集成的現代沖壓綜合技術探究

文/陸振東, 方赫, 孫興武, 符永杰·機械工業第九設計研究院有限公司

隨著全球新一輪科技革命和產業變革的加速，工業互聯網、云計算、大數據、人工智能等新技術、新應用、新業態方興未艾。國家提出智能制造2025、創新驅動、經濟可持續發展，促使制造業朝著物理和數字世界無縫集成方向快速發展。信息技術與制造業深度融合，打破和模糊了傳統技術間的邊界，多種專業學科融合共生。現代的制造技術更多地體現在各種技術深度融合，綜合應用的效果上。汽車作為制造工業最具有代表性的產業，引領著制造行業的發展趨勢。沖壓作為汽車制造核心技術之一，正在積極融合各類技術，滿足未來行業發展和客戶個性化需求。

現代沖壓制造技術，融合先進的智能裝備、智能物流和先進的生產管理運營系統，通過高度集成智能工廠，最終達到生產運行高效的目的。小到沖壓設備本身的集成，大到整個沖壓生產制造系統的集成。

沖壓集成涉及到的技術

工藝集成技術

為了大批量流水作業生產，提高生產效率和自動化水平，傳統單一工藝逐漸向多種工藝集成發展。如：汽車毛坯集成生產工藝，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，如圖2所示。對模具工裝也在集成研究，實現單一模具可生產兩件、三件、四件或套沖等復合工藝。

智能沖壓裝備技術

沖壓設備的智能化是目前各設備供應商都在努力突破的方向。除了提升設備自動化能力外，隨著傳感器和控制器的廣泛應用，設備變得更加智能，一些數據采集和分析軟件也集成到設備里，提升設備自身感知分析判斷能力，內置數據統計顯示模塊，實現人機交互、設備間交互。目前設備自動化、信息收集統計、預防性維護和遠程控制等功能已經實現，并向更廣泛的應用拓展。出現了智能沖壓生產線、智能天車、智能AGV物流運輸設備、智能檢測設備、智能存儲等適應未來個性化產品的柔性智能生產單元，如圖3所示。

圖1 集成的毛坯生產工藝

圖2 集成的熱成形工藝

圖3 沖壓智能裝備

智能物流技術

物流是制造生產中最關鍵的環節，通過合理的物流規劃，使整個生產車間正常有序運轉。制造生產中各環節物流信息要做到實時采集、同步傳輸、數據共享，并驅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運，降低生產成本。沖壓物流重點包含外部材料供應、從毛坯到沖壓件的生產物流、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、定制化生產的關鍵。隨著高精度定位、自動化、云計算等技術的廣泛應用，可以實時監控、即時感知資源的動態變化，確保資源的調用合理高效。要確保信息流暢通，在沖壓物料運行的各個環節，合理設置信息采集點、重點工位監控點，并與生產系統聯鎖，與管理監控中心聯網。智能單元化物流技術、自動物流裝備以及智能物流信息系統是打造智能物流的核心元素，例如叉車防撞系統、車輛在途監控系統、月臺管理系統、庫位管理系統、三維可視化系統等。沖壓線尾智能小車轉運沖壓件的模擬圖如圖5所示。

網絡信息技術

逐步建立產品、設備、工裝、車間等數字化模型，將物理信息轉化為數字信息，采集大數據、進行三維仿真、虛擬調試、建立數字化工廠等。結合數字化技術，基于工業互聯網、傳感器、控制器、利用網絡建立生產運營管理系統，實現互聯互通。

圖5 沖壓線尾智能小車轉運沖壓件

通過采集生產管理數據、沖壓件質量數據、車間能源消耗數據等內容，積累制造過程大數據，實現了底層硬件數據采集到頂層數據分析的縱向整合，并對數據進行專業化處理，深度挖掘數據背后的潛在問題和貢獻價值。目前已經實現了沖壓車間物料智能配送、沖壓設備和模具維護管控（圖6）、沖壓車間能源集中管控（圖7）等。

圖6 對設備工裝的預測性維護

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計，建立數字化車間模型（圖8），賦予廠房、設備、管線數字化屬性信息，方便日常維護和后續改造。

圖8 數字化沖壓車間模型

采用虛擬安裝、虛擬調試、虛實互聯、虛擬現實、點云等多種數字化技術組合，提供數字化工廠整體解決方案，縮短工廠設計及建造工期、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，優化沖壓線生產節拍，為沖壓線調試、生產等階段提供技術支持。對沖壓線尾物流進行模擬（圖9），優化生產組織和物流路徑。

圖9 沖壓線尾物流模擬

系統集成的沖壓工廠

沖壓制造工廠是各類技術高度集成的產物，這里既融合工藝技術、裝備技術、物流技術、廠房技術，還融合信息技術和互聯網技術。如何把各種技術有效地融合起來，發揮技術的最大功效，核心在系統集成。基于智能制造，經濟可持續發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）由智能生產管控中心、智能生產運營系統和智能生產設備工裝組成。在這里，人、產品和生產系統相互作用，一個動態、實時優化和自組織的價值鏈將會形成；生產生態系統中，每個環節不僅支持貨物的流動，還支持信息的流動，信息孤島被打破；綠色技術廣泛應用，工廠可綠色低碳循環發展；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

中央管控中心，是智能沖壓工廠的大腦，是監控調度管理中樞，包括生產計劃、生產監控、產品追溯、質量跟蹤、物流管理、作業指導、預測性維修、故障報警、能耗管理等模塊。通過車間生產、物流轉運的自動化控制以及工藝、設備、質量等數據信息化管理，實現車間整體運行智能化。

生產運營系統，是智能工廠的神經，是智能工廠的泛在深度互聯，包含人、物品、機器、車間、企業等全要素，貫穿設計、研發、生產、管理、服務等各環節，基于工業互聯網、傳感器、控制器、結合數字化，實現信息的互連互通，通過傳感與智能控制系統開展泛在工業數據的實時采集和智能控制，打通數據獲取、傳輸、分析、決策、執行的閉環系統，形成貫通沖壓全流程、全領域的數據鏈條。以數據的自動流動化解復雜系統的不確定性，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

結束語

工廠是整個沖壓制造技術的最終實現場所，高效協調運作需要統籌規劃，綜合配匹各種技術。智能工廠的建設目前處于起步階段，缺少系統規劃，片面追求設備自動化程度，大數據不完整，企業管理流程不暢通，過分依賴軟件供應商，缺少融合企業的文化和管理思維的思考，缺少自主開發的平臺和軟件系統。在工廠規劃設計和升級改造時，需要系統考慮各種接口和匹配關系，提出完整的解決方案，做到總體一次規劃，分步漸進實施。使用方需要提出智能需求，設備廠家需要研發智能裝備，數字化廠家需要構建軟件網絡平臺，集成商需要研究系統的智能解決方案，才能促進制造集成系統最大效能的發揮。