沖壓線自動(dòng)化虛擬仿真技術(shù)研究及應(yīng)用(上)

文／高貴麟、羅超群、孫書明、白昱璟、蘇廣川、胡英杰·中國(guó)第一汽車集團(tuán)有限公司工程與生產(chǎn)物流部

為突破企業(yè)及行業(yè)高速?zèng)_壓線生產(chǎn)應(yīng)用過(guò)程中的瓶頸，掌握了沖壓生產(chǎn)線離線模擬仿真技術(shù)、端拾器設(shè)計(jì)及離線精準(zhǔn)搭建、在線程序優(yōu)化及調(diào)試、自動(dòng)化輔助工藝問(wèn)題解決等先進(jìn)技術(shù)；同時(shí)構(gòu)建了創(chuàng)新的端拾器采購(gòu)模型并自主搭建了技術(shù)及管理體系。實(shí)現(xiàn)了新車型模具首次上線自動(dòng)化安全通過(guò)率100%；新車型首次上線調(diào)試時(shí)間由行業(yè)平均16 ～32 小時(shí)每品種降至平均4.5 小時(shí)每品種；新車型端拾器項(xiàng)目生準(zhǔn)降投資50%；自動(dòng)化模擬仿真技術(shù)已實(shí)現(xiàn)全生產(chǎn)線、全工序、全車型、全制件的系統(tǒng)應(yīng)用，已形成企業(yè)核心數(shù)字化工藝制造技術(shù)。

從2000 年至今，伴隨著中國(guó)乘用車市場(chǎng)進(jìn)入加速階段，作為汽車制造四大工藝之首的沖壓裝備也通過(guò)改造及新線規(guī)劃得到迅速發(fā)展，主要表現(xiàn)為：?jiǎn)螜C(jī)及生產(chǎn)線更加數(shù)字化、智能化、柔性化；單機(jī)向聯(lián)線發(fā)展；手工操作向自動(dòng)線發(fā)展；液壓線向機(jī)械線發(fā)展；機(jī)械線向高速線發(fā)展，繼而向伺服線發(fā)展；搭載生產(chǎn)線自動(dòng)化模擬仿真技術(shù)的高速?zèng)_壓線得到車企及設(shè)備制造商的極大關(guān)注并開(kāi)始逐步應(yīng)用。但伴隨著生產(chǎn)線愈加復(fù)雜，也同時(shí)面臨諸多影響效率、成本、質(zhì)量、專業(yè)技能人員缺失等棘手問(wèn)題，主要表現(xiàn)為以下方面：

⑴沖壓自動(dòng)化同步工程核心技術(shù)壟斷在國(guó)外供應(yīng)商手里。

⑵以往端拾器投資成本較高，端拾器設(shè)計(jì)依賴于供應(yīng)商。

⑶自動(dòng)化首次上線調(diào)試時(shí)間長(zhǎng)，占用在線生產(chǎn)時(shí)間較多。

⑷自動(dòng)化故障影響因素復(fù)雜，停臺(tái)率相對(duì)較高。

⑸缺少離線的端拾器精準(zhǔn)搭建裝置，在線搭建時(shí)間較長(zhǎng)。

⑹工藝調(diào)試問(wèn)題，能否發(fā)揮自動(dòng)化技術(shù)潛力協(xié)同解決。

⑺企業(yè)及行業(yè)亟需掌握自動(dòng)化技能的人員，如何實(shí)施培養(yǎng)應(yīng)用。

⑻自動(dòng)化流程、職責(zé)缺失以及沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)的作業(yè)規(guī)范，導(dǎo)致人員流失帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)極大。

正所謂“工欲善其事，必先利其器”，自動(dòng)化技術(shù)正是解決該問(wèn)題的可靠的快捷利劍。因?yàn)樗钱a(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)、模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、設(shè)備生準(zhǔn)、設(shè)備維修及生產(chǎn)應(yīng)用的接口，涉及到多方面技能，需要系統(tǒng)地全面規(guī)劃。

搭建數(shù)字化沖壓線自動(dòng)化模擬仿真體系

基于車企主機(jī)廠及下游供應(yīng)商的現(xiàn)狀問(wèn)題，利用數(shù)字化轉(zhuǎn)型契機(jī)，通過(guò)體系建設(shè)，要開(kāi)發(fā)沖壓同步工程系統(tǒng)，定義新業(yè)務(wù)、掌握新技能、明確新流程、研發(fā)新技術(shù)。并依據(jù)體系持續(xù)深入開(kāi)展技術(shù)研究及應(yīng)用實(shí)施。

不斷細(xì)化/深化的沖壓同步工程技術(shù)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

基于伺服線仿真技術(shù)的應(yīng)用，構(gòu)建沖壓工藝前期SE 工程體系建設(shè)，最終實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)與PLS(Press Line Simulation 壓機(jī)線模擬仿真，以下簡(jiǎn)稱PLS)、CAE 在前期的風(fēng)險(xiǎn)控制。如圖1 所示，目前PLS 已成為沖壓數(shù)字化、智能化及數(shù)字孿生不可或缺的技術(shù)，在全車型沖壓制件中已實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。

圖1 沖壓同步工程系統(tǒng)

“自動(dòng)化”定義

區(qū)別于一般設(shè)備電氣自動(dòng)化及生產(chǎn)線自動(dòng)化功能(當(dāng)出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題時(shí)立即停線)定義。通過(guò)線下(離線)的生產(chǎn)線運(yùn)動(dòng)曲線模擬仿真及端拾器設(shè)計(jì)及線下精準(zhǔn)調(diào)試，以實(shí)現(xiàn)高速?zèng)_壓線安全、高效地生產(chǎn)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線虛擬仿真與實(shí)際運(yùn)行的真實(shí)映射并持續(xù)優(yōu)化。

技能要求

需求的技能包括：⑴設(shè)備生準(zhǔn)及改造規(guī)劃；⑵沖壓工藝及模具結(jié)構(gòu)；⑶曲線及端拾器設(shè)計(jì)；⑷機(jī)器人編程及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試；⑸整線調(diào)試及優(yōu)化；⑹同步工程分析；⑺端拾器生準(zhǔn)及降成本；⑻各種相關(guān)軟件應(yīng)用。

職責(zé)與流程

構(gòu)建了扁平、垂直化的高效“單人負(fù)責(zé)制”工作機(jī)制。PLS 模擬仿真以往采取外包方式，難點(diǎn)是前期SE 工程無(wú)法提前介入，其他自主設(shè)計(jì)的企業(yè)工作模式采用內(nèi)部跨部門多人、多層級(jí)設(shè)計(jì)及管理，會(huì)導(dǎo)致質(zhì)量衰減、效率低及信息傳遞偏差問(wèn)題發(fā)生?！皢稳素?fù)責(zé)制”表現(xiàn)為同一工作單元可獨(dú)立系統(tǒng)性地完成曲線設(shè)計(jì)、優(yōu)化、SE 工程、端拾器現(xiàn)場(chǎng)搭建、調(diào)試的全壽命周期的過(guò)程控制?？纱_保信息傳遞的準(zhǔn)確性、無(wú)衰減及高效性。根據(jù)業(yè)務(wù)需求及資源匹配情況，梳理了工作流程及工作職責(zé)，如圖2 所示。

圖2 自動(dòng)化工作規(guī)范

主要核心技術(shù)

通過(guò)對(duì)最難的Crossbar 生產(chǎn)線Delmia V5 PLS 系統(tǒng)仿真技術(shù)的研究，掌握以下方面自動(dòng)化技術(shù)：

⑴沖壓自動(dòng)化同步工程技術(shù)，包括自動(dòng)化結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)評(píng)審、自動(dòng)化DL 圖會(huì)簽、自動(dòng)化結(jié)構(gòu)圖會(huì)簽、自動(dòng)化模擬仿真及參數(shù)設(shè)計(jì)等。

⑵端拾器生準(zhǔn)自主設(shè)計(jì)技術(shù)，包括生準(zhǔn)流程梳理、自主設(shè)計(jì)、通用技術(shù)、選型和離線搭建標(biāo)準(zhǔn)化等。

沖壓生產(chǎn)線調(diào)試、優(yōu)化及故障解決技術(shù)。包括生產(chǎn)線調(diào)試技術(shù)、機(jī)器人調(diào)試技術(shù)等。

⑶生產(chǎn)線調(diào)試優(yōu)化與故障解決，以及自動(dòng)化輔助工藝技術(shù)，包括上下模接觸速度優(yōu)化、上模帶件優(yōu)化、節(jié)拍快速提升等。

⑷自動(dòng)化仿真軟件技術(shù)方案開(kāi)發(fā)。

進(jìn)而拓展到針對(duì)Speedbar、Transfer 及Robospeed 三種傳輸裝置生產(chǎn)線的技術(shù)開(kāi)發(fā)，真正做到利用數(shù)字化技術(shù)對(duì)自主體系的產(chǎn)品做到全生產(chǎn)線、全工序、全制件的全體系推廣應(yīng)用，并通過(guò)多年持續(xù)的體系建設(shè)及數(shù)字化、智能化子項(xiàng)目的投入，最終不斷提升規(guī)劃目標(biāo)及指標(biāo)。

沖壓自動(dòng)化同步工程技術(shù)自主開(kāi)發(fā)

近年來(lái)，沖壓同步工程技術(shù)快速發(fā)展，已成為新車型設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程中必不可少的環(huán)節(jié)。但大多數(shù)沖壓同步工程都集中在成形性CAE 仿真分析上，從成形缺陷角度進(jìn)行同步開(kāi)發(fā)同步評(píng)審，但忽視生產(chǎn)性角度的產(chǎn)品設(shè)計(jì)評(píng)審，致使模具設(shè)計(jì)甚至返廠生產(chǎn)調(diào)試階段問(wèn)題較多，生產(chǎn)過(guò)程穩(wěn)定性差、無(wú)法達(dá)到要求的節(jié)拍生產(chǎn)。為避免此類問(wèn)題發(fā)生，開(kāi)展了從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)到模具結(jié)構(gòu)圖紙的全流程自動(dòng)化同步評(píng)審，將大量生產(chǎn)性問(wèn)題消滅于前期設(shè)計(jì)階段，大幅提升后期工作效率。沖壓同步工程系統(tǒng)如圖3 所示。

圖3 沖壓同步工程系統(tǒng)

⑴自動(dòng)化結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)評(píng)審。

為保證新設(shè)計(jì)的沖壓件有足夠的吸盤布置位置，從結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)下發(fā)開(kāi)始，自動(dòng)化工程師便開(kāi)展結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)評(píng)審，以便提前確認(rèn)吸盤布置位置，防止后期因吸盤布置位置不佳導(dǎo)致的生產(chǎn)停臺(tái)。圖4 是吸盤布置評(píng)審工具。

圖4 吸盤布置評(píng)審工具

⑵自動(dòng)化DL 圖會(huì)簽。

DL 圖是沖壓工藝的最終圖紙，它包含許多生產(chǎn)條件信息。例如，零件物流方向、修沖工序選擇、一模多件布置、功能斜楔形式等信息。這些信息大多需要初版模具結(jié)構(gòu)圖設(shè)計(jì)完成后才能展現(xiàn)，但模具結(jié)構(gòu)圖設(shè)計(jì)時(shí)間長(zhǎng)，修改起來(lái)更是牽一發(fā)而動(dòng)全身。如圖5 所示，制定了側(cè)圍外板、發(fā)罩內(nèi)外板等沖壓件的物流方向標(biāo)準(zhǔn)，并直接介入DL 圖會(huì)簽，提前識(shí)別、優(yōu)化工藝設(shè)計(jì)，提高模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)質(zhì)量，減少結(jié)構(gòu)圖修改工作量、壓縮評(píng)審周期、提前模具投鑄時(shí)間。

圖5 沖壓件物流方向標(biāo)準(zhǔn)

⑶自動(dòng)化結(jié)構(gòu)圖會(huì)簽。

模具結(jié)構(gòu)圖是模具實(shí)物的最終圖紙。自動(dòng)化結(jié)構(gòu)圖會(huì)簽就是要保證模具符合沖壓車間現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)線要求，并又快又穩(wěn)地進(jìn)行沖壓件生產(chǎn)。在高速生產(chǎn)過(guò)程中，自動(dòng)化裝備運(yùn)轉(zhuǎn)速度極快，碰撞的損失極大。即使通過(guò)調(diào)整避免干涉碰撞，往往也會(huì)極大地?fù)p失生產(chǎn)效率，所以必須預(yù)先精確地進(jìn)行模具結(jié)構(gòu)的干涉校驗(yàn)。

3D 動(dòng)態(tài)干涉校驗(yàn)法：如圖6 所示，利用三維動(dòng)態(tài)自動(dòng)化仿真工具模仿自動(dòng)化傳輸動(dòng)作進(jìn)行干涉校驗(yàn)。

圖6 自動(dòng)化三維動(dòng)態(tài)仿真校驗(yàn)

模具干涉空間校驗(yàn)法：如圖7 所示，利用專用的沖壓線自動(dòng)仿真工具，針對(duì)零件的自動(dòng)化曲線生成模具干涉空間用于模具全面干涉校驗(yàn)。

圖7 模具干涉空間校驗(yàn)?zāi)＞呓Y(jié)構(gòu)圖

⑷自動(dòng)化參數(shù)設(shè)計(jì)。

模具結(jié)構(gòu)圖鎖定后模具可以加工制造，但要想最終滿足在現(xiàn)場(chǎng)沖壓線上進(jìn)行生產(chǎn)，還需要完成生產(chǎn)線自動(dòng)化裝備的參數(shù)設(shè)計(jì)。通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)機(jī)械生產(chǎn)線及伺服生產(chǎn)線全線自動(dòng)化裝備開(kāi)展建模，設(shè)計(jì)了專用的自動(dòng)化參數(shù)設(shè)計(jì)工具，并按自動(dòng)化工序卡(圖8)規(guī)范填寫整線自動(dòng)化參數(shù)，可滿足生產(chǎn)線上線設(shè)置及數(shù)據(jù)記錄。從而全面、系統(tǒng)性地掌握了整線自動(dòng)化設(shè)計(jì)技術(shù)。

圖8 自動(dòng)化工序卡

沖壓端拾器設(shè)計(jì)技術(shù)自主開(kāi)發(fā)

端拾器設(shè)計(jì)技術(shù)之前一直掌握在供應(yīng)商手中，主機(jī)廠只能被動(dòng)地采用整包發(fā)包的生準(zhǔn)模式，即供應(yīng)商負(fù)責(zé)端拾器設(shè)計(jì)、制造運(yùn)輸、安裝調(diào)試、陪產(chǎn)的“交鑰匙”模式。因此端拾器項(xiàng)目中一般包含設(shè)計(jì)費(fèi)，并且項(xiàng)目周期長(zhǎng)。而且由供應(yīng)商設(shè)計(jì)端拾器圖紙來(lái)確定零件的型號(hào)及數(shù)量，大大增加了端拾器的成本。

基于以上背景，本著降成本、縮短項(xiàng)目周期、掌握端拾器核心技術(shù)的目的，對(duì)端拾器生準(zhǔn)流程梳理、端拾器自主設(shè)計(jì)及搭建方法、端拾器選型及搭建標(biāo)準(zhǔn)化、端拾器通用及下件方式優(yōu)化、生準(zhǔn)模式優(yōu)化及降成本等方面展開(kāi)研究。

高山流水

⑴端拾器生準(zhǔn)流程梳理。

通過(guò)梳理端拾器生準(zhǔn)每個(gè)階段工作內(nèi)容及輸出文件，在沖壓自動(dòng)化同步工程產(chǎn)品評(píng)審、DL 圖會(huì)簽、結(jié)構(gòu)圖會(huì)簽各階段工作內(nèi)容的基礎(chǔ)上形成了如圖9 所示生準(zhǔn)流程。

圖9 端拾器生準(zhǔn)流程

⑵線內(nèi)端拾器通用技術(shù)研究。

1)線首拆垛端拾器通用。

如圖10 所示，通過(guò)測(cè)繪拆垛及對(duì)中通用端拾器Catia 數(shù)模，制定了拆垛、對(duì)中及F0 通用方案并實(shí)施，新車型是否可通用一目了然。其中拆垛通用可減少2套/品種，對(duì)中通用可減少1 套/品種；F0 端拾器通用可減少1 套/品種。

圖10 拆垛及F0 端拾器通用

2)線尾端拾器通用。

一模多件模具原線尾下件方式為最后一序機(jī)械手將成品件放在穿梭小車上，然后穿梭小車移動(dòng)至線尾皮帶處，再由線尾機(jī)器人從穿梭小車上將成品件抓起放到左右兩側(cè)線尾皮帶機(jī)上。

制定了線尾下件方式優(yōu)化方案(圖11)，通過(guò)優(yōu)化最后一序機(jī)械手自動(dòng)化曲線，直接將成品件放入線尾皮帶機(jī)上，則可以省去穿梭小車及線尾機(jī)器人的工藝動(dòng)作，減少穿梭小車及線尾機(jī)器人端拾器2 套/品種。

圖11 線尾下件方式優(yōu)化方案

⑶端拾器選型數(shù)據(jù)庫(kù)建立。

通過(guò)端拾器標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)建立，可以在端拾器生準(zhǔn)階段選擇最適合的端拾器零件型號(hào)。既保證了端拾器調(diào)試的效率和便捷性，又保證了端拾器使用及搭建過(guò)程的穩(wěn)定性。

⑷端拾器自主設(shè)計(jì)。

搭載PLS 離線仿真技術(shù)，掌握了端拾器自主設(shè)計(jì)技術(shù)。在新車型CAS 評(píng)審階段，進(jìn)行吸盤位置評(píng)審及吸力校核計(jì)算，輸出吸盤布置圖。在DL 圖和結(jié)構(gòu)圖會(huì)簽階段，使用PLS 進(jìn)行離線仿真及干涉校驗(yàn)，可以自動(dòng)快速建立端拾器模型并輸出端拾器零件統(tǒng)計(jì)表及端拾器搭建圖紙(圖12)。首次上線前，使用離線搭建平臺(tái)完成端拾器預(yù)搭建。首次上線只需微調(diào)即可，大大節(jié)省線上端拾器調(diào)試時(shí)間。

圖12 自動(dòng)生成端拾器模型及端拾器搭建圖紙

⑸沖壓端拾器自主設(shè)計(jì)降成本。

由于掌握了沖壓端拾器自主設(shè)計(jì)，進(jìn)而將端拾器生準(zhǔn)模式由“整包模式”優(yōu)化為“配件模式”。配件模式是由自動(dòng)化人員負(fù)責(zé)端拾器設(shè)計(jì)、型號(hào)選型及數(shù)量統(tǒng)計(jì)，形成數(shù)量清單進(jìn)行招標(biāo)，供應(yīng)商只需提供端拾器零件。通過(guò)端拾器自主設(shè)計(jì)、氣動(dòng)元器件國(guó)產(chǎn)化、通用設(shè)計(jì)及線尾下件方式優(yōu)化等措施，端拾器項(xiàng)目成本降低約50%。