虛擬實(shí)景仿真技術(shù)在自動(dòng)化連桿鍛造生產(chǎn)線設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

文/夏占雪，師江偉·第一拖拉機(jī)股份有限公司工藝材料研究所

余朝輝，郭改麗·二重集團(tuán)（德陽(yáng)）重型裝備股份有限公司

虛擬實(shí)景仿真技術(shù)已成為數(shù)字化工業(yè)制造技術(shù)和生產(chǎn)流水線的重要應(yīng)用環(huán)節(jié)，針對(duì)工業(yè)產(chǎn)品利用該技術(shù)可優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)，通過(guò)虛擬實(shí)景仿真技術(shù)，避免或減少物理模型的制作，縮短開(kāi)發(fā)周期，降低成本；通過(guò)建設(shè)數(shù)字化虛擬工廠，直觀地展示工廠、生產(chǎn)線、產(chǎn)品虛擬樣品以及整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程，為員工培訓(xùn)、實(shí)際生產(chǎn)制造和方案評(píng)估帶來(lái)便捷。使企業(yè)內(nèi)各負(fù)責(zé)部門(mén)之間的交流變得更加容易，不僅大大縮短了企業(yè)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的時(shí)間，而且也為其產(chǎn)品的宣傳、銷(xiāo)售贏得了先機(jī)。隨著鍛造自動(dòng)化技術(shù)向著數(shù)字化、信息化、智能化的快速發(fā)展，虛擬實(shí)景仿真技術(shù)越來(lái)越多的應(yīng)用于鍛造技術(shù)領(lǐng)域，特別是在鍛造自動(dòng)化生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)階段更體現(xiàn)了這種技術(shù)的優(yōu)越性和先進(jìn)程度。

方案設(shè)計(jì)

一拖公司通過(guò)對(duì)虛擬實(shí)景仿真技術(shù)的持續(xù)性研究，首次在二重集團(tuán)研制的新型4000t熱模鍛壓力機(jī)連桿自動(dòng)化鍛造示范線設(shè)計(jì)過(guò)程中進(jìn)行了應(yīng)用，取得了較好的效果。所開(kāi)發(fā)的這條示范線，主要用于發(fā)動(dòng)機(jī)連桿、鏈軌節(jié)、小排量汽車(chē)曲軸、齒輪等批量化生產(chǎn)。生產(chǎn)線采用具有總線控制系統(tǒng)的自動(dòng)化技術(shù)，由加熱單元體、鍛造單元體、熱處理單元體、自動(dòng)碼垛單元等組成，加熱單元體具有加熱、自動(dòng)上料、自動(dòng)溫控坯料篩選、爐體快換等功能；鍛造單元體以一臺(tái)4000t的熱模鍛壓力機(jī)為主，采用步進(jìn)式送料系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)工位之間的快速傳遞，通過(guò)主機(jī)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、物料傳遞系統(tǒng)、上下頂出系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)的同步功能，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品多工步鍛造成形。

生產(chǎn)線設(shè)計(jì)

作為鍛造生產(chǎn)線的初期規(guī)劃，國(guó)外比較先進(jìn)的設(shè)計(jì)思想首先是根據(jù)產(chǎn)品進(jìn)行結(jié)構(gòu)工藝分析和成形仿真分析，確定最佳成形工藝方案，然后根據(jù)成形工藝以及市場(chǎng)需求選擇合適的設(shè)備，設(shè)備選型結(jié)束后，開(kāi)始進(jìn)行自動(dòng)化生產(chǎn)線工藝布局設(shè)計(jì)，然后通過(guò)實(shí)景仿真對(duì)生產(chǎn)線工藝布局進(jìn)行優(yōu)化提升，最后確定相關(guān)的廠房、物流、倉(cāng)儲(chǔ)等配套設(shè)施。國(guó)外的設(shè)計(jì)理念是自動(dòng)化技術(shù)服務(wù)于設(shè)備，設(shè)備服務(wù)于工藝。工藝是整個(gè)設(shè)計(jì)的主線和綱領(lǐng)。國(guó)內(nèi)企業(yè)在生產(chǎn)線規(guī)劃設(shè)計(jì)方面與國(guó)外有一定的差距，國(guó)內(nèi)一般是先建廠房，再上設(shè)備和自動(dòng)化，最后用產(chǎn)品工藝去適應(yīng)設(shè)備和自動(dòng)化，這種由于前期方案設(shè)計(jì)過(guò)程中未能充分考慮工藝與設(shè)備自動(dòng)化的匹配性問(wèn)題，是導(dǎo)致目前國(guó)內(nèi)鍛造自動(dòng)化實(shí)施過(guò)程中預(yù)期和實(shí)際應(yīng)用有較大落差的主要原因。對(duì)于二重集團(tuán)生產(chǎn)的4000t熱模鍛壓力機(jī)自動(dòng)化生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)，充分考慮了國(guó)外先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念，在設(shè)計(jì)初期階段，制定的設(shè)計(jì)方案路線如圖1所示。

產(chǎn)品工藝分析

為了說(shuō)明虛擬技術(shù)的應(yīng)用特點(diǎn)，在生產(chǎn)線的虛擬開(kāi)發(fā)過(guò)程中主要是以商用車(chē)、工程機(jī)械、農(nóng)用機(jī)械等發(fā)動(dòng)機(jī)的連桿鍛件產(chǎn)品為研究對(duì)象進(jìn)行展開(kāi)的，連桿重量按照不大于5kg，材料采用C70S6等非調(diào)質(zhì)鋼牌號(hào)，鍛造溫度在1150～1200℃之間，采用4工位成形工藝，熱處理一般采用余熱控冷工藝。產(chǎn)品主要工藝流程為：下料（高速精密剪床）→自動(dòng)上料系統(tǒng)→加熱（1300kW感應(yīng)爐）→輥鍛（460輥鍛機(jī)）→上料工位→壓扁工位→預(yù)鍛工位→終鍛工位→切邊沖孔精整工位(4000t熱模鍛壓機(jī)）→控溫冷卻爐→噴丸→自動(dòng)碼垛包裝。

技術(shù)指標(biāo)參數(shù)

作為生產(chǎn)線設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，需要根據(jù)產(chǎn)品的市場(chǎng)規(guī)劃首先確定下來(lái)，接下來(lái)的設(shè)計(jì)方案和虛擬過(guò)程仿真，要全部圍繞技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行，通過(guò)不斷優(yōu)化，直到滿足技術(shù)指標(biāo)為最終目的。制定的技術(shù)指標(biāo)為：

(1)生產(chǎn)節(jié)拍為10～14秒/件；班產(chǎn)定額為1500～2000件（6小時(shí)/班）；

(2)換模時(shí)間≤30min；

(3)鍛件厚度公差±0.5mm；

(4)直線度≤0.5mm；

(5)重量公差≤1.5%。

設(shè)備布局方案設(shè)計(jì)

首先要設(shè)計(jì)整個(gè)生產(chǎn)線的平面布置圖，在圖紙上要明確設(shè)備布局、設(shè)備設(shè)施的具體功能以及物流轉(zhuǎn)運(yùn)通道、轉(zhuǎn)運(yùn)工具、人機(jī)工程操作、安全通道等內(nèi)容，規(guī)劃圖是整個(gè)仿真分析的基礎(chǔ)，一切仿真過(guò)程要完全圍繞規(guī)劃設(shè)計(jì)圖展開(kāi)，特別是設(shè)備之間的銜接關(guān)系，要嚴(yán)格根據(jù)圖紙要求進(jìn)行。同時(shí)在仿真分析之前，也要考慮到每一個(gè)設(shè)備的最大、最小生產(chǎn)節(jié)拍數(shù)，這樣仿真分析的時(shí)候可以在一定范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整，避免出現(xiàn)瓶頸現(xiàn)象，等方案圖紙節(jié)拍確定以后，可以考慮下一步的工作，設(shè)計(jì)的方案如圖2所示。

圖1 設(shè)計(jì)流程圖

圖2 生產(chǎn)線方案布局圖

虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用

數(shù)字化建模

數(shù)字化建模主要圍繞的模擬用數(shù)模展開(kāi)，將仿真中涉及到的所有設(shè)備設(shè)施、輔具、輸送小車(chē)等工具，根據(jù)布置圖全部生成3D數(shù)模，完成的數(shù)模轉(zhuǎn)到3DMAX中進(jìn)行前處理，將文件格式轉(zhuǎn)到最小片面數(shù)量級(jí)，便于以后在專業(yè)軟件中進(jìn)行輕量化處理與動(dòng)作仿真。這一個(gè)環(huán)節(jié)的工作量較為龐大，尤其是生產(chǎn)線中的大型復(fù)雜設(shè)備，這種設(shè)備的建模是工作量最大的部分。在建模的同時(shí)也要結(jié)合工藝要求，進(jìn)行結(jié)構(gòu)上的不斷修訂，直到滿足仿真動(dòng)畫(huà)處理的要求。靜態(tài)數(shù)模處理好以后。開(kāi)始在3DMAX中進(jìn)行組裝和連線，連線過(guò)程中如果發(fā)現(xiàn)接口尺寸出現(xiàn)問(wèn)題，這時(shí)候可以做調(diào)整，直到滿足節(jié)拍的需要為止。最后就是將裝好的生產(chǎn)線數(shù)模導(dǎo)入到專業(yè)軟件中，開(kāi)始制作動(dòng)畫(huà)仿真，如圖3、圖4所示。

虛擬實(shí)景動(dòng)作仿真設(shè)計(jì)

在制作動(dòng)畫(huà)之前，將整條生產(chǎn)線按照功能分為多個(gè)單元體，根據(jù)劃分的單元體。進(jìn)行各個(gè)單元體內(nèi)部動(dòng)作分解，完成各自分解后的動(dòng)畫(huà)設(shè)計(jì)，該部分主要在3DMAX軟件中進(jìn)行處理和動(dòng)畫(huà)的生成，每一個(gè)動(dòng)作的時(shí)間軸要根據(jù)技術(shù)指標(biāo)中的生產(chǎn)節(jié)拍進(jìn)行統(tǒng)籌考慮。動(dòng)作分割構(gòu)成包含以下十步。

圖3 4000t熱模鍛壓力機(jī)

圖4 步進(jìn)梁

(1)自動(dòng)上料動(dòng)作仿真；

(2)自動(dòng)溫度分選動(dòng)作仿真；

(3)感應(yīng)爐到輥鍛機(jī)接口動(dòng)作仿真；

(4)四道次輥鍛動(dòng)作仿真；

(5)輥鍛機(jī)到主機(jī)接口動(dòng)作仿真；

(6)坯料到主機(jī)步進(jìn)梁第一工位動(dòng)作仿真；

(7)四工位鍛造過(guò)程動(dòng)作仿真；

(8)自動(dòng)噴霧潤(rùn)滑動(dòng)作仿真；

(9)模具快換動(dòng)作仿真；

(10)鍛件到熱處理爐接口動(dòng)作仿真。

根據(jù)在3DMAX中制作的分解動(dòng)作動(dòng)畫(huà)，逐一導(dǎo)入到專業(yè)實(shí)景仿真軟件QZAUAR 3D開(kāi)始進(jìn)行虛擬實(shí)景的全流程仿真設(shè)計(jì)，并將上述動(dòng)作合成為一個(gè)統(tǒng)一的場(chǎng)景。最終完成整個(gè)自動(dòng)化生產(chǎn)線的虛擬實(shí)景仿真。

首先，下好的坯料由叉車(chē)運(yùn)送到自動(dòng)上料可翻轉(zhuǎn)料斗里面，通過(guò)翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，將坯料導(dǎo)入帶有提料器的設(shè)備中，提料器將坯料逐步提升到感應(yīng)爐前的輸送帶上，這里考慮到節(jié)拍，提料器設(shè)置為2臺(tái)，提料過(guò)程中不符合要求的坯料會(huì)重新進(jìn)入提料器中，重新提升。輸送帶上的坯料進(jìn)入中頻爐開(kāi)始加熱，加熱后的坯料由輸送帶傳遞到輥鍛機(jī)的接料夾鉗中，然后接料夾鉗將坯料喂入輥鍛機(jī)輥鍛夾鉗，開(kāi)始輥鍛，四道次輥鍛結(jié)束后，由輥鍛夾鉗將輥好的坯料送到傳輸帶上。坯料通過(guò)輸送機(jī)進(jìn)入到主機(jī)翻轉(zhuǎn)夾鉗，然后由翻轉(zhuǎn)夾鉗將坯料送到待轉(zhuǎn)工位，待轉(zhuǎn)工位下降并旋轉(zhuǎn)90°，坯料進(jìn)入步進(jìn)梁的第一工位，步進(jìn)梁開(kāi)始進(jìn)行坯料的位移，位移順序由壓扁開(kāi)始，直到切邊沖孔工位，最后將鍛件送到輸送帶上，輸送帶將鍛件傳遞到控溫爐，飛邊通過(guò)步進(jìn)梁進(jìn)入到專用傳送帶，將飛邊帶走，整個(gè)模擬過(guò)程結(jié)束。仿真動(dòng)作結(jié)果如圖5～圖8所示。

圖5 上料加熱單元

圖6 輥鍛機(jī)組單元

圖7 主機(jī)成形單元

圖8 熱處理單元

優(yōu)化與提高

(1)加熱單元部分。從仿真分析過(guò)程來(lái)看，上料部分需要做進(jìn)一步提升，一套上料系統(tǒng)無(wú)法滿足節(jié)拍的需要，考慮到以后生產(chǎn)閉式鍛造的產(chǎn)品，自動(dòng)上料與加熱爐之間增加一套自動(dòng)稱重系統(tǒng)（帶分選），感應(yīng)爐增加自動(dòng)清空裝置，以及爐膛內(nèi)部的氧化皮清理系統(tǒng)，同時(shí)考慮快速出料系統(tǒng)。

(2)輥鍛機(jī)組。從中頻爐軌道到輥鍛機(jī)的接口部分，現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)不是最佳方案，如果是長(zhǎng)的棒料，實(shí)現(xiàn)有困難，如曲軸產(chǎn)品、轉(zhuǎn)向臂產(chǎn)品，最后一道次輥鍛以后采用輸送帶方式，定位細(xì)節(jié)上需要根據(jù)不同的產(chǎn)品重新設(shè)計(jì)方案。

(3)主機(jī)部分。從設(shè)備安裝空間分析，4工位為最佳方案，對(duì)于齒輪產(chǎn)品的成形采用4工位設(shè)計(jì)，步進(jìn)梁結(jié)構(gòu)輸送帶存在一定的干涉，需要做進(jìn)一步結(jié)構(gòu)形式的改進(jìn)。

(4)輥鍛后坯料到步進(jìn)梁第一工位之間的結(jié)構(gòu)有進(jìn)一步優(yōu)化的空間，尤其是與設(shè)備的連接形式與位置。

(5)控溫冷卻系統(tǒng)部分。該方案目前主要以非調(diào)質(zhì)鋼設(shè)計(jì)，但是對(duì)于需要預(yù)熱淬火的產(chǎn)品，需要重新考慮爐子位置，主機(jī)之后以控溫冷卻為主，其他工藝需要配置單獨(dú)的設(shè)備，如果考慮并行機(jī)構(gòu)，可采取地下運(yùn)輸方式。

結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)采用虛擬實(shí)景仿真技術(shù)，完成從產(chǎn)品的初始外形設(shè)計(jì)、生產(chǎn)過(guò)程的建模、仿真加工、模型裝配、過(guò)程檢驗(yàn)，再到最終生產(chǎn)線的虛擬設(shè)計(jì)、生產(chǎn)過(guò)程的虛擬仿真、成形過(guò)程仿真及生產(chǎn)線中的人、物、信息的全面仿真，可以預(yù)先分析判斷制造中可能出現(xiàn)的問(wèn)題，在產(chǎn)品實(shí)施前就采取預(yù)防措施，進(jìn)行持續(xù)優(yōu)化技術(shù)支撐和改進(jìn)，從而可以減少前期設(shè)計(jì)給后期制造帶來(lái)的麻煩，達(dá)到降低成本、縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，增強(qiáng)企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的目的，為今后鍛造行業(yè)智能制造技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展提供了較好的技術(shù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。