（材料加工工程专业论文）基于ug的汽车覆盖件模具运动仿真系统的研究.pdf

华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 i 摘 要 汽车覆盖件模具是汽车开发过程中的重要工艺装备。由于其零部件繁多、结构 复杂，且相关零部件在工作过程中存在相对运动，一旦设计不合理，就可能出现相 关零部件（机构）之间发生干涉等问题，导致模具的报废。因此，如果在模具的设 计阶段，就进行模具工作过程的实时仿真，以避免各机构间出现干涉等问题，对提 高覆盖件模具的设计质量和效率具有重要的意义。 本文首先根据汽车覆盖件模具的结构类型和运动特点，归纳出覆盖件模具的运 动机构类型及其运动特征；通过对各运动特征进行运动学分析，计算得出每种机构 的运动方程，并利用运动方程来控制各机构的运动，从而控制整个模具的运动过程。 然后通过使用统一的命名规则、以及支持多场景仿真的配置文件等，将运动仿真场 景中的各运动参数进行系统化管理，从而使模具仿真系统的设置更加简洁并具有一 定的智能特性。 在上述研究成果基础上，作者在 ug 运动仿真模块（ug/motion）上开发出汽车 覆盖件模具的运动仿真系统。通过此系统能在覆盖件模具的设计阶段快速地建立它 的运动学模型，并模拟相关机构的运动过程，实时进行模具零部件的动态干涉检查， 通过对干涉情况的分析来指导模具设计的修改，为保证覆盖件模具结构设计的合理 性提供了一种有效的支撑工具。同时，系统提供了模块化的仿真设计流程，使用户 能很容易且快速的完成对覆盖件模具运动仿真模型的设置及修改操作，从而极大的 提高模具运动仿真设计的效率。 关键词：覆盖件模具，运动仿真，ug/motion，干涉检查 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 ii abstract automobile panel dies are critical technological equipment for the manufacturing of automobile. the complex structure and motional relationship among the components will result in such problems as the interference of components and make the die scrapped in case of unreasonable design. therefore, a successful simulation of the die motion during the design stage is of great importance to avoid such problems as the interference and to effectively improve the quality and efficiency of the design. firstly, this article summarized the types of kinematic mechanisms and the motional features of the auto panel dies based on their structures and kinematic features, then calculated the equation of each mechanism through kinematic analysis. after that, the equation was used to control the motion of the mechanism and consequently control the motion of the components in the die. secondly, by using the unified naming rule and the configuration file, the motional data was organized in a systematization way, which makes the system of the dies simulation more concise and intellectualized. on the basis of above studies, a motion simulation system for auto panel dies was developed on ug/motion. the kinematics model can be built and the motion process simulated quickly during the design stage. and the interference among the components can be checked which provides a guide for the revising of the design of dies. all this combined features provided an effective way to verify the design of the dies. besides, the system offered a streamline process to enable the user improving the efficiency of the die design. keywords: panel dies, motion simulation, ug/motion, interference checking 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。文中除已经标明引用的内容外，不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的 研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声 明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密 ? ，在 年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密 ? 。 (请在以上方框内打 “ v ” ) 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期: 年 月 日 日期: 年 月 日 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 1 绪论 1.1 课题来源、目的和意义 本课题来源于华中科技大学模具国家重点实验室与瑞鹄汽车模具有限公司的共 同研发项目。该项目目的是在三维装配环境中模拟汽车覆盖件模具的运动过程，实 时的检查出零部件之间的干涉，从而有效的检查模具结构设计的合理性，对设计中 可能出现的问题作出精确的预测和改进，并基于ug平台开发出汽车覆盖件模具运动 仿真系统。 随着计算机技术及模具cad/cae技术的发展，虚拟制造与仿真已经成为非常普 遍的模具设计手段。通过在计算机上模拟模具机构在真实环境下的运行状态，可以 发现机构在运行中出现的问题，并指导设计者对其进行修改，既节约了制造成本， 又缩短了生产周期。它的应用使设计师在模具的设计阶段就可对其进行运动仿真， 通过仿真结果来优化设计，从而大大提高了模具的设计效率和质量。目前比较常用 的运动仿真软件是adams，而很多模具cad软件，如ug，pro/e等都内置了运动 仿真分析模块，其求解器均为adams求解器。 由于汽车覆盖件模具结构及零部件间的运动关系复杂，使用上述仿真工具对其 进行运动仿真分析时操作比较复杂，且对用户要求较高。用户不但需要全面了解整 套模具各零部件的结构、功能及运动特征，掌握软件运动仿真模块的使用方法，还 必须通过借助其他工具获得运动仿真所需要的一些参数并计算运动方程等，因而设 计效率低，且容易出错。 针对上述问题，本课题主要对汽车覆盖件模具的运动仿真进行研究，在ug的运 动分析（ug/motion）模块上开发出覆盖件模具运动仿真系统。该系统实现了设计与 仿真的无缝连接，利用设计驱动仿真，仿真优化设计；其几乎涵盖覆盖件模具中所 有零件机构的类型，适用于任何一套汽车覆盖件模具的运动仿真；系统交互性强， 设计师在仿真设置过程中操作方便、易于理解；其智能化程度高，仿真解算过程速 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2 度快、效率高。通过此系统能在覆盖件模具的设计阶段快速地建立它的运动学模型， 并模拟相关机构的运动过程，实时进行模具零部件的动态干涉检查，为保证覆盖件 模具结构设计的合理性提供了一种有效的支撑工具。 1.2 汽车覆盖件模具 cad/cae/cam 发展概述 模具cad/cae/cam技术的结合，改变了模具传统的生产方式，它以计算机为 平台，将模具的设计、制造和仿真等过程以软件工具的形式提供给用户，使用户对 模具的设计制造流程及产品的工艺性能有更深的了解。模具cad/cae/cam技术作 为一种现代化制造方法引入到汽车覆盖件模具的设计与生产中，可大大缩短设计开 发周期，提高生产效率。 1.2.1 国内外覆盖件模具 cad/cae/cam 发展概况 在国外，欧美及日本在覆盖件模具的设计及制造的发展中一直处于领先地位， 一些大型的汽车制造企业很早就开始着手建立自己的覆盖件模具cad/cae/cam软 件。美国通用汽车公司依托原美国ugs公司在ug平台开发了钣金件设计、车身设计 及覆盖件冲压工艺设计模块，其包含模具工程和模具技术，将专家的设计和工艺技 术融入模块中，以过程向导的方式引导用户逐步完成模具的工艺设计过程；福特汽 车公司在其车身设计的pdgs系统中开发了冲压工程 cad/cam模块进行覆盖件产 品的工艺设计，其系统极大简化了人工的设计与制造；日本丰田汽车公司推出的汽 车覆盖件模具cad/cam系统，包括处理覆盖件模面的die- face软件和加工凸凹模的 tinca软件等，该系统通过计算机将实物模型的数据进行处理后用于覆盖件模具的 设计与制造；欧共体五国联合开发了冲压成形过程的cae软件，并推出pam- stamp 商品化软件。此外，英国psf公司、日本荻原铁工所、富士铁工所等国外生产汽车覆 盖件模具的公司也开发了各自公司专用的汽车覆盖件模具cad/cae/cam系统1- 5。 日本uel公司近期推出的三维cad/cam软件solidaidmeister，除了在模具设计及制 造方面的功能强大外，该软件还具有模拟模具运动过程的功能，它包含针对于冲压 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 3 模和注塑模的模板式运动解析设置的功能。通过在该软件创建或者导入其他格式文 件的模型，可以轻易的进行模具的运动解析设置，完成模具的运动仿真过程，将检 查干涉环节作为模具设计的工作流程，分析产品在运动过程中存在的干涉问题，根 据分析结果指导修改零件的结构设计，提高了覆盖件模具设计效率。 在国内，覆盖件模具cad/cae/cam的研究主要集中在各高校和汽车制造的龙 头企业中。华中科技大学模具技术国家重点实验室推出的汽车覆盖件冲压成形快速 分析软件fastamp，基于改进的有限元逆算法和板壳单元，综合考虑了覆盖件在成 形过程中的各种工艺条件，能快速的模拟覆盖件产品在成形过程中的缺陷，通过优 化工艺参数来提高设计的合理性，为汽车覆盖件工艺设计和模具设计提供全面的解 决方案；湖南大学开发出一套包括冲压工艺设计和汽车覆盖件模具设计和制造的系 列软件，其冲压仿真cae系统软件在模具的建模效率、冲压件大变形计算分析速度 和复杂零件的毛坯形状和尺寸的迭代反求等方面有着强大的功能。此外，还有上海 交大国家模具cad工程研究中心开发的冷冲模设计caxa系统，吉林工大开发的板 料冲压成形分析的cae软件系统kmas等，都在覆盖件模具的研究、开发和应用实 施等方面取得了很大的成绩6- 7。在汽车制造企业方面，一些公司早在十多年前就开 始引进国外先进的设备及软件应用cad/cae/cam技术来提高产品的设计效率及质 量。随着我国汽车工业的不断发展，各企业也开始通过各种方式建立自主的研发团 队，提高模具的自我设计和开发能力。如东风汽车模具厂通过与湖北汽车工业学院 合作，在cims环境下开发了汽车覆盖件模具capp的开发与应用8；上海大众汽车公 司以catia为基本软件，通过与高校和科研单位合作，针对实际问题，对软件进行 二次开发，培养了自己的模具cad/cae/cam技术队伍9。 1.2.2 覆盖件模具 cad/cae/cam 发展趋势 随着科学技术的不断发展与进步，伴随着参数化特征建模、关联设计、并行工 程以及人工智能等一系列学科技术与模具工业技术不断的紧密结合，未来的覆盖件 模具cad/cae/cam系统正向着专业化、网络化、智能化和集成化等方向发展10- 13。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 4 (1) 覆盖件模具cad/cae/cam专业化。随着模具工业的快速发展，针对不同类 型模具的作用与特点，将模具设计与制造的通用系统改造为专用系统，将是未来模 具cad/cae/cam发展的新趋势。如以色列cimatron公司的模具设计和制造系统 quick，其技术特点就是使用统一的数据库，完成特定类型模具的设计。目前，针对 于覆盖件模具的cad/cae/cam一体化的专业设计工具也在不断的研究与发展中， 它将在覆盖件模具的设计与制造中发挥巨大的作用。 (2) 基于网络的覆盖件模具cad/cae/cam一体化。这是在并行设计的基础上提 出的更高要求。它运用计算机技术将产品的设计制造过程在网络系统的支持下实现 设计与制造的一体化，从而解决了模具cad/cae/cam系统在实际生产过程中分工 协 作 的 问 题 。 如 英 国 delcam 公 司 所 推 出 的 cad/cae/cam 集 成 化 系 统 delcam spowersolution，其包含建模、制图、分析等多个模块，各模块独立负责相应 的任务，且能相互兼容，完成了对产品设计制造过程的分工与协作，使各步骤之间 能无缝的连接。 (3) 覆盖件模具cad/cae/cam的智能化。现阶段的模具设计和制造的过程中， 模具工作者的经验对模具的设计有着很大的影响，而诸如模具设计方案的确定、工 艺参数的优化、成型缺陷的判断及产品成形性能的评价等方面的工作，即使有计算 机的数值计算功能来辅助完成，但其工作较为复杂。通过利用kbe（基于知识的工 程）技术，可将这些繁杂的工作变得更为简洁及智能。它将与下一代的cad系统结 合，在其系统中储存包括产品模型、产品的设计、分析及制造的准则等信息，将设 计者的经验融入到软件系统中，使cad/cae/cam技术与人工智能技术相结合。 (4) 覆盖件模具cad/cae/cam与先进制造技术的集成化。现阶段覆盖件模具 cad/cae/cam技术与先进制造技术的结合越来越紧密。如虚拟设计技术在模具 cad/cae/cam中已开始广泛的应用，在生产过程中，集成了包括对模具装配造型、 成形工艺模拟与运动仿真等虚拟设计功能，其大幅提高了模具设计的质量与效率。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 5 1.3 计算机运动仿真技术概述 随着计算机技术的飞速发展，计算机模拟仿真技术、产品的虚拟设计与制造技 术等技术逐步的应用于模具开发过程中，如何将这些高新技术应用于覆盖件模具的 cad/cae/cam过程中，从而缩短模具开发周期、降低模具开发成本具有很重要的 意义和价值。 1.3.1 计算机仿真技术概论 计算机仿真是利用计算机技术对某个真实系统进行模拟的过程，通过这种模拟 来达到对系统的性能及功能进行分析和优化的目的。计算机仿真是以计算机作为模 拟的工具，将由计算机程序和相关数据组成的抽象代表作为研究对象，通过对这些 对象进行分析并将其实质抽象出来，利用计算机处理这些经过抽象过的数学模型， 设计和建立一个能反映研究对象某些特质的计算机模型系统，并利用该模型系统进 行数值模拟试验，从而达到对其真实系统在某些给定条件下动态行为进行了解和分 析的目的14- 16。 计算机仿真技术作为一门高新技术，它已广泛的应用于包括制造业、物资供应 及运输业、机器人仿真等领域。尤其在制造业中，它的应用相当广泛，已成为在产 品设计和制造的过程中必不可少的工具。在产品的设计及制造过程中引入计算机仿 真技术，将虚拟产品开发技术作为产品的开发手段，将有效的缩短产品的开发周期， 并提高产品的质量。并且随着其应用领域的扩大，它已融入到整个产品开发过程的 生命周期中，包括开发产品的前期调研、生产制造、销售及后期维护等过程。它将 产品的设计制造及数据管理系统结合，形成一个虚拟的开发环境，使开发人员能在 这种环境下对产品在整个生命周期中的各种性能特征有所估计，从而达到检验、指 导并优化设计，有效的缩短开发周期并节省开发经费17- 18。 随着计算机应用技术的发展，计算机仿真技术也在不断的发展过程中，在未来， 它将朝着并行仿真、数字化仿真、协同化仿真、智能化仿真等趋势发展。并行仿真 根据各子模型仿真任务的特点和目标选择合适的仿真策略，对整个仿真任务进行调 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 6 度和划分，达到各子模型同步仿真的目的；数字化仿真通过利用数字化产品模型来 代替物理模型，在其开发、测试、检测、制造等阶段实现全数字化，它基于产品的 数字化开发平台，通过集成和完善设计方案来提高产品的开发效率及可靠性；协同 化仿真通过计算机协同工作环境，设计者对在不同地点基于不同计算机平台采用不 同的建模方法建立的混合模型进行模拟仿真，通过它可以解决很多如在产品设计过 程中由于地域和专业差别所生成的模型不便于进行组织和协调等复杂问题，从而提 高工作效率，缩减开支；智能化仿真将智能化的知识和数字化的产品结合起来，将 人的经验和技术融入到虚拟产品的开发过程中，使产品在开发的过程中摆脱人的因 素，实现自动化生产19- 21。 1.3.2 计算机运动仿真技术的应用 随着计算机仿真技术的发展，在机械工程领域，它的应用已经扩展到产品的整 个生命周期中。对机械运动机构建立运动模型并进行可视化仿真，已成为在产品设 计和制造的过程中新的需求，而计算机运动仿真则为其实现提供了基础22- 23。 运动仿真是计算机仿真技术中重要的组成部分，它是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技术。运动仿真是为了满足设计要求对设计方 案进行的实时仿真，它不仅可以对机构的运动规律，包括运动的位移曲线、速度曲 线和加速度曲线进行分析，而且可以在三维的模型中实现机构运动过程的可视化， 并在运动过程中进行机构间的干涉检查。运动仿真是建立在机构及机械运动系统的 实体装配模型上的，它通过对现有的三维实体装配模型施加作用力、约束关系及运 动驱动等作用进行动态仿真，计算、显示和记录运动学和简单的动力学的分析结果， 并且可以通过修正运动参数，使得相关的运动仿真模型参数自动更新。通过运用运 动仿真技术，可以大幅度缩短产品的开发周期，减少产品的开发费用，提高产品质 量和性能，获得最优化的设计方案24。 随着计算机运动仿真技术在机械设计中的广泛应用，它在未来的发展过程中需 要解决以下几个问题：专业化的仿真平台、通用化的仿真模块及智能化的设置操作。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 7 通过建立针对于特定对象的专业化仿真平台，使运动仿真的设计摆脱现有的根据设 计者经验来确定仿真方案；利用模块化的仿真设计向导，在对于结构类似的仿真机 构中将大大减少操作的重复性，提高仿真设置效率；智能化的仿真设置操作将减小 仿真设置的难度及设计者的计算强度。 1.3.3 覆盖件模具运动仿真概述 在汽车覆盖件模具的设计过程中，由于模具零部件繁多、零件结构和运动关系 复杂，其模型建模与运动仿真的结合一直是设计者关心的问题。在模具的设计过程 中，设计是否合理在建模阶段很难发现，如模具中各零件的安装位置是否合适、在 工作运动过程是中是否有干涉等问题，这些问题只有到模具零件生产出来后的装配 过程中，甚至到试模阶段才能发现。而若想在此时修改设计，就意味着这些零部件 的报废和重新的设计与制造，既浪费了时间也提高了费用。对于模具设计师来说， 若能在模具的设计完成之后，对其可装配性的好坏进行判定，及时的修改设计不合 理的地方，将大大提高设计的效率、减少制造的费用，计算机的运动仿真分析就为 实现这些提供了可能25- 27。 运动仿真技术的应用改变了传统覆盖件模具从设计、制造、试模到改进这一方 法，它在模具的设计完成后，通过运动仿真分析，模拟模具在工作中的运动过程， 检查各零件在运动过程中是否有干涉及设计的缺陷28。相对于其他的模拟仿真，运 动仿真与模具的设计结合更加的紧密。在模具的运动仿真完成后，通过分析仿真结 果，可直接指导设计的修改。因此，若能在模具设计的同时对其进行运动仿真，用 设计驱动仿真，仿真优化设计，将大大缩短产品的设计周期，提高设计效率。 目前，对机构的运动仿真分析通常采用专业的运动仿真软件或cad软件自带运 动仿真模块来完成，其在仿真分析过程中操作繁琐、效率低。对覆盖件模具的运动 仿真分析更为复杂，通常是将模具中各运动零件导入到专业的仿真软件中进行运动 仿真，每次修改设计之后都要再次导入。而在cad软件自带的运动仿真模块中，虽 然省掉了零件在不同软件的转化操作，但也需要依次进行了解模具结构、分析模具 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 8 中各机构的运动特点及相互关系、计算运动仿真参数等繁杂的操作。并且，对于不 同结构特点的模具，每次仿真都需要根据结构的主要参数再次进行仿真参数的计算， 工作重复且计算量大。因此，建立一个针对于覆盖件模具专业化、通用化及智能化 的运动仿真系统势在必行。 1.4 本文的主要研究内容 针对汽车覆盖件模具零部件繁多、结构复杂、在运动过程中零部件容易发生干 涉、运动仿真设置不易实现等问题，本课题主要对以下几个方面内容进行深入研究： （1）分析ug运动仿真模块功能，总结汽车覆盖件模具的结构特点，归纳模具 中主要运动机构的类型及其运动特征，确定针对于汽车覆盖件模具的运动仿真模型 的设计方案。 （2）根据覆盖件模具的装配模型建立相关的运动学仿真模型，实现运动模型中 各运动机构的自动生成，快速求解机构的运动方案，并探讨模型中机构之间的干涉 情况，在运动方案中有效的进行干涉检查。 （3）基于ug平台开发覆盖件模具运动仿真系统，对仿真模型进行系统化管理， 加强系统与用户可交互性，并根据仿真分析结果优化设计。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 9 2 基于 ug 平台的运动仿真技术研究 2.1 引言 在产品的三维设计中运用仿真技术，可以在设计过程中对产品进行运动分析与 模拟，将所存在的问题及时反映出来以便设计的调试与修改，从而大幅度缩短产品 开发周期，提高产品质量及性能，获得最优化的产品设计。 adams系统仿真分析软件具有强大的运动学分析功能，求解快速、精确。本系 统选用ug作为仿真平台，其技术支持是其运动仿真模块 ug/motion嵌入了 adams的核心解算器，使其具有机械系统专业仿真软件的基本功能。 2.2 运动仿真技术研究 目前，在常用的运动仿真软件中，美国mdi公司的机械系统仿真分析软件 adams占据了较大的市场份额。它具有仿真功能强大、用户界面操作方便、与其他 cad及cae软件的结合紧密等优点29。 2.2.1 运动仿真软件功能概述 adams软件是由美国机械动力公司（现已并入美国msc公司）开发的针对机械 系统的动态仿真软件，它是一款使用范围广、最具权威性、深受用户喜欢的机械系 统动态仿真软件。一方面，通过运用adams软件，用户可以非常方便的对模型进行 包括静力学、运动学和动力学的系统动态分析。另一方面，它提供开放性的程序机 构和多种接口，为特殊类型的机械系统动态仿真分析的二次开发提供了平台。此外， adams与先进的cad软件（如ug、pro/e）以及cae软件（ansys）通过交换格 式文件，支持彼此之间数据的交换与共享30。 adams软件由基本求解仿真模块和其他功能扩展模块组成， 基本模块所进行的 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 10 动态仿真主要对象是一般的机械系统，而其他功能模块则是针对特定的工业应用领 域中的机械系统所进行的专用化的动态仿真。其主要模块及功能如表2- 1所示31- 32： 表 2- 1 adams 各模块及其功能 adams/view 用户界面模块 它为用户提供基本的操作界面，对用 户提供仿真设置的向导，对仿真分析参数 进行输入和输出。此外，它完成动态仿真 的前处理功能，包括提供模型的建模工具、 与求解器和后处理等程序的自动连接。 adams/solver 求解器 它是求解机械系统运动学和动力学问 题的主要程序，包含着运动学、静力学和 动力学的分析。在用户界面模块中完成模 型分析的准备工作后，可自动调用求解器 模块进行模型的求解，在完成仿真后，可 自动返回用户界面模块。 基本模块 adams/postprocessor 后处理模块 它对仿真结果进行输出，包括仿真曲 线的绘制及统计、回放仿真过程等。此外， 它还可以根据输入试验数据绘制试验曲 线，并与仿真曲线比较，对分析结果曲线 进行编辑等操作。 功能扩展 模块 adams/insight 试验设计与分析模块 adams/durability 耐用性分析模块 adams/hydraulics 液压系统模块等 这些功能扩展模块根据不同的具体模 拟对象，进行精确的专用化仿真分析，并 将仿真试验结果应用于实际生产中，从而 达到对系统整体性能的分析和验证，最大 程度的减少决策的风险，继而节约成本、 提高生成效率。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 11 2.2.2 adams 运动仿真实现过程 通过adams软件进行运动仿真通常需要以下几个步骤33： （1）建模阶段：创建零件的几何模型，在模型上添加运动副、运动约束，作用 力等。 （2）测试阶段：根据模型特征进行参数设置、运动测量和仿真输出等，通过观 察输出动画及运动曲线，进行仿真的分析工作。 （3）校验阶段：将机械系统的物理试验数据导入到adams/view中，生成实验 结果，将它与仿真结果进行对比，以验证模型的精确程度。 （4）细化模型：在模型中添加更为复杂的运动因素，如摩擦力、阻尼、弹簧等， 以细化模型，使仿真更为精细。 （5）迭代模型：根据模型的参数化来自动的修改并更新模型，定义运动参数变 量、设置可变参数点，通过不同参数的运动方案来比较不同的设计方案。 （6）优化分析：通过比较不同的设计方案，进行设计中主要影响因素的分析， 从而获得最优化的设计方案。 用户在adams软件的建模工作既可在adams中直接创建完全参数化的机械几 何模型，也可以在其他cad软件中创建，再通过导入的方式改变文件格式在adams 中打开。用户根据实际需求在几何模型中施加力、力矩和运动驱动等作用，可以完 成与实际情况十分接近的运动仿真，所得到的仿真结果便是机械系统的实际运动的 情况。这样，就可以形象的了解各种设计方案的机械系统是如何工作的，并且能检 验其设计的合理性。通过adams软件在计算机上模拟机械系统的整个运动过程，达 到改进设计质量、节约成本的目的，大大提高了设计的效率34。 2.3 基于 ug 平台的运动仿真模块的研究 ug软件所提供的运动仿真模块（ug/motion）是一个模拟仿真分析的设计工具， 在ug平台上进行仿真分析，可以直接利用其cad主模型建立运动机构模型，运动仿 真模块将主模型的装配文件自动复制到运动场景中。模块支持建立多个不同的运动 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 12 仿真场景，每个场景中都对应相应的运动模型，其模型均可独立修改而互不影响， 一旦完成优化设计方案，可直接更新装配主模型，以反映优化设计的结果。 2.3.1 ug/motion模块概述 ug运动分析模块是一个基于刚体学的模拟仿真分析的cae工具，其内置 adams解算器。它能对任何二维或三维机构进行复杂的运动学、静力学和动力学分 析，同时进行机构的干涉分析、跟踪零件的运动轨迹，分析机构中零件的速度、加 速度、作用力等35。 用户在进入ug/motion模块后，需要建立运动分析的场景来对模型进行运动分 析，它是运动模型的载体，运动模型的全部数据都将存储在运动场景中。在新建运 动场景的同时，主模型将自动的复制一份到该运动场景中，并且对模型进行简化处 理，以便提高运动分析的速度。对于同一个装配主模型而言，它可以建立一系列不 同的运动分析场景，每个运动场景中的模型都可以独立的修改，而不影响装配主模 型。 ug/motion模块进行运动仿真和分析的核心解算器是内置的adams解算器，在 进行模型的运动学仿真和分析时，启动adams解算器来完成仿真任务，其仿真解算 的工作过程如下36：系统收集具体的运动分析方案的信息，并将其传送到adams 解算器；adams解算器根据收集到的输入信息，将其生成内部的adams输入数据 文件，再传送到运动分析模块；运动分析模块把输入数据文件生成一系列的运动仿 真结果的输出文件，包括动画文件，电子表格和图表功能等。通过这个过程，便进 行了一次仿真的解算，完成了一次仿真的过程。 ug/motion中对于运动模型分析最强大的功能无疑是对运动过程中的机构进行 干涉检查，跟踪零件的运动轨迹。装配环境下的干涉检查分为静态干涉检查和动态 干涉检查。静态干涉检查是指在某个特定位置关系下，检查装配体中各个零部件间 的干涉；动态干涉检查是指各零部件在运动过程中进行检查。通过干涉检查，可以 检查出模具设计过程中容易忽略的问题，从而提高设计的效率与质量。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 13 2.3.2 ug/motion运动仿真设置步骤 应用 ug/motion模块对模型进行运动仿真设计的流程如图2- 1所示，其中每一个 步骤的设置都会因为模型的差异而有所不同。在本系统中，仿真主要针对的是汽车 覆盖件模具的运动学仿真过程，因此，运动仿真设置的每一步都会根据实际需求采 用合适的方法。 运动分析前期准备 创建运动 分析方案 机械系统 运动分析 仿真结果 数据分析 机械系统 优化分析 建立c a d 装配模型 启动u g / m o t i o n 进 行系统预设置 连杆、运动副、 运动驱动 运动仿真分析 关节运动分析 干涉检查 动画、图表 更新c a d 模型 修改零件设计 优化 设计 图 2- 1 ug/motion 模块运动仿真设置步骤 （1）运动分析前期准备 运动分析的前期准备包括运动仿真模型的创建及ug/motion模块的预处理设置。 运动仿真模型是产品装配主模型在ug运动仿真模块中的一个复制模型，它保留了主 模型中的建模参数及装配关系。 而对于装配主模型， 它可以在ug软件下直接的创建， 也可以通过其他的cad软件创建，再在ug中读取。在对ug/motion模块进行的预处 理设置包括运动学参数的设置、运动分析及后处理设置、求解运动时所用到的重力 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 14 常数、质量等参数的设置等。本系统中采用在ug软件下直接建立的实体装配模型， 通过主模型的装配关系，在后续创建运动方案时，可以自动的完成某些机构的运动 的设置，从而提高设计的效率。 （2）创建运动分析方案 在进行机构的运动分析时，整个系统是一组连接在一起运动的连杆的集合，对 机构的运动仿真分析就是针对系统中连杆的运动来进行的。 ug/motion可由下面三步 产生一个运动分析方案37： 创建连杆：连杆是运动分析过程中所操作的实体对象，是组成运动系统的基 本单位，在一个连杆中，所有的零件具有相同的运动参数，各零件之间是没有相对 运动的。在一个运动系统中，至少有一个连杆不能移动，必须与地固定，称为固定 连杆。 创建运动副：运动副的作用就是将机械系统中的连杆连接在一起，使其进行 所需的运动并限制其它不需要的运动。ug/motion提供八种普通类型的运动副，四种 特殊类型的运动副。在运动副的设置中，可以设置运动副的相对运动连杆，即某一 连杆是相对于其他连杆运动的，这在设置某些复杂的运动中有很大作用。在默认情 况下，运动副是相对于固定连杆运动的。 定义运动驱动：运动驱动是附在运动副上用于控制运动的参数。它有五种类 型：无驱动、运动函数、恒定驱动、简谐运动驱动、关节运动驱动。 （3）机械系统运动分析 ug/motion提供两种运动分析模式，关节运动仿真(articulation，基于位移的系统 运动分析)和运动仿真(animation，基于时间的系统运动分析) 38 。不同的运动驱动 产生不同模式的运动，当运动驱动定义为关节运动驱动时，机械系统以特定的步长 和步数运动，用户可以对其进行关节运动分析。当运动驱动为运动函数、恒定驱动 或简谐运动时，则可以对机械系统进行运动仿真。同时根据用户需要利用各种封装 选项来完成跟踪、测量、干涉检查的功能。 （4）仿真结果数据分析 当机械系统作运动仿真分析时，根据用户的设置，可以检查运动机构之间的干 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 15 涉情况。运动完成之后，在ug内部生成一组输出数据，包括干涉信息和连杆的运动 信息，利用电子表格和图表功能将这些数据以表格或图形的格式表示。此外，它还 可以将运动中的机械系统生成动画文件导出，从而方便用户脱离ug环境观看该系统 的运动仿真动画39。在本研究中通过利用ug/motion模块所进行的是动态干涉检查， 即通过模拟模具的运动过程来检查其是否存在干涉。当模具的运动机构发生干涉时， 将干涉的机构高亮显示，提示用户所发生动态干涉的具体位置，从而指导其设计的 修改。一般而言，在汽车覆盖件模具的运动模拟过程中发生干涉的原因主要有三个： 运动分组和运动参数设置不当，模型设计不当和系统本身的误差40。 （5）机械系统优化分析 在完成运动仿真后，通过检查机构的运动分析结果，来优化设计。本系统中， 若在模具运动仿真的过程中出现零部件运动的不合理或运动机构间发生干涉，首先 需检查运动参数的设置是否合理，确定运动方向和运动距离是否正确；其次分析发 生干涉零件的是否存在设计误差。通过这些检查来指导模型零件的修改，最后将设 计上的更改反映到装配的主模型中去。主模型更新后，可再进入ug/motion模块下进 行机械系统运动分析，直到得到能满足用户需求的最优设计。 2.4 小结 本章主要介绍运动仿真分析软件adams的主要功能及仿真分析的主要过程，通 过分析ug软件中运动仿真模块的具体应用及运动仿真设置的步骤，为覆盖件模具的 运动仿真设计建立理论基础。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 16 3 汽车覆盖件模具运动分析及计算 3.1 引言 在ug软件的运动仿真模块中对汽车覆盖件模具进行运动仿真设置时，是根据模 具的结构特点，将具有相同的运动特征的零件划分为一个运动组，即设置为一个连 杆。运动组的划分与模具模型的装配关系不同，装配关系是按照零件的功能或为了 装配的方便来划分的，而运动组则是按照零件的运动特征来划分的。对模型进行运 动组的划分，需要分析各种类型覆盖件模具的结构，归纳出其包括的所有运动机构 的类型，将其设置为通用化的模板机构。 在对覆盖件模具进行运动学仿真时，通过机构在运动过程中运动学关系来确定 其运动方程。对于同一种类型的运动机构，其运动的规律是相同的，运动方程只是 由于机构结构相关的参数，如行程、运动方向等的不同而有所变化。因此，对于同 一种运动机构，其运动方程是通用的，在计算某个机构具体的运动方程时，只用将 其主要的运动参数给出，就能精确的计算。 3.2 汽车覆盖件模具结构特点分析 汽车覆盖件零件曲面形状复杂，冲压工艺组合方式灵活，按照其基本冲压工艺， 覆盖件模具结构可分为三大类型：拉延模、修边模及翻边模41- 42。 拉延模作用是将平板毛坯经过拉伸工序使之成为立体空间工件。拉延模按结构 上的不同可分为单动拉延模和双动拉延模。单动拉延模是针对小尺寸或形状简单的 覆盖件，凸模和压边圈在下，凹模在上，它使用单动压力机，凸模直接装在下工作 台上，压边圈则使用压力机下面的顶出缸，通过顶杆获得所需的压料力；双动拉延 模则是针对拉伸形状复杂的大型覆盖件，凸模和压边圈在上，凹模在下，它使用双 动压力机，毛料在凸模、凹模和压边圈的共同作用下进行大塑性变形。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 17 修边模用于将拉伸件的工艺补充部分和压料凸缘的多余料切除，为翻边和整形 做准备。修边模在修边的同时，要将废料切成若干段，便于废料处理。根据工艺的 不同，修边模可分为垂直修边模和斜楔修边模。 翻边模是将半成品工件的一部分材料相对另一部分材料发生翻转，根据翻边的 冲压方向不同，翻边模可分为垂直翻边模和斜楔翻边模两大类。垂直翻边模沿垂直 方向运动完成翻边，其结构简单，制造成本低，翻边质量高；斜楔翻边模需要利用 斜楔机构完成翻边成形工作，翻边凹模在斜楔的作用下，沿水平或倾斜方向运动完 成翻边。 在每一套覆盖件模具的组成中，按照模具中各零件功能的不同，可以按图3- 1所 示分类，其零部件主要分为主要结构零件和辅助功能零件两大部分43。在主要结构 零件中，工作零件是模具中完成冲压作用的主要工作部件，它包含凸、凹模及斜楔 机构部分；压料卸料零件是作用于板料，对其进行压紧或顶出的装置，它包含压边 圈、顶件器等零件。在辅助功能零件中，固定零件的作用是对模具的各个工作零件 进行位置的固定，它包含模座、凸凹模固定板和垫板；定位导向零件的作用是对板 料的位置进行控制和约束，它主要包含挡料板、定位板和导料板等零件；紧固件的 作用是连接各板料零件，主要分为螺钉连接和柱销连接；自动送料零件主要是在自 动化生产线中应用，它主要有机械手送料和多工位传送带送料两种方式。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 18 覆盖件模具 主要结构零件 辅助功能零件 工作零件 压料卸料零件 定位导向零件 固定零件 紧固件 自动送料零件 凸模 凹模 斜楔机构 压边圈 顶件器 挡料板 定位板 导料板 模座 凸凹模固定板 垫板 螺钉 柱销 机械手 多工位传送带 图 3- 1 覆盖件模具零部件分类 根据模具的不同类型，其零件的组成会有所差异，但模具工作时各零部件运动 的过程和方式都大致相同。以修边模为例，其结构图如图3- 2所示，其零部件主要的 运动过程为：上模在电机作用下带动压料芯一起向下运动，压料芯与上模之间弹性 连接，当压料芯运动到与板料接触时，停止运动，上模继续向下运动，压料芯在弹 力作用下将板料压紧。在上模上所安装的冲头完成对板料的冲孔，同时，上模的斜 楔驱动块（或滑块）与下模上的滑块（或驱动块）发生作用，产生相对运动，滑块 上的冲头对板料进行冲孔。当上模运动到合模状态，对板料的修边过程完成后，开 始反向作回程运动，此时压料芯在弹力作用下仍紧压着板料，直到上模向上运动到 一定的距离，弹簧恢复到自然状态，压料芯开始同上模一起向上运动，与板料分离。 斜楔的滑块在这个过程中运动回到初始状态。待上模回到开模状态时，模具完成一 次板料的冲压过程。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 19 图 3- 2 修边模结构示意图 在模具的运动过程中，上模进行一次往返运动为一个周期，其他的零件均在这 个周期中完成各自的运动。各机构的运动既有彼此独立的，如上模的运动，也有相 互作用的，如压料芯与上模之间有弹簧的作用、斜楔的滑块和驱动块之间有冲压的 作用等，这些机构的运动共同组成整个模具在冲压工作过程的运动。 3.3 汽车覆盖件模具运动机构分类 根据上述的覆盖件模具的主要结构与各零件的运动特点，在对瑞鹄汽车公司进 行调研后，归纳出汽车覆盖件模具中所包括的运动机构，按照各机构的运动方式可 以进行如下分类，如图3- 3所示。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 20 覆盖件模具运动机构 滑 动 机 构 旋 转 机 构 斜 楔 机 构 顶 出 提 升 机 构 上 、 下 模 压 料 装 置 上 模 下 模 压 边 圈 压 料 芯 下 置 滑 块 斜 楔 上 置 滑 块 斜 楔 下 置 亲 子 滑 块 斜 楔 回 拉 斜 楔 双 活 斜 楔 顶 针 空 气 提 升 器 弹 簧 提 升 器 自 动 化 设 置 机 械 手 传 送 杆 图 3- 3 覆盖件模具中运动机构分类 上、下模：模具主要的工作单元，上模在电机作用下进行上下往返运动，下模 则固定在下模板上，在冲压过程中处于静止状态。此处，上、下模是按照模具的运 动状态来区分的，上模可能是凸模，如在双动拉伸模中，也可能是凹模，如在单动 拉伸模中。 压料装置：根据覆盖件模具的类型不同，压料装置可分为压边圈和压料芯两种。 对于拉伸模而言，压料装置为压边圈，对于修边模和翻边模而言，压料装置为压料 芯。压料装置可分为上置和下置两种，上置压料装置是压料装置和上模之间通过弹 性装置相连，下置压料装置则是压料装置和下模相连。 滑动机构：模具中某个零件在指定时刻在电机作用下沿某一方向进行滑动运动。 旋转机构：模具中某个零件在指定时刻在电机作用下沿某一旋转轴方向进行旋 转运动。 斜楔机构：模具中为了改变垂直方向冲压力的方向，实现在斜面上冲切加工的 机构。按照其结构和运动类型的不同，可分为上置滑块斜楔、下置滑块斜楔、下置 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 21 亲子滑块斜楔、回拉斜楔、双活斜楔等。 顶出提升机构：顶出机构主要应用于修边模和翻边模中，主要零件为顶针，其 安装方式可为依附于上模或压料芯。提升机构是安装在下模