數字化、智能化技術在汽車沖壓領域中的應用

文/高貴麟，牛志強，班永旭，洪波林·一汽轎車股份有限公司技術部

數字化、智能化技術在汽車沖壓領域中的應用

文/高貴麟，牛志強，班永旭，洪波林·一汽轎車股份有限公司技術部

汽車領域沖壓制造技術從傳統的手工單件生產方式先后經歷機械化生產、大規模批量生產，高度自動化柔性化生產，逐步向數字化和智能化制造的方向發展。產生這一現象的原因一方面是由于相關可靠控制技術、計算機和網絡技術的飛速發展并逐步向汽車沖壓制造領域擴展，另一方面沖壓領域本身也有不斷滿足實現沖壓產品工藝性，提高設備、材料、能源的利用率和工作效率，以及需要統一、快速、準確地進行通信的技術要求，是內外兩方面因素共同作用的結果。目前汽車沖壓領域生產制造效率大大提高，零件尺寸精度與產品質量也越來越高，生產方式越來越靈活，體現出的生產柔性和適應性越來越強。本文擬從設備、模具和自動化三個方面分別介紹數字化和智能化技術的具體應用。

設備技術

設備技術的數字化在很早就實現了，目前應用也十分普遍。在控制技術方面數字化的應用更是廣泛，各種控制器都配有形式多樣功能強大的數字量和模擬量接口來進行數據處理和傳輸。

設備工藝參數的數字化設定

目前設備技術的主要應用方向是實現各種工藝參數的數字化，使各項參數可量化并可設定調整，減少人為錯誤和一些定性不準確的情況，使更多參數納入可列可評范圍。先進沖壓生產線更是數字化技術的集成應用，如拆垛系統中板料的長度、寬度、厚度、單雙料形式、料片最大重量、最大含油量參數選定等；還有一些預選功能，如分層磁鐵與氣刀、拉伸墊工作方式及模具夾緊器選定等；還有一些連續變化量的設定，如傳輸皮帶位置、清洗機輥子壓力、雙料片厚度檢測范圍、壓機壓力、閉合高度、液壓系統溫度、流量、壓力的設定等，都可以做到可靠、高效及快捷應用。圖1為數控液壓拉伸墊多點可變壓力設定畫面。

料垛的堆垛規格和精度是影響拆垛系統乃至整線的一個重要因素，對其進行量化約束，可控制料垛的堆垛質量，降低停臺。規定的主要參數有料垛的高度范圍要求、料垛的傾斜度、雙料垛的最大高度差、料垛的參差度、不等厚料垛最大高度差、料垛中心定位偏心距要求、料垛旋轉偏移要求、波浪度要求等。

上述參數本身就是數字量化的，將其作為連續可變的工藝參數錄入控制系統是比較容易實現的。較為困難的是將圖形化的數據進行數字化處理。目前已實現的有板料涂油區域設定和光學對中系統。

根據工藝要求，不同的板料其涂油區域和涂油量的需求也不同，通過圖形化的方式，可以對所需要涂油的區域進行圖像化處理和設定，從而實現不同區域對應噴嘴的開閉和流量壓力控制，以達到設定的效果。并且每套模具的涂油區域及涂油量作為模具參數進行存儲，方便進行更改和保存,如圖2所示。

板料的定位對中是傳輸控制的關鍵點。傳統的機械對中對于形狀規則的板料效果較好，而對于形狀不規則或有曲邊形狀的板料則對中效果一直不佳，且不穩定，而光學對中技術成功解決了該問題，目前采用視覺處理系統并結合機器人技術，將所要對中的板料形狀以圖像數字化方式存儲在控制系統中，通過視覺系統采集實際板料的圖像，與目標值進行對比，并將形狀和位置偏差反饋給機器人手臂，實現偏差量的補償，效果比機械式對中好。圖3為對中區域的圖形化參數設定。

設備技術在設備故障排除中的應用

現在沖壓壓力機逐漸由傳統壓機向伺服壓機過渡，控制形式主要還是采用PLC和工控機相結合的形式。程序結構龐大復雜、使用的元器件種類數量多，軟硬件的動作過程及其連鎖關系十分繁雜。功能的強大相對應的是故障報警多，令人無從下手分析，且控制過程中軟硬件的狀態變化動作過程十分短暫，而僅僅根據設備故障報警給出的信息很難推斷和還原設備故障的全過程，使得故障的分析排查十分困難。

采用監控PLC程序的軟件ANALYZER PRO，可以十分方便準確地實現對控制系統各變量的監控。在軟件中加入需要關注的軟件變量地址和硬件IO地址，隨生產進行實時監控，而且監控變量不限于開關量，對數字量也可進行監控。在軟件中對采樣時間也可以設定，最低可至1μs，足以記錄下各變量的動作狀態。根據多個變量的時序變化組合分析，十分方便。

CAE技術的應用

CAE技術是一項基于計算機技術的理論建模分析技術，根據3D形式的模具圖紙，根據材料材質進行力學性能分析，研究板料在成形過程中的一系列參數狀態變化，驗證成形效果并給出修正方向，它免去了耗時耗財的實際實驗過程，且大大減輕模具設計工作者的繁雜工程分析和核算過程，在前期沖壓件工藝評審、工藝設計和后期的制件整改都有應用。

CAE在工藝評審中的應用

CAE技術可用于模具對設備及自動化的適應狀態進行評審,主要評審項為工序數是否滿足要求、板料尺寸、模具尺寸是否超限、拉伸區域范圍是否受限、制件方向是否符合自動化傳輸要求、廢料排放是否順暢、零件成形力和拉伸力是否滿足偏載要求、確認自動化各軸參數調整范圍等。檢查確定模具的各項數據是否滿足相關要求，或確定在哪條生產線上排產更合適。

通過CAE分析，可以用零件成形性的各項指標進行評判，并預防零件各種缺陷及廢品的形成，例如零件的開裂、起皺、沖擊線、滑移線、產品負角、圓角精細化、回彈等都可以通過CAE分析予以解決。此外，CAE分析技術還可以對零件狀態進行優化，并對一些工藝提案進行前期分析和論證。如等強度料減薄、高強度料減薄以實現車身輕量化的要求；對零件的拆分、合并和重新布置以改變沖壓工藝方案；提高材料利用率的提案等。

CAE在工藝設計中的應用

利用CAE技術可以進行模具的DL圖（die layout）設計（圖4）。根據上游部門發放的產品數據圖紙，利用CAE進行造型模擬分析并經過多輪反復修改，隨后通過CATIA軟件進行逆向造型生成設計，多輪優化后得出最終狀態，輸出DL圖及分析結果，最后鎖定數據用于模具設計及制造。

CAE在制件整改中的應用

前期工藝設計時由于CAE分析設置偏差，工藝評審、DL圖設計時未進行全工序分析，CAE分析材料性能及尺寸偏差等因素都會影響到CAE分析準確性，導致理論分析與實際調試的差異，嚴重時使制件產生缺陷。此時需要根據實際情況利用CAE技術進行調整和修改，包括理論模型的重新建立和參數重新設定。甚至有一些經驗無法用模型建立的，需以經驗數據的形式給出。例如，可以利用現有的實驗設備并與鋼廠合作進行單向拉伸實驗、FLC實驗，建立CAE分析用材料數據庫，以提升CAE分析用材的準確性；針對制件回彈問題，模具整改存在很難到位，且整改輪數較多的困難，這些問題的產生受調試狀態與CAE分析對應性、模具結構的影響。

因此，回彈補償應當在工藝設計階段采用CAE分析結果+經驗數據的方式進行，避免后期回彈整改工作量大、難度大的問題。總之，在整改過程中可利用CAE模擬分析，可確認模具整改方案的可行性及提高方案的準確性，減少返工，縮短整改時間。

結束語

目前，數字化、智能化技術在汽車沖壓領域已得到廣泛的應用，從設備、模具、自動化到前期規劃設計、調試運行、整改與故障排查，使得這三方面的工作不再像從前那樣獨立無聯系，聯調時重復工作多，現在已經有機地結合在一起，各個領域的工作項目交叉滲透，同步進行，使得新產品的生產準備周期工作量更加集中，減少了等待時間，減少了不必要的重復勞動，縮短了生產準備時間。

但數字化、智能化的應用目前還主要集中在應用生產線制造出合格零件這個環節上，從生產環節的流向上看，數字化智能化必須突破生產線的限制，其應用已經而且也必須向上下游發展，逐步伸向前期材料進廠環節和后期成品件的裝箱、倉儲、物流等環節。其技術發展方向集中在：把控長期連續生產下的制件狀態、產品質量的可追溯系統、遠程故障診斷、自動裝箱和電子倉庫技術等，但由于這些都是系統工程，且投資較大，目前國內汽車沖壓領域還較少實施。