文/許成，張純濤，伍宏昆·奇瑞汽車股份有限公司規(guī)劃設(shè)計二院沖壓部

沖壓生產(chǎn)線自動化部件干涉仿真技術(shù)

文/許成，張純濤，伍宏昆·奇瑞汽車股份有限公司規(guī)劃設(shè)計二院沖壓部

高速自動化沖壓線目前已較普遍地運用于沖壓生產(chǎn)線，較之普通自動化生產(chǎn)線，極大地提高了生產(chǎn)效率和制件的一致性，但由于高速線的運行需要綜合壓力機、模具及自動化設(shè)備的運動軌跡曲線集成分析，任一環(huán)節(jié)的不匹配都會成為整線投資建設(shè)的巨大風險，如何準確驗證設(shè)備的匹配情況成為企業(yè)產(chǎn)能及效率提升所面臨的巨大難題，而數(shù)字化分析的手段正是根據(jù)虛擬制造原理、構(gòu)建數(shù)字化制造系統(tǒng)模型然后對整個生產(chǎn)過程進行仿真，對制造系統(tǒng)進行優(yōu)化和重組，改變傳統(tǒng)的現(xiàn)場調(diào)試和落后的方法，極大地縮短項目周期，避免重復(fù)投資，提高了過程準確性。

自動化部件干涉驗證過程

自動化干涉驗證因素

在進行自動化干涉驗證之前，需要分析生產(chǎn)線中對整線自動化有影響的相關(guān)因素，對于沖壓高速生產(chǎn)線來說，對仿真結(jié)果有影響的主要包括壓力機動作、機械手動作以及模具結(jié)構(gòu)，所以在虛擬仿真的過程中，會構(gòu)建這三個部分的三維模型及動作進行干涉驗證。由于三個部分的運動情況互為條件和結(jié)果，所以提供了研究的不同切入方式。

圖1 壓力機的凸輪轉(zhuǎn)角與滑塊行程位移關(guān)系曲線

⑴以壓力機的凸輪轉(zhuǎn)角及滑塊行程位移切入（圖1），反饋出角度與位移的關(guān)系。由于在生產(chǎn)過程中，一般壓力機立柱上會顯示相應(yīng)時刻凸輪轉(zhuǎn)角的度數(shù)，同時在針對相應(yīng)的壓力機凸輪轉(zhuǎn)角，滑塊會有一定的行程位移量。所以，可以通過建立壓力機凸輪轉(zhuǎn)角與滑塊行程位移量的虛擬模型，從而反推出等效的壓力機凸輪輪廓構(gòu)建出壓力機模型，再添加相應(yīng)的機器人、運動軌跡以及模具三維數(shù)模，即可以進行干涉仿真的相應(yīng)工作。

⑵以設(shè)備干涉曲線切入。根據(jù)整線生產(chǎn)的最終輸出形式來看，壓力機和機械手的動作往往以壓力機與機械手的匹配干涉曲線形式輸出，在明確壓力機行程的情況下，機器人的動作軌跡會以相對于上模和下模的兩種方式提供，即不同的參照物會輸出不同的運動軌跡。

如圖2所示，模具中心坐標表示最低取料點及模具中心線，以機械手移出模具為例，任一時刻中取A點，上部分的軌跡線為相對于下模，即為機械手的運動軌跡，下部分軌跡線為相對于上模，則表示以運動中的上模為參照物得出的合運動曲線，可得出以下參數(shù)：壓力機行程L（軌跡形成前已確定），L＝X1＋X2；機械手相對于模具中心位移Y，可以通過行程位移量反推出相應(yīng)時刻，滑塊行程對應(yīng)的壓力機轉(zhuǎn)角，從而得出壓力機凸輪輪廓曲線作為后期仿真的輸入。

圖2 相對上下模機器人的動作軌跡

自動化干涉驗證方法

以壓力機凸輪轉(zhuǎn)角及滑塊位移行程配合的方式進行整線生產(chǎn)的干涉仿真分析。相應(yīng)運動模型的建立，構(gòu)建精確的生產(chǎn)線模型是得出正確運動仿真結(jié)果的前提，這需要建立壓力機、機械手及模具的相應(yīng)虛擬模型以完成仿真過程。

⑴壓力機及凸輪模型。在簡化模型中，需要把握簡易凸輪中心位置及凸輪轉(zhuǎn)角對應(yīng)滑塊位移的關(guān)系。高速線的壓力機曲柄滑塊機構(gòu)和滑塊運動過程可以等效為凸輪轉(zhuǎn)角對應(yīng)于曲柄角度，周期為360°，選定中心點和基圓直徑，疊加不同時刻的位移即可得出輪廓線的離散點（圖3）。

圖3 不同時刻凸輪中心位置及凸輪轉(zhuǎn)角對應(yīng)滑塊位移的輪廓曲線

對數(shù)據(jù)（θ，y）（θ為曲柄旋轉(zhuǎn)角度，y為滑塊行程）進行坐標轉(zhuǎn)換，換算為凸輪輪廓的直角坐標（x，y）；x=（y+r）cosθ；y=（y+r）sinθ；其中r為凸輪基圓直徑。通過得出的（x，y）離散點，構(gòu)成封閉的輪廓，即行程特定條件下的，符合生產(chǎn)線的凸輪輪廓模型。

在得出輪廓模型后，需構(gòu)建壓力機滑塊運動模型，以公司某生產(chǎn)線24000kN壓力機為例，模型中需滿足裝模高度及上下死點位置為1400mm。

⑵滑塊運動方式。凸輪輪廓與滑塊從動桿以點曲線連接接合方式，定義凸輪中心為旋轉(zhuǎn)軸中心建立旋轉(zhuǎn)運動副，同時建立上下往復(fù)運動的連接桿滑動副，凸輪旋轉(zhuǎn)帶動從動桿上下往復(fù)運動，在定義機構(gòu)固定部分及給出機構(gòu)命令后，即可形成壓力機虛擬模型。簡易模型如圖4所示。

機器人模型、模具三維模型見圖5，機器人模型需根據(jù)設(shè)備要求，定義伸長、旋轉(zhuǎn)相應(yīng)的運動副及相應(yīng)固定部分，具體定義方式與壓力機機構(gòu)類似，前提是滿足設(shè)備所有home點位置符合設(shè)備參數(shù)要求范圍，且運動方式相同，以設(shè)備工藝性為前提構(gòu)建與現(xiàn)實設(shè)備一致的虛擬模型。其中，相應(yīng)數(shù)模作包裹處理。

⑶整線生產(chǎn)過程分析。由于仿真的目的在于驗證現(xiàn)場生產(chǎn)狀況，那么所有建立的模型需建立在實際大小尺寸、工作原理且與生產(chǎn)現(xiàn)場同樣的布置環(huán)境中，即還原生產(chǎn)現(xiàn)場的虛擬場景。

所以在干涉驗證之前，需要根據(jù)現(xiàn)場layout布局圖，進行壓力機、機械手及相應(yīng)的輔助設(shè)施設(shè)備資源的布置，在布置完成后，利用workcell sequencing工作模塊進行工藝元素動作方式的串聯(lián)，實現(xiàn)整線聯(lián)動動作，以進行相應(yīng)部位的運動仿真及干涉檢查。

圖4 簡易模型

圖5 機器人模型、模具三維模型

圖6 仿真干涉分析

圖7 日本成熟模擬軟件的仿真模擬

干涉結(jié)果輸出

以某模具的單雙動改造為例，由于涉及到相關(guān)問題及因素，需要將雙動模具改造為單動模具，且改造后轉(zhuǎn)入高速沖壓生產(chǎn)線生產(chǎn)。由于轉(zhuǎn)入和轉(zhuǎn)出的生產(chǎn)線處于不同的生產(chǎn)基地、采用不同的自動化設(shè)備，所以對于改造后的模具結(jié)構(gòu)、導(dǎo)板高度是否滿足新生產(chǎn)線要求、是否存在干涉等問題，可以采取仿真驗證的方法，利用改造后的模具數(shù)模，進行生產(chǎn)線的虛擬驗證，參照模擬結(jié)果評估是否具有改造可能性，從而有效地減少試驗周期、避免實際改造風險和投資的浪費。

通過仿真干涉分析，如圖6所示，得出如下結(jié)論：

⑴取料過程機械手與導(dǎo)板頂端無干涉，在下序的上料過程中，抓取的制件與模具本體有較少干涉，可以通過調(diào)整端拾器結(jié)構(gòu)、機械手橫向桿旋轉(zhuǎn)角度解決。

⑵根據(jù)干涉曲線軌跡，得出在抓取制件過程中，距離下導(dǎo)板頂端156mm，距離上模具下端42mm。

仿真結(jié)果表明，改造后模具轉(zhuǎn)線生產(chǎn)無隱患。

自動化仿真方法對比

考慮到虛擬檢驗方式的局限性，針對上述問題利用日本相關(guān)的成熟模擬軟件進行參考分析，以相同的模具結(jié)構(gòu)和干涉曲線（12次/min）導(dǎo)入，并等效機械手結(jié)構(gòu)，保證取料高度為50mm，仿真模擬過程顯示無干涉風險，驗證了上述仿真結(jié)果的可靠性。

結(jié)束語

以沖壓生產(chǎn)線為研究對象，進行虛擬制造過程的仿真驗證，結(jié)果與實際生產(chǎn)相符，有效地拉近了規(guī)劃與制造的距離，提前預(yù)知設(shè)計、規(guī)劃、制造的過程問題并加以優(yōu)化、避免。因此以制造資源、生產(chǎn)操作和產(chǎn)品為核心，將數(shù)字化的產(chǎn)品設(shè)計數(shù)據(jù)在實際制造系統(tǒng)的虛擬現(xiàn)實環(huán)境中，進行計算機仿真和優(yōu)化的虛擬制造方式將成為后期企業(yè)發(fā)展的有力推手。

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