沖壓線自動化虛擬仿真技術研究及應用(下)

文／高貴麟、羅超群、孫書明、白昱璟、蘇廣川、胡英杰·中國第一汽車集團有限公司工程與生產(chǎn)物流部

《沖壓線自動化虛擬仿真技術研究及應用》（上）見《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

自動化調(diào)試已經(jīng)不僅僅局限于保證制件的高節(jié)拍自動化傳輸，同時還需運用自動化技術在提高調(diào)試效率、降低自動化停臺以及對現(xiàn)場工藝及模具的技術支持等方面做改善。實際改善案例如下。

⑴生產(chǎn)線調(diào)試技術自主開發(fā)。

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

1)端拾器由線上搭建改為線下搭建。

首次上線前，開發(fā)了與整線保持一致的傳輸機構的離線搭建平臺(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)試時間。

圖13 多功能多維度端拾器離線搭建平臺

2)離線建立數(shù)據(jù)、多人協(xié)同工作。

伺服生產(chǎn)線采用機器人進行拆垛、對中及下件，相比傳統(tǒng)機械生產(chǎn)線，伺服生產(chǎn)線不僅需要對壓機與機械手進行調(diào)試，還需要對機器人運行軌跡示教，自動化調(diào)試工作量較大。同時，自動化相關數(shù)據(jù)的建立也比較復雜。

為了節(jié)約線上調(diào)試時間，在模具上線前，就將虛擬仿真參數(shù)、運動曲線等數(shù)據(jù)提前導入到設備中，這樣既不影響生產(chǎn)，又不占用線上調(diào)試時間。

在自動化調(diào)試人員配置方面，2 人負責線首部分調(diào)試，1 人負責壓機與機械手部分調(diào)試，1 人負責線尾部分調(diào)試，4 人同時協(xié)同調(diào)試，縮短線上調(diào)試時間。

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

3)離線檢驗模具安裝條件，實現(xiàn)首次上線自動化換模。

由于伺服生產(chǎn)線的換模過程是全自動換模，因此在新車型模具返廠首次上線時，需要線上將模具、端拾器逐序手動開入到壓機中，以驗證模具及端拾器的安裝條件，耗時較長。

為了減少調(diào)試時間，將安裝條件由線上檢驗轉(zhuǎn)為離線檢驗。首先模具安裝條件檢驗在模具預驗收及返廠后進行，利用測量尺對模具輪廓、安裝高度以及安裝槽等關鍵部位尺寸進行檢驗。其次通過自主設計，將端拾器整體尺寸限制在安全區(qū)域內(nèi)，避免自動換模時發(fā)生碰撞。

通過離線檢驗模具安裝條件，實現(xiàn)首次上線全自動換模，減少上線調(diào)試時間約2.5 小時。

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

⑵機器人調(diào)試技術。

為了使設備更好地滿足工藝及節(jié)拍要求，需要對線首拆垛機器人抓件、放件帶料、對中影像識別、線尾機器人軌跡進行優(yōu)化，以降低高節(jié)拍下的故障停機。現(xiàn)以對中影像識別故障為例進行分析。

原因分析：經(jīng)過在現(xiàn)場對問題進行實際觀察與分析，發(fā)現(xiàn)某些制件由于示教樣本板料邊緣過多，如圖14 所示，偶發(fā)對中影像識別率低、連續(xù)報警的情況；另外有部分制件是由于皮帶位置、端拾器支桿及氣管對板料識別邊緣造成干擾，偶發(fā)對中影像無法識別或誤識別情況，產(chǎn)生大量停臺，如圖15 所示。

圖14 對中示教樣本板料邊緣過多

圖15 皮帶位置、端拾器支桿及氣管對板料識別邊緣造成干擾

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

圖16 優(yōu)化前后的對中影像

沖壓自動化及伺服輔助工藝技術自主開發(fā)

自動化是工藝和設備之間的橋梁。通過自動化技術及伺服技術實現(xiàn)沖壓線工藝參數(shù)設計及調(diào)試，可實現(xiàn)工藝參數(shù)的最優(yōu)化，從而實現(xiàn)工藝質(zhì)量提升和生產(chǎn)穩(wěn)定性提升。

針對如何通過自動化技術輔助工藝實現(xiàn)質(zhì)量提升等諸多問題展開了專項研究：

⑴通過上下模接觸速度優(yōu)化，消除高速生產(chǎn)過程中高速沖擊帶來的壓痕問題；

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

⑶通過快速節(jié)拍提升，不改變拉延成形過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給質(zhì)檢及裝箱帶來不便，例如門內(nèi)板生產(chǎn)過程中，質(zhì)檢人員會對鎖孔質(zhì)量進行檢查，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

問題解決：利用線尾穿梭小車及機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。

針對新工廠仿真軟件工藝技術方案自主開發(fā)

通過經(jīng)驗積累規(guī)避了以往仿真軟件應用的痛點，確定了新工廠的規(guī)劃方案(圖18)。該方案是國內(nèi)首次實現(xiàn)集成包含拆垛、對中、壓機、機械手、線尾等生產(chǎn)線全工序的自動化仿真軟件。

圖18 全工序的自動化仿真模擬技術應用

成果

課題實施期間，取得了以下技術成果：

⑴新車型首次上線自動化安全通過率100%；

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

⑶新車型端拾器項目生準降投資50%；

⑷自動化模擬仿真技術拓展到全生產(chǎn)線、全工序、全車型、全制件實施應用；

⑸通過自主的自動化體系建設，技能通過專利、標準、規(guī)范、論文等形式得到固化積累。

結(jié)論

⑴首次將沖壓自動化虛擬制造技術由沖壓工裝生產(chǎn)準備中細化提煉出來，并建立了涵蓋前期產(chǎn)品評審、工藝會簽、模具結(jié)構會簽、自動化虛擬仿真、自動化曲線設計、生產(chǎn)線參數(shù)設計、端拾器設計、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)庫及自主仿真設計，并通過了與整線保持一致的傳輸離線搭建平臺規(guī)劃應用，實現(xiàn)上線前端拾器零差異搭建及調(diào)試。

⑶在車型端拾器生準過程各階段，分別采用工藝結(jié)構優(yōu)化、傳輸物流方向標準化、零部件國產(chǎn)化、設計自主化、端拾器通用化以及利舊等技術方案，并通過自主設計支撐的端拾器采購模型應用大幅度降低生準投資。

⑷通過沖壓自動化技術實現(xiàn)工藝參數(shù)的最優(yōu)化，實現(xiàn)了工藝質(zhì)量提升和生產(chǎn)穩(wěn)定性提升。

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

⑹未來自動化規(guī)劃趨勢是包含線首及線尾機器人模擬的全工序離線仿真、端拾器精準自主設計。