多,机构复杂,机构运动关系复杂,然而空间又非常紧张,如果不进行全面的运动仿真分析很难保证各个机构在生产制造过程中能够运转正常,很难避免运动部件之间在运动过程中不干涉。
        压合需要经过预压合、压合两个阶段才能完成,其过程如图3所示。在生产厂家没有包边机的情况下,利用压合模来完成压合的两个阶段需要使用结构较为复杂的各种压合模机构。图4为多种压合机构中的一种,其上驱动臂(零件1)在合模过程中驱动转动臂(零件2),推动预压合镶块(零件3)实现预压合过程,之后预压合镶块退回,压合镶块(零件3)再完成压合过程。在整个压合过程中,为保证压合后制件的质量,预压合镶块需尽量同时触料,但由于空间有限,整个机构在运动过程中经常互相干涉。图5为某车型车门内、外板压合三维模型,从装配图中可看出模具的结构较为复杂,装配繁琐。
        在设计阶段,我们利用NX 6.0的机构运动仿真功能按照各机构的运动追加了驱动和约束,对压合模的整个工作过程进行了仿真,得到了压合模工作运动全过程。通过仿真结果,我们可以直观地观察到预压合镶块的触料情况、各机构之间的运动协调性和实体在运动过程中的干涉情况以及所选机构是否可以事先预想的预压合和压合功能,及时发现各种问题,修改设计过程中的实体。加工时按照实体加工,装配调试即可保证压合模各种复杂机构运动的正确性,大量减少模具在车间装配调试所用的时间。通过运动仿真我们还可以获得很多非常有用的数据,例如:动态测量2个测量点之间距离(见图6),某点运动轨迹和某点坐标值的动态变化曲线(见图7)。
       

NX6.0的机构运动仿真功能助力压合模制造

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        图8  多子母斜楔翼子板侧翻整侧修冲模具三维实体

        多子母斜楔模具运动仿真分析举例
        翼子板是遮盖车轮的车身外板,是轿车上最重要的外覆盖件之一,也是影响整车外观质量的关键零件。由于其形状不规则,成形工艺比较复杂,而该零件的要求又非常高,故翼子板模具能够比较直观地体现技术、制造水平,被公认为是汽车外覆盖件中比较典型的零件。目前大多数的汽车模具企业都已经由传统的二维设计转向了三维实体设计,图8为福田模具承接的福田公司蒙派克Midi车身翼子板双子母斜楔侧翻整侧修冲模具三维实体模具示意图。经过对该模具进行动态运动仿真提前发现了意想不到的干涉现象,将未来在生产环节才能发现的干涉问题消灭在设计阶段,大大减少原材料成本和生产制造周期。
        结语
        借助先进的CAD和CAE技术,通过对汽车覆盖件复杂模具运动过程进行仿真分析,可以确保复杂运动机构的运动协调,避免运动干涉现象,最大限度地减少由此类问题引发的模具成本增加等问题,提高复杂模具的设计水平,缩短模具的设计和装配调试周期。仿真技术在模具设计阶段的应用对模具企业提高模具设计水平和自主开发能力、参与高档模具和高端市场的竞争具有重要意义。运动仿真技术在压合模及子母斜楔中的应用,为福田模具设计质量的保证作出了很大贡献。
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