于明湖

（上汽通用汽車(chē)有限公司 整車(chē)制造工程部，上海 201206）

沖壓運(yùn)動(dòng)仿真PLS在沖壓整線仿真上的應(yīng)用

于明湖

（上汽通用汽車(chē)有限公司 整車(chē)制造工程部，上海 201206）

高速自動(dòng)化沖壓線在國(guó)內(nèi)不斷得到推廣應(yīng)用?？v觀已投產(chǎn)的高速?zèng)_壓線，一方面如何挖掘設(shè)備潛力，提高實(shí)際生產(chǎn)節(jié)拍；另一方面如何提高模具前期設(shè)計(jì)水平，縮短模具上線軌跡聯(lián)調(diào)時(shí)間，對(duì)縮短項(xiàng)目開(kāi)發(fā)周期、提升生產(chǎn)能力意義重大。上汽通用SGM在國(guó)內(nèi)首家應(yīng)用SIEMENS沖壓運(yùn)動(dòng)仿真PLS（Press Line Simulation）軟件進(jìn)行沖壓線與模具集成模擬分析數(shù)字化平臺(tái)研究，建立了一套SGM專屬的與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備工藝屬性完全一致的沖壓線與模具集成模擬分析數(shù)字化平臺(tái)。

高速?zèng)_壓線；沖壓運(yùn)動(dòng)仿真；PLS；沖壓線虛擬仿真；生產(chǎn)節(jié)拍；模具設(shè)計(jì)

轎車(chē)的沖壓零件數(shù)占其零件總數(shù)的75%以上[1]。沖壓裝備在汽車(chē)工業(yè)中的地位舉足輕重，發(fā)展汽車(chē)工業(yè)和沖壓裝備技術(shù)對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展將起到重要推動(dòng)作用[2]。隨著高速自動(dòng)化沖壓線的推廣，汽車(chē)沖壓生產(chǎn)效率得到了很大的提升。但部分模具在初期軌跡調(diào)試時(shí)，受到結(jié)構(gòu)限制，軌跡調(diào)整非常困難，費(fèi)時(shí)費(fèi)力且存在很多碰撞風(fēng)險(xiǎn)，最終導(dǎo)致生產(chǎn)效率不高。

縱觀已投產(chǎn)的高速?zèng)_壓線，一方面，如何讓實(shí)際生產(chǎn)節(jié)拍得到深入挖掘，充分用足設(shè)備柔性，發(fā)揮設(shè)備潛在的優(yōu)質(zhì)特性；另一方面，如何提高模具前期設(shè)計(jì)水平，減少模具初期設(shè)計(jì)問(wèn)題，優(yōu)化模具設(shè)計(jì)方案，縮短模具上線軌跡聯(lián)調(diào)時(shí)間，對(duì)縮短整個(gè)產(chǎn)品項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)周期、提升工廠生產(chǎn)能力具有及其重要的意義。

相比國(guó)外而言，國(guó)內(nèi)沖壓線整線模擬技術(shù)發(fā)展較為緩慢。應(yīng)用SIEMENS沖壓運(yùn)動(dòng)仿真PLS（Press Line Simulation）軟件進(jìn)行沖壓線與模具集成模擬分析數(shù)字化平臺(tái)研究的主機(jī)廠更是鳳毛麟角，項(xiàng)目挑戰(zhàn)大。采用信息技術(shù)是現(xiàn)代制造業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。汽車(chē)車(chē)身沖壓自動(dòng)化生產(chǎn)線（簡(jiǎn)稱沖壓自動(dòng)線）的運(yùn)動(dòng)仿真是在虛擬環(huán)境中對(duì)生產(chǎn)線的主要元素進(jìn)行三維建模，并裝配成線，然后驅(qū)動(dòng)虛擬生產(chǎn)線，模擬真實(shí)生產(chǎn)線的運(yùn)行情況[3]。

本文從該項(xiàng)目總體思路、技術(shù)方案、目前達(dá)到的階段性成果幾方面來(lái)闡述PLS在沖壓整線仿真上的應(yīng)用。

1 總體思路及目的

采取“虛擬控制器研發(fā)→虛擬控制器嵌入與界面開(kāi)發(fā)→集成仿真與送料優(yōu)化功能應(yīng)用→現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試確認(rèn)與驗(yàn)證→項(xiàng)目推廣應(yīng)用”的技術(shù)路線，在項(xiàng)目每一個(gè)環(huán)節(jié)通過(guò)開(kāi)發(fā)與測(cè)試試驗(yàn)相結(jié)合的方法確保各項(xiàng)技術(shù)的扎實(shí)研發(fā)與項(xiàng)目的穩(wěn)步推進(jìn)。

本文所述的數(shù)字化仿真平臺(tái)是基于SIEMENSPLS軟件開(kāi)發(fā)的沖壓線整線與模具集成模擬仿真模型，其核心內(nèi)容是壓力機(jī)、沖壓件自動(dòng)化搬運(yùn)系統(tǒng)以及模具之間的運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系的建模與仿真。通過(guò)該仿真平臺(tái)的模擬，來(lái)解決沖壓現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)常遇到的以下的問(wèn)題：

（1）新項(xiàng)目初期，沖壓生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)存在大量的軌跡調(diào)試工作，經(jīng)常存在自動(dòng)化運(yùn)動(dòng)部件與模具、設(shè)備干涉損壞的險(xiǎn)情。

（2）部分模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，造成后期模具上線調(diào)試時(shí)匹配性不好，調(diào)試時(shí)間長(zhǎng)，節(jié)拍低甚至無(wú)法滿足連續(xù)運(yùn)行模式，不得已采用斷續(xù)模式生產(chǎn)。

（3）現(xiàn)場(chǎng)Tooling的設(shè)計(jì)需要有經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)人員針對(duì)工件反復(fù)試裝配，即使有經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)人員也將耗費(fèi)大量的時(shí)間和精力。由于自動(dòng)沖壓線造價(jià)高昂，所以應(yīng)盡量減少?zèng)_壓線的停機(jī)時(shí)間[4]。

2 技術(shù)方案

如圖1所示，本項(xiàng)目中該仿真平臺(tái)的建立涉及到PLS系三個(gè)模塊軟件：PL-Maker、PL-Admin、PLSimul，三個(gè)模塊軟件之間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分明，邏輯層次嚴(yán)密。

圖1 PLS系統(tǒng)架構(gòu)

PL-Maker：作為核心技術(shù)平臺(tái)，用于搭建沖壓線整線模擬運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系及邏輯結(jié)構(gòu)。其包含壓力機(jī)、自動(dòng)化（含端拾器及其部件）、模具（上下模及其運(yùn)動(dòng)零部件）、板料（零件）之間的位移（角位移）、速度（角速度）、加速度（角加速度）等運(yùn)動(dòng)特性之間的模型建立，以及壓力機(jī)與壓力機(jī)之間、自動(dòng)化與自動(dòng)化之間的運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系的交互匹配模型。

PL-Admin：作為壓力機(jī)、自動(dòng)化、模具、板料/零件等三維模型數(shù)據(jù)的處理模塊，用于將相關(guān)的設(shè)備、模具和零件的結(jié)構(gòu)特性賦予通過(guò)PL-Maker搭建的運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系模型，作為下一步處理的基礎(chǔ)。

PL-Simul：作為計(jì)算分析及后處理的模塊，用于對(duì)PL-Maker和PL-Admin建立好的運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系模型和設(shè)備、模具、零件特性進(jìn)行計(jì)算分析并得出之間的匹配和干涉驗(yàn)證報(bào)告，同時(shí)作為優(yōu)化調(diào)整挖潛的依據(jù)。

基于SIEMENS-PLS的沖壓線整線模擬技術(shù)的核心單元沖壓線自動(dòng)化系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)曲線控制器的開(kāi)發(fā)及其與仿真平臺(tái)的嵌入集成工作：

在“虛擬控制器研發(fā)”環(huán)節(jié)，通過(guò)軌跡、扭矩和報(bào)警臨界值的系列比對(duì)確保虛擬控制器的準(zhǔn)確性；通過(guò)與實(shí)際運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的對(duì)接試驗(yàn)和實(shí)際軌跡測(cè)量試驗(yàn)，確保虛擬控制器與實(shí)際控制系統(tǒng)的兼容性。

在“集成仿真與送料優(yōu)化功能應(yīng)用”環(huán)節(jié)，搭建SGM專用端拾器庫(kù)，實(shí)現(xiàn)模具設(shè)置、雙件分離等高級(jí)功能的實(shí)現(xiàn)，通過(guò)工作流程的總結(jié)和規(guī)范化，提升仿真軟件使用的規(guī)范性、熟練程度和工藝優(yōu)化的效能，提前識(shí)別并規(guī)避干涉風(fēng)險(xiǎn)，縮短試模周期，提升生產(chǎn)節(jié)拍。

在“現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試確認(rèn)與驗(yàn)證”環(huán)節(jié)，通過(guò)幾組代表性典型零件的仿真優(yōu)化與實(shí)際驗(yàn)證對(duì)比，評(píng)估仿真系統(tǒng)的使用效果、優(yōu)劣得失。

在“項(xiàng)目推廣應(yīng)用”環(huán)節(jié)，對(duì)前期工作進(jìn)行技術(shù)總結(jié)并編制技術(shù)文檔與手冊(cè)，并對(duì)SGM同線生產(chǎn)的典型零件進(jìn)行針對(duì)性的進(jìn)一步仿真、優(yōu)化與現(xiàn)場(chǎng)提速。

3 階段性成果

通過(guò)PLS整線仿真技術(shù)，建立了集合現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備工藝特性的專有高速?zèng)_壓線模型，如圖2所示。其主要特點(diǎn)如下：

（1）實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化與模具干涉情況的預(yù)先檢查，離線優(yōu)化軌跡曲線，提升模具與設(shè)備匹配性，挖潛整線生產(chǎn)節(jié)拍。

（2）在模具前期進(jìn)行充分模擬優(yōu)化，將模具與設(shè)備匹配問(wèn)題解決在項(xiàng)目初期，減少模具后期調(diào)試壓力，縮短試模周期。

（3）創(chuàng)建專屬?zèng)_壓線端拾器標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)，優(yōu)化設(shè)計(jì)，節(jié)省端拾器設(shè)計(jì)費(fèi)用。

通過(guò)實(shí)際測(cè)試，總結(jié)獲得的效益如下：

（1）提高生產(chǎn)節(jié)拍。通過(guò)對(duì)多套典型模具進(jìn)行實(shí)際軌跡優(yōu)化測(cè)試，生產(chǎn)節(jié)拍平均提升1.2spm。

（2）節(jié)省端拾器設(shè)計(jì)成本。應(yīng)用沖壓線模擬技術(shù)，可降低50%的設(shè)計(jì)費(fèi)用。

（3）降低單車(chē)型模具的試模成本。應(yīng)用沖壓線模擬技術(shù)可減少60%軌跡調(diào)試時(shí)間。

圖2 整線主體部分模型

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著工業(yè)4.0概念的問(wèn)世，制造業(yè)向智能化轉(zhuǎn)型已成趨勢(shì)。作為汽車(chē)制造主機(jī)廠，應(yīng)乘工業(yè)4.0之東風(fēng)，搏智能制造之浪，通過(guò)數(shù)字化仿真工具優(yōu)化傳統(tǒng)制造過(guò)程，向數(shù)字化生產(chǎn)線乃至數(shù)字化工廠的智能制造的未來(lái)進(jìn)發(fā)。

[1] 徐 剛，等.金屬成形（鍛壓）機(jī)床的發(fā)展趨勢(shì)[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2005，40（3）.

[2] 王曉強(qiáng)，霍 穎.沖壓生產(chǎn)線快速橫桿式自動(dòng)化輸送系統(tǒng)[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2010，45（1）.

[3]常劍峰，鐘約先，韓贊東，等.轎車(chē)車(chē)身沖壓生產(chǎn)線虛擬制造系統(tǒng)的研究[J].塑性工程學(xué)報(bào)，2004，11（4）：61-66.

[4] 林正英，沈 斌.車(chē)身沖壓線中端拾器的仿真設(shè)計(jì)[J].制造業(yè)自動(dòng)化，2007，（5）.

Application of PLS in the whole press line simulation

YU Minghu
（Vehicle Manufacturing Engineering,SAIC General Motor Co.,Ltd.,Shanghai 201206,China）

The high speed press line has been promoted into application in China.The improved production rate and die design can shorten the project exploring cycle and improve the productivity.The PLS(Press Line Simulation)from SIEMENS has been adopted to study the simulation analysis numerical platform for integration of punching line and die.The simulation analysis numerical platform for integration of punching line and die exclusive to SGM has been established with which accord the site equipment process properties.

High speed press line;Press motion simulation;Press line simulation;Production rate;Design for die

TG385.9

B

10.16316/j.issn.1672-0121.2016.02.016

1672-0121（2016）02-0061-03

2015-09-17；

2015-11-06

于明湖（1983-），男，整車(chē)制造工程部沖壓設(shè)備工程師。E-mail:Minghu_Yu@saic-gm.com