基于压力中心优化的级进模带料设计系统转让专利
申请号 : CN200910028934.5
文献号 : CN101789031A
文献日 : 2010-07-28
发明人 : 周芝福 , 陈炜 , 孙志浩 , 戴峰泽 , 江丙云
申请人 : 江苏华富精密高速模具工程技术研究有限公司
摘要 :
本发明公开了一种基于压力中心优化的级进模带料设计系统，主要用于优化带料压力中心与模具中心的偏移，减小冲压力对模具中心转矩偏移，本发明的冲压力优化设计模块确定凸模冲压分力和模具冲压力；带料排样优化设计模块求解不同排样方案的压力中心偏移值与冲程的函数，并根据上述函数对冲程的积分均值评判出最优的排样方案；带料偏移优化设计模块求解模具的转矩偏移值与冲程的函数，并确定上述函数对冲程积分为零时的最优带料偏移值。本发明能够设计出使压力中心最优的排样方案，并且求解出最优的带料偏移值，以减小模具在冲压过程中因压力中心偏移而产生的转矩偏移。
权利要求 :
1.一种基于压力中心优化的级进模带料设计系统，其特征在于：由冲压力优化设计模块(1)、带料排样优化设计模块(2)和带料偏移优化设计模块(3)组成，带料排样优化设计模块(2)连接冲压力优化设计模块(1)的输出，带料偏移优化设计模块(3)连接带料排样优化设计模块(2)的输出；冲压力优化设计模块(1)确定凸模冲压分力和模具冲压力；带料排样优化设计模块(2)求解不同排样方案的压力中心偏移值与冲程的函数，并根据上述函数对冲程的积分均值评判出最优的排样方案；带料偏移优化设计模块(3)求解模具的转矩偏移值与冲程的函数，并确定上述函数对冲程积分为零时的最优带料偏移值。
2.根据权利要求1所述的一种基于压力中心优化的级进模带料设计系统，其特征在于：所述冲压力优化设计模块(1)确定凸模冲压分力和模具冲压力所采用的方法是：使用单工位多工序数值模拟和多工位单工序数值模拟相结合的方法，确定随滑块冲压行程变化的凸模冲压分力和模具冲压力；并在考虑上述凸模冲压分力、模具冲压力和压力机许可冲压力的情况下，确定每个凸模起始冲压的先后次序。
3.根据权利要求2所述的一种基于压力中心优化的级进模带料设计系统，其特征在于：所述带料排样优化设计模块(2)求解不同排样方案的压力中心偏移值与冲程的函数，并根据上述函数对冲程的积分均值评判出最优的排样方案所采用的方法是：对每个可行的排样方案进行求解随冲程变化的压力中心偏移值，并对上述压力中心偏移值经一元多次拟合得出压力中心偏移值与冲程的函数，并求解出上述函数对冲程的积分均值，以此确定所有排样方案中积分均值最小的为最优排样。
4.根据权利要求3所述的一种基于压力中心优化的级进模带料设计系统，其特征在于：所述带料偏移优化设计模块(3)求解模具的转矩偏移值与冲程的函数，并确定上述函数对冲程积分为零时的最优带料偏移值所采用的方法是：有限元数值模拟方法和转矩平衡原理相结合，计算出随冲程变化的模具的转矩偏移值，并对上述转矩偏移值经一元多次拟合得出转矩偏移值与冲程的函数，应用约束优化方法和微积分原理，计算出使上述函数对冲程的积分值为零时的转矩偏移值为最优带料偏移值。
说明书 :
技术领域
本发明涉及一种基于压力中心优化的级进模带料排样、带料偏移的设计系统，属于金属冲压成形领域，尤其适用于工步较长或工位数较多的钣金件连续冲压级进模具。
背景技术
级进模是在一副模具内，按所成形零件分为若干个等距离工位，在每个工位上设置一定的冲压工序，完成冲压零件的某部分成形，广泛应用于现代工业生产中。
级进模的压力中心是指级进模在冲压时各工位冲压力的合力作用点(以下简称压力中心)，在模具设计时，应保证压力中心与冲床压力机滑块中心尽量保持对齐。否则，冲压时滑块会承受偏心载荷，导致滑块导轨和模具导向部分的不正常磨损，影响制件质量和降低模具寿命甚至损坏模具。
优化压力中心位置的方法有改变排样、增加空工位和中心偏移法等。目前，对压力中心的优化研究主要集中在使用优化算法寻找最合适的排样方案和中心偏移，使压力中心和压力机滑块中心趋于重合。
台湾科技大学学者Lin、Deng应用遗传算法和模拟退火法优化排样，以确定压力中心与压力机滑块中心最接近的排样方案，虽有效减小了压力中心的偏移，但有以下几点缺陷：1)采用经验公式计算冲压合力值，但实际上冲压合力在冲压过程中并不是一个恒定值；2)把不同工位上的每个凸模冲压起始时刻假定为相同，没有考虑每个凸模起始冲压的先后次序；3)由于模具工艺条件的限制，只能对压力中心偏移较小的带料进行排样优化。
在冲压过程中，因冲压合力的不恒定压力中心会发生变化，应保证压力中心的偏移造成的转矩偏移不超出模具所允许的范围。江苏大学陈炜、王娟等提出基于转矩平衡和数值模拟的压力中心优化方法，虽对压力中心确定有了准确性的提高和理论的突破，对压力中心的优化也有了初步的探讨，但有以下两点缺陷：1)考虑了凸模冲压分力随冲程的变化情况，但在确定冲压合力时，没有考虑不同工序在冲压时的提前与滞后，而是把各工序冲压起始位置假设为相同，对冲压合力的计算不够精确，不能给压力机的选择提供可靠的参考，对压力中心的求解也造成偏差；2)虽然对压力中心有作优化，但没能够给出最优偏移值的评判标准，仅仅给出了偏移范围和偏移方向。
如上所述，目前多工位级进模压力中心的确定和优化均存在局限性，工程中迫切需要准确求解压力中心，以正确、有效地对其进行优化，从而在冲压生产中起到实际作用。
级进模的压力中心是指级进模在冲压时各工位冲压力的合力作用点(以下简称压力中心)，在模具设计时，应保证压力中心与冲床压力机滑块中心尽量保持对齐。否则，冲压时滑块会承受偏心载荷，导致滑块导轨和模具导向部分的不正常磨损，影响制件质量和降低模具寿命甚至损坏模具。
优化压力中心位置的方法有改变排样、增加空工位和中心偏移法等。目前，对压力中心的优化研究主要集中在使用优化算法寻找最合适的排样方案和中心偏移，使压力中心和压力机滑块中心趋于重合。
台湾科技大学学者Lin、Deng应用遗传算法和模拟退火法优化排样，以确定压力中心与压力机滑块中心最接近的排样方案，虽有效减小了压力中心的偏移，但有以下几点缺陷：1)采用经验公式计算冲压合力值，但实际上冲压合力在冲压过程中并不是一个恒定值；2)把不同工位上的每个凸模冲压起始时刻假定为相同，没有考虑每个凸模起始冲压的先后次序；3)由于模具工艺条件的限制，只能对压力中心偏移较小的带料进行排样优化。
在冲压过程中，因冲压合力的不恒定压力中心会发生变化，应保证压力中心的偏移造成的转矩偏移不超出模具所允许的范围。江苏大学陈炜、王娟等提出基于转矩平衡和数值模拟的压力中心优化方法，虽对压力中心确定有了准确性的提高和理论的突破，对压力中心的优化也有了初步的探讨，但有以下两点缺陷：1)考虑了凸模冲压分力随冲程的变化情况，但在确定冲压合力时，没有考虑不同工序在冲压时的提前与滞后，而是把各工序冲压起始位置假设为相同，对冲压合力的计算不够精确，不能给压力机的选择提供可靠的参考，对压力中心的求解也造成偏差；2)虽然对压力中心有作优化，但没能够给出最优偏移值的评判标准，仅仅给出了偏移范围和偏移方向。
如上所述，目前多工位级进模压力中心的确定和优化均存在局限性，工程中迫切需要准确求解压力中心，以正确、有效地对其进行优化，从而在冲压生产中起到实际作用。
发明内容
为了克服上述缺陷，本发明提供了一种基于压力中心优化的级进模带料设计系统，该发明是在合理的工艺条件和模具结构的前提下，将数值模拟、转矩平衡和优化方法结合起来的CAD→CAE→CAD(CAD为计算机辅助设计、CAE为计算机辅助工程)集成系统，用于确定使压力中心最优的排样方案及其导致的转矩偏移最优的带料偏移值，可以加快级进模带料排样设计过程，减小模具在冲压过程中产生的偏心载荷，提高模具使用寿命。
本发明为了解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种基于压力中心优化的级进模带料设计系统，由冲压力优化设计模块、带料排样优化设计模块和带料偏移优化设计模块组成，带料排样优化设计模块连接冲压力优化设计模块的输出，带料偏移优化设计模块连接带料排样优化设计模块的输出；冲压力优化设计模块确定凸模冲压分力和模具冲压力；带料排样优化设计模块求解不同排样方案的压力中心偏移值与冲程的函数，并根据上述函数对冲程的积分均值评判出最优的排样方案；带料偏移优化设计模块求解模具的转矩偏移值与冲程的函数，并确定上述函数对冲程积分为零时的最优带料偏移值。
所述冲压力优化设计模块确定凸模冲压分力和模具冲压力所采用的方法是：使用单工位多工序数值模拟和多工位单工序数值模拟相结合的方法，确定随滑块冲压行程变化的凸模冲压分力和模具冲压力；并在考虑上述凸模冲压分力、模具冲压力和压力机许可冲压力的情况下，确定每个凸模起始冲压的先后次序。根据可以互换的工位，应用排列与组合原理确定可行的排样方案。
所述带料排样优化设计模块求解不同排样方案的压力中心偏移值与冲程的函数，并根据上述函数对冲程的积分均值评判出最优的排样方案所采用的方法是：对每个可行的排样方案进行求解随冲程变化的压力中心偏移值，并对上述压力中心偏移值经一元多次拟合得出压力中心偏移值与冲程的函数，并求解出上述函数对冲程的积分均值，以此确定所有排样方案中积分均值最小的为最优排样。
所述带料偏移优化设计模块求解模具的转矩偏移值与冲程的函数，并确定上述函数对冲程积分为零时的最优带料偏移值所采用的方法是：有限元数值模拟方法和转矩平衡原理相结合，计算出随冲程变化的模具的转矩偏移值，并对上述转矩偏移值经一元多次拟合得出转矩偏移值与冲程的函数，应用约束优化方法和微积分原理，计算出使上述函数对冲程的积分值为零时的转矩偏移值为最优带料偏移值。
本发明的有益效果是：
1)考虑了冲压合力随冲程的变化对压力中心的影响，并作定量分析；
2)考虑了随冲程变化的压力中心偏移情况对模具转矩偏移的影响，并作定量分析；
3)对最优排样的评估，以压力中心的最优作为评判标准，为带料的偏移设计提供了前提条件；
4)对带料偏移的评估，以随冲程变化的模具转矩偏移最优作为评判标准，为模具的设计提供最为直接的指导；
5)把带料排样和带料偏移集成设计作为对压力中心的优化方法，减小了二者分开使用时对模具压力中心优化的局限性，使受模具工艺的限制条件更小。
本发明为了解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种基于压力中心优化的级进模带料设计系统，由冲压力优化设计模块、带料排样优化设计模块和带料偏移优化设计模块组成，带料排样优化设计模块连接冲压力优化设计模块的输出，带料偏移优化设计模块连接带料排样优化设计模块的输出；冲压力优化设计模块确定凸模冲压分力和模具冲压力；带料排样优化设计模块求解不同排样方案的压力中心偏移值与冲程的函数，并根据上述函数对冲程的积分均值评判出最优的排样方案；带料偏移优化设计模块求解模具的转矩偏移值与冲程的函数，并确定上述函数对冲程积分为零时的最优带料偏移值。
所述冲压力优化设计模块确定凸模冲压分力和模具冲压力所采用的方法是：使用单工位多工序数值模拟和多工位单工序数值模拟相结合的方法，确定随滑块冲压行程变化的凸模冲压分力和模具冲压力；并在考虑上述凸模冲压分力、模具冲压力和压力机许可冲压力的情况下，确定每个凸模起始冲压的先后次序。根据可以互换的工位，应用排列与组合原理确定可行的排样方案。
所述带料排样优化设计模块求解不同排样方案的压力中心偏移值与冲程的函数，并根据上述函数对冲程的积分均值评判出最优的排样方案所采用的方法是：对每个可行的排样方案进行求解随冲程变化的压力中心偏移值，并对上述压力中心偏移值经一元多次拟合得出压力中心偏移值与冲程的函数，并求解出上述函数对冲程的积分均值，以此确定所有排样方案中积分均值最小的为最优排样。
所述带料偏移优化设计模块求解模具的转矩偏移值与冲程的函数，并确定上述函数对冲程积分为零时的最优带料偏移值所采用的方法是：有限元数值模拟方法和转矩平衡原理相结合，计算出随冲程变化的模具的转矩偏移值，并对上述转矩偏移值经一元多次拟合得出转矩偏移值与冲程的函数，应用约束优化方法和微积分原理，计算出使上述函数对冲程的积分值为零时的转矩偏移值为最优带料偏移值。
本发明的有益效果是：
1)考虑了冲压合力随冲程的变化对压力中心的影响，并作定量分析；
2)考虑了随冲程变化的压力中心偏移情况对模具转矩偏移的影响，并作定量分析；
3)对最优排样的评估，以压力中心的最优作为评判标准，为带料的偏移设计提供了前提条件；
4)对带料偏移的评估，以随冲程变化的模具转矩偏移最优作为评判标准，为模具的设计提供最为直接的指导；
5)把带料排样和带料偏移集成设计作为对压力中心的优化方法，减小了二者分开使用时对模具压力中心优化的局限性，使受模具工艺的限制条件更小。
附图说明
图1为本发明的原理示意图；
图2为本发明的工作流程图；
图3为本发明冲压力优化设计模块的各个凸模冲压分力变化图；
图4为本发明冲压力优化设计模块的模具冲压力变化图；
图5为本发明冲压力优化设计模块的压力机许可压力示意图；
图6为本发明带料压力中心偏移值示意图；
图7为本发明模具转矩偏移值示意图。
图2为本发明的工作流程图；
图3为本发明冲压力优化设计模块的各个凸模冲压分力变化图；
图4为本发明冲压力优化设计模块的模具冲压力变化图；
图5为本发明冲压力优化设计模块的压力机许可压力示意图；
图6为本发明带料压力中心偏移值示意图；
图7为本发明模具转矩偏移值示意图。
具体实施方式
实施例：如图1所示，一种基于压力中心优化的级进模带料设计系统，由冲压力优化设计模块1、带料排样优化设计模块2和带料偏移优化设计模块3组成，带料排样优化设计模块2连接冲压力优化设计模块1的输出，带料偏移优化设计模块3连接带料排样优化设计模块2的输出，形成了基于有限元模拟和压力中心优化技术的带料设计CAD→CAE→CAD集成系统(CAD计算机辅助设计、CAE计算机辅助工程)。其中，冲压力优化设计模块1确定凸模冲压分力和模具冲压力；带料排样优化设计模块2求解不同排样方案的压力中心偏移值与冲程的函数，并根据上述函数对冲程的积分均值评判出最优的排样方案；带料偏移优化设计模块3求解模具的转矩偏移值与冲程的函数，并确定上述函数对冲程积分为零时的最优带料偏移值。
本发明冲压力优化设计模块1、带料排样优化设计模块2和带料偏移优化设计模块3三个模块的工作流程及相互连接关系如图2所示，下面对其加以详细阐述：
一、基于有限元模拟技术的冲压力优化设计模块1输入钣金零件，输出凸模冲压分力和模具冲压力及可行的带料排样方案，主要包括以下步骤：
1)采用有限元逆算法对钣金零件进行尺寸展开，并分析带料的工艺特性。
2)分析带料工艺特性并初步排样，对初步排样的带料进行有限元冲压仿真，应用单工位多工序的建模和模拟方法，输出凸模冲压分力随冲程的变化曲线，如图3中4、5所示(本例中仅取两个凸模)；应用多工位单工序的建模和模拟方法，输出模具冲压合力随冲程变化的曲线，如图4中6所示。其中，单工位多工序有限元建模是对某一工位的成形工艺建立凸凹模有限元网格模型，用于求解凸模冲压分力值；多工位单工序有限元建模是对一次冲压过程建立有限元网格模型，建模时根据冲压工艺建立多个工位的凸、凹模网格模型，使模拟的级进模冲压过程符合实际的级进模冲压过程，用于求解模具冲压力。
3)如图4、5所示，将由多工位单工序建模模拟后输出的模具冲压力变化曲线6，对应到压力机冲压时相应的行程位置7上，检验冲压力是否超出压力机许可压力范围8。如超出，可通过调整凸模5的冲压起始冲程位置为9，再次通过多工位单工序建模模拟输出改变后的模具冲压力曲线10，以使调整后的冲压力对应到冲压行程11上满足压力机许可范围。
4)确定可以互换的工位数，使用组合与排列原理确定可行的排样方案个数(本例中仅取其中两种方案)。
二、带料排样优化设计模块2是输入冲压力优化设计模块1中得到的数据，输出最优的带料排样方案，主要包括以下步骤：
1)输入冲压力优化设计模块1确定的不同排样方案的带料和凸模冲压分力。
2)对每一种排样方案，作凸模冲压分力对模具中心转矩平衡计算，得到压力中心的偏移值随冲程的变化曲线，并把上述曲线拟合为一元多次函数关系式。图6中曲线12、13为两种不同排样方案的压力中心偏移值经过拟合得到的函数曲线f1(s)、f2(s)。
3)求解上述函数对变量(冲程)的积分均值，输出积分均值最小的排样方案为最优排样。图6中E12、E13分别为函数曲线12、13对冲程的积分均值，因为E13＜E12，所以13对应的排样方案较优于12对应的排样方案。
三、带料偏移优化设计模块3输入带料排样优化设计模块2确定的最优带料排样，输出带料的最优偏移值，主要包括以下步骤：
1)输入带料排样优化设计模块2所输出的最优排样方案，计算其模具所能承受的许可转矩偏移范围为[-MDiff，MDiff]，如图7中14、15所示。
2)对带料进行偏移，计算带料偏移后的凸模冲压力对模具中心的转矩偏移，其值为一条随冲程变化的曲线，如图7中16所示，检验上述曲线是否超出许可转矩偏移范围。
3)对转矩偏移值随冲程变化的曲线做一元多次拟合，得到转矩偏移值与冲程的函数关系式fe(s)，并求解fe(s)对变量s(冲程)的积分值，如图7中阴影部分17所示。
4)判断上述积分值是否为零，如果是，则第2)步中的带料偏移值为最优偏移值；如果否，则返回第2)步，以约束优化方法中的“可行方向法”作为优化方法，在可行方向上重新搜索最优偏移值。可行方向法是求解非线性规划问题的常用方法，其典型策略是从可行点出发，沿着可行方向进行搜索，求出使目标函数值下降的新的可行点，此算法的主要步骤是选择搜索方向和确定沿此方向的步长。
本发明冲压力优化设计模块1、带料排样优化设计模块2和带料偏移优化设计模块3三个模块的工作流程及相互连接关系如图2所示，下面对其加以详细阐述：
一、基于有限元模拟技术的冲压力优化设计模块1输入钣金零件，输出凸模冲压分力和模具冲压力及可行的带料排样方案，主要包括以下步骤：
1)采用有限元逆算法对钣金零件进行尺寸展开，并分析带料的工艺特性。
2)分析带料工艺特性并初步排样，对初步排样的带料进行有限元冲压仿真，应用单工位多工序的建模和模拟方法，输出凸模冲压分力随冲程的变化曲线，如图3中4、5所示(本例中仅取两个凸模)；应用多工位单工序的建模和模拟方法，输出模具冲压合力随冲程变化的曲线，如图4中6所示。其中，单工位多工序有限元建模是对某一工位的成形工艺建立凸凹模有限元网格模型，用于求解凸模冲压分力值；多工位单工序有限元建模是对一次冲压过程建立有限元网格模型，建模时根据冲压工艺建立多个工位的凸、凹模网格模型，使模拟的级进模冲压过程符合实际的级进模冲压过程，用于求解模具冲压力。
3)如图4、5所示，将由多工位单工序建模模拟后输出的模具冲压力变化曲线6，对应到压力机冲压时相应的行程位置7上，检验冲压力是否超出压力机许可压力范围8。如超出，可通过调整凸模5的冲压起始冲程位置为9，再次通过多工位单工序建模模拟输出改变后的模具冲压力曲线10，以使调整后的冲压力对应到冲压行程11上满足压力机许可范围。
4)确定可以互换的工位数，使用组合与排列原理确定可行的排样方案个数(本例中仅取其中两种方案)。
二、带料排样优化设计模块2是输入冲压力优化设计模块1中得到的数据，输出最优的带料排样方案，主要包括以下步骤：
1)输入冲压力优化设计模块1确定的不同排样方案的带料和凸模冲压分力。
2)对每一种排样方案，作凸模冲压分力对模具中心转矩平衡计算，得到压力中心的偏移值随冲程的变化曲线，并把上述曲线拟合为一元多次函数关系式。图6中曲线12、13为两种不同排样方案的压力中心偏移值经过拟合得到的函数曲线f1(s)、f2(s)。
3)求解上述函数对变量(冲程)的积分均值，输出积分均值最小的排样方案为最优排样。图6中E12、E13分别为函数曲线12、13对冲程的积分均值，因为E13＜E12，所以13对应的排样方案较优于12对应的排样方案。
三、带料偏移优化设计模块3输入带料排样优化设计模块2确定的最优带料排样，输出带料的最优偏移值，主要包括以下步骤：
1)输入带料排样优化设计模块2所输出的最优排样方案，计算其模具所能承受的许可转矩偏移范围为[-MDiff，MDiff]，如图7中14、15所示。
2)对带料进行偏移，计算带料偏移后的凸模冲压力对模具中心的转矩偏移，其值为一条随冲程变化的曲线，如图7中16所示，检验上述曲线是否超出许可转矩偏移范围。
3)对转矩偏移值随冲程变化的曲线做一元多次拟合，得到转矩偏移值与冲程的函数关系式fe(s)，并求解fe(s)对变量s(冲程)的积分值，如图7中阴影部分17所示。
4)判断上述积分值是否为零，如果是，则第2)步中的带料偏移值为最优偏移值；如果否，则返回第2)步，以约束优化方法中的“可行方向法”作为优化方法，在可行方向上重新搜索最优偏移值。可行方向法是求解非线性规划问题的常用方法，其典型策略是从可行点出发，沿着可行方向进行搜索，求出使目标函数值下降的新的可行点，此算法的主要步骤是选择搜索方向和确定沿此方向的步长。