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

沖壓生產線調試、優化及故障解決

自動化調試已經不僅僅局限于保證制件的高節拍自動化傳輸，同時還需運用自動化技術在提高調試效率、降低自動化停臺以及對現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生產線調試技術自主開發。

在伺服生產線投入使用之初，返廠首次上線自動化調試需要16 小時實現生產線自動出件，幾乎占模具返廠調試階段總上線時間的1/4，連續占用生產線影響生產，調試過程勞動強度大。因此，在保證生產線自動化高節拍的前提下，提高自動化在線調試效率，縮短在線調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)。保證搭建及調試數據的一致性，并做到數據可共享調用，這可極大節省線上端拾器搭建及調試時間。

圖13 多功能多維度端拾器離線搭建平臺

2)離線建立數據、多人協同工作。

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

為了節約線上調試時間，在模具上線前，就將虛擬仿真參數、運動曲線等數據提前導入到設備中，這樣既不影響生產，又不占用線上調試時間。

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

通過離線建立數據、多人協同工作等措施，單品種可節約線上調試時間2 ～3 小時。

3)離線檢驗模具安裝條件，實現首次上線自動化換模。

由于伺服生產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。

為了減少調試時間，將安裝條件由線上檢驗轉為離線檢驗。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域內，避免自動換模時發生碰撞。

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

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

⑵機器人調試技術。

為了使設備更好地滿足工藝及節拍要求，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化，以降低高節拍下的故障停機。現以對中影像識別故障為例進行分析。

原因分析：經過在現場對問題進行實際觀察與分析，發現某些制件由于示教樣本板料邊緣過多，如圖14 所示，偶發對中影像識別率低、連續報警的情況；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，偶發對中影像無法識別或誤識別情況，產生大量停臺，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

優化方案：優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；優化對中機器人端拾器，優化對中皮帶位置，重新進行光學對中示教。優化前后的對中影像如圖16 所示。

圖16 優化前后的對中影像

沖壓自動化及伺服輔助工藝技術自主開發

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沖壓線工藝參數設計及調試，可實現工藝參數的最優化，從而實現工藝質量提升和生產穩定性提升。

針對如何通過自動化技術輔助工藝實現質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化，消除高速生產過程中高速沖擊帶來的壓痕問題；

⑵通過上模帶件優化，消除高速生產過程中上模負壓釋放緩慢造成的帶件情況；

⑶通過快速節拍提升，不改變拉延成形過程而快速提升整線節拍，消除生產速度提升造成的拉延質量衰減；

⑷通過優化線尾下件方式，解決下件質量缺陷及提升撿件效率。

問題描述：由于目前沖壓生產線線尾是由人工質檢及裝箱，有些制件的工藝布置方向會給質檢及裝箱帶來不便，例如門內板生產過程中，質檢人員會對鎖孔質量進行檢查，但門內板工藝布置如圖17(a)所示，造成鎖孔質檢困難。

圖17 優化前后門內板下件方向

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90°后放在傳輸皮帶上，并盡量將制件的邊緣靠近外側，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

通過經驗積累規避了以往仿真軟件應用的痛點，確定了新工廠的規劃方案(圖18)。該方案是國內首次實現集成包含拆垛、對中、壓機、機械手、線尾等生產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新車型首次上線調試時間由行業平均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、規范、論文等形式得到固化積累。

結論

⑴首次將沖壓自動化虛擬制造技術由沖壓工裝生產準備中細化提煉出來，并建立了涵蓋前期產品評審、工藝會簽、模具結構會簽、自動化虛擬仿真、自動化曲線設計、生產線參數設計、端拾器設計、端拾器搭建、生產線調試及優化的全面的工作體系。

⑵建立端拾器數據庫及自主仿真設計，并通過了與整線保持一致的傳輸離線搭建平臺規劃應用，實現上線前端拾器零差異搭建及調試。

⑶在車型端拾器生準過程各階段，分別采用工藝結構優化、傳輸物流方向標準化、零部件國產化、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工藝參數的最優化，實現了工藝質量提升和生產穩定性提升。

⑸該項目依托數字化仿真技術創新性地將生產線自動化調試技術在模具生準中提煉為專項核心業務。從立足現場解決實際問題出發，堅持“離線，離線，再離線”的指導思想，不斷深化仿真技術、拓展仿真內涵、延伸仿真業務，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務模型，在體系建設、提質增效、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。