沖壓運動仿真PLS在沖壓整線仿真上的應用

于明湖

（上汽通用汽車有限公司 整車制造工程部，上海 201206）

沖壓運動仿真PLS在沖壓整線仿真上的應用

于明湖

（上汽通用汽車有限公司 整車制造工程部，上海 201206）

高速自動化沖壓線在國內不斷得到推廣應用。縱觀已投產的高速沖壓線，一方面如何挖掘設備潛力，提高實際生產節(jié)拍；另一方面如何提高模具前期設計水平，縮短模具上線軌跡聯(lián)調時間，對縮短項目開發(fā)周期、提升生產能力意義重大。上汽通用SGM在國內首家應用SIEMENS沖壓運動仿真PLS（Press Line Simulation）軟件進行沖壓線與模具集成模擬分析數字化平臺研究，建立了一套SGM專屬的與現場設備工藝屬性完全一致的沖壓線與模具集成模擬分析數字化平臺。

高速沖壓線；沖壓運動仿真；PLS；沖壓線虛擬仿真；生產節(jié)拍；模具設計

轎車的沖壓零件數占其零件總數的75%以上[1]。沖壓裝備在汽車工業(yè)中的地位舉足輕重，發(fā)展汽車工業(yè)和沖壓裝備技術對國民經濟的發(fā)展將起到重要推動作用[2]。隨著高速自動化沖壓線的推廣，汽車沖壓生產效率得到了很大的提升。但部分模具在初期軌跡調試時，受到結構限制，軌跡調整非常困難，費時費力且存在很多碰撞風險，最終導致生產效率不高。

縱觀已投產的高速沖壓線，一方面，如何讓實際生產節(jié)拍得到深入挖掘，充分用足設備柔性，發(fā)揮設備潛在的優(yōu)質特性；另一方面，如何提高模具前期設計水平，減少模具初期設計問題，優(yōu)化模具設計方案，縮短模具上線軌跡聯(lián)調時間，對縮短整個產品項目的開發(fā)周期、提升工廠生產能力具有及其重要的意義。

相比國外而言，國內沖壓線整線模擬技術發(fā)展較為緩慢。應用SIEMENS沖壓運動仿真PLS（Press Line Simulation）軟件進行沖壓線與模具集成模擬分析數字化平臺研究的主機廠更是鳳毛麟角，項目挑戰(zhàn)大。采用信息技術是現代制造業(yè)發(fā)展的必然趨勢。汽車車身沖壓自動化生產線（簡稱沖壓自動線）的運動仿真是在虛擬環(huán)境中對生產線的主要元素進行三維建模，并裝配成線，然后驅動虛擬生產線，模擬真實生產線的運行情況[3]。

本文從該項目總體思路、技術方案、目前達到的階段性成果幾方面來闡述PLS在沖壓整線仿真上的應用。

1 總體思路及目的

采取“虛擬控制器研發(fā)→虛擬控制器嵌入與界面開發(fā)→集成仿真與送料優(yōu)化功能應用→現場調試確認與驗證→項目推廣應用”的技術路線，在項目每一個環(huán)節(jié)通過開發(fā)與測試試驗相結合的方法確保各項技術的扎實研發(fā)與項目的穩(wěn)步推進。

本文所述的數字化仿真平臺是基于SIEMENSPLS軟件開發(fā)的沖壓線整線與模具集成模擬仿真模型，其核心內容是壓力機、沖壓件自動化搬運系統(tǒng)以及模具之間的運動學關系的建模與仿真。通過該仿真平臺的模擬，來解決沖壓現場經常遇到的以下的問題：

（1）新項目初期，沖壓生產現場存在大量的軌跡調試工作，經常存在自動化運動部件與模具、設備干涉損壞的險情。

（2）部分模具結構設計不合理，造成后期模具上線調試時匹配性不好，調試時間長，節(jié)拍低甚至無法滿足連續(xù)運行模式，不得已采用斷續(xù)模式生產。

（3）現場Tooling的設計需要有經驗的設計人員針對工件反復試裝配，即使有經驗的設計人員也將耗費大量的時間和精力。由于自動沖壓線造價高昂，所以應盡量減少沖壓線的停機時間[4]。

2 技術方案

如圖1所示，本項目中該仿真平臺的建立涉及到PLS系三個模塊軟件：PL-Maker、PL-Admin、PLSimul，三個模塊軟件之間數據結構分明，邏輯層次嚴密。

圖1 PLS系統(tǒng)架構

PL-Maker：作為核心技術平臺，用于搭建沖壓線整線模擬運動學關系及邏輯結構。其包含壓力機、自動化（含端拾器及其部件）、模具（上下模及其運動零部件）、板料（零件）之間的位移（角位移）、速度（角速度）、加速度（角加速度）等運動特性之間的模型建立，以及壓力機與壓力機之間、自動化與自動化之間的運動學關系的交互匹配模型。

PL-Admin：作為壓力機、自動化、模具、板料/零件等三維模型數據的處理模塊，用于將相關的設備、模具和零件的結構特性賦予通過PL-Maker搭建的運動學關系模型，作為下一步處理的基礎。

PL-Simul：作為計算分析及后處理的模塊，用于對PL-Maker和PL-Admin建立好的運動學關系模型和設備、模具、零件特性進行計算分析并得出之間的匹配和干涉驗證報告，同時作為優(yōu)化調整挖潛的依據。

基于SIEMENS-PLS的沖壓線整線模擬技術的核心單元沖壓線自動化系統(tǒng)運動曲線控制器的開發(fā)及其與仿真平臺的嵌入集成工作：

在“虛擬控制器研發(fā)”環(huán)節(jié)，通過軌跡、扭矩和報警臨界值的系列比對確保虛擬控制器的準確性；通過與實際運動控制系統(tǒng)的對接試驗和實際軌跡測量試驗，確保虛擬控制器與實際控制系統(tǒng)的兼容性。

在“集成仿真與送料優(yōu)化功能應用”環(huán)節(jié)，搭建SGM專用端拾器庫，實現模具設置、雙件分離等高級功能的實現，通過工作流程的總結和規(guī)范化，提升仿真軟件使用的規(guī)范性、熟練程度和工藝優(yōu)化的效能，提前識別并規(guī)避干涉風險，縮短試模周期，提升生產節(jié)拍。

在“現場調試確認與驗證”環(huán)節(jié)，通過幾組代表性典型零件的仿真優(yōu)化與實際驗證對比，評估仿真系統(tǒng)的使用效果、優(yōu)劣得失。

在“項目推廣應用”環(huán)節(jié)，對前期工作進行技術總結并編制技術文檔與手冊，并對SGM同線生產的典型零件進行針對性的進一步仿真、優(yōu)化與現場提速。

3 階段性成果

通過PLS整線仿真技術，建立了集合現場設備工藝特性的專有高速沖壓線模型，如圖2所示。其主要特點如下：

（1）實現了自動化與模具干涉情況的預先檢查，離線優(yōu)化軌跡曲線，提升模具與設備匹配性，挖潛整線生產節(jié)拍。

（2）在模具前期進行充分模擬優(yōu)化，將模具與設備匹配問題解決在項目初期，減少模具后期調試壓力，縮短試模周期。

（3）創(chuàng)建專屬沖壓線端拾器標準庫，優(yōu)化設計，節(jié)省端拾器設計費用。

通過實際測試，總結獲得的效益如下：

（1）提高生產節(jié)拍。通過對多套典型模具進行實際軌跡優(yōu)化測試，生產節(jié)拍平均提升1.2spm。

（2）節(jié)省端拾器設計成本。應用沖壓線模擬技術，可降低50%的設計費用。

（3）降低單車型模具的試模成本。應用沖壓線模擬技術可減少60%軌跡調試時間。

圖2 整線主體部分模型

4 結束語

隨著工業(yè)4.0概念的問世，制造業(yè)向智能化轉型已成趨勢。作為汽車制造主機廠，應乘工業(yè)4.0之東風，搏智能制造之浪，通過數字化仿真工具優(yōu)化傳統(tǒng)制造過程，向數字化生產線乃至數字化工廠的智能制造的未來進發(fā)。

[1] 徐 剛，等.金屬成形（鍛壓）機床的發(fā)展趨勢[J].鍛壓裝備與制造技術，2005，40（3）.

[2] 王曉強，霍 穎.沖壓生產線快速橫桿式自動化輸送系統(tǒng)[J].鍛壓裝備與制造技術，2010，45（1）.

[3]常劍峰，鐘約先，韓贊東，等.轎車車身沖壓生產線虛擬制造系統(tǒng)的研究[J].塑性工程學報，2004，11（4）：61-66.

[4] 林正英，沈 斌.車身沖壓線中端拾器的仿真設計[J].制造業(yè)自動化，2007，（5）.

Application of PLS in the whole press line simulation

YU Minghu
（Vehicle Manufacturing Engineering,SAIC General Motor Co.,Ltd.,Shanghai 201206,China）

The high speed press line has been promoted into application in China.The improved production rate and die design can shorten the project exploring cycle and improve the productivity.The PLS(Press Line Simulation)from SIEMENS has been adopted to study the simulation analysis numerical platform for integration of punching line and die.The simulation analysis numerical platform for integration of punching line and die exclusive to SGM has been established with which accord the site equipment process properties.

High speed press line;Press motion simulation;Press line simulation;Production rate;Design for die

TG385.9

B

10.16316/j.issn.1672-0121.2016.02.016

1672-0121（2016）02-0061-03

2015-09-17；

2015-11-06

于明湖（1983-），男，整車制造工程部沖壓設備工程師。E-mail:Minghu_Yu@saic-gm.com