淺析輪胎活絡(luò)模具的運(yùn)動仿真

1、輪胎活絡(luò)模具（以下簡稱 “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程復(fù)雜而難以在模具廠實(shí)施試模等因素制 約，很容易出現(xiàn)設(shè)計缺陷不能被及時發(fā)現(xiàn)的情況， 造成模具結(jié)構(gòu)運(yùn)動時發(fā)生干涉， 嚴(yán)重時會 使模具報廢，因此，非常有必要對活絡(luò)模具進(jìn)行三維運(yùn)動仿真。三維運(yùn)動仿真技術(shù)具有經(jīng)濟(jì)、 安全、 實(shí)驗周期短等特點(diǎn)， 通過活絡(luò)模具機(jī)構(gòu)的三維運(yùn)動仿真 模擬其開模及合模運(yùn)動過程， 可以實(shí)時地檢查出零部件之間的干涉， 從而可以直觀地看到整 個活絡(luò)模具的運(yùn)動過程， 同時也可以分析其運(yùn)動的極限位置、 空間運(yùn)動位置、 運(yùn)動參數(shù)以及 軌跡包絡(luò)等內(nèi)容。 這樣，

2、 設(shè)計人員在輪胎廠試模之前就可以提前對可能出現(xiàn)的問題做出精確 的預(yù)測，改進(jìn)和優(yōu)化設(shè)計，為活絡(luò)模具的合理設(shè)計提供科學(xué)依據(jù)?；罱j(luò)模具的運(yùn)動特點(diǎn)與大多數(shù)其他類型的模具一樣， 活絡(luò)模具一般也由動模和定模兩部分組成， 在輪胎模具行業(yè)， 我們稱之為 “上模 ”和“下模 ”，具體結(jié)構(gòu)見圖 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)的移動模板上， 在輪胎硫化成型過程中， 它隨硫化機(jī)上的 合模系統(tǒng)運(yùn)動。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，上模 和下模閉合， 膠囊充氣張開構(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)

3、壁，高溫保壓進(jìn)行硫化。 硫化成型后開模，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。圖1 活絡(luò)模具的結(jié)構(gòu)在輪胎生產(chǎn)過程中， 活絡(luò)模具的運(yùn)動形式相對簡單， 其開模及合模均沿同一方向作直線運(yùn)動， 活絡(luò)機(jī)構(gòu)沿徑向作直線運(yùn)動。合模時， 在硫化機(jī)的動力作用下， 合模力通過中模套的斜面施壓于滑塊的斜面， 形成滑塊移 動的動力， 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， 從而帶 動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 性接觸狀態(tài)，既不會有過量的導(dǎo)向度，還可以保證一定的熱傳遞效果。開模時，在硫化機(jī)的帶動下，中模套與上蓋向上運(yùn)動，

4、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)向下開始下滑，同時向外張開直至最終脫胎。通過上面的分析可以看出， 活絡(luò)模具在運(yùn)動的過程中， 一部分零部件固定不動， 另一部分零 件隨著硫化機(jī)的上模板移動一段距離X,而滑塊及花紋塊在移動的同時，在導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的作用下，則沿徑向移動一段距離 Y， X、Y 統(tǒng)稱為 “活絡(luò)模具的開模行程 ”，其余的零部件移動的 距離小于開模行程。三維運(yùn)動仿真1. 運(yùn)動仿真原理運(yùn)動仿真的內(nèi)容主要包括：靜力學(xué)（ Static ）分析、運(yùn)動學(xué)（ Kinematic ）分析和動力學(xué) （Dynamic ）分析。當(dāng)系統(tǒng)或機(jī)構(gòu)受到靜載荷時，確定在運(yùn)動副制約下的系統(tǒng)平衡位置以及 運(yùn)動

5、副靜反力的問題， 屬靜力學(xué)內(nèi)容； 在不考慮系統(tǒng)運(yùn)動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)動學(xué)內(nèi)容； 而討論載荷與系統(tǒng)的關(guān)系則屬動力學(xué)內(nèi) 容。筆者采用 UG NX3.0 作為仿真平臺，通過 Modeling 功能設(shè)計并建立活絡(luò)模具的三維實(shí)體模 型，然后利用 Motion（ 運(yùn)動仿真）功能建立運(yùn)動仿真模型。 UG/Motion 模塊集成了 Mechanical Dynamics 公司（ MDI ）的 ADAMS/Kinematics 解算器，這個嵌入式軟件代碼是求解運(yùn)動 分析方案所用的處理器， 可實(shí)現(xiàn)對任何二維、 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 學(xué)分析、

6、動力學(xué)分析及設(shè)計仿真。我們的仿真運(yùn)算過程如下：（1） 前處理器：創(chuàng)建運(yùn)動分析方案是分析過程的前處理（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 畫、圖表及報表文件。2. 運(yùn)動仿真過程 我們基于 UG NX3.0 軟件平臺

7、來實(shí)現(xiàn)活絡(luò)模具的運(yùn)動仿真。在此之前，我們必須先在 UGNX3.0 軟件平臺下建立活絡(luò)模具的三維造型，圖 2 是其中幾個主要零部件的三維造型。圖 2 活絡(luò)模具主要零部件的三維造型運(yùn)動仿真實(shí)現(xiàn)的步驟一般包括如下幾步：（1）建立運(yùn)動場景運(yùn)動場景（ Scenario ）是整個運(yùn)動仿真過程的入口，是運(yùn)動模型的載體，運(yùn)動模型的全部數(shù) 據(jù)都存儲在運(yùn)動場景之中。 建立運(yùn)動場景后， 可對三維實(shí)體模型設(shè)置各種運(yùn)動參數(shù)， 然后對 由這些運(yùn)動參數(shù)所構(gòu)建的運(yùn)動模型進(jìn)行運(yùn)動仿真。要建立運(yùn)動場景，先要打開 UG/Motion （運(yùn)動仿真）的主界面。在 UG 的主界面中選擇菜單 命令 Application宀Motion進(jìn)入

8、運(yùn)動仿真界面，之后，在右側(cè)導(dǎo)航欄中選擇ScenarioNavigator （場景導(dǎo)航） ，系統(tǒng)將會自動打開運(yùn)動場景導(dǎo)航窗口。在模型的右鍵快捷菜單中選擇 New Scenario 菜單項，建立一個新的運(yùn)動場景，默認(rèn)名稱為Scenario_1 ，類型為 Motion ，運(yùn)動仿真環(huán)境為靜態(tài)動力學(xué)仿真（ Static & Dynamics ），該信 息將顯示在運(yùn)動場景導(dǎo)航窗口中，并且運(yùn)動仿真各工具欄項將變?yōu)榭刹僮鞯臓顟B(tài)。運(yùn)動場景建立后便可以對三維實(shí)體模型設(shè)置各種運(yùn)動參數(shù)了。 在該場景中設(shè)立的所有運(yùn)動參 數(shù)都將存儲在該運(yùn)動場景之中， 由這些運(yùn)動參數(shù)所構(gòu)建的運(yùn)動模型也將以該運(yùn)動場景為載體 進(jìn)行運(yùn)動

9、仿真。重復(fù)該操作可以在同一個 Master Model 下設(shè)立各種不同的運(yùn)動場景，比如 通過設(shè)置不同的運(yùn)動參數(shù)，實(shí)現(xiàn)不同的運(yùn)動。（2）構(gòu)建運(yùn)動模型運(yùn)動模型包括連桿特性與運(yùn)動副。 構(gòu)件和運(yùn)動副是整個運(yùn)動機(jī)構(gòu)的兩大基本要素， 對機(jī)構(gòu)進(jìn) 行運(yùn)動統(tǒng)一建模，不可避免地要對機(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)動分析過程中所操作的實(shí)體對象， 是 Modeling 與 Motion 功能之間 的連接紐帶。 機(jī)構(gòu)的運(yùn)動副是連接相鄰兩構(gòu)件的一種運(yùn)動約束的力學(xué)抽象， 是鉸鏈的物理背 景。通過建立運(yùn)動副才能組成相應(yīng)的運(yùn)動機(jī)構(gòu)，從而進(jìn)行后續(xù)的運(yùn)動仿真。在活絡(luò)模具的運(yùn)動分析過

10、程中，按照各個零部件的相互裝配關(guān)系，通過連桿將其逐一建立Modeling 與 Motion 功能之間的連接， 各個運(yùn)動機(jī)構(gòu)之間的運(yùn)動副相對簡單， 均為滑塊連接。 滑塊連接是兩個相連件互相接觸并保持著相對的滑動， 可以實(shí)現(xiàn)一個部件相對與另一部件的 直線運(yùn)動， 它有兩種形式：一種是滑塊為一個自由滑塊， 在另一部件上產(chǎn)生相對滑動； 一種 為滑塊連接在機(jī)架上，在靜止表面上滑動。上述過程完成后，我們將看到圖 3 所示的畫面。圖 3 建立運(yùn)動場景(3) 運(yùn)動輸入運(yùn)動輸入是賦給運(yùn)動副相應(yīng)的控制運(yùn)動的參數(shù)， 是驅(qū)動整個機(jī)運(yùn)動的關(guān)鍵部分， 即運(yùn)動副的 驅(qū)動力。 Motion 模塊里提供了 4 種驅(qū)動： 恒定驅(qū)動

11、( Constant )、簡諧運(yùn)動驅(qū)動 ( Harmonic )、 運(yùn)動函數(shù)( General )與關(guān)節(jié)運(yùn)動驅(qū)動( Articulation )。在實(shí)際的機(jī)構(gòu)運(yùn)動分析中，復(fù)雜的運(yùn) 動只有通過運(yùn)動函數(shù)進(jìn)行仿真， 附給連桿以精確的運(yùn)動。 在活絡(luò)模具的運(yùn)動分析中， 活絡(luò)模 具的運(yùn)動形式相對簡單，故我們設(shè)定為恒定驅(qū)動( Constant )即可。(4) 運(yùn)動仿真運(yùn)動仿真是基于時間的一種運(yùn)動形式， 機(jī)構(gòu)在指定的時間段中運(yùn)動， 并同時指定該時間段中 的步數(shù)， 從而進(jìn)行運(yùn)動分析。 通過對運(yùn)動分析過程的控制， 可以直觀地以動畫的形式輸出運(yùn) 動模型的不同運(yùn)動狀況， 可以比較準(zhǔn)確地模擬分析所設(shè)計的模具機(jī)構(gòu)的真實(shí)運(yùn)

12、動情況 (見圖 4)。圖 4 活絡(luò)模具機(jī)構(gòu)的運(yùn)動仿真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)動軌跡， 從而可以檢查出模具設(shè) 計過程中容易忽略的一些問題，提高設(shè)計的效率與質(zhì)量。裝配環(huán)境下的干涉檢查分為靜態(tài)干涉檢查和動態(tài)干涉檢查。 靜態(tài)干涉檢查是指在某個特定位 置關(guān)系下，檢查裝配體中各個零部件間的干涉。動態(tài)干涉檢查是指在運(yùn)動過程中檢查干涉。 在干涉檢查中一般可以選擇是檢查全部的零件，還是某幾個零件間的干涉情況。在本文中用到的是動態(tài)干涉檢查， 即通過模擬模具的運(yùn)動過程來檢查是否存在干涉。 模具的 運(yùn)動仿真過程中發(fā)生干涉的原因主要有3 個：運(yùn)動分組和運(yùn)動參數(shù)設(shè)置不當(dāng)； 設(shè)計不當(dāng)； 系統(tǒng)本身的誤差。 在模具運(yùn)動仿真的過程中若出現(xiàn)干涉， 首先需檢查運(yùn)動參數(shù)的設(shè)置是否合理， 并對運(yùn)動方向和運(yùn)動距離進(jìn)行重新設(shè)置， 如果各項運(yùn)動參數(shù)的設(shè)置沒有問題， 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)了對輪胎活絡(luò)模具運(yùn)動仿真的全過程。 在活絡(luò)模具的設(shè)計中， 通過三維運(yùn)動仿真，