基于UG的双动折边机构运动仿真分析

陈晓龙，毕大森，魏 伟

(1.天津理工大学 材料科学与工程学院，天津 300384；2.天津市光电显示材料与器件重点实验室，天津 300384；3.天津市电工铜质线材企业重点实验室，天津 300384；4.天津市精密级进模具成型技术工程中心，天津 300384；5.天津鑫茂天和机电科技有限公司，天津 300112)



基于UG的双动折边机构运动仿真分析

陈晓龙1,2，毕大森1,3,4，魏 伟5

(1.天津理工大学 材料科学与工程学院，天津 300384；2.天津市光电显示材料与器件重点实验室，天津 300384；3.天津市电工铜质线材企业重点实验室，天津 300384；4.天津市精密级进模具成型技术工程中心，天津 300384；5.天津鑫茂天和机电科技有限公司，天津 300112)

由于双动折边机构在汽车覆盖件包边模具中被广泛使用，并且为了提高汽车覆盖件外缘的包边尺寸精度和表面质量。现基于UG/Motion运动分析模块，对双动折边机构进行运动模拟仿真，并分析其机构运动过程，机构干涉情况、机构复位及机构的运动速度。

UG；包边机构；双动折边机构；运动仿真

0 前言

近几年，随着我国汽车工业的飞速发展，车型更新换代速度加快,生产规模呈现台阶频跃，所以对汽车车身的设计制造质量，特别是对汽车覆盖类零件的质量，提出了许多新的要求。由于汽车覆盖件是由内、外板通过包边设备包合而成，这些零件大都为空间曲面结构，形状复杂，所以其制造质量直接影响到汽车的安全性、密封性及外观。实现汽车白皮车身的车门、机盖、行李箱盖等零件的内、外板扣合包边的方法有很多，根据其生产规模和投资大小、场地要求，可以使用机械包边，可以通过手工包边或半机械包边；可以利用压力机与包合模具包边，也可以利用液动控制的包边胎包边[1]。根据车身装配工艺的要求，包边设备应该包含工件上下料及输送、工件包边工作状态确定及定位夹紧、工件预包边及包边等多项动作[2]。包边工艺是一种将零件上冲压产生的上翻边或下翻边包弯压平后，使零件的内外板连接在一起的一种装配工艺[3]。在设计包边设备时，为了保证内、外包边的质量，需要注意避免预包边杠杆及模块、包边杠杆及模块和工件夹紧杠杆各自运动轨迹相互干涉的现象[4]。

1 双动折边机构结构及运动原理

本文针对汽车覆盖件包边模具中的双动折边机构，根据型号HPPL45建立模型，HPPL45实物如图1所示，使用UG 软件进行运动仿真，分析其机构运动状态，检查机构运动干涉情况。

图1 HPPL45实物图Fig.1 Actual Product of HPPL45

双动折边机构结构形式如图2所示。

图2 双动折边机构结构示意图Fig.2 Double action hemming mechanism ctructure

由于双动折边机构各个机构组成类似一个平行四边形机构，所以机构的运动是遵循平行四边形原理。双动折边机构由一个装在三角行状的块上的滚轮来提供驱动，借助平行四边形四杆机构实现包边。运动过程中，双动折边机构上的包边刀块姿势保持不变，连接平行四边形机构上面的各点之间的相对位置在运动的过程中不发生改变，实现包边刀块的平动。双动折边机构运动示意图如图3所示。由于拉弹簧的作用，其滚轮始终和斜楔的表面相贴合，所以在运动的过程中其空间运动轨迹是确定的。这种机构在板料包边中的运动形式比较简单。装在双动包边机构上的包边刀块的运动姿态即是刀块在包边行程终点的姿态。并且该机构设立有限位块，使机构的运动控制在一定范围内，而且适用于弯曲线变化大的地方。

图3 双动折边机构运动示意图Fig.3 Double action hemming mechanism

2 双动折边机构运动仿真

2.1 机构运动过程

选取某型号汽车发动机盖包边模具上的双动折边机构，如图4所示。双动折边机构运动过程是驱动器装在汽车覆盖件包边模的上模上，基座装在汽车覆盖件包边模的下模上。包边模的上模下行使驱动器下行，驱动导轮带动三角摆块、摆块在销轴做四连杆运动，推动回转托架带动镶块完成折边动作，包边模的上模继续下行，导轮与驱动器脱开，折边部分在拉簧作用下回位，上模与下模合模压合工件，包边模的上模上行，机构分开完成折边压合。托架的运动轨迹追踪如图5所示，由于平行四边形运动的特点，托架运动轨迹近乎直线，所以与此预包边机构相连的预包边刀块在运动过程中的空间姿态不变，预包边刀块上的每一点都有相同的运动。由于实用新型采用四连杆的结构，双动折边机构设计使机构具有高强的稳定性。而且双动折边机构成功的把基座部分、驱动部分与包边部分分离出模具中心，大大节省了模具的尺寸。

图4 双动折边机构在模具上的装配图Fig.4 Hemming die assembly parts drawing

图5 托架的运动轨迹追踪图Fig.5 Trajectony traking of bracket

2.2 机构干涉分析

双动折边机构的机构干涉图如图6、图7所示。若驱动器的自动回位装置(即限位块)与斜楔之间的间隙不足，从而导致滚轮无法正常沿斜楔运动，造成驱动器与三角摆块放生干涉，在大的压力机带动驱动器工作下，对驱动器和双动折边机构造成破坏，所以自动回位装置和斜楔的间隙要选择合适[7]。间隙过大时会在弹簧失效后不能让包边刀块按要求回位，间隙过小时，导致滚轮不能顺利通过发生运动干涉，在严重的情况时，包边机构会在压机力的作用下遭到破坏。可以通过缩短自动回位装置长度，增大与斜楔之间的间隙，如图8所示，斜楔与回位装置之间的间隙为44.34 mm，斜楔回位面与工作面的角度为45°，从而消除滚轮与驱动器之间在运功工作中产生的干涉。

图6 双动折边机构限位块与斜楔干涉图Fig.6 Stnuture interfacence of limted block and cam driver

图7 双动折边机构在闭合模具位置Fig.7 Double hemming mechanism position in die closed

图8 驱动器尺寸示意图Fig.8 Driver block

基座尾部角度不能太小，要满足三角摆块的回程量，否则基座尾部易与三角摆块产生干涉，使三角摆块无法正常复位，照成托架无法复位，不能保证刀块与包边板之间的间隙，从而使折边精度降低，如图9所示。

图9 双动折边机构基座尾部与三角摆块干涉图Fig.9 Structure interfacence of mount and pendulum triangle block

为了消除基座与三角摆块之间在运功工作过程中相互之间的干涉，可将基座，三角摆块设计加工尺寸如图10和图11所示。基座尾部与基座上水平面之间角度为150°，基座尾部与基座垂直面角度为135°，三角摆块的滚轮孔和三角摆块与基座连接的孔的角度为45°，三角摆块的后侧角度为148°，从而保证基座与三角摆块之间在运功工作过程中，相互之间不发生干涉，来保证刀块与包边板之间的间隙，从而使提高折边精度。

图10 双动折边机构基座设计加工图Fig.10 Mount of double action hemming mechanism

图11 双动折边机构三角摆块设计加工图Fig.11 The pendulum triangle block of double action hemming mechanism

2.3 机构复位分析

双动折边机构复位拉簧位置如图12所示。双动折边机构复位拉簧的拉簧力变化如图13所示。包边模具闭合过程中，弹簧处于拉伸状态。托架靠弹簧A和弹簧B平稳恢复到工作前状态，在整个机构运动过程中弹簧力变化几乎为线性变化，图中最大最小值时分别为模具在开模，机构在工作点运动间隙的停止时间。弹簧B比弹簧A在机构工作点的弹簧力大。

为了满足机构运动的确定性，在预包边过程中弹簧必须提供足够的拉力使滚轮始终和斜楔的表面贴合。在预包边过程中，斜楔推动预包边机构的过程较为缓慢。在预包边机构上连接有预包边刀架和预包边刀块，整个机构的质心重力对机构中心的转矩在预包边完成处最大，此时弹簧力对旋转中心的力臂为最短。所以保证弹簧可以将整个机构拉回位，弹簧的刚度必须保证此时弹簧力对旋转中心的力矩大于质心重力的力矩。在维护时,仅更换同一截面若干个弹簧中的一个或几个,即新、旧弹簧混装,造成承载大小不均,引起承受载荷大的弹簧失效[8]。所以在维护中，要同时更换四个弹簧，以保证造成承载大小分布均匀，保证复位准确及时，以防止刀块卡在坯料上。

2.4 机构运动速度分析

图14为摆块与基座连接处速度变化，图15为摆块与托架连接处速度变化，图16为三角摆块与基座连接处速度变化图，图17为三角摆块与托架连接处速度变化。速度变化几乎呈抛物线性变化，速度变化没有大的突变区域。由四张图对比看出，摆块及三角摆块在传动中平稳运动，相互运动配合一致，从而使托架运动姿势稳定，使刀块运动姿态稳定，利于机构进行折边成型。

图12 双动折边机构拉簧位置图Fig.12 The spring position of double action hemming mechanism

图13 弹簧力变化图Fig.13 The spring force distribution

图14 摆块与基座连接处速度变化 Fig.14 Speed changes of pendulum block and mount

图15 摆块与托架连接处速度变化 Fig.15 Speed changes of pendulum block and bracket

图16 三角摆块与基座连接处速度变化图 Fig.16 Speed changes of pendulum triangle bloc and mount

图17 三角摆块与托架连接处速度变化Fig.17 Speed changes of pendulum triangle block and bracket

3 结 论

本文通过UG对双动折边机构进行运动模拟分析，看出双动折边机构采用四连杆的结构设计使机构具有高强的稳定性，基座部分、驱动部分与包边部分分离出模具中心，大大节省了模具的尺寸，降低了折边模具的设计难度。但双动折边机构生产制造装配后，易造成驱动器与三角摆块放生干涉，基座尾部与三角摆块产生干涉。并且由于包边模具中的包边机构在模具包边成型中反复运动，应定时检查更换拉簧，使双动折边机构能够准确复位。

[1] 李云峰.凸轮机构在包边模中的应用[J]. 模具工业，1999(04)：32-35.

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[3] 杨磊.车身四门两盖包边工艺的几种结构型式和试制包边模的优化[J].上海汽车， 2012(05)：50-54.

[4] 许蔷.基于函数驱动的汽车包边机运动仿真[J].装备制造技术，2009(10)：15-17.

[5] 张晋西，张甲瑞，郭学琴编著.UG NX/Motion机构运动仿真基础及实例[M].北京：清华大学出版社，2009.

[6] 朱崇高，谢福俊编著.UG NX CAE基础与实例应用[M].北京：清华大学出版社，2010.

[7] 袁腾飞.汽车包边模的CAE分析及优化设计[D].湖南：湖南大学，2009.

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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

天津市科技支撑计划项目13ZCZDGX01300

陈晓龙(1989-)，男，天津理工大学材料科学与工程学院，硕士研究生，研究方向为汽车覆盖件大型复合模具多方位精密成形功能模块。

TH113.2

A

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