冲压车间数字化规划技术应用探索

文／秦鹏，方赫，杜庆辉，陆振东·机械工业第九设计研究院有限公司

在全球数字经济时代，随着汽车产业的飞速发展，传统的汽车制造业生产模式已经愈发不能满足市场的需求，汽车制造业的转型升级势在必行，走智能制造之路则是传统制造企业面对变革挑战能做的选择之一。继机械化、电气化、自动化之后，全球制造业正在向数字化和智能化转型升级。

冲压作为汽车制造领域的首道工艺，冲压产品质量的好坏与生产效率的高低对整车生产起着重要作用。近年来，冲压车间随着汽车制造业自身生产规模的不断扩大，其整体也在向智能化方向不断迈进，这其中三维设计和仿真软件的应用对冲压车间的数字化规划起到了关键作用，鉴于此，如何结合新技术开发出一种快速有效的三维数字化规划方法来完成冲压车间的工艺方案规划是提升冲压车间智能化水平的关键。

虚拟冲压车间的建立

车间设备三维模型的建模

传统设计模式下，冲压车间的工艺规划主要依靠原有类似项目的布置经验，工艺设备、公用管线、厂房主体三部分在设计、施工等各阶段相对独立，导致在施工过程中会出现设备、公用管线、厂房内各种平台之间的相互干涉等情况，从而造成施工变更、返工等情况的发生，影响施工进度、造成项目拖期及不必要的损失。

针对此问题，需建立冲压车间各组成部分的三维模型，组成虚拟冲压车间，通过在虚拟冲压车间中对各组成部分之间的关系进行检查，即可准确分析干涉情况。

车间设备三维模型主要利用三维设计软件完成，如MicroStation、CATIA、SolidWorks 等。车间三维模型建模的复杂程度犹如真实车间的建立过程，设备单元模型、区域模型以及厂房模型前期皆需投入大量的人力物力完善，但模型通用性较强，对未来其他项目往往具有借鉴意义。

设备三维模型建模步骤如下：

⑴三维设备模型种类。乘用车冲压车间常用设备及工位器具，毛坯存放区的毛坯存放柜，毛坯生产区的开卷剪切线，模修区的研配压力机和试模压力机，模具存放区的模具以及承载模具的枕轨，冲压生产区的冲压生产线、自动化设备，废料处理区的废料输送线，冲压件返修区的钣金灯廊，冲压件存放区的货架，车间的起重机、电动平板车、AGV 小车和叉车等。在以上各设备中，均有多种型号，选取其典型的一种或几种型号进行建模，为组建三维模型库打下基础。

⑵建立三维设备模型。当前形势下，设备制造商利用三维软件建模是行业普遍趋势，各关键单元一般均有三维模型，可直接通过设备制造产商获取三维模型。对个别设备无法取得三维模型或设备制造商提供的数据与实际需求差别过大的情况，需通过设备的二维图纸以及对设备实物的观察，完成设备三维模型的建立。

车间设备三维模型的建立为车间整体三维模型的开发打下了基础，同时逐步丰富了车间的三维模型库。需要注意的是，车间整体三维模型的建立是为了更好、更直观地完善车间的规划方案；检查车间各区域、各设备间的干涉情况，主要用到的是生产线设备的外形轮廓尺寸，内部机械机构不作为重点，但各设备的外形轮廓与尺寸务必准确。部分设备三维模型如图1、图2 所示。

车间整体三维模型的建模

车间整体三维模型的建模工具为Revit、MicroStation 等软件。冲压车间整体工艺模型包含土建模型、工艺设备模型与公用管线模型，模型中可为关键的设备单元及土建公用模块赋予参数，从而解决设计阶段与施工阶段的断层。

建立车间三维模型的具体步骤如下：

⑴获取车间工艺设备的建模数据并建模(前文已有详细说明)。将所有与车间有关的设备三维模型以数据库形式存放，以方便后期调用。

⑵建立车间的土建模型。以建筑轴网为基准，逐步建立建筑墙面、柱、屋面、梁、地面等模型，完善门、窗、天车轨道等细节，为项目规划、正式投产使用与后期运营维护等阶段提供实时的信息数据支撑，尤其对土建施工阶段涉及到的干涉问题以及隐蔽工程管控问题有效。

⑶建立车间的三维管线汇总模型。三维管线汇总是对公用管线的标高、管径、位置进行详细的记录，从空间上直观地观察管线、设备与土建之间的干涉问题，为用户前期施工提供了便利条件，节约工程成本；后期可根据车间内管线的变化对汇总模型进行实时更新，记录车间内公用管线的变化情况，方便日后的改造与维护。

⑷将各部分三维模型汇总，完成三维车间整体建模。首先，确定车间的二维平面布置图，该二维平面布置图包括车间各区域土建组成及工艺设备定位；其次，将二维平面布置图导入三维模型中，为三维模型定位提供参考；最后，将前述步骤中已经建立好的三维模型定位在对应的车间定位点上即可。

三维数字化车间涵盖了从车间设计、施工到生产运营的全过程，传统的规划手段仅仅依靠传统的工作环境，借助二维图纸的布局，利用个人经验进行判断、分析，最终完成规划方案，其方案具有较多的经验性、不确定性及不准确性，而三维数字化规划方法依靠三维软件及其相应的功能，可以高效地得出准确合理的车间工艺布局，极大程度地减少了人工的分析判断时间，提高了方案规划的精准性。车间整体三维数字化模型如图3 所示。

车间生产信息化管控系统

车间生产信息化管控系统分为两方面，一方面是车间生产信息的管理，数据采集是该管理系统的基础，通过数据采集可以收集产品生产数据、设备状态数据、了解在制品的状态等。通过对这些信息的分析和处理便于对现场情况及时做出反应。对于底层智能设备的数据采集和控制可通过设备提供的接口访问。越来越多的智能设备自带的软件接口也为数据的采集和管理提供了方便。制造执行系统模块众多，企业为了降低项目实施的风险和费用，也会采用分步实施的策略，随着工厂引进的应用模块越来越多，制造执行系统负荷越来越大，其后期计算能力的扩展也是必须要考虑的一个因素。

另一方面是对车间生产过程的监控，通过该监控系统可直接显示车间各工作单元的状态，如冲压线内各台设备、冲压线间自动化系统及废料输送线等设备的运行情况，冲压线的故障信息，毛坯存放区、模具存放区以及冲压件存放区的饱和率等参数。通过该套系统的分析对车间内各设备形成预测性维护，让生产过程中产生的问题消灭在萌芽状态。

在引进管控系统之前，生产异常状况经常出现，电话沟通频繁，引进该系统后可通过系统的分析清晰地了解当前生产状况。该系统作为连接企业上层计划管理系统和下层生产控制系统的信息枢纽，主要负责生产管理和调度执行，确保生产按计划执行。从生产现场实时采集并处理生产数据，监控生产状态及生产异常，分析并反馈生产绩效，同时涵盖了库存、物流等生产上下游环节的基本功能，从而有效弥补了制造业计划层与控制层之间的管理空白。

结束语

冲压车间数字化规划有两条主线，一条主线是通过3D 技术对车间的整体情况进行建模，立体地呈现车间整体规划方案，这是实现车间数字化转型的基础。另一条主线是车间信息化管控系统，实现对计划调度、生产物流、工艺执行、过程质量、设备管理等生产过程各环节及要素的精细化管控。两条主线交汇，实现生产设备与信息化系统之间互联互通，解决设计阶段、施工阶段和生产运营阶段之间的断层，这将成为打造数字化冲压车间的必要条件。