沖壓生產(chǎn)線自動化部件干涉仿真技術(shù)

文/許成，張純濤，伍宏昆·奇瑞汽車股份有限公司規(guī)劃設(shè)計二院沖壓部

沖壓生產(chǎn)線自動化部件干涉仿真技術(shù)

文/許成，張純濤，伍宏昆·奇瑞汽車股份有限公司規(guī)劃設(shè)計二院沖壓部

高速自動化沖壓線目前已較普遍地運(yùn)用于沖壓生產(chǎn)線，較之普通自動化生產(chǎn)線，極大地提高了生產(chǎn)效率和制件的一致性，但由于高速線的運(yùn)行需要綜合壓力機(jī)、模具及自動化設(shè)備的運(yùn)動軌跡曲線集成分析，任一環(huán)節(jié)的不匹配都會成為整線投資建設(shè)的巨大風(fēng)險，如何準(zhǔn)確驗證設(shè)備的匹配情況成為企業(yè)產(chǎn)能及效率提升所面臨的巨大難題，而數(shù)字化分析的手段正是根據(jù)虛擬制造原理、構(gòu)建數(shù)字化制造系統(tǒng)模型然后對整個生產(chǎn)過程進(jìn)行仿真，對制造系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化和重組，改變傳統(tǒng)的現(xiàn)場調(diào)試和落后的方法，極大地縮短項目周期，避免重復(fù)投資，提高了過程準(zhǔn)確性。

自動化部件干涉驗證過程

自動化干涉驗證因素

在進(jìn)行自動化干涉驗證之前，需要分析生產(chǎn)線中對整線自動化有影響的相關(guān)因素，對于沖壓高速生產(chǎn)線來說，對仿真結(jié)果有影響的主要包括壓力機(jī)動作、機(jī)械手動作以及模具結(jié)構(gòu)，所以在虛擬仿真的過程中，會構(gòu)建這三個部分的三維模型及動作進(jìn)行干涉驗證。由于三個部分的運(yùn)動情況互為條件和結(jié)果，所以提供了研究的不同切入方式。

圖1 壓力機(jī)的凸輪轉(zhuǎn)角與滑塊行程位移關(guān)系曲線

⑴以壓力機(jī)的凸輪轉(zhuǎn)角及滑塊行程位移切入（圖1），反饋出角度與位移的關(guān)系。由于在生產(chǎn)過程中，一般壓力機(jī)立柱上會顯示相應(yīng)時刻凸輪轉(zhuǎn)角的度數(shù)，同時在針對相應(yīng)的壓力機(jī)凸輪轉(zhuǎn)角，滑塊會有一定的行程位移量。所以，可以通過建立壓力機(jī)凸輪轉(zhuǎn)角與滑塊行程位移量的虛擬模型，從而反推出等效的壓力機(jī)凸輪輪廓構(gòu)建出壓力機(jī)模型，再添加相應(yīng)的機(jī)器人、運(yùn)動軌跡以及模具三維數(shù)模，即可以進(jìn)行干涉仿真的相應(yīng)工作。

⑵以設(shè)備干涉曲線切入。根據(jù)整線生產(chǎn)的最終輸出形式來看，壓力機(jī)和機(jī)械手的動作往往以壓力機(jī)與機(jī)械手的匹配干涉曲線形式輸出，在明確壓力機(jī)行程的情況下，機(jī)器人的動作軌跡會以相對于上模和下模的兩種方式提供，即不同的參照物會輸出不同的運(yùn)動軌跡。

如圖2所示，模具中心坐標(biāo)表示最低取料點(diǎn)及模具中心線，以機(jī)械手移出模具為例，任一時刻中取A點(diǎn)，上部分的軌跡線為相對于下模，即為機(jī)械手的運(yùn)動軌跡，下部分軌跡線為相對于上模，則表示以運(yùn)動中的上模為參照物得出的合運(yùn)動曲線，可得出以下參數(shù)：壓力機(jī)行程L（軌跡形成前已確定），L＝X1＋X2；機(jī)械手相對于模具中心位移Y，可以通過行程位移量反推出相應(yīng)時刻，滑塊行程對應(yīng)的壓力機(jī)轉(zhuǎn)角，從而得出壓力機(jī)凸輪輪廓曲線作為后期仿真的輸入。

圖2 相對上下模機(jī)器人的動作軌跡

自動化干涉驗證方法

以壓力機(jī)凸輪轉(zhuǎn)角及滑塊位移行程配合的方式進(jìn)行整線生產(chǎn)的干涉仿真分析。相應(yīng)運(yùn)動模型的建立，構(gòu)建精確的生產(chǎn)線模型是得出正確運(yùn)動仿真結(jié)果的前提，這需要建立壓力機(jī)、機(jī)械手及模具的相應(yīng)虛擬模型以完成仿真過程。

⑴壓力機(jī)及凸輪模型。在簡化模型中，需要把握簡易凸輪中心位置及凸輪轉(zhuǎn)角對應(yīng)滑塊位移的關(guān)系。高速線的壓力機(jī)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)和滑塊運(yùn)動過程可以等效為凸輪轉(zhuǎn)角對應(yīng)于曲柄角度，周期為360°，選定中心點(diǎn)和基圓直徑，疊加不同時刻的位移即可得出輪廓線的離散點(diǎn)（圖3）。

圖3 不同時刻凸輪中心位置及凸輪轉(zhuǎn)角對應(yīng)滑塊位移的輪廓曲線

對數(shù)據(jù)（θ，y）（θ為曲柄旋轉(zhuǎn)角度，y為滑塊行程）進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，換算為凸輪輪廓的直角坐標(biāo)（x，y）；x=（y+r）cosθ；y=（y+r）sinθ；其中r為凸輪基圓直徑。通過得出的（x，y）離散點(diǎn)，構(gòu)成封閉的輪廓，即行程特定條件下的，符合生產(chǎn)線的凸輪輪廓模型。

在得出輪廓模型后，需構(gòu)建壓力機(jī)滑塊運(yùn)動模型，以公司某生產(chǎn)線24000kN壓力機(jī)為例，模型中需滿足裝模高度及上下死點(diǎn)位置為1400mm。

⑵滑塊運(yùn)動方式。凸輪輪廓與滑塊從動桿以點(diǎn)曲線連接接合方式，定義凸輪中心為旋轉(zhuǎn)軸中心建立旋轉(zhuǎn)運(yùn)動副，同時建立上下往復(fù)運(yùn)動的連接桿滑動副，凸輪旋轉(zhuǎn)帶動從動桿上下往復(fù)運(yùn)動，在定義機(jī)構(gòu)固定部分及給出機(jī)構(gòu)命令后，即可形成壓力機(jī)虛擬模型。簡易模型如圖4所示。

機(jī)器人模型、模具三維模型見圖5，機(jī)器人模型需根據(jù)設(shè)備要求，定義伸長、旋轉(zhuǎn)相應(yīng)的運(yùn)動副及相應(yīng)固定部分，具體定義方式與壓力機(jī)機(jī)構(gòu)類似，前提是滿足設(shè)備所有home點(diǎn)位置符合設(shè)備參數(shù)要求范圍，且運(yùn)動方式相同，以設(shè)備工藝性為前提構(gòu)建與現(xiàn)實設(shè)備一致的虛擬模型。其中，相應(yīng)數(shù)模作包裹處理。

⑶整線生產(chǎn)過程分析。由于仿真的目的在于驗證現(xiàn)場生產(chǎn)狀況，那么所有建立的模型需建立在實際大小尺寸、工作原理且與生產(chǎn)現(xiàn)場同樣的布置環(huán)境中，即還原生產(chǎn)現(xiàn)場的虛擬場景。

所以在干涉驗證之前，需要根據(jù)現(xiàn)場layout布局圖，進(jìn)行壓力機(jī)、機(jī)械手及相應(yīng)的輔助設(shè)施設(shè)備資源的布置，在布置完成后，利用workcell sequencing工作模塊進(jìn)行工藝元素動作方式的串聯(lián)，實現(xiàn)整線聯(lián)動動作，以進(jìn)行相應(yīng)部位的運(yùn)動仿真及干涉檢查。

圖4 簡易模型

圖5 機(jī)器人模型、模具三維模型

圖6 仿真干涉分析

圖7 日本成熟模擬軟件的仿真模擬

干涉結(jié)果輸出

以某模具的單雙動改造為例，由于涉及到相關(guān)問題及因素，需要將雙動模具改造為單動模具，且改造后轉(zhuǎn)入高速沖壓生產(chǎn)線生產(chǎn)。由于轉(zhuǎn)入和轉(zhuǎn)出的生產(chǎn)線處于不同的生產(chǎn)基地、采用不同的自動化設(shè)備，所以對于改造后的模具結(jié)構(gòu)、導(dǎo)板高度是否滿足新生產(chǎn)線要求、是否存在干涉等問題，可以采取仿真驗證的方法，利用改造后的模具數(shù)模，進(jìn)行生產(chǎn)線的虛擬驗證，參照模擬結(jié)果評估是否具有改造可能性，從而有效地減少試驗周期、避免實際改造風(fēng)險和投資的浪費(fèi)。

通過仿真干涉分析，如圖6所示，得出如下結(jié)論：

⑴取料過程機(jī)械手與導(dǎo)板頂端無干涉，在下序的上料過程中，抓取的制件與模具本體有較少干涉，可以通過調(diào)整端拾器結(jié)構(gòu)、機(jī)械手橫向桿旋轉(zhuǎn)角度解決。

⑵根據(jù)干涉曲線軌跡，得出在抓取制件過程中，距離下導(dǎo)板頂端156mm，距離上模具下端42mm。

仿真結(jié)果表明，改造后模具轉(zhuǎn)線生產(chǎn)無隱患。

自動化仿真方法對比

考慮到虛擬檢驗方式的局限性，針對上述問題利用日本相關(guān)的成熟模擬軟件進(jìn)行參考分析，以相同的模具結(jié)構(gòu)和干涉曲線（12次/min）導(dǎo)入，并等效機(jī)械手結(jié)構(gòu)，保證取料高度為50mm，仿真模擬過程顯示無干涉風(fēng)險，驗證了上述仿真結(jié)果的可靠性。

結(jié)束語

以沖壓生產(chǎn)線為研究對象，進(jìn)行虛擬制造過程的仿真驗證，結(jié)果與實際生產(chǎn)相符，有效地拉近了規(guī)劃與制造的距離，提前預(yù)知設(shè)計、規(guī)劃、制造的過程問題并加以優(yōu)化、避免。因此以制造資源、生產(chǎn)操作和產(chǎn)品為核心，將數(shù)字化的產(chǎn)品設(shè)計數(shù)據(jù)在實際制造系統(tǒng)的虛擬現(xiàn)實環(huán)境中，進(jìn)行計算機(jī)仿真和優(yōu)化的虛擬制造方式將成為后期企業(yè)發(fā)展的有力推手。

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