集成的現(xiàn)代沖壓綜合技術(shù)探究

文/陸振東, 方赫, 孫興武, 符永杰·機械工業(yè)第九設(shè)計研究院有限公司

隨著全球新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的加速，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能等新技術(shù)、新應(yīng)用、新業(yè)態(tài)方興未艾。國家提出智能制造2025、創(chuàng)新驅(qū)動、經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展，促使制造業(yè)朝著物理和數(shù)字世界無縫集成方向快速發(fā)展。信息技術(shù)與制造業(yè)深度融合，打破和模糊了傳統(tǒng)技術(shù)間的邊界，多種專業(yè)學(xué)科融合共生?，F(xiàn)代的制造技術(shù)更多地體現(xiàn)在各種技術(shù)深度融合，綜合應(yīng)用的效果上。汽車作為制造工業(yè)最具有代表性的產(chǎn)業(yè)，引領(lǐng)著制造行業(yè)的發(fā)展趨勢。沖壓作為汽車制造核心技術(shù)之一，正在積極融合各類技術(shù)，滿足未來行業(yè)發(fā)展和客戶個性化需求。

現(xiàn)代沖壓制造技術(shù)，融合先進的智能裝備、智能物流和先進的生產(chǎn)管理運營系統(tǒng)，通過高度集成智能工廠，最終達到生產(chǎn)運行高效的目的。小到?jīng)_壓設(shè)備本身的集成，大到整個沖壓生產(chǎn)制造系統(tǒng)的集成。

沖壓集成涉及到的技術(shù)

工藝集成技術(shù)

為了大批量流水作業(yè)生產(chǎn)，提高生產(chǎn)效率和自動化水平，傳統(tǒng)單一工藝逐漸向多種工藝集成發(fā)展。如：汽車毛坯集成生產(chǎn)工藝，融合了開卷、校平、焊接、激光切割、壓機落料等，如圖1所示；高強度鋼板沖壓熱成形工藝，融合了熱處理、壓力成形、表面處理、激光切割等技術(shù)，如圖2所示。對模具工裝也在集成研究，實現(xiàn)單一模具可生產(chǎn)兩件、三件、四件或套沖等復(fù)合工藝。

智能沖壓裝備技術(shù)

沖壓設(shè)備的智能化是目前各設(shè)備供應(yīng)商都在努力突破的方向。除了提升設(shè)備自動化能力外，隨著傳感器和控制器的廣泛應(yīng)用，設(shè)備變得更加智能，一些數(shù)據(jù)采集和分析軟件也集成到設(shè)備里，提升設(shè)備自身感知分析判斷能力，內(nèi)置數(shù)據(jù)統(tǒng)計顯示模塊，實現(xiàn)人機交互、設(shè)備間交互。目前設(shè)備自動化、信息收集統(tǒng)計、預(yù)防性維護和遠程控制等功能已經(jīng)實現(xiàn)，并向更廣泛的應(yīng)用拓展。出現(xiàn)了智能沖壓生產(chǎn)線、智能天車、智能AGV物流運輸設(shè)備、智能檢測設(shè)備、智能存儲等適應(yīng)未來個性化產(chǎn)品的柔性智能生產(chǎn)單元，如圖3所示。

圖1 集成的毛坯生產(chǎn)工藝

圖2 集成的熱成形工藝

圖3 沖壓智能裝備

智能物流技術(shù)

物流是制造生產(chǎn)中最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，通過合理的物流規(guī)劃，使整個生產(chǎn)車間正常有序運轉(zhuǎn)。制造生產(chǎn)中各環(huán)節(jié)物流信息要做到實時采集、同步傳輸、數(shù)據(jù)共享，并驅(qū)動物流體系自動運行，達到準時化，減小存儲，最大限度的避免倉儲及二次轉(zhuǎn)運，降低生產(chǎn)成本。沖壓物流重點包含外部材料供應(yīng)、從毛坯到?jīng)_壓件的生產(chǎn)物流、沖壓件物流、模具物流和廢料物流，如圖4所示。

圖4 典型沖壓車間流程圖

物流信息的及時性和準確性是確保準時化、定制化生產(chǎn)的關(guān)鍵。隨著高精度定位、自動化、云計算等技術(shù)的廣泛應(yīng)用，可以實時監(jiān)控、即時感知資源的動態(tài)變化，確保資源的調(diào)用合理高效。要確保信息流暢通，在沖壓物料運行的各個環(huán)節(jié)，合理設(shè)置信息采集點、重點工位監(jiān)控點，并與生產(chǎn)系統(tǒng)聯(lián)鎖，與管理監(jiān)控中心聯(lián)網(wǎng)。智能單元化物流技術(shù)、自動物流裝備以及智能物流信息系統(tǒng)是打造智能物流的核心元素，例如叉車防撞系統(tǒng)、車輛在途監(jiān)控系統(tǒng)、月臺管理系統(tǒng)、庫位管理系統(tǒng)、三維可視化系統(tǒng)等。沖壓線尾智能小車轉(zhuǎn)運沖壓件的模擬圖如圖5所示。

網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)

逐步建立產(chǎn)品、設(shè)備、工裝、車間等數(shù)字化模型，將物理信息轉(zhuǎn)化為數(shù)字信息，采集大數(shù)據(jù)、進行三維仿真、虛擬調(diào)試、建立數(shù)字化工廠等。結(jié)合數(shù)字化技術(shù)，基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、傳感器、控制器、利用網(wǎng)絡(luò)建立生產(chǎn)運營管理系統(tǒng)，實現(xiàn)互聯(lián)互通。

圖5 沖壓線尾智能小車轉(zhuǎn)運沖壓件

通過采集生產(chǎn)管理數(shù)據(jù)、沖壓件質(zhì)量數(shù)據(jù)、車間能源消耗數(shù)據(jù)等內(nèi)容，積累制造過程大數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了底層硬件數(shù)據(jù)采集到頂層數(shù)據(jù)分析的縱向整合，并對數(shù)據(jù)進行專業(yè)化處理，深度挖掘數(shù)據(jù)背后的潛在問題和貢獻價值。目前已經(jīng)實現(xiàn)了沖壓車間物料智能配送、沖壓設(shè)備和模具維護管控（圖6）、沖壓車間能源集中管控（圖7）等。

圖6 對設(shè)備工裝的預(yù)測性維護

圖7 車間能源管控

綜合運用Revit、Microstation、Catia平臺進行車間三維整體設(shè)計，建立數(shù)字化車間模型（圖8），賦予廠房、設(shè)備、管線數(shù)字化屬性信息，方便日常維護和后續(xù)改造。

圖8 數(shù)字化沖壓車間模型

采用虛擬安裝、虛擬調(diào)試、虛實互聯(lián)、虛擬現(xiàn)實、點云等多種數(shù)字化技術(shù)組合，提供數(shù)字化工廠整體解決方案，縮短工廠設(shè)計及建造工期、降低工廠建造及運營成本。對壓機、端拾器運行軌跡，與模具干涉等情況進行工藝仿真模擬，優(yōu)化沖壓線生產(chǎn)節(jié)拍，為沖壓線調(diào)試、生產(chǎn)等階段提供技術(shù)支持。對沖壓線尾物流進行模擬（圖9），優(yōu)化生產(chǎn)組織和物流路徑。

圖9 沖壓線尾物流模擬

系統(tǒng)集成的沖壓工廠

沖壓制造工廠是各類技術(shù)高度集成的產(chǎn)物，這里既融合工藝技術(shù)、裝備技術(shù)、物流技術(shù)、廠房技術(shù)，還融合信息技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。如何把各種技術(shù)有效地融合起來，發(fā)揮技術(shù)的最大功效，核心在系統(tǒng)集成。基于智能制造，經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展和人們個性化需求的增加，未來的沖壓工廠一定是柔性可體驗的綠色智能工廠。智能沖壓工廠（圖10）由智能生產(chǎn)管控中心、智能生產(chǎn)運營系統(tǒng)和智能生產(chǎn)設(shè)備工裝組成。在這里，人、產(chǎn)品和生產(chǎn)系統(tǒng)相互作用，一個動態(tài)、實時優(yōu)化和自組織的價值鏈將會形成；生產(chǎn)生態(tài)系統(tǒng)中，每個環(huán)節(jié)不僅支持貨物的流動，還支持信息的流動，信息孤島被打破；綠色技術(shù)廣泛應(yīng)用，工廠可綠色低碳循環(huán)發(fā)展；定制化日益普及，更加注重用戶的體驗和參與。

圖10 未來智能沖壓工廠的架構(gòu)

中央管控中心，是智能沖壓工廠的大腦，是監(jiān)控調(diào)度管理中樞，包括生產(chǎn)計劃、生產(chǎn)監(jiān)控、產(chǎn)品追溯、質(zhì)量跟蹤、物流管理、作業(yè)指導(dǎo)、預(yù)測性維修、故障報警、能耗管理等模塊。通過車間生產(chǎn)、物流轉(zhuǎn)運的自動化控制以及工藝、設(shè)備、質(zhì)量等數(shù)據(jù)信息化管理，實現(xiàn)車間整體運行智能化。

生產(chǎn)運營系統(tǒng)，是智能工廠的神經(jīng)，是智能工廠的泛在深度互聯(lián)，包含人、物品、機器、車間、企業(yè)等全要素，貫穿設(shè)計、研發(fā)、生產(chǎn)、管理、服務(wù)等各環(huán)節(jié)，基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、傳感器、控制器、結(jié)合數(shù)字化，實現(xiàn)信息的互連互通，通過傳感與智能控制系統(tǒng)開展泛在工業(yè)數(shù)據(jù)的實時采集和智能控制，打通數(shù)據(jù)獲取、傳輸、分析、決策、執(zhí)行的閉環(huán)系統(tǒng)，形成貫通沖壓全流程、全領(lǐng)域的數(shù)據(jù)鏈條。以數(shù)據(jù)的自動流動化解復(fù)雜系統(tǒng)的不確定性，提高制造資源配置效率。圖11為典型沖壓工廠集成布置模式。

圖11 典型沖壓工廠集成布置模式

結(jié)束語

工廠是整個沖壓制造技術(shù)的最終實現(xiàn)場所，高效協(xié)調(diào)運作需要統(tǒng)籌規(guī)劃，綜合配匹各種技術(shù)。智能工廠的建設(shè)目前處于起步階段，缺少系統(tǒng)規(guī)劃，片面追求設(shè)備自動化程度，大數(shù)據(jù)不完整，企業(yè)管理流程不暢通，過分依賴軟件供應(yīng)商，缺少融合企業(yè)的文化和管理思維的思考，缺少自主開發(fā)的平臺和軟件系統(tǒng)。在工廠規(guī)劃設(shè)計和升級改造時，需要系統(tǒng)考慮各種接口和匹配關(guān)系，提出完整的解決方案，做到總體一次規(guī)劃，分步漸進實施。使用方需要提出智能需求，設(shè)備廠家需要研發(fā)智能裝備，數(shù)字化廠家需要構(gòu)建軟件網(wǎng)絡(luò)平臺，集成商需要研究系統(tǒng)的智能解決方案，才能促進制造集成系統(tǒng)最大效能的發(fā)揮。