數(shù)字化、智能化技術(shù)在汽車沖壓領(lǐng)域中的應(yīng)用

文/高貴麟，牛志強(qiáng)，班永旭，洪波林·一汽轎車股份有限公司技術(shù)部

數(shù)字化、智能化技術(shù)在汽車沖壓領(lǐng)域中的應(yīng)用

文/高貴麟，牛志強(qiáng)，班永旭，洪波林·一汽轎車股份有限公司技術(shù)部

汽車領(lǐng)域沖壓制造技術(shù)從傳統(tǒng)的手工單件生產(chǎn)方式先后經(jīng)歷機(jī)械化生產(chǎn)、大規(guī)模批量生產(chǎn)，高度自動(dòng)化柔性化生產(chǎn)，逐步向數(shù)字化和智能化制造的方向發(fā)展。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因一方面是由于相關(guān)可靠控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展并逐步向汽車沖壓制造領(lǐng)域擴(kuò)展，另一方面沖壓領(lǐng)域本身也有不斷滿足實(shí)現(xiàn)沖壓產(chǎn)品工藝性，提高設(shè)備、材料、能源的利用率和工作效率，以及需要統(tǒng)一、快速、準(zhǔn)確地進(jìn)行通信的技術(shù)要求，是內(nèi)外兩方面因素共同作用的結(jié)果。目前汽車沖壓領(lǐng)域生產(chǎn)制造效率大大提高，零件尺寸精度與產(chǎn)品質(zhì)量也越來越高，生產(chǎn)方式越來越靈活，體現(xiàn)出的生產(chǎn)柔性和適應(yīng)性越來越強(qiáng)。本文擬從設(shè)備、模具和自動(dòng)化三個(gè)方面分別介紹數(shù)字化和智能化技術(shù)的具體應(yīng)用。

設(shè)備技術(shù)

設(shè)備技術(shù)的數(shù)字化在很早就實(shí)現(xiàn)了，目前應(yīng)用也十分普遍。在控制技術(shù)方面數(shù)字化的應(yīng)用更是廣泛，各種控制器都配有形式多樣功能強(qiáng)大的數(shù)字量和模擬量接口來進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和傳輸。

設(shè)備工藝參數(shù)的數(shù)字化設(shè)定

目前設(shè)備技術(shù)的主要應(yīng)用方向是實(shí)現(xiàn)各種工藝參數(shù)的數(shù)字化，使各項(xiàng)參數(shù)可量化并可設(shè)定調(diào)整，減少人為錯(cuò)誤和一些定性不準(zhǔn)確的情況，使更多參數(shù)納入可列可評(píng)范圍。先進(jìn)沖壓生產(chǎn)線更是數(shù)字化技術(shù)的集成應(yīng)用，如拆垛系統(tǒng)中板料的長度、寬度、厚度、單雙料形式、料片最大重量、最大含油量參數(shù)選定等；還有一些預(yù)選功能，如分層磁鐵與氣刀、拉伸墊工作方式及模具夾緊器選定等；還有一些連續(xù)變化量的設(shè)定，如傳輸皮帶位置、清洗機(jī)輥?zhàn)訅毫?、雙料片厚度檢測范圍、壓機(jī)壓力、閉合高度、液壓系統(tǒng)溫度、流量、壓力的設(shè)定等，都可以做到可靠、高效及快捷應(yīng)用。圖1為數(shù)控液壓拉伸墊多點(diǎn)可變壓力設(shè)定畫面。

料垛的堆垛規(guī)格和精度是影響拆垛系統(tǒng)乃至整線的一個(gè)重要因素，對其進(jìn)行量化約束，可控制料垛的堆垛質(zhì)量，降低停臺(tái)。規(guī)定的主要參數(shù)有料垛的高度范圍要求、料垛的傾斜度、雙料垛的最大高度差、料垛的參差度、不等厚料垛最大高度差、料垛中心定位偏心距要求、料垛旋轉(zhuǎn)偏移要求、波浪度要求等。

上述參數(shù)本身就是數(shù)字量化的，將其作為連續(xù)可變的工藝參數(shù)錄入控制系統(tǒng)是比較容易實(shí)現(xiàn)的。較為困難的是將圖形化的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字化處理。目前已實(shí)現(xiàn)的有板料涂油區(qū)域設(shè)定和光學(xué)對中系統(tǒng)。

根據(jù)工藝要求，不同的板料其涂油區(qū)域和涂油量的需求也不同，通過圖形化的方式，可以對所需要涂油的區(qū)域進(jìn)行圖像化處理和設(shè)定，從而實(shí)現(xiàn)不同區(qū)域?qū)?yīng)噴嘴的開閉和流量壓力控制，以達(dá)到設(shè)定的效果。并且每套模具的涂油區(qū)域及涂油量作為模具參數(shù)進(jìn)行存儲(chǔ)，方便進(jìn)行更改和保存,如圖2所示。

板料的定位對中是傳輸控制的關(guān)鍵點(diǎn)。傳統(tǒng)的機(jī)械對中對于形狀規(guī)則的板料效果較好，而對于形狀不規(guī)則或有曲邊形狀的板料則對中效果一直不佳，且不穩(wěn)定，而光學(xué)對中技術(shù)成功解決了該問題，目前采用視覺處理系統(tǒng)并結(jié)合機(jī)器人技術(shù)，將所要對中的板料形狀以圖像數(shù)字化方式存儲(chǔ)在控制系統(tǒng)中，通過視覺系統(tǒng)采集實(shí)際板料的圖像，與目標(biāo)值進(jìn)行對比，并將形狀和位置偏差反饋給機(jī)器人手臂，實(shí)現(xiàn)偏差量的補(bǔ)償，效果比機(jī)械式對中好。圖3為對中區(qū)域的圖形化參數(shù)設(shè)定。

設(shè)備技術(shù)在設(shè)備故障排除中的應(yīng)用

現(xiàn)在沖壓壓力機(jī)逐漸由傳統(tǒng)壓機(jī)向伺服壓機(jī)過渡，控制形式主要還是采用PLC和工控機(jī)相結(jié)合的形式。程序結(jié)構(gòu)龐大復(fù)雜、使用的元器件種類數(shù)量多，軟硬件的動(dòng)作過程及其連鎖關(guān)系十分繁雜。功能的強(qiáng)大相對應(yīng)的是故障報(bào)警多，令人無從下手分析，且控制過程中軟硬件的狀態(tài)變化動(dòng)作過程十分短暫，而僅僅根據(jù)設(shè)備故障報(bào)警給出的信息很難推斷和還原設(shè)備故障的全過程，使得故障的分析排查十分困難。

采用監(jiān)控PLC程序的軟件ANALYZER PRO，可以十分方便準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)對控制系統(tǒng)各變量的監(jiān)控。在軟件中加入需要關(guān)注的軟件變量地址和硬件IO地址，隨生產(chǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，而且監(jiān)控變量不限于開關(guān)量，對數(shù)字量也可進(jìn)行監(jiān)控。在軟件中對采樣時(shí)間也可以設(shè)定，最低可至1μs，足以記錄下各變量的動(dòng)作狀態(tài)。根據(jù)多個(gè)變量的時(shí)序變化組合分析，十分方便。

CAE技術(shù)的應(yīng)用

CAE技術(shù)是一項(xiàng)基于計(jì)算機(jī)技術(shù)的理論建模分析技術(shù)，根據(jù)3D形式的模具圖紙，根據(jù)材料材質(zhì)進(jìn)行力學(xué)性能分析，研究板料在成形過程中的一系列參數(shù)狀態(tài)變化，驗(yàn)證成形效果并給出修正方向，它免去了耗時(shí)耗財(cái)?shù)膶?shí)際實(shí)驗(yàn)過程，且大大減輕模具設(shè)計(jì)工作者的繁雜工程分析和核算過程，在前期沖壓件工藝評(píng)審、工藝設(shè)計(jì)和后期的制件整改都有應(yīng)用。

CAE在工藝評(píng)審中的應(yīng)用

CAE技術(shù)可用于模具對設(shè)備及自動(dòng)化的適應(yīng)狀態(tài)進(jìn)行評(píng)審,主要評(píng)審項(xiàng)為工序數(shù)是否滿足要求、板料尺寸、模具尺寸是否超限、拉伸區(qū)域范圍是否受限、制件方向是否符合自動(dòng)化傳輸要求、廢料排放是否順暢、零件成形力和拉伸力是否滿足偏載要求、確認(rèn)自動(dòng)化各軸參數(shù)調(diào)整范圍等。檢查確定模具的各項(xiàng)數(shù)據(jù)是否滿足相關(guān)要求，或確定在哪條生產(chǎn)線上排產(chǎn)更合適。

通過CAE分析，可以用零件成形性的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)判，并預(yù)防零件各種缺陷及廢品的形成，例如零件的開裂、起皺、沖擊線、滑移線、產(chǎn)品負(fù)角、圓角精細(xì)化、回彈等都可以通過CAE分析予以解決。此外，CAE分析技術(shù)還可以對零件狀態(tài)進(jìn)行優(yōu)化，并對一些工藝提案進(jìn)行前期分析和論證。如等強(qiáng)度料減薄、高強(qiáng)度料減薄以實(shí)現(xiàn)車身輕量化的要求；對零件的拆分、合并和重新布置以改變沖壓工藝方案；提高材料利用率的提案等。

CAE在工藝設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

利用CAE技術(shù)可以進(jìn)行模具的DL圖（die layout）設(shè)計(jì)（圖4）。根據(jù)上游部門發(fā)放的產(chǎn)品數(shù)據(jù)圖紙，利用CAE進(jìn)行造型模擬分析并經(jīng)過多輪反復(fù)修改，隨后通過CATIA軟件進(jìn)行逆向造型生成設(shè)計(jì)，多輪優(yōu)化后得出最終狀態(tài)，輸出DL圖及分析結(jié)果，最后鎖定數(shù)據(jù)用于模具設(shè)計(jì)及制造。

CAE在制件整改中的應(yīng)用

前期工藝設(shè)計(jì)時(shí)由于CAE分析設(shè)置偏差，工藝評(píng)審、DL圖設(shè)計(jì)時(shí)未進(jìn)行全工序分析，CAE分析材料性能及尺寸偏差等因素都會(huì)影響到CAE分析準(zhǔn)確性，導(dǎo)致理論分析與實(shí)際調(diào)試的差異，嚴(yán)重時(shí)使制件產(chǎn)生缺陷。此時(shí)需要根據(jù)實(shí)際情況利用CAE技術(shù)進(jìn)行調(diào)整和修改，包括理論模型的重新建立和參數(shù)重新設(shè)定。甚至有一些經(jīng)驗(yàn)無法用模型建立的，需以經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)的形式給出。例如，可以利用現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)設(shè)備并與鋼廠合作進(jìn)行單向拉伸實(shí)驗(yàn)、FLC實(shí)驗(yàn)，建立CAE分析用材料數(shù)據(jù)庫，以提升CAE分析用材的準(zhǔn)確性；針對制件回彈問題，模具整改存在很難到位，且整改輪數(shù)較多的困難，這些問題的產(chǎn)生受調(diào)試狀態(tài)與CAE分析對應(yīng)性、模具結(jié)構(gòu)的影響。

因此，回彈補(bǔ)償應(yīng)當(dāng)在工藝設(shè)計(jì)階段采用CAE分析結(jié)果+經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)的方式進(jìn)行，避免后期回彈整改工作量大、難度大的問題?？傊谡倪^程中可利用CAE模擬分析，可確認(rèn)模具整改方案的可行性及提高方案的準(zhǔn)確性，減少返工，縮短整改時(shí)間。

結(jié)束語

目前，數(shù)字化、智能化技術(shù)在汽車沖壓領(lǐng)域已得到廣泛的應(yīng)用，從設(shè)備、模具、自動(dòng)化到前期規(guī)劃設(shè)計(jì)、調(diào)試運(yùn)行、整改與故障排查，使得這三方面的工作不再像從前那樣獨(dú)立無聯(lián)系，聯(lián)調(diào)時(shí)重復(fù)工作多，現(xiàn)在已經(jīng)有機(jī)地結(jié)合在一起，各個(gè)領(lǐng)域的工作項(xiàng)目交叉滲透，同步進(jìn)行，使得新產(chǎn)品的生產(chǎn)準(zhǔn)備周期工作量更加集中，減少了等待時(shí)間，減少了不必要的重復(fù)勞動(dòng)，縮短了生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間。

但數(shù)字化、智能化的應(yīng)用目前還主要集中在應(yīng)用生產(chǎn)線制造出合格零件這個(gè)環(huán)節(jié)上，從生產(chǎn)環(huán)節(jié)的流向上看，數(shù)字化智能化必須突破生產(chǎn)線的限制，其應(yīng)用已經(jīng)而且也必須向上下游發(fā)展，逐步伸向前期材料進(jìn)廠環(huán)節(jié)和后期成品件的裝箱、倉儲(chǔ)、物流等環(huán)節(jié)。其技術(shù)發(fā)展方向集中在：把控長期連續(xù)生產(chǎn)下的制件狀態(tài)、產(chǎn)品質(zhì)量的可追溯系統(tǒng)、遠(yuǎn)程故障診斷、自動(dòng)裝箱和電子倉庫技術(shù)等，但由于這些都是系統(tǒng)工程，且投資較大，目前國內(nèi)汽車沖壓領(lǐng)域還較少實(shí)施。