[組圖]輪胎活絡(luò)模具的運(yùn)動(dòng)仿真

    輪胎活絡(luò)模具（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“活絡(luò)模具”）技術(shù)含量高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，零部件較多，體積大、重量重，而且精度要求高，再加上因輪胎硫化工藝及過(guò)程復(fù)雜而難以在模具廠(chǎng)實(shí)施試模等因素制約，很容易出現(xiàn)設(shè)計(jì)缺陷不能被及時(shí)發(fā)現(xiàn)的情況，造成模具結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)時(shí)發(fā)生干涉，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使模具報(bào)廢，因此，非常有必要對(duì)活絡(luò)模具進(jìn)行三維運(yùn)動(dòng)仿真。 

    三維運(yùn)動(dòng)仿真技術(shù)具有經(jīng)濟(jì)、安全、實(shí)驗(yàn)周期短等特點(diǎn)，通過(guò)活絡(luò)模具機(jī)構(gòu)的三維運(yùn)動(dòng)仿真模擬其開(kāi)模及合模運(yùn)動(dòng)過(guò)程，可以實(shí)時(shí)地檢查出零部件之間的干涉，從而可以直觀(guān)地看到整個(gè)活絡(luò)模具的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，同時(shí)也可以分析其運(yùn)動(dòng)的極限位置、空間運(yùn)動(dòng)位置、運(yùn)動(dòng)參數(shù)以及軌跡包絡(luò)等內(nèi)容。這樣，設(shè)計(jì)人員在輪胎廠(chǎng)試模之前就可以提前對(duì)可能出現(xiàn)的問(wèn)題做出精確的預(yù)測(cè)，改進(jìn)和優(yōu)化設(shè)計(jì)，為活絡(luò)模具的合理設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。 

活絡(luò)模具的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn) 

    與大多數(shù)其他類(lèi)型的模具一樣，活絡(luò)模具一般也由動(dòng)模和定模兩部分組成，在輪胎模具行業(yè)，我們稱(chēng)之為“上模”和“下模”，具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。上模包括上蓋、中模套、滑塊、上側(cè)板、花紋塊及導(dǎo)向機(jī)構(gòu)等，安裝在硫化機(jī)的移動(dòng)模板上，在輪胎硫化成型過(guò)程中，它隨硫化機(jī)上的合模系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)。下模包括底座、下側(cè)板等，安裝在硫化機(jī)的固定模板上。硫化成型時(shí)，上模和下模閉合，膠囊充氣張開(kāi)構(gòu)成封閉的型腔，事先纏繞成型的胎坯套在膠囊外面，在膠囊的張力作用下貼合在型腔內(nèi)壁，高溫保壓進(jìn)行硫化。硫化成型后開(kāi)模，上模與下模分離，然后由硫化機(jī)的機(jī)械手取出輪胎制品。

在輪胎生產(chǎn)過(guò)程中，活絡(luò)模具的運(yùn)動(dòng)形式相對(duì)簡(jiǎn)單，其開(kāi)模及合模均沿同一方向作直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，活絡(luò)機(jī)構(gòu)沿徑向作直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。 

    合模時(shí)，在硫化機(jī)的動(dòng)力作用下，合模力通過(guò)中模套的斜面施壓于滑塊的斜面，形成滑塊移動(dòng)的動(dòng)力，在中模套的導(dǎo)向斜面及裝在滑塊上導(dǎo)向條的導(dǎo)向下，滑塊進(jìn)行徑向滑動(dòng)，從而帶動(dòng)裝在滑塊上的花紋塊合攏，完全合攏后，中模套內(nèi)圓錐面與滑塊的外圓錐面達(dá)到輕微的線(xiàn)性接觸狀態(tài)，既不會(huì)有過(guò)量的導(dǎo)向度，還可以保證一定的熱傳遞效果。 

    開(kāi)模時(shí)，在硫化機(jī)的帶動(dòng)下，中模套與上蓋向上運(yùn)動(dòng)，由于滑塊與花紋塊有自重，在中模套斜平面及導(dǎo)向條的導(dǎo)向下開(kāi)始下滑，同時(shí)向外張開(kāi)直至最終脫胎。 

    通過(guò)上面的分析可以看出，活絡(luò)模具在運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，一部分零部件固定不動(dòng)，另一部分零件隨著硫化機(jī)的上模板移動(dòng)一段距離X，而滑塊及花紋塊在移動(dòng)的同時(shí)，在導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的作用下，則沿徑向移動(dòng)一段距離Y，X、Y 統(tǒng)稱(chēng)為“活絡(luò)模具的開(kāi)模行程”，其余的零部件移動(dòng)的距離小于開(kāi)模行程。 

三維運(yùn)動(dòng)仿真 

1. 運(yùn)動(dòng)仿真原理 

    運(yùn)動(dòng)仿真的內(nèi)容主要包括：靜力學(xué)（Static）分析、運(yùn)動(dòng)學(xué)（Kinematic）分析和動(dòng)力學(xué)（Dynamic）分析。當(dāng)系統(tǒng)或機(jī)構(gòu)受到靜載荷時(shí)，確定在運(yùn)動(dòng)副制約下的系統(tǒng)平衡位置以及運(yùn)動(dòng)副靜反力的問(wèn)題，屬靜力學(xué)內(nèi)容；在不考慮系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)起因的情況下研究各部件的位置與姿態(tài)及其變化速度與加速度的關(guān)系，屬運(yùn)動(dòng)學(xué)內(nèi)容；而討論載荷與系統(tǒng)的關(guān)系則屬動(dòng)力學(xué)內(nèi)容。 

    筆者采用UG NX3.0作為仿真平臺(tái)，通過(guò)Modeling功能設(shè)計(jì)并建立活絡(luò)模具的三維實(shí)體模型，然后利用Motion（運(yùn)動(dòng)仿真）功能建立運(yùn)動(dòng)仿真模型。UG/Motion模塊集成了Mechanical Dynamics 公司（MDI）的ADAMS/Kinematics 解算器，這個(gè)嵌入式軟件代碼是求解運(yùn)動(dòng)分析方案所用的處理器，可實(shí)現(xiàn)對(duì)任何二維、三維機(jī)構(gòu)或系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)雜的靜力學(xué)分析、運(yùn)動(dòng)學(xué)分析、動(dòng)力學(xué)分析及設(shè)計(jì)仿真。 

我們的仿真運(yùn)算過(guò)程如下： 

（1）前處理器：創(chuàng)建運(yùn)動(dòng)分析方案是分析過(guò)程的前處理（Pre-Processing）階段，利用這些分析方案得到的信息生成內(nèi)部的ADAMS輸入數(shù)據(jù)文件，再傳送到ADAMS 解算器； 

（2）求解過(guò)程（Processing）： ADMAMS解算器處理輸入數(shù)據(jù)，確定遞交分析方案的解，并生成內(nèi)部的ADAMS輸出數(shù)據(jù)文件，再傳送到運(yùn)動(dòng)分析模塊中； 

（3）后處理（Post-Processing）： Motion模塊解釋ADAMS的輸出數(shù)據(jù)文件，并轉(zhuǎn)換成動(dòng)畫(huà)、圖表及報(bào)表文件。 

2. 運(yùn)動(dòng)仿真過(guò)程 

我們基于UG NX3.0軟件平臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)活絡(luò)模具的運(yùn)動(dòng)仿真。在此之前，我們必須先在UG NX3.0軟件平臺(tái)下建立活絡(luò)模具的三維造型，圖2是其中幾個(gè)主要零部件的三維造型。

運(yùn)動(dòng)仿真實(shí)現(xiàn)的步驟一般包括如下幾步： 

（1）建立運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景 

    運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景（Scenario）是整個(gè)運(yùn)動(dòng)仿真過(guò)程的入口，是運(yùn)動(dòng)模型的載體，運(yùn)動(dòng)模型的全部數(shù)據(jù)都存儲(chǔ)在運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景之中。建立運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景后，可對(duì)三維實(shí)體模型設(shè)置各種運(yùn)動(dòng)參數(shù)，然后對(duì)由這些運(yùn)動(dòng)參數(shù)所構(gòu)建的運(yùn)動(dòng)模型進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真。 

    要建立運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景，先要打開(kāi)UG/Motion（運(yùn)動(dòng)仿真）的主界面。在UG的主界面中選擇菜單命令A(yù)pplication→Motion進(jìn)入運(yùn)動(dòng)仿真界面，之后，在右側(cè)導(dǎo)航欄中選擇Scenario Navigator（場(chǎng)景導(dǎo)航），系統(tǒng)將會(huì)自動(dòng)打開(kāi)運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景導(dǎo)航窗口。 

    在模型的右鍵快捷菜單中選擇New Scenario菜單項(xiàng)，建立一個(gè)新的運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景，默認(rèn)名稱(chēng)為Scenario_1，類(lèi)型為Motion，運(yùn)動(dòng)仿真環(huán)境為靜態(tài)動(dòng)力學(xué)仿真（Static & Dynamics），該信息將顯示在運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景導(dǎo)航窗口中，并且運(yùn)動(dòng)仿真各工具欄項(xiàng)將變?yōu)榭刹僮鞯臓顟B(tài)。 

    運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景建立后便可以對(duì)三維實(shí)體模型設(shè)置各種運(yùn)動(dòng)參數(shù)了。在該場(chǎng)景中設(shè)立的所有運(yùn)動(dòng)參數(shù)都將存儲(chǔ)在該運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景之中，由這些運(yùn)動(dòng)參數(shù)所構(gòu)建的運(yùn)動(dòng)模型也將以該運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景為載體進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真。重復(fù)該操作可以在同一個(gè)Master Model下設(shè)立各種不同的運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景，比如通過(guò)設(shè)置不同的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)不同的運(yùn)動(dòng)。 

（2）構(gòu)建運(yùn)動(dòng)模型 

    運(yùn)動(dòng)模型包括連桿特性與運(yùn)動(dòng)副。構(gòu)件和運(yùn)動(dòng)副是整個(gè)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的兩大基本要素，對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)統(tǒng)一建模，不可避免地要對(duì)機(jī)構(gòu)的拓?fù)溥M(jìn)行有效表達(dá)。這些關(guān)系在Motion模塊的算法中有所體現(xiàn)。連桿指運(yùn)動(dòng)分析過(guò)程中所操作的實(shí)體對(duì)象，是Modeling與Motion功能之間的連接紐帶。機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)副是連接相鄰兩構(gòu)件的一種運(yùn)動(dòng)約束的力學(xué)抽象，是鉸鏈的物理背景。通過(guò)建立運(yùn)動(dòng)副才能組成相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，從而進(jìn)行后續(xù)的運(yùn)動(dòng)仿真。 

    在活絡(luò)模具的運(yùn)動(dòng)分析過(guò)程中，按照各個(gè)零部件的相互裝配關(guān)系，通過(guò)連桿將其逐一建立Modeling與Motion功能之間的連接，各個(gè)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)之間的運(yùn)動(dòng)副相對(duì)簡(jiǎn)單，均為滑塊連接。滑塊連接是兩個(gè)相連件互相接觸并保持著相對(duì)的滑動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)部件相對(duì)與另一部件的直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，它有兩種形式：一種是滑塊為一個(gè)自由滑塊，在另一部件上產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)；一種為滑塊連接在機(jī)架上，在靜止表面上滑動(dòng)。 

上述過(guò)程完成后，我們將看到圖3所示的畫(huà)面。

（3）運(yùn)動(dòng)輸入 

    運(yùn)動(dòng)輸入是賦給運(yùn)動(dòng)副相應(yīng)的控制運(yùn)動(dòng)的參數(shù)，是驅(qū)動(dòng)整個(gè)機(jī)運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵部分，即運(yùn)動(dòng)副的驅(qū)動(dòng)力。Motion模塊里提供了4種驅(qū)動(dòng)：恒定驅(qū)動(dòng)（Constant）、簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)（Harmonic）、運(yùn)動(dòng)函數(shù)（General）與關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)（Articulation）。在實(shí)際的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析中，復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)只有通過(guò)運(yùn)動(dòng)函數(shù)進(jìn)行仿真，附給連桿以精確的運(yùn)動(dòng)。在活絡(luò)模具的運(yùn)動(dòng)分析中，活絡(luò)模具的運(yùn)動(dòng)形式相對(duì)簡(jiǎn)單，故我們?cè)O(shè)定為恒定驅(qū)動(dòng) 
（Constant）即可。 

（4）運(yùn)動(dòng)仿真 

    運(yùn)動(dòng)仿真是基于時(shí)間的一種運(yùn)動(dòng)形式，機(jī)構(gòu)在指定的時(shí)間段中運(yùn)動(dòng)，并同時(shí)指定該時(shí)間段中的步數(shù)，從而進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析。通過(guò)對(duì)運(yùn)動(dòng)分析過(guò)程的控制，可以直觀(guān)地以動(dòng)畫(huà)的形式輸出運(yùn)動(dòng)模型的不同運(yùn)動(dòng)狀況，可以比較準(zhǔn)確地模擬分析所設(shè)計(jì)的模具機(jī)構(gòu)的真實(shí)運(yùn)動(dòng)情況（見(jiàn)圖4）。

3.干涉檢查 

    UG/Motion模塊還可以進(jìn)行機(jī)構(gòu)的干涉檢查，跟蹤零件的運(yùn)動(dòng)軌跡，從而可以檢查出模具設(shè)計(jì)過(guò)程中容易忽略的一些問(wèn)題，提高設(shè)計(jì)的效率與質(zhì)量。 

    裝配環(huán)境下的干涉檢查分為靜態(tài)干涉檢查和動(dòng)態(tài)干涉檢查。靜態(tài)干涉檢查是指在某個(gè)特定位置關(guān)系下，檢查裝配體中各個(gè)零部件間的干涉。動(dòng)態(tài)干涉檢查是指在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中檢查干涉。在干涉檢查中一般可以選擇是檢查全部的零件，還是某幾個(gè)零件間的干涉情況。 

    在本文中用到的是動(dòng)態(tài)干涉檢查，即通過(guò)模擬模具的運(yùn)動(dòng)過(guò)程來(lái)檢查是否存在干涉。模具的運(yùn)動(dòng)仿真過(guò)程中發(fā)生干涉的原因主要有3個(gè)：運(yùn)動(dòng)分組和運(yùn)動(dòng)參數(shù)設(shè)置不當(dāng)；設(shè)計(jì)不當(dāng)；系統(tǒng)本身的誤差。在模具運(yùn)動(dòng)仿真的過(guò)程中若出現(xiàn)干涉，首先需檢查運(yùn)動(dòng)參數(shù)的設(shè)置是否合理，并對(duì)運(yùn)動(dòng)方向和運(yùn)動(dòng)距離進(jìn)行重新設(shè)置，如果各項(xiàng)運(yùn)動(dòng)參數(shù)的設(shè)置沒(méi)有問(wèn)題，則要檢查干涉零件的相交部分是否存在不合理的結(jié)構(gòu)，如果有問(wèn)題則要修改模具的結(jié)構(gòu)。 

結(jié)論 
    模具的CAD/CAM/CAE集成化已經(jīng)被越來(lái)越多地應(yīng)用到當(dāng)今模具領(lǐng)域之中，我們借助UG NX3.0實(shí)現(xiàn)了對(duì)輪胎活絡(luò)模具運(yùn)動(dòng)仿真的全過(guò)程。在活絡(luò)模具的設(shè)計(jì)中，通過(guò)三維運(yùn)動(dòng)仿真，可以及時(shí)有效地發(fā)現(xiàn)問(wèn)題所在，并提出相應(yīng)的解決方案，大大縮短新產(chǎn)品設(shè)計(jì)的周期；而且通過(guò)對(duì)數(shù)字化模型的分析可以提早發(fā)現(xiàn)模具產(chǎn)品的缺陷并加以修改，達(dá)到提高產(chǎn)品質(zhì)量、優(yōu)化模具產(chǎn)品的設(shè)計(jì)目的；直接在數(shù)字化模型上進(jìn)行各種運(yùn)動(dòng)及材料特性的仿真分析而不用投入大量的人力、財(cái)力進(jìn)行產(chǎn)品試制，有效節(jié)約了生產(chǎn)成本。總之，三維運(yùn)動(dòng)仿真技術(shù)的應(yīng)用對(duì)模具行業(yè)乃至各個(gè)機(jī)械行業(yè)都是大有裨益的。(end)