數字化沖壓生產線的建立

文/劉朋，朱平，王杰，皮勁，蘇琦·神龍汽車有限公司技術中心

數字化沖壓生產線的建立

文/劉朋，朱平，王杰，皮勁，蘇琦·神龍汽車有限公司技術中心

隨著汽車行業的飛速發展，汽車制造業也在不停地進步，近些年伴隨著電子與信息技術的發展，行業內的軟件不斷發展更新，使得汽車制造業向數字化不斷發展，本文就沖壓生產線的數字化做了介紹，并介紹了如何把數字化應用到沖壓生產線的建設中。

劉朋，沖壓工藝工程師，主要從事沖壓車間的整體平面布置、生產線（壓機、自動化）的規格選型、生產線績效指標的制定與提升、沖壓新技術的研究和應用。曾負責5000t生產線7軸機器人自動化改造，是武漢第三工廠沖壓車間、成都工廠沖壓車間建設規劃的主要參與者。擁有1項國家專利、2項專有技術。

隨著工業的發展與電子信息技術的廣泛應用，使得制造過程不斷自動化、智能化，此時機器已開始逐步替代人類作業。并且，三維軟件的開發和應用也在不斷升級，專用虛擬制造仿真軟件的應用也日漸成熟，使得生產線的數字化運行成為現實，隨著數字化程度的不斷提高，出現了一種能將壓機設備、自動化設備與模具的前期結構設計聯系在一起的設計方式。

傳統模式下，壓機設備、自動化設備和模具結構在設計階段都是相對獨立的，互相之間依靠企業內部的工藝標準進行設計，設計結束后三者之間的結構設計沒有立體的校核。在設備安裝過程中、模具調試過程中往往會出現諸如設備單元間有干涉、模具與壓機有干涉等問題，導致生產節拍、生產效率和質量受到影響。

數字化沖壓生產線的理念是把壓機設備、自動化設備、模具結構在設計階段就全部用數字模型建立，并利用軟件進行分析，在設計階段解決掉結構性問題，為沖壓線的建立提供指導建議。

結合對當前現狀的分析，解決掉結構性問題還無法使生產線設計達到最優，還需對生產線自動化過程進行模擬，對自動化運動軌跡、設備運行時序以及模具內部結構的時序進行綜合分析才能得到最優化的沖壓生產線。圖1所示是數字化沖壓生產線的設計流程。

綜合以上情況，本文介紹的沖壓數字化生產線的建立主要包含5個方面的內容：⑴生產線設備3D模型的建立；⑵模具3D模型的建立；⑶端拾器3D模型的建立；⑷生產過程模擬仿真；⑸生產線狀態監控以及生產報表的生成。

生產線設備3D模型的建立

生產線設備3D模型的建立工具主要是三維建模軟件，諸如：CATIA、UG、PRO/E、SolidWorks等，如圖2所示。

生產線設備3D模型的建立猶如一條生產線的建立，前期需要大量的人力、物力構建設備單元模型、生產線模型，但是一旦建立，就可以長期使用。

建立生產線3D模型的步驟：⑴設備選型。根據產能需求、功能需求、工藝要求進行壓機、自動化各單元的設備選型。⑵建立初步的3D模型。目前壓機公司和自動化公司也都在利用三維軟件建模，各個關鍵的設備單元都有3D模型，可以通過設備制造方得到初步的3D模型。⑶沒有3D模型的單元，再通過二維圖紙進行建模。⑷通過軟件把各個單元進行組合裝配，從而建立起沖壓生產線的3D模型。

這里需要注意的是，生產線3D模型建立的目的是檢查壓機、自動化與模具的干涉情況和運動分析，用到的是生產線設備的外形輪廓尺寸和運動曲線，內部機械結構不用建立，但必須要建立起完整的外輪廓。

圖1 數字化沖壓生產線設計流程

圖2 生產線設備的3D設計

模具3D模型的建立

目前模具制造廠家已經全部利用三維軟件進行模具的設計，將模具進行3D數字化仿真顯示（圖3）。其主要作用是用仿真成形軟件對模具結構進行模擬，并分析零件的成形性。

有了模具3D模型，就可以導入到生產線設備3D模型中進行分析，如圖4所示。圖中模擬了模具的左右側與機械臂之間的間距，顯示有248mm，證明不存在干涉，如果小于0，則存在干涉。個別極限尺寸的模具存在干涉可以通過修改模具結構進行調整，但如果大多數的模具都存在干涉，就需要調整壓機和自動化設備的結構，調整后再將模具放到3D模型中進行模擬。

圖3 模具的3D設計

圖4 將模具模型導入到生產線3D模型中

端拾器3D模型的建立

端拾器3D模型建立的步驟：⑴獲取零件的數字模型；⑵根據零件形狀、重量布置吸盤；⑶根據自動化類型選擇合適的支臂和主臂。圖5所示是端拾器的3D設計模型。

圖5 端拾器的3D設計

端拾器在沖壓件的生產制造過程中起著至關重要的作用，它要將上一道工序的零件抓取再放到下一道工序。端拾器能否快速、穩定的將零件抓取并快速、穩定、準確地放到下一道工序中去，關乎整條生產線的節拍。如果端拾器無法每次都穩定地將零件抓走，還可能導致模具壓雙料，造成生產事故。

以往端拾器的制作過程為：第一步，采購端拾器各個標準組成部件；第二步，根據零件的形狀、模具的型面、模具中各個部件的位置進行端拾器的現場配制。這存在兩方面的問題：⑴需要占用生產線調試時間；⑵端拾器吸盤布置不合理。

建立端拾器3D數字模型的意義在于，便于模擬整個生產線的運動，端拾器在初期就可完成設計，能根據零件形狀合理的布置吸盤。

生產過程模擬仿真

傳統的沖壓生產線建立模式是設計與制造分開，兩者之間缺乏集成，有時為了追求某個功能，設計階段會將結構設計得很復雜，但往往在實際生產制造過程中會發現結構存在干涉，或者降低了生產節拍。

在擁有了以上四個方面數據的基礎上，可以通過軟件對整個生產線的運行情況進行模擬仿真，從而分析出模具是否與設備有干涉，或者在自動化生產過程中，模具的結構設計是否存在缺陷。在沒有進行數字化模擬前，必須到現場上線才能發現模具結構的問題，而模具再整改困難大，這就延長了模具的調試周期，而現在在設計階段即可很大程度的減少干涉。

如圖6所示，模擬過程中發現定位銷（標記圓圈處）高度過高，需要降低50mm。另外還模擬出如果OP20液壓墊設計成為瓶頸，整線的實際生產節拍就會降低。上料機器人放料時，液壓墊可能會未完全到達上死點，在壓力機下壓時，模具定位銷及傳感器需要保證零件能夠到位。

圖6 模擬過程中發現問題

圖7 生產信息管理

圖8 生產線的實時監控

通過模擬得出的結果，將用于改進設備結構、模具結構、端拾器的結構，而在模擬階段發現的問題會大大優化后期的安裝調試。

生產線狀態監控和生產信息監控

在生產過程中，生產線的監控分兩個層面：一個層面是生產線生產信息的管理（圖7），該管理系統是動態的，能實時顯示目前的生產信息，包括：目前生產零件名稱、生產節拍、已生產數量、換模時間、當前生產效率等等，并且可以在當日生產結束后生成日報表、周報表、月報表、年報表，總結日、周、月、年的生產運營情況，為管理者對生產線的管理提供良好的數據支撐，為生產線運營情況提供總的分析。

第二個層面是生產線實時狀態監控（圖8），該監控系統可以直接顯示目前生產線的動作，每個工作單元的狀態，包括：拆垛臺、清洗機、機器人、壓機、皮帶機的運行情況，生產線故障信息，并可在生產線異常時直接報警給管理者，生產線故障會第一時間得到處置，能大幅減少停機時間，提高生產效率。

上面提到的兩個層面的監控發布到公司網絡，管理者可以在任意連接到公司網絡的端口輸入網址進行查看，系統也會根據管理者職能的不同分配不同的管理等級，并接收到相應的信息。

結束語

建立數字化沖壓生產線的目的是為了解決設計階段和生產制造之間的斷層，其關鍵是生產線數模的建立與仿真模擬。利用3D技術和模擬技術，對每個制造單元的情況進行模擬，達到強化設計，弱化現場調試的目的，從而達到從設計到制造的良好過渡，大幅減少現場問題、降低制造成本、縮短項目周期、提高項目質量。

神龍汽車有限公司現有的9條沖壓生產線已經開始逐步地往數字化方向發展，剛在成都工廠投入的2條生產線已經按照以上5方面進行建設。目前工廠級別的生產系統、物流系統等都在往數字化方向發展，今后的沖壓會逐步向數字化工廠邁進。