基于数字化样机的大型高速冲压线离线配方生成技术

2022-09-14杨龙成赵先进王祥雨孙文军陈洪广

锻压装备与制造技术 2022年4期

关键词：压力机样机离线

赵兵，杨龙成，赵先进，王祥雨，孙文军，陈洪广

（1.济南二机床集团有限公司压力机及自动化公司，山东济南 250022；2.北京车和家信息技术有限公司，江苏常州 213164）

1 冲压行业发展概述

汽车工业作为国民经济支柱产业之一，随着自主品牌市场占有率的稳步提高，为钢铁行业、石化行业等上下游行业的发展，提供了稳定的动力来源。

近两年来，我国新能源汽车获得极大发展，国内新能源汽车技术水平走到了世界前沿行列。而新能源汽车的发展，必然与燃油汽车产生激烈竞争，故汽车产品的更新换代已然加快。

汽车行业是自动化程度最高的行业之一。目前在我国汽车行业各制造工艺中，仅冲压工艺可以实现完全国产化。在“大型先进智能冲压设备国家重点实验室”的加持下，济南二机床集团有限公司致力于自主知识产权的冲压设备研发及技术迭代，获得了主流主机厂近80%的市场，并在国外市场攻城略地，占据了近30%的市场。但在大型高速冲压生产线数字化样机技术方面，与德国、瑞士等行业巨头，仍然存在相当的技术差距，在市场推广方面，仍需进一步的开拓市场。

2 整线数字化样机技术

2.1 数字化样机技术迫切性需求

大型汽车冲压工艺具有以下特点：工艺要求高、冲压设备规模大、周期长、设备较为昂贵、冲压设备与模具设计生产具有同步性，等。鉴于此，如何有效利用冲压设备、模具设计生产节拍，有效评估相应模具的节拍，及针对性地对模具结构优化，成为主机厂、模具供应商需要优先解决的技术难题。

针对冲压设备规划的复杂性，冲压设备的整线调试需要较长时间，设备自动化集成程度高，需要花费较长时间用于模具试模。所以如何缩短整线试模时间，并让操作人员尽快熟悉掌握设备的调试方法，是主机厂较为迫切的需求。因此，针对性地开发出冲压设备的数字化样机技术，可极大地影响主机厂、模具设备商的技术需求，实现相关产品的快速推广应用。

2.2 数字化样机技术存在的问题

得益于计算机科学的发展，数字化样机技术在许多行业都获得了较快发展，如整车虚拟测试样机技术，可有效降低整车测试周期、降低整车测试成本等，对汽车产业的发展，提供了十分有益的推动。

冲压线数字化样机技术，经过多年的发展，相关工业软件巨头均开发出相应的软件，如CATIA V5 PLS 和SIEMENS PLS等，可实现冲压过程的虚拟仿真。

冲压设备商在多年技术积累的基础上，纷纷开发出冲压专用搬运设备，相关设备具有核心知识产权，使得冲压设备商因知识产权问题无法向软件供应商开放代码，从而造成无法实现冲压设备的离线化的整线数字化样机技术。

2.3 数字化样机技术实现

针对现有技术瓶颈，济南二机床集团有限公司开发出自主知识产权的单臂快速送料装置，并将总控程序中的整线轨迹规划部分进行离线化技术实现，即JSG 整线规划技术，实现了总控整线轨迹规划程序与JSG 整线规划程序的统一化，保证离线规划仿真软件的曲线、配方与总控程序的配方具有一致性、精确性，保证了配方可以离线生产并具有完整的精确性。

JAMP（JIER Automation transfer system Motion Planning toolkit）整线轨迹规划软件界面如图1 所示。在该整线轨迹规划软件上，可以根据实际模具的参数，进行整线节拍评估、轨迹规划等操作，结合SIEMENS PLS 三维仿真软件，共同实现冲压线整线数字化样机技术。

图1 JAMP 某生产线显示界面

3 离线配方生成及导入生成控制程序

冲压线实质是由上序搬运装置将成形前的板料放置在模区内，压力机完成冲压，并由下序搬运装置取出，放置在下一序工位。在此过程中，分为两种工作模式：一种为连续工作模式，一种为断续工作模式。无论那种工作模式，均需要实现避免搬运装置与下模、上模的干涉，如实现相应功能，均需要将冲压线相关工艺参数输入，以实际的工艺参数，完成整线轨迹、相位等求解的基本参数输入。

3.1 配置整线工艺参数

在整个冲压过程参数设置中，整线工艺参数是整线得以运行最为基础的参数。整线工艺参数包含基本参数、模具参数、上游干涉点、下游干涉点、工件参数及端拾器参数等。整线工艺参数配置界面如图2所示。

图2 整线工艺参数配置界面

基本参数模块包含模具的工艺代号、车型类别、目标生产节拍等，此部分参数主要是对特定模具有一个文字性描述，以明确此配方的适用对象等；模具参数模块包含此模具的合模高度、模具宽度、工作台高度等基本参数，此部分参数主要是模具的外形轮廓参数，以期对模具外形建立基本轮廓；上游干涉点与下游干涉点参数模块，此部分参数用来描述上/下游的模具关键节点参数，以期建立上模的干涉区域；工件/端拾器参数模块，此部分参数用来描述特定模具的工件/端拾器参数，以期在规划单臂轨迹时，避免工件/端拾器与下模干涉；安全距离参数模块，包含两部分的内用，相邻机械手之间的安全距离（包含端拾器/板料），机械手与特定模具上模之间的安全距离，以期设定的安全距离，达到冲压设备商的建议值，达到用户所能接受的允许值。

3.2 配置送料单元参数

在整个冲压过程参数设置中，送料单元的轨迹设置是避免上模/下模干涉、送料单元之间干涉的决定因素。送料单元的参数设置包含基本参数设置、虚轴控制、旋转设置及侧移设置等，如图3 所示。

图3 某送料单元参数配置界面

基本参数模块包含送料单元的取/放料点、提升高度、速度系数、HOME 点高度、速度系数等关键参数，以期根据输入的参数，获得送料单元的轨迹曲线；侧移参数模块包含设置双件分离参数，包含双件分离距离值、双件分离动作关键点等，以期适用于一模双件工况；旋转设置参数模块，用于设置横杆旋转参数设置，以期实现横杆在进出模区时，实现横杆旋转，更好躲避上/下模的干涉点。

当相关参数设置完成后，可进行该送料单元的轨迹求解，求解完成后，在轨迹曲线的右侧，上方区域默认显示该送料单元的轨迹曲线，同时可供查看该送料单元横杆末端的位移、速度、加速度曲线，为端拾器吸盘设计，提供基础计算参数。

3.3 配置压力机参数

在整个冲压过程参数设置中，压力机是完成冲压的执行单元，对于大型机械压力机冲压生产线而言，此部分的参数是已知确认的，故此部分的参数，仅为主机厂提供查看功能，无法提供设置功能。

该部分默认显示该工位的压力机滑块行程曲线、速度曲线、加速度曲线，可根据需求进行单独显示，在此曲线中，可供查看压力机在任意行程位置的速度与加速参数，为模具设计提供相应参数。

3.4 离线配方生成及配方在线仿真

上述模块参数根据特定要求输入完成后，进行求解设备计算。求解设备计算主要进行送料单元自身轨迹的规划；求解设备计算完成后，进行求解整线计算，此部分计算，主要进行轨迹适应与压力机行程曲线、上/下模的干涉区域躲避、整线相位的求解。

整线计算完成后，可查看该套模具的仿真功能（图4）。该部分可对上述输入的整线工艺参数、送料单元参数、压力机参数完成整线冲压过程的显示，在此部分如果出现送料单元小臂与上模、端拾器/板料与下模出现干涉现象，则需返回对应参数进行修订。

图4 在线仿真界面

当求解整线计算完成后，检查干涉的另一个实现方式为返回配置送料单元参数模块，此时查看干涉曲线模块，即可查看每个送料单元与对应模具的一个干涉分析。如小臂最外侧的轨迹线与上模轮廓交叉，即为发生干涉，需调整对应参数，以实现干涉的躲避。如图5 所示。

图5 干涉检查界面

3.5 离线配方PLS 仿真验证

前述的仿真是二维情况下的仿真，由于模具是三维结构，二维仿真时的模具参数，是按照设定的规则提取的关键点，无法精确反馈模具全部轮廓特征，故需进行三维仿真验证，以完全避免干涉现象出现。

进行PLS前，需将整线规划曲线输出到对应文件夹，以驱动PLS PressLine 数模，实现整线运行轨迹的实现（图6）。此时，注意曲线输出界面下方的提示参数，包含各序压力机的BDC（下死点）整线相位角参数，各序送料单元的UL（取料点）、L（放料点）整线相位角参数，这是在PLS 仿真所需要的关键参数。

图6 整线运动轨迹输出界面

PLS 仿真基本流程是，打开特定冲压生产线的PressLine 数模，将对应上模、下模、板料、端拾器等数模导入到PressLine中，鉴于实际情况，端拾器数模的获得较为困难，如无此部分数模，在PLS 中可根据需求，进行对应数模的搭建。

导入所需数模后，呈现的效果如图7 所示。打开干涉检查按钮，在整线运行过程中，该软件可自主进行干涉检查，可根据干涉检查实际情况，返回JAMP进行相关参数修订。

图7 整线运动PLS 仿真界面

在PLS 配合JAMP 规划软件优化整线轨迹时，需要注意以下关键点：①冲压工艺规格、拉伸垫行程、闭锁行程、拉伸垫编程相位，需与实际工况保持一致；②各项安全距离、抛料高度、仿真位置精度的要求，需满足冲压生产需求；③离线配方需满足于仿真模型的一致性要求，在容许误差及安全距离要求下，一次性通过整线仿真无干涉运行；④各序送料手的取料点需尽可能优化，包括其高度、物流方向位置等，以增大可用的送料单元与上模的安全距离、提升节拍及运行安全性。