三維動(dòng)態(tài)模擬技術(shù)在汽車自動(dòng)化沖壓線中的新應(yīng)用

文/徐建軍，高志純，蔣華偉，車長(zhǎng)勇，劉爽·一汽-大眾汽車有限公司

三維動(dòng)態(tài)模擬技術(shù)在汽車自動(dòng)化沖壓線中的新應(yīng)用

文/徐建軍，高志純，蔣華偉，車長(zhǎng)勇，劉爽·一汽-大眾汽車有限公司

本文通過實(shí)例說明了Delmia三維動(dòng)態(tài)模擬軟件在自動(dòng)化沖壓線干涉檢查和節(jié)拍優(yōu)化上的應(yīng)用，同時(shí)通過三維動(dòng)態(tài)模擬和現(xiàn)場(chǎng)跟蹤，總結(jié)了Crossbar自動(dòng)化系統(tǒng)對(duì)沖壓工藝設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)加工方面的要求。

沖壓是汽車生產(chǎn)的重要工藝，“好的轎車從沖壓開始”，由此可見沖壓工藝在整個(gè)汽車生產(chǎn)工藝中的重要性。如何提高大型汽車沖壓覆蓋件的生產(chǎn)節(jié)拍，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、高效穩(wěn)定的批量生產(chǎn)已成為汽車沖壓行業(yè)的重要課題。

手工沖壓線由于生產(chǎn)效率低、安全性差、操作工人勞動(dòng)強(qiáng)度大、噪聲大，早已不能滿足日益擴(kuò)大的市場(chǎng)需求。自動(dòng)化沖壓生產(chǎn)線具有生產(chǎn)效率高、安全性高、操作工人勞動(dòng)強(qiáng)度小、噪聲小、規(guī)模生產(chǎn)條件下更低的單件生產(chǎn)成本等優(yōu)點(diǎn)。自從上世紀(jì)90年代以來，國內(nèi)的各個(gè)汽車生產(chǎn)企業(yè)均已陸續(xù)實(shí)現(xiàn)沖壓自動(dòng)化生產(chǎn)代替手工生產(chǎn)。一汽-大眾汽車有限公司先后投入使用了Feeder和Speederbar兩種自動(dòng)化沖壓生產(chǎn)系統(tǒng)，如今在佛山新工廠完成了最新自動(dòng)化生產(chǎn)系統(tǒng)Crossbar的安裝調(diào)試。下面簡(jiǎn)單介紹一下這三種自動(dòng)化系統(tǒng)的特點(diǎn)。

Feeder系統(tǒng)：沖壓完成時(shí)，下料手從模具中取出工序件后將工序件放置在傳送小車上，傳送小車移動(dòng)到上料位置，上料手從傳送小車上拾取工序件放置到下一套模具中進(jìn)行沖壓。

Speederbar系統(tǒng)：快速橫桿式自動(dòng)化輸送系統(tǒng)，中間無傳送小車。

模具在Feeder系統(tǒng)和Speederbar系統(tǒng)上沖壓生產(chǎn)時(shí)，機(jī)械手曲線調(diào)試可以直接在沖壓線上完成。

Crossbar系統(tǒng)：?jiǎn)伪凼阶詣?dòng)化輸送系統(tǒng)，壓力機(jī)之間使用多軸伺服傳送機(jī)構(gòu)一次性在壓力機(jī)之間傳送零件，在壓力機(jī)的縱軸線上安裝多自由度搬運(yùn)機(jī)械手，機(jī)械手可以沿著壓力機(jī)軸線縱向移動(dòng)，中間無傳送小車。模具在Crossbar系統(tǒng)上沖壓生產(chǎn)時(shí)，必須借助Delmia三維動(dòng)態(tài)模擬軟件，在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行三維動(dòng)態(tài)模擬，將模擬結(jié)果輸入到?jīng)_壓生產(chǎn)線，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)端拾器制作和后期整線節(jié)拍優(yōu)化。

本文研究三維動(dòng)態(tài)模擬技術(shù)在Crossbar自動(dòng)化系統(tǒng)上的應(yīng)用，用以檢查干涉和優(yōu)化曲線，從而提升生產(chǎn)節(jié)拍。

沖壓生產(chǎn)線三維動(dòng)態(tài)模擬的意義

模具在自動(dòng)化沖壓生產(chǎn)線整線連續(xù)生產(chǎn)調(diào)試過程中，Crossbar機(jī)械手橫桿與模具上模、端拾器吸盤、零件與模具下模存在干涉的風(fēng)險(xiǎn)；由于Crossbar這種先進(jìn)的自動(dòng)化方式更加靈活，沒有固定的曲線，因而整線單次或者連續(xù)生產(chǎn)節(jié)拍在自動(dòng)化沖壓線上優(yōu)化會(huì)占據(jù)沖壓線很大一部分時(shí)間，有時(shí)甚至不能調(diào)試出合格的曲線。在模具和端拾器三維設(shè)計(jì)階段檢測(cè)并消除這些干涉風(fēng)險(xiǎn)，提升模具和端拾器在自動(dòng)化沖壓線整線單次或者連續(xù)生產(chǎn)的調(diào)試效率，是新車型項(xiàng)目能夠順利投產(chǎn)的基礎(chǔ)。

采用三維動(dòng)態(tài)模擬軟件進(jìn)行自動(dòng)化沖壓線的三維動(dòng)態(tài)模擬仿真的主要內(nèi)容包括：檢查模具與Crossbar機(jī)械手、端拾器吸盤、沖壓零件是否干涉，優(yōu)化整線單次或者連續(xù)生產(chǎn)節(jié)拍；通過三維動(dòng)態(tài)模擬仿真可以大大降低模具、端拾器自動(dòng)化整線單次或者連續(xù)生產(chǎn)的調(diào)試時(shí)間；降低模具、端拾器自動(dòng)化整線單次或者連續(xù)生產(chǎn)調(diào)試過程中的碰撞風(fēng)險(xiǎn)。

三維動(dòng)態(tài)模擬軟件環(huán)境

如圖1所示，自動(dòng)化沖壓生產(chǎn)線三維動(dòng)態(tài)模擬環(huán)境是在達(dá)索公司Delmia軟件上進(jìn)行二次開發(fā)的模擬系統(tǒng)V5PLS。

圖1 三維動(dòng)態(tài)模擬軟件環(huán)境

本文介紹的Delmia三維動(dòng)態(tài)模擬軟件可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化沖壓線生產(chǎn)過程的全方位仿真，在計(jì)算機(jī)屏幕虛擬三維環(huán)境里可以觀察到壓機(jī)滑塊、模具、機(jī)械手、端拾器吸盤及沖壓零件的實(shí)時(shí)位置；將各種在自動(dòng)化沖壓線上調(diào)試完成的運(yùn)動(dòng)軌跡從自動(dòng)化沖壓線設(shè)備中輸出，輸入到Delmia三維動(dòng)態(tài)模擬軟件中，在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)過程仿真，驗(yàn)證運(yùn)動(dòng)軌跡的正確性。

零件實(shí)際傳輸過程

Crossbar自動(dòng)化沖壓線上零件的傳輸是通過安 裝在Crossbar機(jī)械手橫桿上的端拾器吸盤來完成的，其傳遞過程如下：

⑴板料經(jīng)過拆垛系統(tǒng)送進(jìn)清洗機(jī)、涂油機(jī)后（清洗機(jī)和涂油機(jī)是否使用依據(jù)沖壓工藝），被傳輸?shù)綄?duì)中臺(tái)上，通過VMT光學(xué)對(duì)中對(duì)板料進(jìn)行定位。

⑵通過CBF0機(jī)械手橫桿上的端拾器吸盤將對(duì)中臺(tái)上的板料傳輸?shù)嚼訅簷C(jī)上（此處CBF為Crossbar的簡(jiǎn)稱，以下同）。

⑶在OP20拉延壓機(jī)中成形的沖壓工序件，通過安裝在CBF1機(jī)械手橫桿上的端拾器吸盤，傳輸?shù)絆P30。

⑷在OP30壓機(jī)中成形的沖壓工序件，通過安裝在CBF2機(jī)械手橫桿上的端拾器吸盤，傳輸?shù)絆P40。

⑸按照同樣的方式，通過端拾器吸盤對(duì)后續(xù)的工序件進(jìn)行傳輸，直至把最終零件放置到線尾皮帶機(jī)上。

Crossbar自動(dòng)化零件傳輸系統(tǒng)比較靈活，無固定的曲線軌跡，可以任意編程，零件的傳輸軌跡需要通過Delmia三維動(dòng)態(tài)模擬軟件模擬并輸出，輸出的曲線軌跡可以用來指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)零件傳輸調(diào)試。

零件傳輸過程中干涉的檢查方法

Crossbar自動(dòng)化沖壓線干涉的檢查主要采用靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩種檢查方法。

靜態(tài)檢查方法

在沒有三維動(dòng)態(tài)模擬軟件時(shí)，模具廠家在模具三維設(shè)計(jì)階段采用靜態(tài)檢查方法借用安裝空間來檢查零件在傳輸過程中是否干涉，安裝空間實(shí)例如圖2所示，一個(gè)下模安裝空間適用于多個(gè)上模安裝空間。

圖2 安裝空間

靜態(tài)檢查的主要操作步驟如下：

⑴檢查模具處于閉合狀態(tài)。

⑵將上模和上模安裝空間隱藏。

⑶檢測(cè)模具下模是否有露出下?？臻g的部分。如果有露出部分（圖3），那么將安裝空間整體（上模安裝空間和下模安裝空間）在同一高度移動(dòng)，直到模具下模部分不可見；如果沒有露出部分，那么安裝空間整體（上模安裝空間和下模安裝空間）無需移動(dòng)。

圖3 下模凸出

⑷隱藏下模和下模安裝空間，只顯示上模和上模安裝空間。

⑸檢查上模是否從安裝空間里凸出。如果凸出（圖4），則表明有干涉發(fā)生，需要采用替代空間；如果沒有凸出，則表明無干涉發(fā)生。

圖4 上模凸出

⑹通過透明的安裝空間，整個(gè)模具可見。

這種靜態(tài)檢查方法是用靜止的三維圖檢查運(yùn)動(dòng)中的干涉情況，檢測(cè)結(jié)果精度不高，會(huì)有部分干涉情況檢測(cè)不出來。

動(dòng)態(tài)檢查方法

目前我公司采用Delmia三維動(dòng)態(tài)模擬軟件檢測(cè)Crossbar自動(dòng)化沖壓線上零件傳輸過程中的干涉情況，不僅能夠檢測(cè)是否有干涉發(fā)生，而且能夠優(yōu)化整線連續(xù)生產(chǎn)節(jié)拍。如果發(fā)現(xiàn)干涉及時(shí)將干涉結(jié)論反饋給模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員，消除后期的干涉風(fēng)險(xiǎn)。

⑴Delmia三維動(dòng)態(tài)模擬所需硬件。

1）準(zhǔn)備檢查的模具；

2）端拾器吸盤；

3）板料及各序工序件；

4）Delmia三維動(dòng)態(tài)模擬軟件和性能較好的計(jì)算機(jī)。

⑵Delmia三維動(dòng)態(tài)模擬主要步驟。

將準(zhǔn)備好的數(shù)據(jù)（包括模具上模、模具下模、壓邊圈、壓料板、端拾器吸盤、板料及工序件）導(dǎo)入到三維動(dòng)態(tài)模擬軟件中，根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際調(diào)整模具上模、模具下模、壓邊圈、壓料板、端拾器、板料及工序件的位置，按照沖壓工藝設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)輸入拉延深度及壓邊圈頂起高度即CBF1取件位置（圖5），調(diào)試機(jī)械手和下模的干涉情況（圖6），并且將每一序的節(jié)拍盡可能優(yōu)化到16次/min以上，在無干涉并且保證安全距離30mm的前提下盡可能保證曲線高度低，為后續(xù)提升整線節(jié)拍留有較大空間，通過調(diào)整零件間距離和預(yù)啟動(dòng)橫桿機(jī)械手角度調(diào)試機(jī)械手和上模的協(xié)同性（圖7），在無干涉并且保證安全距離100mm的情況下盡可能得到更高的整線節(jié)拍。

圖5 輸入工藝參數(shù)

三維動(dòng)態(tài)模擬軟件在汽車自動(dòng)沖壓線上的應(yīng)用

圖6 調(diào)試機(jī)械手和下模的干涉情況

圖7 調(diào)試機(jī)械手和上模的干涉情況

圖8 調(diào)整模具在移動(dòng)工作臺(tái)上的位置

本文以某車型翼子板模具和后地板模具在自動(dòng)化沖壓線通過性干涉檢查及優(yōu)化為例，說明三維動(dòng)態(tài)模擬軟件Delmia的應(yīng)用情況。翼子板模具由6序（拉延、修邊、翻邊、翻邊、翻邊整形、翻邊）組成，后地板模具由5序（拉延、修邊沖孔、修邊側(cè)修邊整形、上下翻邊翻口整形、空工位、翻邊沖孔側(cè)沖孔）組成，這兩套模具都安裝在Crossbar高速自動(dòng)化沖壓生產(chǎn)線上。

翼子板模具

⑴數(shù)據(jù)準(zhǔn)備：打開模具的三維設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，檢查并確認(rèn)各個(gè)活動(dòng)部件處于釋放狀態(tài)，按照模具上模、模具下模、壓邊圈、端拾器吸盤、各序沖壓工序件分別保存成CGR數(shù)據(jù)。

⑵三維動(dòng)態(tài)模擬仿真模型的建立：將Crossbar自動(dòng)化沖壓生產(chǎn)線設(shè)備三維模型導(dǎo)入到Delimia三維動(dòng)態(tài)模擬軟件中，依次加載CBF0 ～CBF6等7個(gè)橫桿機(jī)械手，并給三維生產(chǎn)線模型裝載相應(yīng)參數(shù)（比如端拾器吸盤、各沖壓工序件、模具、裝模高度）。將步驟1中準(zhǔn)備好的CGR數(shù)據(jù)按照生產(chǎn)實(shí)際的先后順序?qū)氲紻elmia三維動(dòng)態(tài)模擬軟件中，而且按照實(shí)際情況調(diào)整位置，比如CBF的取件位置，端拾器吸盤的位置，模具在自動(dòng)化沖壓生產(chǎn)線移動(dòng)工作臺(tái)上的位置等等（圖8），調(diào)試優(yōu)化各個(gè)CBF與模具下模的曲線，調(diào)試優(yōu)化各個(gè)CBF與模具上模的曲線。

⑶在計(jì)算機(jī)虛擬三維模擬仿真環(huán)境中對(duì)零件傳輸過程進(jìn)行檢查，可以發(fā)現(xiàn)CBF4橫桿與旋轉(zhuǎn)斜楔距離比較近，為7.253mm，遠(yuǎn)低于安全距離30mm。

改進(jìn)措施：降低旋轉(zhuǎn)斜楔非工作部分高度，避免干涉，結(jié)構(gòu)優(yōu)化后如圖9所示，CBF4橫桿與旋轉(zhuǎn)斜楔距離增大到41.744mm。

后地板模具

前兩步與翼子板模具基本相同，唯一不同的是該套模具第6序?yàn)榭展の?，需要裝載空工位支架的三維模型，此處重點(diǎn)談下檢查結(jié)果。對(duì)零件的傳輸過程進(jìn)行檢查不難發(fā)現(xiàn)：

⑴OP20模具物流方向后側(cè)2個(gè)擋料銷高度偏高（圖10紅圈處）。

改進(jìn)措施：建議參考大眾標(biāo)準(zhǔn)39D 807（圖11）將高度降低，避免零件傳送過程中與擋料銷干涉，并有利于后續(xù)整線節(jié)拍的優(yōu)化。

⑵OP70模具物流方向中間2個(gè)擋料銷位置需要調(diào)整，目前的位置會(huì)影響CBF5的放件和CBF6的取件（圖12紅圈處）。

圖9 優(yōu)化后CBF4橫桿與旋轉(zhuǎn)斜楔達(dá)到安全距離

圖11 大眾39D 807標(biāo)準(zhǔn)圖示

改進(jìn)措施：建議紅圈中2個(gè)擋料銷分別往垂直物流方向外側(cè)移動(dòng)，避免與沖壓零件干涉。

⑶通過動(dòng)態(tài)模擬軟件Delmia能夠優(yōu)化節(jié)拍。如圖13所示，目前節(jié)拍為16.4次/min，通過曲線優(yōu)化，將節(jié)拍提高到17.6次/min。

圖10 擋料銷高度偏高

圖12 擋料銷位置需要調(diào)整

圖13 節(jié)拍優(yōu)化

三維動(dòng)態(tài)模擬技術(shù)不僅能在模具設(shè)計(jì)階段對(duì)模具結(jié)構(gòu)的通過性提出合理化建議以規(guī)避后期干涉風(fēng)險(xiǎn)及巨大更改成本，還能導(dǎo)出曲線用以現(xiàn)場(chǎng)制作端拾器以及后期優(yōu)化整線連續(xù)節(jié)拍，大大縮短現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試的時(shí)間。

三維動(dòng)態(tài)模擬技術(shù)對(duì)沖壓工藝設(shè)計(jì)和模具設(shè)計(jì)、加工的建議總結(jié)

由于Crossbar自動(dòng)化系統(tǒng)在我公司是首次使用，以前沒有相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)，在沖壓工藝設(shè)計(jì)和模具設(shè)計(jì)、加工環(huán)節(jié)沒能全面考慮到Crossbar自動(dòng)化系統(tǒng)的特殊性，在對(duì)整個(gè)項(xiàng)目沖壓自制件的自動(dòng)化模擬和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試跟蹤過程中都發(fā)現(xiàn)了一些問題，在解決問題的過程中也對(duì)Crossbar自動(dòng)化系統(tǒng)有了更全面的認(rèn)識(shí)，積累了一些Crossbar自動(dòng)化系統(tǒng)方面的經(jīng)驗(yàn)。當(dāng)然，很多問題都是在模具上線之前的沖壓工藝設(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)和加工階段造成的，所以現(xiàn)將此階段的建議總結(jié)如下：

對(duì)沖壓工藝設(shè)計(jì)的建議

相鄰兩序的工作點(diǎn)坐標(biāo)盡量一致，如果因工藝和結(jié)構(gòu)布置需要進(jìn)行調(diào)整，X，Y，Z參數(shù)調(diào)整量盡量取5的整數(shù)倍，轉(zhuǎn)角取1。的整數(shù)倍。對(duì)于雙件模具而言，CBF不能實(shí)現(xiàn)左右兩件單獨(dú)沿Y軸向旋轉(zhuǎn)（圖14），如需單獨(dú)沿Y軸向旋轉(zhuǎn)，則需要在端拾器上另設(shè)氣缸。

圖14 Crossbar示意圖

為了避免由于定位不精準(zhǔn)引起的壓痕等缺陷，對(duì)于形狀平緩并且本身沒有孔的外板件，如發(fā)罩外板、翼子板等，建議在做工藝補(bǔ)充時(shí)，在補(bǔ)充區(qū)沖兩個(gè)工藝定位孔（圖15），可在第二序沖出，用于后序精定位。否則，調(diào)試時(shí)間長(zhǎng)，并且制件易出現(xiàn)壓痕，造成生產(chǎn)不穩(wěn)定。

圖15 添加工藝定位孔

對(duì)模具設(shè)計(jì)的建議

圖16 避免中間位置出現(xiàn)大吊楔等結(jié)構(gòu)

圖17 優(yōu)化模具（一模雙件）沿X軸向的加工精度

針對(duì)Crossbar的高速自動(dòng)化形式，模具結(jié)構(gòu)對(duì)整線的節(jié)拍有決定性的影響。如果設(shè)計(jì)得當(dāng)，可以有非常好的通過性，否則整線節(jié)拍將不能達(dá)到理想值，生產(chǎn)效率將受到影響。如圖16所示，在上模和下模長(zhǎng)度方向的中間位置盡量避免出現(xiàn)斜楔等凸起結(jié)構(gòu)，否則影響CBF的通過性。

對(duì)模具加工的建議

對(duì)于一模兩件的模具，建議嚴(yán)格控制相鄰兩序左右兩件的模具工作區(qū)沿X軸向的加工精度（圖17）。否則，過大的加工誤差會(huì)引起顧此失彼的情況，因?yàn)镃BF不能實(shí)現(xiàn)左右兩件沿X軸向單獨(dú)調(diào)整，故難以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。

結(jié)束語

自動(dòng)化沖壓線三維動(dòng)態(tài)模擬技術(shù)對(duì)沖壓行業(yè)的高速發(fā)展發(fā)揮了重要作用，在模具設(shè)計(jì)階段通過模擬能避免后期模具上線自動(dòng)化調(diào)試過程中的干涉風(fēng)險(xiǎn)及模具更改的巨額費(fèi)用；通過計(jì)算機(jī)模擬能夠?qū)С銮€指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)制作端拾器以及優(yōu)化整線連續(xù)節(jié)拍；將各種在自動(dòng)化生產(chǎn)線調(diào)試完成的運(yùn)動(dòng)軌跡輸入到三維動(dòng)態(tài)模擬軟件中，驗(yàn)證運(yùn)動(dòng)軌跡的合理性。

徐建軍，工程師，主要從事高速?zèng)_壓線自動(dòng)化動(dòng)態(tài)模擬、節(jié)拍優(yōu)化及沖壓件工藝分析等工作。