基于干涉曲線的高速?zèng)_壓生產(chǎn)線數(shù)字化樣機(jī)技術(shù)

趙 兵，楊龍成，魏慶磊，趙先進(jìn)

（濟(jì)南二機(jī)床集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 250022）

1 沖壓行業(yè)發(fā)展概述

汽車產(chǎn)業(yè)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有重要地位。汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的同時(shí)能夠帶動(dòng)鋼鐵、石化、機(jī)械電子和數(shù)控機(jī)床等相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，為國(guó)民經(jīng)濟(jì)持續(xù)健康發(fā)展提供動(dòng)力。隨著國(guó)家“碳達(dá)峰”、“碳中和”目標(biāo)的提出，新能源汽車與燃油汽車的競(jìng)爭(zhēng)日益激烈，加速了汽車產(chǎn)品的更新?lián)Q代。

目前我國(guó)汽車行業(yè)生產(chǎn)制造四大工藝中，僅有沖壓工藝可以實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)設(shè)備替代。經(jīng)過(guò)多年的技術(shù)開(kāi)發(fā)與市場(chǎng)耕耘，以濟(jì)南二機(jī)床集團(tuán)有限公司為代表的沖壓設(shè)備已占據(jù)國(guó)內(nèi)高端沖壓市場(chǎng)近80%的份額。但與此同時(shí)，相關(guān)沖壓自動(dòng)線運(yùn)動(dòng)規(guī)劃及虛擬仿真技術(shù)，與德國(guó)、日本相關(guān)公司相比，技術(shù)差距已然存在，市場(chǎng)推廣存在較大差距[1]。

對(duì)主機(jī)廠而言，沖壓技術(shù)主要具有工藝要求高、沖壓設(shè)備復(fù)雜、周期長(zhǎng)、規(guī)模大等特點(diǎn)。沖壓成形工件的干涉分析貫穿于工藝設(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)等過(guò)程，鑒于模具設(shè)計(jì)與沖壓線設(shè)計(jì)具有同時(shí)性，在相應(yīng)設(shè)計(jì)和制造階段就能評(píng)估沖壓自動(dòng)線的生產(chǎn)能力，成為沖壓設(shè)備商首要解決的技術(shù)問(wèn)題。由此，需要在沖壓線設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)等過(guò)程充分采用計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)，如過(guò)程仿真優(yōu)化、虛擬仿真技術(shù)等[2]，以滿足主機(jī)廠對(duì)相應(yīng)技術(shù)的需求。

2 干涉曲線基礎(chǔ)知識(shí)及應(yīng)用簡(jiǎn)介

2.1 整線規(guī)劃基礎(chǔ)知識(shí)

整線運(yùn)動(dòng)規(guī)劃所涉及的整線運(yùn)動(dòng)模型范圍，包括各壓機(jī)沖壓工位，以及操作成形工件的上、下料送料臂，也包括其間的成形工件流動(dòng)。由于成形工件屬于被操作對(duì)象，或者從屬于壓機(jī)（下模/滑塊/拉伸墊），或者與送料的端拾器作為一體而被傳送，所以工件運(yùn)動(dòng)是一種附屬運(yùn)動(dòng)，整線運(yùn)動(dòng)規(guī)劃涉及的主動(dòng)運(yùn)動(dòng)體僅為各送料系統(tǒng)及壓機(jī)。

2.2 干涉曲線基礎(chǔ)知識(shí)

通過(guò)整線運(yùn)動(dòng)規(guī)劃，獲得橫桿旋轉(zhuǎn)中心相對(duì)于滑塊（包含上模）、相對(duì)于移動(dòng)工作臺(tái)（下模）的相對(duì)軌跡線，這樣就獲得了如圖1 所示的干涉曲線。干涉曲線可以分為標(biāo)準(zhǔn)干涉曲線與非標(biāo)準(zhǔn)干涉曲線，標(biāo)準(zhǔn)干涉曲線是指在主機(jī)廠確定相關(guān)壓力機(jī)主參數(shù)后，由設(shè)備商根據(jù)相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，提供通用化的干涉曲線，用于指導(dǎo)前期模具設(shè)計(jì)；非標(biāo)準(zhǔn)干涉曲線是指在完成模具初步設(shè)計(jì)后，主機(jī)廠通過(guò)設(shè)備商提供的曲線規(guī)劃軟件，輸入特定模具的相應(yīng)參數(shù)，針對(duì)性的獲得對(duì)應(yīng)此模具的干涉曲線，以期針對(duì)性的優(yōu)化相應(yīng)模具，以達(dá)到理想節(jié)拍的目的。

圖1 某用戶某規(guī)格的標(biāo)準(zhǔn)干涉曲線

2.3 干涉曲線使用方法

標(biāo)準(zhǔn)干涉曲線的使用方法如圖2 所示。由圖可知，標(biāo)準(zhǔn)干涉曲線是在模具初始設(shè)計(jì)時(shí)在合模狀態(tài)下使用的。在使用標(biāo)準(zhǔn)干涉曲線時(shí)，通過(guò)將標(biāo)準(zhǔn)干涉曲線依據(jù)相應(yīng)的放置方式（不同送料裝置，相應(yīng)要求略有不同），一般規(guī)定，在物流方向，干涉曲線的零點(diǎn)放置在模具/移動(dòng)工作所在的中心位置，此時(shí)為便于端拾器的設(shè)置，允許干涉曲線在此位置，沿物流方向移動(dòng)±100mm；在豎直方向，干涉曲線的零點(diǎn)位置，放置在下模中心區(qū)域最高點(diǎn)以上約150mm 位置。此時(shí)的位置考慮了相關(guān)的端拾器設(shè)置及相應(yīng)橫桿尺寸。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)干涉曲線的使用方法

在檢查下模時(shí)，通常隱藏上模，調(diào)整干涉曲線放置位置，使橫桿攜帶板料，橫桿旋轉(zhuǎn)中心在上方兩條線（T 線）進(jìn)行全行程移動(dòng)，檢查整個(gè)移動(dòng)過(guò)程中板料/端拾器與下模的干涉情況，以判斷與下模的干涉情況。如未干涉且安全距離較大，通常可調(diào)整放置點(diǎn)，以期在檢查上模時(shí)，獲得較大的安全距離；如發(fā)生干涉，則需調(diào)整放置點(diǎn)或更換標(biāo)準(zhǔn)干涉曲線規(guī)格。

在檢查上模時(shí)，通常隱藏下模，使橫桿攜帶板料，橫桿旋轉(zhuǎn)中心在下方兩條線（RT 線）進(jìn)行全行程移動(dòng)，檢查整個(gè)移動(dòng)過(guò)程中，橫桿與上模的干涉情況，整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，因滑塊/上模處于上行或下行過(guò)程，此時(shí)的安全距離均為動(dòng)態(tài)，為便于實(shí)際生產(chǎn)，此時(shí)的安全距離要求，均大于100mm。具體的使用方法如圖3 所示。

圖3 干涉曲線用于檢查模具的方法

3 整線數(shù)字化樣機(jī)技術(shù)

3.1 數(shù)字化樣機(jī)技術(shù)簡(jiǎn)介

數(shù)字化樣機(jī)運(yùn)動(dòng)仿真技術(shù)是指利用計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)，在計(jì)算機(jī)中搭建產(chǎn)品的三維模型，按照產(chǎn)品的實(shí)際運(yùn)行情況進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，并進(jìn)行虛擬試驗(yàn)，對(duì)其運(yùn)行情況進(jìn)行研究分析，進(jìn)而對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行優(yōu)化的一種技術(shù)手段。作為一種全新的產(chǎn)品研發(fā)方法，數(shù)字化樣機(jī)運(yùn)動(dòng)仿真技術(shù)可以在虛擬環(huán)境中模擬真實(shí)的產(chǎn)品，涉及建模、運(yùn)動(dòng)控制、機(jī)構(gòu)學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)和多體系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)等一系列學(xué)科，并能支持并行工程方法學(xué)。此外，數(shù)字化樣機(jī)運(yùn)動(dòng)仿真技術(shù)還支持信息傳遞、決策制定、產(chǎn)品和流程，可提供用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造以及維護(hù)的虛擬環(huán)境，并應(yīng)用于產(chǎn)品從概念設(shè)計(jì)到維護(hù)服務(wù)的全生命周期。從產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造到產(chǎn)品的后期維護(hù)，數(shù)字化樣機(jī)運(yùn)動(dòng)仿真技術(shù)為整個(gè)生命周期中的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)流程提供一個(gè)決策和交流的平臺(tái)。

3.2 數(shù)字化樣機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)途徑

PLS（Press Line Simulation）是由Siemens PLM Software 推出的一款沖壓自動(dòng)化行業(yè)專用于沖壓線仿真的平臺(tái)軟件，集沖壓自動(dòng)線整線規(guī)劃、模型建立、干涉檢查、送料曲線分析、生成分析結(jié)果等功能于一體，具有強(qiáng)大的計(jì)算分析仿真能力，應(yīng)用主要面向汽車外覆蓋件的數(shù)字化制造。

3.3 數(shù)字化樣機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)插件

基于PLS 仿真軟件平臺(tái)，針對(duì)性的研發(fā)機(jī)械手曲線規(guī)劃插件JAMP（JIER Automation transfer system Motion Planning toolkit），該插件的界面如圖4所示。其中圖4a 為二維干涉檢查模塊，該模塊可根據(jù)輸入的模具、送料手參數(shù)，初步判斷出瓶頸工位及各工位的干涉曲線，用于初步干涉檢查；圖4b 為二維動(dòng)態(tài)干涉檢查模塊，該模塊根據(jù)前面輸入?yún)?shù)，展示二維動(dòng)態(tài)仿真界面，在此界面上，可根據(jù)需求，獲得各序安全距離最小時(shí)的相位，各序壓機(jī)間的相位差，實(shí)現(xiàn)送料手與上模下料的動(dòng)態(tài)仿真。

圖4 JAMP 軟件

JAMP 插件是用于濟(jì)南二機(jī)床集團(tuán)有限公司開(kāi)發(fā)的單臂快速送料線的整線規(guī)劃軟件，該插件可實(shí)現(xiàn)整線運(yùn)動(dòng)規(guī)劃以及送料工藝優(yōu)化，并對(duì)整線運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析及優(yōu)化。

JAMP 插件主要目的是幫助主機(jī)廠工藝技術(shù)人員檢驗(yàn)和改進(jìn)規(guī)劃算法，并進(jìn)行相關(guān)曲線的輸出，支持PLS 仿真環(huán)境下的帶件模擬，用于檢驗(yàn)規(guī)劃方法的效率與有效性。

3.4 數(shù)字化樣機(jī)技術(shù)應(yīng)用于干涉曲線

SIEMENS PLS 是一款專門用于沖壓線仿真的專用型軟件，設(shè)備商建立對(duì)應(yīng)產(chǎn)品的沖壓線數(shù)模，并對(duì)整線的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行嚴(yán)格定義，對(duì)模具（包含板料）的輕量化簡(jiǎn)化予以指導(dǎo)，使主機(jī)廠工藝人員，快速掌握相應(yīng)的使用技巧，可快速定義相關(guān)設(shè)備的參數(shù)，導(dǎo)入初版模具數(shù)據(jù)。

JAMP 插件為整線各軸運(yùn)動(dòng)規(guī)劃軟件，包括壓機(jī)間相位差、自動(dòng)化相位差、自動(dòng)化各軸運(yùn)動(dòng)設(shè)置、取料點(diǎn)放料點(diǎn)等參數(shù)，由程序自動(dòng)規(guī)劃出最優(yōu)整線節(jié)拍，將相關(guān)的曲線輸出到指定文件夾，對(duì)整線數(shù)模的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。

主機(jī)廠工藝技術(shù)人員，將模具導(dǎo)入PLS 軟件中，如圖5 所示，將下模固定在移動(dòng)工作臺(tái)之上；上模固定在滑塊之上；板料的歸屬可分為三類：在前序沖壓過(guò)程中，板料隸屬前序壓機(jī)；在送料手搬運(yùn)過(guò)程中，板料隸屬于送料手；在送料手放置下序壓機(jī)后，板料隸屬下序壓機(jī)。將所有數(shù)模導(dǎo)入成功后，點(diǎn)擊整線運(yùn)動(dòng)按鈕，即可獲得該套/該序模具的特定干涉曲線，將該數(shù)模輸出成輕量化的JT 模型，即可達(dá)到樣機(jī)的二次應(yīng)用。

圖5 數(shù)字化樣機(jī)的干涉曲線界面

在仿真過(guò)程中的干涉檢查，可有軟件內(nèi)部模塊自主實(shí)現(xiàn)，在整線運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，如出現(xiàn)干涉，則會(huì)有顏色變化提示，以實(shí)現(xiàn)快速方便地判斷干涉情況，如圖6 所示。

圖6 數(shù)字化樣機(jī)的干涉提示界面

由JAMP 生成的配方，經(jīng)過(guò)PLS 仿真軟件驗(yàn)證后，可導(dǎo)入現(xiàn)場(chǎng)控制程序內(nèi)，進(jìn)行下載，經(jīng)同步微速驗(yàn)證，以期快速實(shí)現(xiàn)高速生產(chǎn)。

4 結(jié)語(yǔ)

標(biāo)準(zhǔn)干涉曲線的使用，實(shí)現(xiàn)了模具在設(shè)計(jì)階段，實(shí)現(xiàn)成形工件的通過(guò)性檢查；結(jié)合數(shù)字化樣機(jī)技術(shù)，更為有效地提高特定模具的具體結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)優(yōu)化；在特定模具優(yōu)化過(guò)程中，可通過(guò)調(diào)整送料手軌跡的優(yōu)化，離線配方的生成，有效減低試模生產(chǎn)時(shí)間，并對(duì)整線節(jié)拍優(yōu)化具有十分積極的作用。相關(guān)技術(shù)經(jīng)過(guò)了多個(gè)主機(jī)廠進(jìn)行的相應(yīng)生產(chǎn)過(guò)程驗(yàn)證，取得了積極的效果。