數(shù)字化沖壓生產(chǎn)線的建立

文/劉朋，朱平，王杰，皮勁，蘇琦·神龍汽車有限公司技術(shù)中心

數(shù)字化沖壓生產(chǎn)線的建立

文/劉朋，朱平，王杰，皮勁，蘇琦·神龍汽車有限公司技術(shù)中心

隨著汽車行業(yè)的飛速發(fā)展，汽車制造業(yè)也在不停地進(jìn)步，近些年伴隨著電子與信息技術(shù)的發(fā)展，行業(yè)內(nèi)的軟件不斷發(fā)展更新，使得汽車制造業(yè)向數(shù)字化不斷發(fā)展，本文就沖壓生產(chǎn)線的數(shù)字化做了介紹，并介紹了如何把數(shù)字化應(yīng)用到?jīng)_壓生產(chǎn)線的建設(shè)中。

劉朋，沖壓工藝工程師，主要從事沖壓車間的整體平面布置、生產(chǎn)線（壓機(jī)、自動化）的規(guī)格選型、生產(chǎn)線績效指標(biāo)的制定與提升、沖壓新技術(shù)的研究和應(yīng)用。曾負(fù)責(zé)5000t生產(chǎn)線7軸機(jī)器人自動化改造，是武漢第三工廠沖壓車間、成都工廠沖壓車間建設(shè)規(guī)劃的主要參與者。擁有1項國家專利、2項專有技術(shù)。

隨著工業(yè)的發(fā)展與電子信息技術(shù)的廣泛應(yīng)用，使得制造過程不斷自動化、智能化，此時機(jī)器已開始逐步替代人類作業(yè)。并且，三維軟件的開發(fā)和應(yīng)用也在不斷升級，專用虛擬制造仿真軟件的應(yīng)用也日漸成熟，使得生產(chǎn)線的數(shù)字化運(yùn)行成為現(xiàn)實，隨著數(shù)字化程度的不斷提高，出現(xiàn)了一種能將壓機(jī)設(shè)備、自動化設(shè)備與模具的前期結(jié)構(gòu)設(shè)計聯(lián)系在一起的設(shè)計方式。

傳統(tǒng)模式下，壓機(jī)設(shè)備、自動化設(shè)備和模具結(jié)構(gòu)在設(shè)計階段都是相對獨(dú)立的，互相之間依靠企業(yè)內(nèi)部的工藝標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計，設(shè)計結(jié)束后三者之間的結(jié)構(gòu)設(shè)計沒有立體的校核。在設(shè)備安裝過程中、模具調(diào)試過程中往往會出現(xiàn)諸如設(shè)備單元間有干涉、模具與壓機(jī)有干涉等問題，導(dǎo)致生產(chǎn)節(jié)拍、生產(chǎn)效率和質(zhì)量受到影響。

數(shù)字化沖壓生產(chǎn)線的理念是把壓機(jī)設(shè)備、自動化設(shè)備、模具結(jié)構(gòu)在設(shè)計階段就全部用數(shù)字模型建立，并利用軟件進(jìn)行分析，在設(shè)計階段解決掉結(jié)構(gòu)性問題，為沖壓線的建立提供指導(dǎo)建議。

結(jié)合對當(dāng)前現(xiàn)狀的分析，解決掉結(jié)構(gòu)性問題還無法使生產(chǎn)線設(shè)計達(dá)到最優(yōu)，還需對生產(chǎn)線自動化過程進(jìn)行模擬，對自動化運(yùn)動軌跡、設(shè)備運(yùn)行時序以及模具內(nèi)部結(jié)構(gòu)的時序進(jìn)行綜合分析才能得到最優(yōu)化的沖壓生產(chǎn)線。圖1所示是數(shù)字化沖壓生產(chǎn)線的設(shè)計流程。

綜合以上情況，本文介紹的沖壓數(shù)字化生產(chǎn)線的建立主要包含5個方面的內(nèi)容：⑴生產(chǎn)線設(shè)備3D模型的建立；⑵模具3D模型的建立；⑶端拾器3D模型的建立；⑷生產(chǎn)過程模擬仿真；⑸生產(chǎn)線狀態(tài)監(jiān)控以及生產(chǎn)報表的生成。

生產(chǎn)線設(shè)備3D模型的建立

生產(chǎn)線設(shè)備3D模型的建立工具主要是三維建模軟件，諸如：CATIA、UG、PRO/E、SolidWorks等，如圖2所示。

生產(chǎn)線設(shè)備3D模型的建立猶如一條生產(chǎn)線的建立，前期需要大量的人力、物力構(gòu)建設(shè)備單元模型、生產(chǎn)線模型，但是一旦建立，就可以長期使用。

建立生產(chǎn)線3D模型的步驟：⑴設(shè)備選型。根據(jù)產(chǎn)能需求、功能需求、工藝要求進(jìn)行壓機(jī)、自動化各單元的設(shè)備選型。⑵建立初步的3D模型。目前壓機(jī)公司和自動化公司也都在利用三維軟件建模，各個關(guān)鍵的設(shè)備單元都有3D模型，可以通過設(shè)備制造方得到初步的3D模型。⑶沒有3D模型的單元，再通過二維圖紙進(jìn)行建模。⑷通過軟件把各個單元進(jìn)行組合裝配，從而建立起沖壓生產(chǎn)線的3D模型。

這里需要注意的是，生產(chǎn)線3D模型建立的目的是檢查壓機(jī)、自動化與模具的干涉情況和運(yùn)動分析，用到的是生產(chǎn)線設(shè)備的外形輪廓尺寸和運(yùn)動曲線，內(nèi)部機(jī)械結(jié)構(gòu)不用建立，但必須要建立起完整的外輪廓。

圖1 數(shù)字化沖壓生產(chǎn)線設(shè)計流程

圖2 生產(chǎn)線設(shè)備的3D設(shè)計

模具3D模型的建立

目前模具制造廠家已經(jīng)全部利用三維軟件進(jìn)行模具的設(shè)計，將模具進(jìn)行3D數(shù)字化仿真顯示（圖3）。其主要作用是用仿真成形軟件對模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬，并分析零件的成形性。

有了模具3D模型，就可以導(dǎo)入到生產(chǎn)線設(shè)備3D模型中進(jìn)行分析，如圖4所示。圖中模擬了模具的左右側(cè)與機(jī)械臂之間的間距，顯示有248mm，證明不存在干涉，如果小于0，則存在干涉。個別極限尺寸的模具存在干涉可以通過修改模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，但如果大多數(shù)的模具都存在干涉，就需要調(diào)整壓機(jī)和自動化設(shè)備的結(jié)構(gòu)，調(diào)整后再將模具放到3D模型中進(jìn)行模擬。

圖3 模具的3D設(shè)計

圖4 將模具模型導(dǎo)入到生產(chǎn)線3D模型中

端拾器3D模型的建立

端拾器3D模型建立的步驟：⑴獲取零件的數(shù)字模型；⑵根據(jù)零件形狀、重量布置吸盤；⑶根據(jù)自動化類型選擇合適的支臂和主臂。圖5所示是端拾器的3D設(shè)計模型。

圖5 端拾器的3D設(shè)計

端拾器在沖壓件的生產(chǎn)制造過程中起著至關(guān)重要的作用，它要將上一道工序的零件抓取再放到下一道工序。端拾器能否快速、穩(wěn)定的將零件抓取并快速、穩(wěn)定、準(zhǔn)確地放到下一道工序中去，關(guān)乎整條生產(chǎn)線的節(jié)拍。如果端拾器無法每次都穩(wěn)定地將零件抓走，還可能導(dǎo)致模具壓雙料，造成生產(chǎn)事故。

以往端拾器的制作過程為：第一步，采購端拾器各個標(biāo)準(zhǔn)組成部件；第二步，根據(jù)零件的形狀、模具的型面、模具中各個部件的位置進(jìn)行端拾器的現(xiàn)場配制。這存在兩方面的問題：⑴需要占用生產(chǎn)線調(diào)試時間；⑵端拾器吸盤布置不合理。

建立端拾器3D數(shù)字模型的意義在于，便于模擬整個生產(chǎn)線的運(yùn)動，端拾器在初期就可完成設(shè)計，能根據(jù)零件形狀合理的布置吸盤。

生產(chǎn)過程模擬仿真

傳統(tǒng)的沖壓生產(chǎn)線建立模式是設(shè)計與制造分開，兩者之間缺乏集成，有時為了追求某個功能，設(shè)計階段會將結(jié)構(gòu)設(shè)計得很復(fù)雜，但往往在實際生產(chǎn)制造過程中會發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)存在干涉，或者降低了生產(chǎn)節(jié)拍。

在擁有了以上四個方面數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，可以通過軟件對整個生產(chǎn)線的運(yùn)行情況進(jìn)行模擬仿真，從而分析出模具是否與設(shè)備有干涉，或者在自動化生產(chǎn)過程中，模具的結(jié)構(gòu)設(shè)計是否存在缺陷。在沒有進(jìn)行數(shù)字化模擬前，必須到現(xiàn)場上線才能發(fā)現(xiàn)模具結(jié)構(gòu)的問題，而模具再整改困難大，這就延長了模具的調(diào)試周期，而現(xiàn)在在設(shè)計階段即可很大程度的減少干涉。

如圖6所示，模擬過程中發(fā)現(xiàn)定位銷（標(biāo)記圓圈處）高度過高，需要降低50mm。另外還模擬出如果OP20液壓墊設(shè)計成為瓶頸，整線的實際生產(chǎn)節(jié)拍就會降低。上料機(jī)器人放料時，液壓墊可能會未完全到達(dá)上死點，在壓力機(jī)下壓時，模具定位銷及傳感器需要保證零件能夠到位。

圖6 模擬過程中發(fā)現(xiàn)問題

圖7 生產(chǎn)信息管理

圖8 生產(chǎn)線的實時監(jiān)控

通過模擬得出的結(jié)果，將用于改進(jìn)設(shè)備結(jié)構(gòu)、模具結(jié)構(gòu)、端拾器的結(jié)構(gòu)，而在模擬階段發(fā)現(xiàn)的問題會大大優(yōu)化后期的安裝調(diào)試。

生產(chǎn)線狀態(tài)監(jiān)控和生產(chǎn)信息監(jiān)控

在生產(chǎn)過程中，生產(chǎn)線的監(jiān)控分兩個層面：一個層面是生產(chǎn)線生產(chǎn)信息的管理（圖7），該管理系統(tǒng)是動態(tài)的，能實時顯示目前的生產(chǎn)信息，包括：目前生產(chǎn)零件名稱、生產(chǎn)節(jié)拍、已生產(chǎn)數(shù)量、換模時間、當(dāng)前生產(chǎn)效率等等，并且可以在當(dāng)日生產(chǎn)結(jié)束后生成日報表、周報表、月報表、年報表，總結(jié)日、周、月、年的生產(chǎn)運(yùn)營情況，為管理者對生產(chǎn)線的管理提供良好的數(shù)據(jù)支撐，為生產(chǎn)線運(yùn)營情況提供總的分析。

第二個層面是生產(chǎn)線實時狀態(tài)監(jiān)控（圖8），該監(jiān)控系統(tǒng)可以直接顯示目前生產(chǎn)線的動作，每個工作單元的狀態(tài)，包括：拆垛臺、清洗機(jī)、機(jī)器人、壓機(jī)、皮帶機(jī)的運(yùn)行情況，生產(chǎn)線故障信息，并可在生產(chǎn)線異常時直接報警給管理者，生產(chǎn)線故障會第一時間得到處置，能大幅減少停機(jī)時間，提高生產(chǎn)效率。

上面提到的兩個層面的監(jiān)控發(fā)布到公司網(wǎng)絡(luò)，管理者可以在任意連接到公司網(wǎng)絡(luò)的端口輸入網(wǎng)址進(jìn)行查看，系統(tǒng)也會根據(jù)管理者職能的不同分配不同的管理等級，并接收到相應(yīng)的信息。

結(jié)束語

建立數(shù)字化沖壓生產(chǎn)線的目的是為了解決設(shè)計階段和生產(chǎn)制造之間的斷層，其關(guān)鍵是生產(chǎn)線數(shù)模的建立與仿真模擬。利用3D技術(shù)和模擬技術(shù)，對每個制造單元的情況進(jìn)行模擬，達(dá)到強(qiáng)化設(shè)計，弱化現(xiàn)場調(diào)試的目的，從而達(dá)到從設(shè)計到制造的良好過渡，大幅減少現(xiàn)場問題、降低制造成本、縮短項目周期、提高項目質(zhì)量。

神龍汽車有限公司現(xiàn)有的9條沖壓生產(chǎn)線已經(jīng)開始逐步地往數(shù)字化方向發(fā)展，剛在成都工廠投入的2條生產(chǎn)線已經(jīng)按照以上5方面進(jìn)行建設(shè)。目前工廠級別的生產(chǎn)系統(tǒng)、物流系統(tǒng)等都在往數(shù)字化方向發(fā)展，今后的沖壓會逐步向數(shù)字化工廠邁進(jìn)。