沖壓線自動(dòng)化虛擬仿真技術(shù)研究及應(yīng)用(下)

文／高貴麟、羅超群、孫書(shū)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

《沖壓線自動(dòng)化虛擬仿真技術(shù)研究及應(yīng)用》（上）見(jiàn)《鍛造與沖壓》2023 年第2 期

沖壓生產(chǎn)線調(diào)試、優(yōu)化及故障解決

自動(dòng)化調(diào)試已經(jīng)不僅僅局限于保證制件的高節(jié)拍自動(dòng)化傳輸，同時(shí)還需運(yùn)用自動(dòng)化技術(shù)在提高調(diào)試效率、降低自動(dòng)化停臺(tái)以及對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工藝及模具的技術(shù)支持等方面做改善。實(shí)際改善案例如下。

⑴生產(chǎn)線調(diào)試技術(shù)自主開(kāi)發(fā)。

在伺服生產(chǎn)線投入使用之初，返廠首次上線自動(dòng)化調(diào)試需要16 小時(shí)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線自動(dòng)出件，幾乎占模具返廠調(diào)試階段總上線時(shí)間的1/4，連續(xù)占用生產(chǎn)線影響生產(chǎn)，調(diào)試過(guò)程勞動(dòng)強(qiáng)度大。因此，在保證生產(chǎn)線自動(dòng)化高節(jié)拍的前提下，提高自動(dòng)化在線調(diào)試效率，縮短在線調(diào)試時(shí)間就顯得尤為重要。

1)端拾器由線上搭建改為線下搭建。

首次上線前，開(kāi)發(fā)了與整線保持一致的傳輸機(jī)構(gòu)的離線搭建平臺(tái)(圖13)。保證搭建及調(diào)試數(shù)據(jù)的一致性，并做到數(shù)據(jù)可共享調(diào)用，這可極大節(jié)省線上端拾器搭建及調(diào)試時(shí)間。

圖13 多功能多維度端拾器離線搭建平臺(tái)

2)離線建立數(shù)據(jù)、多人協(xié)同工作。

伺服生產(chǎn)線采用機(jī)器人進(jìn)行拆垛、對(duì)中及下件，相比傳統(tǒng)機(jī)械生產(chǎn)線，伺服生產(chǎn)線不僅需要對(duì)壓機(jī)與機(jī)械手進(jìn)行調(diào)試，還需要對(duì)機(jī)器人運(yùn)行軌跡示教，自動(dòng)化調(diào)試工作量較大。同時(shí)，自動(dòng)化相關(guān)數(shù)據(jù)的建立也比較復(fù)雜。

為了節(jié)約線上調(diào)試時(shí)間，在模具上線前，就將虛擬仿真參數(shù)、運(yùn)動(dòng)曲線等數(shù)據(jù)提前導(dǎo)入到設(shè)備中，這樣既不影響生產(chǎn)，又不占用線上調(diào)試時(shí)間。

在自動(dòng)化調(diào)試人員配置方面，2 人負(fù)責(zé)線首部分調(diào)試，1 人負(fù)責(zé)壓機(jī)與機(jī)械手部分調(diào)試，1 人負(fù)責(zé)線尾部分調(diào)試，4 人同時(shí)協(xié)同調(diào)試，縮短線上調(diào)試時(shí)間。

通過(guò)離線建立數(shù)據(jù)、多人協(xié)同工作等措施，單品種可節(jié)約線上調(diào)試時(shí)間2 ～3 小時(shí)。

3)離線檢驗(yàn)?zāi)＞甙惭b條件，實(shí)現(xiàn)首次上線自動(dòng)化換模。

由于伺服生產(chǎn)線的換模過(guò)程是全自動(dòng)換模，因此在新車型模具返廠首次上線時(shí)，需要線上將模具、端拾器逐序手動(dòng)開(kāi)入到壓機(jī)中，以驗(yàn)證模具及端拾器的安裝條件，耗時(shí)較長(zhǎng)。

為了減少調(diào)試時(shí)間，將安裝條件由線上檢驗(yàn)轉(zhuǎn)為離線檢驗(yàn)。首先模具安裝條件檢驗(yàn)在模具預(yù)驗(yàn)收及返廠后進(jìn)行，利用測(cè)量尺對(duì)模具輪廓、安裝高度以及安裝槽等關(guān)鍵部位尺寸進(jìn)行檢驗(yàn)。其次通過(guò)自主設(shè)計(jì)，將端拾器整體尺寸限制在安全區(qū)域內(nèi)，避免自動(dòng)換模時(shí)發(fā)生碰撞。

通過(guò)離線檢驗(yàn)?zāi)＞甙惭b條件，實(shí)現(xiàn)首次上線全自動(dòng)換模，減少上線調(diào)試時(shí)間約2.5 小時(shí)。

綜述，已將單品種自動(dòng)化首次上線調(diào)試時(shí)間由最初的16 小時(shí)縮短到4.5 小時(shí)。

⑵機(jī)器人調(diào)試技術(shù)。

為了使設(shè)備更好地滿足工藝及節(jié)拍要求，需要對(duì)線首拆垛機(jī)器人抓件、放件帶料、對(duì)中影像識(shí)別、線尾機(jī)器人軌跡進(jìn)行優(yōu)化，以降低高節(jié)拍下的故障停機(jī)?，F(xiàn)以對(duì)中影像識(shí)別故障為例進(jìn)行分析。

原因分析：經(jīng)過(guò)在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)問(wèn)題進(jìn)行實(shí)際觀察與分析，發(fā)現(xiàn)某些制件由于示教樣本板料邊緣過(guò)多，如圖14 所示，偶發(fā)對(duì)中影像識(shí)別率低、連續(xù)報(bào)警的情況；另外有部分制件是由于皮帶位置、端拾器支桿及氣管對(duì)板料識(shí)別邊緣造成干擾，偶發(fā)對(duì)中影像無(wú)法識(shí)別或誤識(shí)別情況，產(chǎn)生大量停臺(tái)，如圖15 所示。

圖14 對(duì)中示教樣本板料邊緣過(guò)多

圖15 皮帶位置、端拾器支桿及氣管對(duì)板料識(shí)別邊緣造成干擾

優(yōu)化方案：優(yōu)化光學(xué)對(duì)中示教樣本，在足以將板料定位的前提下，盡量少地保留板料邊緣；優(yōu)化對(duì)中機(jī)器人端拾器，優(yōu)化對(duì)中皮帶位置，重新進(jìn)行光學(xué)對(duì)中示教。優(yōu)化前后的對(duì)中影像如圖16 所示。

圖16 優(yōu)化前后的對(duì)中影像

沖壓自動(dòng)化及伺服輔助工藝技術(shù)自主開(kāi)發(fā)

自動(dòng)化是工藝和設(shè)備之間的橋梁。通過(guò)自動(dòng)化技術(shù)及伺服技術(shù)實(shí)現(xiàn)沖壓線工藝參數(shù)設(shè)計(jì)及調(diào)試，可實(shí)現(xiàn)工藝參數(shù)的最優(yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)工藝質(zhì)量提升和生產(chǎn)穩(wěn)定性提升。

針對(duì)如何通過(guò)自動(dòng)化技術(shù)輔助工藝實(shí)現(xiàn)質(zhì)量提升等諸多問(wèn)題展開(kāi)了專項(xiàng)研究：

⑴通過(guò)上下模接觸速度優(yōu)化，消除高速生產(chǎn)過(guò)程中高速?zèng)_擊帶來(lái)的壓痕問(wèn)題；

⑵通過(guò)上模帶件優(yōu)化，消除高速生產(chǎn)過(guò)程中上模負(fù)壓釋放緩慢造成的帶件情況；

⑶通過(guò)快速節(jié)拍提升，不改變拉延成形過(guò)程而快速提升整線節(jié)拍，消除生產(chǎn)速度提升造成的拉延質(zhì)量衰減；

⑷通過(guò)優(yōu)化線尾下件方式，解決下件質(zhì)量缺陷及提升撿件效率。

問(wèn)題描述：由于目前沖壓生產(chǎn)線線尾是由人工質(zhì)檢及裝箱，有些制件的工藝布置方向會(huì)給質(zhì)檢及裝箱帶來(lái)不便，例如門內(nèi)板生產(chǎn)過(guò)程中，質(zhì)檢人員會(huì)對(duì)鎖孔質(zhì)量進(jìn)行檢查，但門內(nèi)板工藝布置如圖17(a)所示，造成鎖孔質(zhì)檢困難。

圖17 優(yōu)化前后門內(nèi)板下件方向

問(wèn)題解決：利用線尾穿梭小車及機(jī)械手組成的高柔性下件方式，將制件旋轉(zhuǎn)90°后放在傳輸皮帶上，并盡量將制件的邊緣靠近外側(cè)，以方便抽檢及裝箱，如圖17(b)所示。

針對(duì)新工廠仿真軟件工藝技術(shù)方案自主開(kāi)發(fā)

通過(guò)經(jīng)驗(yàn)積累規(guī)避了以往仿真軟件應(yīng)用的痛點(diǎn)，確定了新工廠的規(guī)劃方案(圖18)。該方案是國(guó)內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)集成包含拆垛、對(duì)中、壓機(jī)、機(jī)械手、線尾等生產(chǎn)線全工序的自動(dòng)化仿真軟件。

圖18 全工序的自動(dòng)化仿真模擬技術(shù)應(yīng)用

成果

課題實(shí)施期間，取得了以下技術(shù)成果：

⑴新車型首次上線自動(dòng)化安全通過(guò)率100%；

⑵新車型首次上線調(diào)試時(shí)間由行業(yè)平均16 ～32小時(shí)/品種降至平均4.5 小時(shí)/品種；

⑶新車型端拾器項(xiàng)目生準(zhǔn)降投資50%；

⑷自動(dòng)化模擬仿真技術(shù)拓展到全生產(chǎn)線、全工序、全車型、全制件實(shí)施應(yīng)用；

⑸通過(guò)自主的自動(dòng)化體系建設(shè)，技能通過(guò)專利、標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、論文等形式得到固化積累。

結(jié)論

⑴首次將沖壓自動(dòng)化虛擬制造技術(shù)由沖壓工裝生產(chǎn)準(zhǔn)備中細(xì)化提煉出來(lái)，并建立了涵蓋前期產(chǎn)品評(píng)審、工藝會(huì)簽、模具結(jié)構(gòu)會(huì)簽、自動(dòng)化虛擬仿真、自動(dòng)化曲線設(shè)計(jì)、生產(chǎn)線參數(shù)設(shè)計(jì)、端拾器設(shè)計(jì)、端拾器搭建、生產(chǎn)線調(diào)試及優(yōu)化的全面的工作體系。

⑵建立端拾器數(shù)據(jù)庫(kù)及自主仿真設(shè)計(jì)，并通過(guò)了與整線保持一致的傳輸離線搭建平臺(tái)規(guī)劃應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)上線前端拾器零差異搭建及調(diào)試。

⑶在車型端拾器生準(zhǔn)過(guò)程各階段，分別采用工藝結(jié)構(gòu)優(yōu)化、傳輸物流方向標(biāo)準(zhǔn)化、零部件國(guó)產(chǎn)化、設(shè)計(jì)自主化、端拾器通用化以及利舊等技術(shù)方案，并通過(guò)自主設(shè)計(jì)支撐的端拾器采購(gòu)模型應(yīng)用大幅度降低生準(zhǔn)投資。

⑷通過(guò)沖壓自動(dòng)化技術(shù)實(shí)現(xiàn)工藝參數(shù)的最優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了工藝質(zhì)量提升和生產(chǎn)穩(wěn)定性提升。

⑸該項(xiàng)目依托數(shù)字化仿真技術(shù)創(chuàng)新性地將生產(chǎn)線自動(dòng)化調(diào)試技術(shù)在模具生準(zhǔn)中提煉為專項(xiàng)核心業(yè)務(wù)。從立足現(xiàn)場(chǎng)解決實(shí)際問(wèn)題出發(fā)，堅(jiān)持“離線，離線，再離線”的指導(dǎo)思想，不斷深化仿真技術(shù)、拓展仿真內(nèi)涵、延伸仿真業(yè)務(wù)，由點(diǎn)及面到體地建立了完整的沖壓自動(dòng)化仿真體系，并完善了沖壓新車型生準(zhǔn)的同步工程業(yè)務(wù)模型，在體系建設(shè)、提質(zhì)增效、降投資降成本等方面作出了顯著貢獻(xiàn)。

⑹未來(lái)自動(dòng)化規(guī)劃趨勢(shì)是包含線首及線尾機(jī)器人模擬的全工序離線仿真、端拾器精準(zhǔn)自主設(shè)計(jì)。