基于數(shù)字化樣機(jī)的大型高速沖壓線離線配方生成技術(shù)

趙 兵，楊龍成，趙先進(jìn)，王祥雨，孫文軍，陳洪廣

（1.濟(jì)南二機(jī)床集團(tuán)有限公司 壓力機(jī)及自動化公司，山東 濟(jì)南 250022；2.北京車和家信息技術(shù)有限公司，江蘇 常州 213164）

1 沖壓行業(yè)發(fā)展概述

汽車工業(yè)作為國民經(jīng)濟(jì)支柱產(chǎn)業(yè)之一，隨著自主品牌市場占有率的穩(wěn)步提高，為鋼鐵行業(yè)、石化行業(yè)等上下游行業(yè)的發(fā)展，提供了穩(wěn)定的動力來源。

近兩年來，我國新能源汽車獲得極大發(fā)展，國內(nèi)新能源汽車技術(shù)水平走到了世界前沿行列。而新能源汽車的發(fā)展，必然與燃油汽車產(chǎn)生激烈競爭，故汽車產(chǎn)品的更新?lián)Q代已然加快。

汽車行業(yè)是自動化程度最高的行業(yè)之一。目前在我國汽車行業(yè)各制造工藝中，僅沖壓工藝可以實(shí)現(xiàn)完全國產(chǎn)化。在“大型先進(jìn)智能沖壓設(shè)備國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”的加持下，濟(jì)南二機(jī)床集團(tuán)有限公司致力于自主知識產(chǎn)權(quán)的沖壓設(shè)備研發(fā)及技術(shù)迭代，獲得了主流主機(jī)廠近80%的市場，并在國外市場攻城略地，占據(jù)了近30%的市場。但在大型高速沖壓生產(chǎn)線數(shù)字化樣機(jī)技術(shù)方面，與德國、瑞士等行業(yè)巨頭，仍然存在相當(dāng)?shù)募夹g(shù)差距，在市場推廣方面，仍需進(jìn)一步的開拓市場。

2 整線數(shù)字化樣機(jī)技術(shù)

2.1 數(shù)字化樣機(jī)技術(shù)迫切性需求

大型汽車沖壓工藝具有以下特點(diǎn)：工藝要求高、沖壓設(shè)備規(guī)模大、周期長、設(shè)備較為昂貴、沖壓設(shè)備與模具設(shè)計(jì)生產(chǎn)具有同步性，等。鑒于此，如何有效利用沖壓設(shè)備、模具設(shè)計(jì)生產(chǎn)節(jié)拍，有效評估相應(yīng)模具的節(jié)拍，及針對性地對模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化，成為主機(jī)廠、模具供應(yīng)商需要優(yōu)先解決的技術(shù)難題。

針對沖壓設(shè)備規(guī)劃的復(fù)雜性，沖壓設(shè)備的整線調(diào)試需要較長時間，設(shè)備自動化集成程度高，需要花費(fèi)較長時間用于模具試模。所以如何縮短整線試模時間，并讓操作人員盡快熟悉掌握設(shè)備的調(diào)試方法，是主機(jī)廠較為迫切的需求。因此，針對性地開發(fā)出沖壓設(shè)備的數(shù)字化樣機(jī)技術(shù)，可極大地影響主機(jī)廠、模具設(shè)備商的技術(shù)需求，實(shí)現(xiàn)相關(guān)產(chǎn)品的快速推廣應(yīng)用。

2.2 數(shù)字化樣機(jī)技術(shù)存在的問題

得益于計(jì)算機(jī)科學(xué)的發(fā)展，數(shù)字化樣機(jī)技術(shù)在許多行業(yè)都獲得了較快發(fā)展，如整車虛擬測試樣機(jī)技術(shù)，可有效降低整車測試周期、降低整車測試成本等，對汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，提供了十分有益的推動。

沖壓線數(shù)字化樣機(jī)技術(shù)，經(jīng)過多年的發(fā)展，相關(guān)工業(yè)軟件巨頭均開發(fā)出相應(yīng)的軟件，如CATIA V5 PLS 和SIEMENS PLS等，可實(shí)現(xiàn)沖壓過程的虛擬仿真。

沖壓設(shè)備商在多年技術(shù)積累的基礎(chǔ)上，紛紛開發(fā)出沖壓專用搬運(yùn)設(shè)備，相關(guān)設(shè)備具有核心知識產(chǎn)權(quán)，使得沖壓設(shè)備商因知識產(chǎn)權(quán)問題無法向軟件供應(yīng)商開放代碼，從而造成無法實(shí)現(xiàn)沖壓設(shè)備的離線化的整線數(shù)字化樣機(jī)技術(shù)。

2.3 數(shù)字化樣機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)

針對現(xiàn)有技術(shù)瓶頸，濟(jì)南二機(jī)床集團(tuán)有限公司開發(fā)出自主知識產(chǎn)權(quán)的單臂快速送料裝置，并將總控程序中的整線軌跡規(guī)劃部分進(jìn)行離線化技術(shù)實(shí)現(xiàn)，即JSG 整線規(guī)劃技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了總控整線軌跡規(guī)劃程序與JSG 整線規(guī)劃程序的統(tǒng)一化，保證離線規(guī)劃仿真軟件的曲線、配方與總控程序的配方具有一致性、精確性，保證了配方可以離線生產(chǎn)并具有完整的精確性。

JAMP（JIER Automation transfer system Motion Planning toolkit）整線軌跡規(guī)劃軟件界面如圖1 所示。在該整線軌跡規(guī)劃軟件上，可以根據(jù)實(shí)際模具的參數(shù)，進(jìn)行整線節(jié)拍評估、軌跡規(guī)劃等操作，結(jié)合SIEMENS PLS 三維仿真軟件，共同實(shí)現(xiàn)沖壓線整線數(shù)字化樣機(jī)技術(shù)。

圖1 JAMP 某生產(chǎn)線顯示界面

3 離線配方生成及導(dǎo)入生成控制程序

沖壓線實(shí)質(zhì)是由上序搬運(yùn)裝置將成形前的板料放置在模區(qū)內(nèi)，壓力機(jī)完成沖壓，并由下序搬運(yùn)裝置取出，放置在下一序工位。在此過程中，分為兩種工作模式：一種為連續(xù)工作模式，一種為斷續(xù)工作模式。無論那種工作模式，均需要實(shí)現(xiàn)避免搬運(yùn)裝置與下模、上模的干涉，如實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能，均需要將沖壓線相關(guān)工藝參數(shù)輸入，以實(shí)際的工藝參數(shù)，完成整線軌跡、相位等求解的基本參數(shù)輸入。

3.1 配置整線工藝參數(shù)

在整個沖壓過程參數(shù)設(shè)置中，整線工藝參數(shù)是整線得以運(yùn)行最為基礎(chǔ)的參數(shù)。整線工藝參數(shù)包含基本參數(shù)、模具參數(shù)、上游干涉點(diǎn)、下游干涉點(diǎn)、工件參數(shù)及端拾器參數(shù)等。整線工藝參數(shù)配置界面如圖2所示。

圖2 整線工藝參數(shù)配置界面

基本參數(shù)模塊包含模具的工藝代號、車型類別、目標(biāo)生產(chǎn)節(jié)拍等，此部分參數(shù)主要是對特定模具有一個文字性描述，以明確此配方的適用對象等；模具參數(shù)模塊包含此模具的合模高度、模具寬度、工作臺高度等基本參數(shù)，此部分參數(shù)主要是模具的外形輪廓參數(shù)，以期對模具外形建立基本輪廓；上游干涉點(diǎn)與下游干涉點(diǎn)參數(shù)模塊，此部分參數(shù)用來描述上/下游的模具關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)參數(shù)，以期建立上模的干涉區(qū)域；工件/端拾器參數(shù)模塊，此部分參數(shù)用來描述特定模具的工件/端拾器參數(shù)，以期在規(guī)劃單臂軌跡時，避免工件/端拾器與下模干涉；安全距離參數(shù)模塊，包含兩部分的內(nèi)用，相鄰機(jī)械手之間的安全距離（包含端拾器/板料），機(jī)械手與特定模具上模之間的安全距離，以期設(shè)定的安全距離，達(dá)到?jīng)_壓設(shè)備商的建議值，達(dá)到用戶所能接受的允許值。

3.2 配置送料單元參數(shù)

在整個沖壓過程參數(shù)設(shè)置中，送料單元的軌跡設(shè)置是避免上模/下模干涉、送料單元之間干涉的決定因素。送料單元的參數(shù)設(shè)置包含基本參數(shù)設(shè)置、虛軸控制、旋轉(zhuǎn)設(shè)置及側(cè)移設(shè)置等，如圖3 所示。

圖3 某送料單元參數(shù)配置界面

基本參數(shù)模塊包含送料單元的取/放料點(diǎn)、提升高度、速度系數(shù)、HOME 點(diǎn)高度、速度系數(shù)等關(guān)鍵參數(shù)，以期根據(jù)輸入的參數(shù)，獲得送料單元的軌跡曲線；側(cè)移參數(shù)模塊包含設(shè)置雙件分離參數(shù)，包含雙件分離距離值、雙件分離動作關(guān)鍵點(diǎn)等，以期適用于一模雙件工況；旋轉(zhuǎn)設(shè)置參數(shù)模塊，用于設(shè)置橫桿旋轉(zhuǎn)參數(shù)設(shè)置，以期實(shí)現(xiàn)橫桿在進(jìn)出模區(qū)時，實(shí)現(xiàn)橫桿旋轉(zhuǎn)，更好躲避上/下模的干涉點(diǎn)。

當(dāng)相關(guān)參數(shù)設(shè)置完成后，可進(jìn)行該送料單元的軌跡求解，求解完成后，在軌跡曲線的右側(cè)，上方區(qū)域默認(rèn)顯示該送料單元的軌跡曲線，同時可供查看該送料單元橫桿末端的位移、速度、加速度曲線，為端拾器吸盤設(shè)計(jì)，提供基礎(chǔ)計(jì)算參數(shù)。

3.3 配置壓力機(jī)參數(shù)

在整個沖壓過程參數(shù)設(shè)置中，壓力機(jī)是完成沖壓的執(zhí)行單元，對于大型機(jī)械壓力機(jī)沖壓生產(chǎn)線而言，此部分的參數(shù)是已知確認(rèn)的，故此部分的參數(shù)，僅為主機(jī)廠提供查看功能，無法提供設(shè)置功能。

該部分默認(rèn)顯示該工位的壓力機(jī)滑塊行程曲線、速度曲線、加速度曲線，可根據(jù)需求進(jìn)行單獨(dú)顯示，在此曲線中，可供查看壓力機(jī)在任意行程位置的速度與加速參數(shù)，為模具設(shè)計(jì)提供相應(yīng)參數(shù)。

3.4 離線配方生成及配方在線仿真

上述模塊參數(shù)根據(jù)特定要求輸入完成后，進(jìn)行求解設(shè)備計(jì)算。求解設(shè)備計(jì)算主要進(jìn)行送料單元自身軌跡的規(guī)劃；求解設(shè)備計(jì)算完成后，進(jìn)行求解整線計(jì)算，此部分計(jì)算，主要進(jìn)行軌跡適應(yīng)與壓力機(jī)行程曲線、上/下模的干涉區(qū)域躲避、整線相位的求解。

整線計(jì)算完成后，可查看該套模具的仿真功能（圖4）。該部分可對上述輸入的整線工藝參數(shù)、送料單元參數(shù)、壓力機(jī)參數(shù)完成整線沖壓過程的顯示，在此部分如果出現(xiàn)送料單元小臂與上模、端拾器/板料與下模出現(xiàn)干涉現(xiàn)象，則需返回對應(yīng)參數(shù)進(jìn)行修訂。

圖4 在線仿真界面

當(dāng)求解整線計(jì)算完成后，檢查干涉的另一個實(shí)現(xiàn)方式為返回配置送料單元參數(shù)模塊，此時查看干涉曲線模塊，即可查看每個送料單元與對應(yīng)模具的一個干涉分析。如小臂最外側(cè)的軌跡線與上模輪廓交叉，即為發(fā)生干涉，需調(diào)整對應(yīng)參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)干涉的躲避。如圖5 所示。

圖5 干涉檢查界面

3.5 離線配方PLS 仿真驗(yàn)證

前述的仿真是二維情況下的仿真，由于模具是三維結(jié)構(gòu)，二維仿真時的模具參數(shù)，是按照設(shè)定的規(guī)則提取的關(guān)鍵點(diǎn)，無法精確反饋模具全部輪廓特征，故需進(jìn)行三維仿真驗(yàn)證，以完全避免干涉現(xiàn)象出現(xiàn)。

進(jìn)行PLS前，需將整線規(guī)劃曲線輸出到對應(yīng)文件夾，以驅(qū)動PLS PressLine 數(shù)模，實(shí)現(xiàn)整線運(yùn)行軌跡的實(shí)現(xiàn)（圖6）。此時，注意曲線輸出界面下方的提示參數(shù)，包含各序壓力機(jī)的BDC（下死點(diǎn)）整線相位角參數(shù)，各序送料單元的UL（取料點(diǎn)）、L（放料點(diǎn)）整線相位角參數(shù)，這是在PLS 仿真所需要的關(guān)鍵參數(shù)。

圖6 整線運(yùn)動軌跡輸出界面

PLS 仿真基本流程是，打開特定沖壓生產(chǎn)線的PressLine 數(shù)模，將對應(yīng)上模、下模、板料、端拾器等數(shù)模導(dǎo)入到PressLine中，鑒于實(shí)際情況，端拾器數(shù)模的獲得較為困難，如無此部分?jǐn)?shù)模，在PLS 中可根據(jù)需求，進(jìn)行對應(yīng)數(shù)模的搭建。

導(dǎo)入所需數(shù)模后，呈現(xiàn)的效果如圖7 所示。打開干涉檢查按鈕，在整線運(yùn)行過程中，該軟件可自主進(jìn)行干涉檢查，可根據(jù)干涉檢查實(shí)際情況，返回JAMP進(jìn)行相關(guān)參數(shù)修訂。

圖7 整線運(yùn)動PLS 仿真界面

在PLS 配合JAMP 規(guī)劃軟件優(yōu)化整線軌跡時，需要注意以下關(guān)鍵點(diǎn)：①沖壓工藝規(guī)格、拉伸墊行程、閉鎖行程、拉伸墊編程相位，需與實(shí)際工況保持一致；②各項(xiàng)安全距離、拋料高度、仿真位置精度的要求，需滿足沖壓生產(chǎn)需求；③離線配方需滿足于仿真模型的一致性要求，在容許誤差及安全距離要求下，一次性通過整線仿真無干涉運(yùn)行；④各序送料手的取料點(diǎn)需盡可能優(yōu)化，包括其高度、物流方向位置等，以增大可用的送料單元與上模的安全距離、提升節(jié)拍及運(yùn)行安全性。

3.6 離線配方讀取及整線同步微速驗(yàn)證

前述所有仿真完成后，JAMP 軟件即可生成對應(yīng)模具的配方，該配方包含整線運(yùn)行所需的所有數(shù)據(jù)。將離線生成的配方放置在對應(yīng)文件夾內(nèi)，在線控制程序選擇下載整線運(yùn)動到設(shè)備按鈕，即可完成離線配方導(dǎo)入在線控制程序。如圖8 所示。

圖8 離線配方導(dǎo)入總控臺控制程序界面

離線配方導(dǎo)入在線控制程序后，必須進(jìn)行同步微速試生產(chǎn)，該模式的特點(diǎn)是：壓力機(jī)、送料單元以極低的生產(chǎn)節(jié)拍進(jìn)行安全驗(yàn)證，當(dāng)實(shí)際運(yùn)行無安全風(fēng)險時，即可進(jìn)行設(shè)定節(jié)拍的高速生產(chǎn)。

4 結(jié)語

基于數(shù)字化樣機(jī)的大型沖壓線離線配方生成技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)主機(jī)廠在模具設(shè)計(jì)階段參與模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化；在模具生產(chǎn)之前，完成模具的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，并可實(shí)現(xiàn)該模具的節(jié)拍評估工作，讓主機(jī)廠掌握模具設(shè)計(jì)的主動性，并壓縮模具設(shè)計(jì)、生產(chǎn)周期。

該技術(shù)可為主機(jī)廠實(shí)現(xiàn)各送料單元在離線狀態(tài)下規(guī)劃并優(yōu)化軌跡曲線，并生成離線配方，該配方可快速導(dǎo)入沖壓在線控制程序，大幅減少現(xiàn)場調(diào)試時間，提高調(diào)試過程安全性。

該技術(shù)可允許主機(jī)廠根據(jù)現(xiàn)場控制程序中的現(xiàn)有生產(chǎn)配方進(jìn)行二次軌跡優(yōu)化，可實(shí)際提供現(xiàn)有配方的生產(chǎn)節(jié)拍。