基于NX動態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中，自動化程度不斷提高，用機器取代人工將成為趨勢?，F代化的沖壓車間，自動化連續生產線已成為主機廠的標準配置，生產過程中自動化連續生產線具有傳輸速度快，傳送穩定性高等特點。在機械手送取零件過程中，需要規避模具零件與機械手在相對運動中的干涉現象。目前大多數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，避免發生干涉，雖然對送料機構的干涉曲線靜態分析應用進行了研究，但缺乏具體的操作分析步驟。對于自動化連續生產線，靜態干涉分析方法無法完全分析機械手在實際運動中是否發生干涉現象，現提出基于NX 動態仿真的干涉曲線分析方法，以空間坐標值的參數驅動方式對模具零件與機械手的相對位置進行動態分析，通過360 步結果展示，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 自動化連續生產線與干涉曲線解析

1.1 自動化連續生產線

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

與自動化斷續生產線不同，自動化連續生產線在運行過程中壓力機的凸輪一直旋轉，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角相差75°，第1臺壓力機凸輪轉動至75°時，第2 臺壓力機凸輪開始轉動，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動，提高了生產效率，自動化連續生產線如圖1所示。

圖1 自動化連續生產線

常見的自動化連續生產線壓力機之間的零件傳送工具是單臂高速傳輸機械手，具有抓取零件穩定和轉送抖動小的特點，最快的運行節拍為SPM=12。行業內整條連續生產線運行的節拍SPM 一般為7～12，只有少數新建自動化連續生產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，為了規避機械手運行過程中與模具零件干涉現象，需引入干涉曲線進行運動分析。在模具設計完成之初，根據機械手運動仿真分析結果，優化模具結構設計，預防實際生產中因機械手與模具零件干涉而影響生產節拍的提升，同時動態仿真分析為沖壓車間后期的機械手路徑調試找出最優理論運動曲線提供依據。

1.2 干涉曲線解析

自動化連續生產過程中，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；以上模為參考并結合上模的運動過程，將機械手送取料中與上模會發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。將運動干涉曲線導入已經設計好的模具中，能靜態檢查機械手運行過程中是否與上下模發生干涉現象。

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，將曲線導入對模具進行干涉檢查，稱之為靜態干涉曲線分析。

（1）檢查機械手的進出是否與下模發生干涉時，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生干涉時，參照的是干涉曲線，因模具圖是在閉合的狀態，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節拍的干涉曲線對模具干涉進行分析。根據機械手運行過程中曲線軌跡點、節拍的不同，干涉曲線以相應參數進行命名，如圖5所示。

圖5 干涉曲線命名

干涉曲線參數包含：P1 代表第一臺壓力機模具使用，P2 代表后續壓力機模具使用，如缺少P，則表示對整條生產線所使用的干涉曲線。中間數值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，選取干涉曲線時，Z向的數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的整條線運行節拍。

靜態分析能初步判斷模具的凸起部位是否與機械手發生干涉現象，可應用于模具設計開始階段，指導設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時無法分析零件旋轉后是否還能順暢進出模具，必須使用NX 動態仿真干涉曲線分析方法才能分析模具在特定的SPM下是否存在干涉現象。

2 NX動態仿真干涉曲線分析應用

2.1 機械手端拾器

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

2.2 運動曲線的空間坐標值

NX 動態仿真過程中，將圖2 所示的干涉曲線在動態仿真過程中細分成360 步，以P1 壓力機的凸輪旋轉一圈360°為一個完整的周期，360°則對應360步。通過360步動態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生干涉現象。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）的運動曲線轉化為相應的空間坐標參數值，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的360 個參數化的坐標值，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動態仿真干涉曲線分析應用實例

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

（1）導入裝配圖。使用NX 打開模具裝配圖，在模具閉合狀態下將整條生產線的4道工序模具圖依次導入仿真文件中，同時包含工序件和已經設計完成的端拾器。OP10工序模具為壓邊圈頂起的狀態，后工序的模具壓料塊、斜楔等部件均需處于回退狀態，如下模存在頂料機構，則需處于頂起狀態。導入模具圖后，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）調整端拾器位置。確認零件位于凸模上，調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 動態仿真中，連桿在整個機構中進行運動傳遞，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X向和Z向的2 個方向運動，合成復雜的空間運動。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、零件設定為連桿，如圖11 所示，以實現運動傳遞。下模和壓力機機臺需勾選設定為固定連桿；其它部件設定連桿時選質量屬性選項；實體優先選擇自動；片/線體選用戶定義（質量與力矩：質心選片體上的點；質量、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：零件和端拾器轉運過程需要做角度旋轉時選旋轉副，其余一般選滑塊。

2）選擇連桿：選擇相應的連桿，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）導入參數驅動運動副。運動副設定好后需要以參數化的方式進行驅動：①點選驅動→選擇函數→點箭頭選擇函數管理器；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，將運動曲線轉化成空間坐標值拷入，依次點擊確定后完成運動副的驅動函數創建，所有連桿都需要一一進行設定，如圖13所示。

勞動(Labour)：創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 導入參數驅動運動副

（8）設定解算方案及求解。完成連桿和驅動副的設定后，可對設定的方案進行求解：解算方案→時間與步數均設置為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 動態仿真干涉曲線結果分析

整條生產線包含4 臺壓力機和5 個機械手，NX動態仿真結果會形成360 部連續的動畫，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生干涉。圖16 所示分析結果以OP10-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，模具上方的數值為壓力機凸輪此時的旋轉角度，方框中的數值為在最小空間通過點測量的安全空間值，所有數值單位均為 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生干涉現象，可在SPM=12 節拍下順暢運行。

圖16 機械手最小空間通過點的安全空間

2.5 動態仿真干涉分析問題優化

對于復雜的側圍模具，拉深深度深且斜楔結構多，機械手進、出空間小，在IC_P00566-300-120-12SPM 的曲線下運行時，整條生產線節拍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，仿真動畫出現機械手與模具的干涉現象，需分2種情況進行優化處理。

（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，不能通過調整機械手運動路徑的方法解決，需改變模具結構設計，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 的節拍運行，否則只能在低一個檔次節拍的干涉曲線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，此情況一般出現在OP10 工序模具上。圖17 所示某側圍用IC_P00566-300-120-12SPM 的曲線分析，在壓力機旋轉至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的節拍生產要求。

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?？臻g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18°，并升高50 mm 進入；在壓力機凸輪168°～171°順時針旋轉9°；在245°～252°逆時針旋轉8°，放下零件，如圖19所示。

圖19 機械手旋轉角度調整路徑進入

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

圖20 機械手旋轉角度調整路徑退出

3 結束語

對自動化連續生產線的運行特點進行了說明，對運動干涉曲線的知識和靜態分析應用做了解析，通過對比，指出NX 動態仿真干涉曲線分析的必要性。以實例說明了動態仿真分析過程的步驟和設置方法，通過對動態仿真結果的測量，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象，為模具設計優化和沖壓車間機械手路徑的調試提供理論依據。針對發生的干涉現象，通過改變模具設計和調整機械手路徑，給出了解決方法，以滿足特定的SPM 運行。NX動態仿真分析方法不僅適用于自動化連續生產線模具，而且對于其它機械的運動工況，在設定相應的空間參數坐標值后，參照上述步驟和設置方法，同樣可以實現動態仿真分析。