沖壓車間數字化規劃技術應用探索

文／秦鵬，方赫，杜慶輝，陸振東·機械工業第九設計研究院有限公司

在全球數字經濟時代，隨著汽車產業的飛速發展，傳統的汽車制造業生產模式已經愈發不能滿足市場的需求，汽車制造業的轉型升級勢在必行，走智能制造之路則是傳統制造企業面對變革挑戰能做的選擇之一。繼機械化、電氣化、自動化之后，全球制造業正在向數字化和智能化轉型升級。

沖壓作為汽車制造領域的首道工藝，沖壓產品質量的好壞與生產效率的高低對整車生產起著重要作用。近年來，沖壓車間隨著汽車制造業自身生產規模的不斷擴大，其整體也在向智能化方向不斷邁進，這其中三維設計和仿真軟件的應用對沖壓車間的數字化規劃起到了關鍵作用，鑒于此，如何結合新技術開發出一種快速有效的三維數字化規劃方法來完成沖壓車間的工藝方案規劃是提升沖壓車間智能化水平的關鍵。

虛擬沖壓車間的建立

車間設備三維模型的建模

傳統設計模式下，沖壓車間的工藝規劃主要依靠原有類似項目的布置經驗，工藝設備、公用管線、廠房主體三部分在設計、施工等各階段相對獨立，導致在施工過程中會出現設備、公用管線、廠房內各種平臺之間的相互干涉等情況，從而造成施工變更、返工等情況的發生，影響施工進度、造成項目拖期及不必要的損失。

針對此問題，需建立沖壓車間各組成部分的三維模型，組成虛擬沖壓車間，通過在虛擬沖壓車間中對各組成部分之間的關系進行檢查，即可準確分析干涉情況。

車間設備三維模型主要利用三維設計軟件完成，如MicroStation、CATIA、SolidWorks 等。車間三維模型建模的復雜程度猶如真實車間的建立過程，設備單元模型、區域模型以及廠房模型前期皆需投入大量的人力物力完善，但模型通用性較強，對未來其他項目往往具有借鑒意義。

設備三維模型建模步驟如下：

⑴三維設備模型種類。乘用車沖壓車間常用設備及工位器具，毛坯存放區的毛坯存放柜，毛坯生產區的開卷剪切線，模修區的研配壓力機和試模壓力機，模具存放區的模具以及承載模具的枕軌，沖壓生產區的沖壓生產線、自動化設備，廢料處理區的廢料輸送線，沖壓件返修區的鈑金燈廊，沖壓件存放區的貨架，車間的起重機、電動平板車、AGV 小車和叉車等。在以上各設備中，均有多種型號，選取其典型的一種或幾種型號進行建模，為組建三維模型庫打下基礎。

⑵建立三維設備模型。當前形勢下，設備制造商利用三維軟件建模是行業普遍趨勢，各關鍵單元一般均有三維模型，可直接通過設備制造產商獲取三維模型。對個別設備無法取得三維模型或設備制造商提供的數據與實際需求差別過大的情況，需通過設備的二維圖紙以及對設備實物的觀察，完成設備三維模型的建立。

車間設備三維模型的建立為車間整體三維模型的開發打下了基礎，同時逐步豐富了車間的三維模型庫。需要注意的是，車間整體三維模型的建立是為了更好、更直觀地完善車間的規劃方案；檢查車間各區域、各設備間的干涉情況，主要用到的是生產線設備的外形輪廓尺寸，內部機械機構不作為重點，但各設備的外形輪廓與尺寸務必準確。部分設備三維模型如圖1、圖2 所示。

車間整體三維模型的建模

車間整體三維模型的建模工具為Revit、MicroStation 等軟件。沖壓車間整體工藝模型包含土建模型、工藝設備模型與公用管線模型，模型中可為關鍵的設備單元及土建公用模塊賦予參數，從而解決設計階段與施工階段的斷層。

建立車間三維模型的具體步驟如下：

⑴獲取車間工藝設備的建模數據并建模(前文已有詳細說明)。將所有與車間有關的設備三維模型以數據庫形式存放，以方便后期調用。

⑵建立車間的土建模型。以建筑軸網為基準，逐步建立建筑墻面、柱、屋面、梁、地面等模型，完善門、窗、天車軌道等細節，為項目規劃、正式投產使用與后期運營維護等階段提供實時的信息數據支撐，尤其對土建施工階段涉及到的干涉問題以及隱蔽工程管控問題有效。

⑶建立車間的三維管線匯總模型。三維管線匯總是對公用管線的標高、管徑、位置進行詳細的記錄，從空間上直觀地觀察管線、設備與土建之間的干涉問題，為用戶前期施工提供了便利條件，節約工程成本；后期可根據車間內管線的變化對匯總模型進行實時更新，記錄車間內公用管線的變化情況，方便日后的改造與維護。

⑷將各部分三維模型匯總，完成三維車間整體建模。首先，確定車間的二維平面布置圖，該二維平面布置圖包括車間各區域土建組成及工藝設備定位；其次，將二維平面布置圖導入三維模型中，為三維模型定位提供參考；最后，將前述步驟中已經建立好的三維模型定位在對應的車間定位點上即可。

三維數字化車間涵蓋了從車間設計、施工到生產運營的全過程，傳統的規劃手段僅僅依靠傳統的工作環境，借助二維圖紙的布局，利用個人經驗進行判斷、分析，最終完成規劃方案，其方案具有較多的經驗性、不確定性及不準確性，而三維數字化規劃方法依靠三維軟件及其相應的功能，可以高效地得出準確合理的車間工藝布局，極大程度地減少了人工的分析判斷時間，提高了方案規劃的精準性。車間整體三維數字化模型如圖3 所示。

車間生產信息化管控系統

車間生產信息化管控系統分為兩方面，一方面是車間生產信息的管理，數據采集是該管理系統的基礎，通過數據采集可以收集產品生產數據、設備狀態數據、了解在制品的狀態等。通過對這些信息的分析和處理便于對現場情況及時做出反應。對于底層智能設備的數據采集和控制可通過設備提供的接口訪問。越來越多的智能設備自帶的軟件接口也為數據的采集和管理提供了方便。制造執行系統模塊眾多，企業為了降低項目實施的風險和費用，也會采用分步實施的策略，隨著工廠引進的應用模塊越來越多，制造執行系統負荷越來越大，其后期計算能力的擴展也是必須要考慮的一個因素。

另一方面是對車間生產過程的監控，通過該監控系統可直接顯示車間各工作單元的狀態，如沖壓線內各臺設備、沖壓線間自動化系統及廢料輸送線等設備的運行情況，沖壓線的故障信息，毛坯存放區、模具存放區以及沖壓件存放區的飽和率等參數。通過該套系統的分析對車間內各設備形成預測性維護，讓生產過程中產生的問題消滅在萌芽狀態。

在引進管控系統之前，生產異常狀況經常出現，電話溝通頻繁，引進該系統后可通過系統的分析清晰地了解當前生產狀況。該系統作為連接企業上層計劃管理系統和下層生產控制系統的信息樞紐，主要負責生產管理和調度執行，確保生產按計劃執行。從生產現場實時采集并處理生產數據，監控生產狀態及生產異常，分析并反饋生產績效，同時涵蓋了庫存、物流等生產上下游環節的基本功能，從而有效彌補了制造業計劃層與控制層之間的管理空白。

結束語

沖壓車間數字化規劃有兩條主線，一條主線是通過3D 技術對車間的整體情況進行建模，立體地呈現車間整體規劃方案，這是實現車間數字化轉型的基礎。另一條主線是車間信息化管控系統，實現對計劃調度、生產物流、工藝執行、過程質量、設備管理等生產過程各環節及要素的精細化管控。兩條主線交匯，實現生產設備與信息化系統之間互聯互通，解決設計階段、施工階段和生產運營階段之間的斷層，這將成為打造數字化沖壓車間的必要條件。