冲压模具运动仿真在NX中的几种实现方法

代小龙，罗劲竹，邓在宾

（四川成飞集成科技股份有限公司，四川成都610092）

1 引言

目前汽车冲压模具开发与产品开发同步化，模具结构复杂化，模具制造周期紧张化。如果在模具制造阶段出现结构干涉情况，需要优化模具结构并对模具进行返工整改，既影响模具制造周期又增加制造成本。因此，在模具结构设计阶段运用软件进行虚拟运动仿真技术及时发现模具结构中的干涉，不但可以大幅缩短产品开发周期，降低产品开发成本，还能提高模具质量，获得最优化的设计产品[1]。

常见的汽车冲压模具运动仿真软件主要分为两种：一种是通用型运动仿真模块方案，如达索CATIA中的DELMIA、DMU模块，西门子NX中的Motion Simulation模块，MSC的ADAMS等；另一种是针对冲压模具的专业运动仿真软件，如日本UEL的SolidAidMeister，山大华天的Sinovation等[2]。其它小众冲压仿真软件还有西门子用于冲压生产线整线运动仿真的冲压线仿真平台PLS（Tecnomatix Press Line Simulation）等。

通用型系统的优点在于结构设计与运动仿真同平台，不需要数据转换，数据更新快，缺点是一般没有考虑到模具结构的复杂性，运动仿真设置操作繁琐复杂，实际效率比较低；专业性系统优点在于运动仿真设置操作简便，缺点是需要反复格式转换，会丢失数据的装配关系，数据更新不及时，综合效率也不太高。

目前已经有不少学者研究与开发了基于CAD平台的针对汽车冲压模具的运动仿真系统，如黎慰等人利用CATIA的DMU模块开发了基于CATIA平台的汽车模具运动仿真系统[3]；肖遥等人利用NX的Motion Simulation模块开发了基于NX平台的自动冲压线汽车模具运动仿真系统[4]；张国彬等人基于Pro/E平台上研发了一个轿车车身冲压生产线仿真系统[5]。

2 目的

NX软件作为目前国内主流的模具设计开发软件，目前大家熟知的NX平台的冲压模具运动仿真解决方案比较单一，基本上都是通过NX的运动仿真模块（Motion Simulation）来实现。只有少量学者研究了基于NX平台冲压模具运动仿真的其它解决方案。目前比较特别的方案是曹旭军等运用NX软件的装配模块和表达式功能，对某汽车翼子板修边模各组件进行了运动模拟，成功地实现了运动顺序及干涉的检查[6]。

针对上述情况，本文以一组吊楔运动仿真为例，探讨NX平台的冲压模具运动仿真的多种解决方案，并对比不同方案之间的差异，为基于NX平台的冲压模具运动仿真研究与应用提供多种思路。

3 方法

选用吊楔的运动过程、吊楔在各个方向上的运动行程及参数命名如图1所示。

图1 吊楔运动过程及行程关系

吊楔组件在NX中分别命名：总装配文件（CamAssembly.prt）、滑 块（CamSlider.prt）、底 座（CamHolder.prt）、驱动座（CamDriver.prt）。

设定吊楔为100mm/s的匀速运动，Z向运动400mm后到上死点再返回下死点，整个运动周期按360划分后，由此得到底座与滑块运动曲线数据并保存为csv格式，以便仿真时使用。

3.1 基于运动仿真模块

运动仿真模块是最常规的运动仿真工具，NX集成Simcenter Motion、NX Motion、ADAMS、RecurDyn 4种求解器，可以对机构进行运动学、静力学和动力学分析，基本操作流程如图2所示。

图2 运动仿真模块的操作流程

按顺序设置连杆、运动副和运动驱动，然后进行求解便得到仿真结果，完成对吊楔的运动仿真。在设置运动驱动时，使用2D曲线的方式（注：ADAMS和RecurDyn求解器不支持），导入准备好的吊楔运动曲线文件即可，如图3所示。检查干涉情况时需要先定义要检查的对象，解算后再查看结果时，软件能高亮干涉的对象。

图3 运动驱动设置

3.2 基于机电概念设计模块

机电概念设计模块（Mechatronics Concept Designer，MCD）集成了运动仿真和力学分析的功能,通过可控的运动副约束设计好的模型，使执行机构按照既定计划运动[7]。

MCD模块机构运动部分的基本操作流程与运动仿真模块相似，如图4所示，但MCD没有单独的解算步骤，随时可以查看与验证当前设置情况。

图4 MCD模块的操作流程

按顺序设置刚体、运动副和执行控制器后就可以直接查看仿真结果，完成对吊楔的运动仿真。运动控制部分使用的是电子凸轮控制运动曲线来完成，如图5所示。目前没有专用的干涉检查功能，如果需要检查干涉情况，可以通过定义碰撞体并勾选高亮显示的方式来实现，查看运动仿真时，软件能高亮显示发生碰撞的对象。

图5 设置导航器及控制曲线

3.3 基于动画设计模块

动画设计模块（Animation Designer）可以模拟测试和分析机械装配的运动过程，没有独立的模块环境，需要在建模环境下使用。和MCD相似，算是MCD的精简机械版，去掉了电气部分，机械部分也作了精简，基本操作流程如图6所示。

图6 动画设计模块的操作流程

按顺序设置刚体、运动副和执行控制器后就可以直接查看仿真结果，完成对吊楔的运动仿真。运动控制部分使用的是电子凸轮控制运动曲线来完成，如图7所示。开启碰撞检查后查看运动仿真时，软件会检查所有对象的碰撞情况，能高亮干涉的对象。

图7 设置导航器及控制曲线

3.4 基于冲模验证模块

冲模验证模块（Die Validation）是NX的汽车冲模3大模块之一，其它两个分别是冲模设计（Die Design）和冲模工程（Die Engineering）。冲模验证可以模拟冲压线中压机、模具组件与钣金零件的运动过程，与冲模验证类似的模块还有针对级进模的验证模块与针对注塑模的验证模块，基本操作流程如图8所示。

图8 冲模验证模块的操作流程

在加载压床模型时能进入压床模型设置界面，在此界面允许进行导入运动曲线、设置顶级部件属性、定义操作及标识冲压数据信息等操作，如图9所示，按顺序完成基本设置后，就可以运动仿真查看结果，完成对吊楔的运动仿真。可以在运动仿真界面定义干涉检查对象，如图10所示。检查干涉情况时需要先定义要检查的对象，开启碰撞检查选项后，查看运动仿真时，软件高亮干涉的对象。

图9 压床模型设置及组件安装界面

图10 运行仿真查看结果

3.5 基于冲压模检查模块

冲压模检查模块（Press Die Checker），冲模验证模块的升级版本，压床模型的设置上有所不同，同样可以模拟冲压线中压机、模具组件与钣金零件的运动过程。NX12新增模块，拥有独立的模块环境，在新建.Prt文件时选择冲压生产线模板就可以创建基本的机床模型，而冲模验证模块需要在建模环境下使用，基本操作流程如图11所示。

图11 冲压模检查模块的操作流程

按顺序加载压床模型，安装定义好各吊楔组件，如图12所示，加载运动曲线.csv文件后，就可以运动仿真查看结果，完成对吊楔的运动仿真。可以在运动仿真界面定义干涉检查对象，如图13所示。检查干涉情况时需要先定义要检查的对象，开启碰撞检查选项后，查看运动仿真时，软件高亮干涉的对象。

图12 安装定义吊楔组件

图13 运行仿真查看结果

除以上方法外，借助NX提供的内部帧变量FrameNumber的关键帧参数动画方式，也可以通过设置参数驱动做出吊楔运动仿真，但由于动画播放过程中无法自由操作视角，在模具运动仿真中不具备实用价值，因此不再探讨。

4 对比与分析

通过吊楔运动仿真的应用，对这几种方法进行了探讨研究，总结出各种方法的差异，如表1所示。

表1 5种方法对比表

5 结论

通过以上5种方法在具体吊楔运动仿真上的成功应用，证明这5种方法都能应用于冲压模具运动仿真。

除了基于运动仿真模块的方法，其它4种方法都没有解算步骤，修改数据后能立即查看新结果，实时验证运动过程，而且仿真数据存储在.Prt文件中，不新增文件。目前NX12.0中的机电概念设计模块没有单独的干涉检查功能，只能通过设置碰撞体的方式查看模具结构在运动过程中的干涉情况，期待后期版本能增加相关功能。动画设计模块功能简单，无法完成复杂的空间运动，也不支持定义阻尼器，但上手容易，不需要解算和切换模块环境，可以用于检查单套模具多组吊楔干涉情况。冲模验证和冲压模检查模块虽然是针对冲模的专用仿真模块，但实际使用还是与运动仿真模块、机电概念设计模块这些通用型解决方案一样，存在仿真设置操作繁琐复杂的问题。因此，需要针对冲压模具的特性对模块进行二次开发与封装，才能简化操作方便使用。