数字化、智能化技术在汽车冲压领域中的应用

文/高贵麟，牛志强，班永旭，洪波林·一汽轿车股份有限公司技术部

数字化、智能化技术在汽车冲压领域中的应用

文/高贵麟，牛志强，班永旭，洪波林·一汽轿车股份有限公司技术部

汽车领域冲压制造技术从传统的手工单件生产方式先后经历机械化生产、大规模批量生产，高度自动化柔性化生产，逐步向数字化和智能化制造的方向发展。产生这一现象的原因一方面是由于相关可靠控制技术、计算机和网络技术的飞速发展并逐步向汽车冲压制造领域扩展，另一方面冲压领域本身也有不断满足实现冲压产品工艺性，提高设备、材料、能源的利用率和工作效率，以及需要统一、快速、准确地进行通信的技术要求，是内外两方面因素共同作用的结果。目前汽车冲压领域生产制造效率大大提高，零件尺寸精度与产品质量也越来越高，生产方式越来越灵活，体现出的生产柔性和适应性越来越强。本文拟从设备、模具和自动化三个方面分别介绍数字化和智能化技术的具体应用。

设备技术

设备技术的数字化在很早就实现了，目前应用也十分普遍。在控制技术方面数字化的应用更是广泛，各种控制器都配有形式多样功能强大的数字量和模拟量接口来进行数据处理和传输。

设备工艺参数的数字化设定

目前设备技术的主要应用方向是实现各种工艺参数的数字化，使各项参数可量化并可设定调整，减少人为错误和一些定性不准确的情况，使更多参数纳入可列可评范围。先进冲压生产线更是数字化技术的集成应用，如拆垛系统中板料的长度、宽度、厚度、单双料形式、料片最大重量、最大含油量参数选定等；还有一些预选功能，如分层磁铁与气刀、拉伸垫工作方式及模具夹紧器选定等；还有一些连续变化量的设定，如传输皮带位置、清洗机辊子压力、双料片厚度检测范围、压机压力、闭合高度、液压系统温度、流量、压力的设定等，都可以做到可靠、高效及快捷应用。图1为数控液压拉伸垫多点可变压力设定画面。

料垛的堆垛规格和精度是影响拆垛系统乃至整线的一个重要因素，对其进行量化约束，可控制料垛的堆垛质量，降低停台。规定的主要参数有料垛的高度范围要求、料垛的倾斜度、双料垛的最大高度差、料垛的参差度、不等厚料垛最大高度差、料垛中心定位偏心距要求、料垛旋转偏移要求、波浪度要求等。

上述参数本身就是数字量化的，将其作为连续可变的工艺参数录入控制系统是比较容易实现的。较为困难的是将图形化的数据进行数字化处理。目前已实现的有板料涂油区域设定和光学对中系统。

根据工艺要求，不同的板料其涂油区域和涂油量的需求也不同，通过图形化的方式，可以对所需要涂油的区域进行图像化处理和设定，从而实现不同区域对应喷嘴的开闭和流量压力控制，以达到设定的效果。并且每套模具的涂油区域及涂油量作为模具参数进行存储，方便进行更改和保存,如图2所示。

板料的定位对中是传输控制的关键点。传统的机械对中对于形状规则的板料效果较好，而对于形状不规则或有曲边形状的板料则对中效果一直不佳，且不稳定，而光学对中技术成功解决了该问题，目前采用视觉处理系统并结合机器人技术，将所要对中的板料形状以图像数字化方式存储在控制系统中，通过视觉系统采集实际板料的图像，与目标值进行对比，并将形状和位置偏差反馈给机器人手臂，实现偏差量的补偿，效果比机械式对中好。图3为对中区域的图形化参数设定。

设备技术在设备故障排除中的应用

现在冲压压力机逐渐由传统压机向伺服压机过渡，控制形式主要还是采用PLC和工控机相结合的形式。程序结构庞大复杂、使用的元器件种类数量多，软硬件的动作过程及其连锁关系十分繁杂。功能的强大相对应的是故障报警多，令人无从下手分析，且控制过程中软硬件的状态变化动作过程十分短暂，而仅仅根据设备故障报警给出的信息很难推断和还原设备故障的全过程，使得故障的分析排查十分困难。

采用监控PLC程序的软件ANALYZER PRO，可以十分方便准确地实现对控制系统各变量的监控。在软件中加入需要关注的软件变量地址和硬件IO地址，随生产进行实时监控，而且监控变量不限于开关量，对数字量也可进行监控。在软件中对采样时间也可以设定，最低可至1μs，足以记录下各变量的动作状态。根据多个变量的时序变化组合分析，十分方便。

CAE技术的应用

CAE技术是一项基于计算机技术的理论建模分析技术，根据3D形式的模具图纸，根据材料材质进行力学性能分析，研究板料在成形过程中的一系列参数状态变化，验证成形效果并给出修正方向，它免去了耗时耗财的实际实验过程，且大大减轻模具设计工作者的繁杂工程分析和核算过程，在前期冲压件工艺评审、工艺设计和后期的制件整改都有应用。

CAE在工艺评审中的应用

CAE技术可用于模具对设备及自动化的适应状态进行评审,主要评审项为工序数是否满足要求、板料尺寸、模具尺寸是否超限、拉伸区域范围是否受限、制件方向是否符合自动化传输要求、废料排放是否顺畅、零件成形力和拉伸力是否满足偏载要求、确认自动化各轴参数调整范围等。检查确定模具的各项数据是否满足相关要求，或确定在哪条生产线上排产更合适。

通过CAE分析，可以用零件成形性的各项指标进行评判，并预防零件各种缺陷及废品的形成，例如零件的开裂、起皱、冲击线、滑移线、产品负角、圆角精细化、回弹等都可以通过CAE分析予以解决。此外，CAE分析技术还可以对零件状态进行优化，并对一些工艺提案进行前期分析和论证。如等强度料减薄、高强度料减薄以实现车身轻量化的要求；对零件的拆分、合并和重新布置以改变冲压工艺方案；提高材料利用率的提案等。

CAE在工艺设计中的应用

利用CAE技术可以进行模具的DL图（die layout）设计（图4）。根据上游部门发放的产品数据图纸，利用CAE进行造型模拟分析并经过多轮反复修改，随后通过CATIA软件进行逆向造型生成设计，多轮优化后得出最终状态，输出DL图及分析结果，最后锁定数据用于模具设计及制造。

CAE在制件整改中的应用

前期工艺设计时由于CAE分析设置偏差，工艺评审、DL图设计时未进行全工序分析，CAE分析材料性能及尺寸偏差等因素都会影响到CAE分析准确性，导致理论分析与实际调试的差异，严重时使制件产生缺陷。此时需要根据实际情况利用CAE技术进行调整和修改，包括理论模型的重新建立和参数重新设定。甚至有一些经验无法用模型建立的，需以经验数据的形式给出。例如，可以利用现有的实验设备并与钢厂合作进行单向拉伸实验、FLC实验，建立CAE分析用材料数据库，以提升CAE分析用材的准确性；针对制件回弹问题，模具整改存在很难到位，且整改轮数较多的困难，这些问题的产生受调试状态与CAE分析对应性、模具结构的影响。

因此，回弹补偿应当在工艺设计阶段采用CAE分析结果+经验数据的方式进行，避免后期回弹整改工作量大、难度大的问题。总之，在整改过程中可利用CAE模拟分析，可确认模具整改方案的可行性及提高方案的准确性，减少返工，缩短整改时间。

结束语

目前，数字化、智能化技术在汽车冲压领域已得到广泛的应用，从设备、模具、自动化到前期规划设计、调试运行、整改与故障排查，使得这三方面的工作不再像从前那样独立无联系，联调时重复工作多，现在已经有机地结合在一起，各个领域的工作项目交叉渗透，同步进行，使得新产品的生产准备周期工作量更加集中，减少了等待时间，减少了不必要的重复劳动，缩短了生产准备时间。

但数字化、智能化的应用目前还主要集中在应用生产线制造出合格零件这个环节上，从生产环节的流向上看，数字化智能化必须突破生产线的限制，其应用已经而且也必须向上下游发展，逐步伸向前期材料进厂环节和后期成品件的装箱、仓储、物流等环节。其技术发展方向集中在：把控长期连续生产下的制件状态、产品质量的可追溯系统、远程故障诊断、自动装箱和电子仓库技术等，但由于这些都是系统工程，且投资较大，目前国内汽车冲压领域还较少实施。