关于汽车冲压智能化的探讨(上)

文／叶梦彬，李坤义，别大勇·广汽乘用车有限公司

本文简单介绍了笔者关于汽车冲压智能化的一些看法，对包括材料准备、工装准备、冲压生产、质检装箱和出入库的自动化和智能化，以及生产管理、质量管理和设备管理的信息化和智能化进行了探讨。

随着科技的进步，工业制造水平也不断提高，国内掀起了一股工业4.0 与“中国制造2025”的讨论热。工业1.0 是蒸汽机时代，工业2.0 是电气化时代，工业3.0 是信息化时代，工业4.0 是利用信息化技术促进产业变革的时代，也就是智能化时代。作为21 世纪最重要的产业、国民经济的支柱产业之一，汽车行业代表一个国家的工业水平，汽车制造行业的自动化、信息化、智能化自然成为了热门话题。

汽车零部件的生产涉及多个环节，其中冲压工艺是重要的生产环节之一，也是制造高精度汽车零部件的核心技术之一；冲压工艺是汽车整车生产四大工艺之首，要实现汽车制造的智能化，必然要实现冲压的智能化，如何实现汽车冲压的智能化是一个重要的课题。作为项目负责人，笔者曾参与规划过包括一个较高智能化水平的汽车工厂在内的多个汽车工厂，也考察过国内多个信息化、智能化的标杆企业，对汽车工厂的自动化、信息化、智能化有过深入的思考和见解。这里，笔者分享一些对汽车冲压车间实现智能化的个人看法。

冲压生产的智能化

要实现冲压的智能化，首先要实现冲压的自动化。自动化是实现智能化的基础和前提，智能化是自动化的发展和终极方式，是一种具备“人工智能”的自动化。所谓自动化，是指机器或装置在无人干预的情况下按规定的程序或指令自动进行操作或控制的过程。智能化是指事物在网络、大数据、物联网和人工智能等技术的支持下，所具有的能动态地满足人的各种需求的属性。因此，智能化大致有两种含义：①采用人工智能理论、方法和技术处理信息与问题；②具有“拟人智能”的特性或功能。而实现智能化的一个必须条件和前提是所有设备和生产关联部门的联网和信息传递，也就是信息化。

冲压自动化是指冲压车间各设备在无人工干预的情况下，按照生产控制程序完成既定动作和实现自动生产，所有的生产活动不依靠人力，只依靠电气化设备自动完成。如果再进一步，对所有设备和生产关联部门进行联网，自动收集生产、质量、库存及公司生产指示、后续车间生产计划等信息，与生产设备的运行信息如能耗监测、设备运行监测等进行统计和大数据分析，在无需人工干预下自主完成——自动生成生产计划，分析设备运行状态，自动生成设备维保计划和故障风险报告等“拟人智能”工作，就属于冲压的智能化。将所有冲压设备和相关生产关联部门联网并进行信息收集就是冲压的信息化，因此对于汽车冲压领域来说要实现智能化，自动化是基础，信息化是必要条件。

冲压车间的生产流程

要谈汽车冲压的智能化，需要先介绍一下冲压车间的生产流程。如图1 所示，冲压车间生产的基本流程包括生产准备、生产、出入库这三个部分，其中生产准备即为冲压生产所需材料、工装的准备，包括材料准备、模具准备、工装准备等；狭义的生产指冲压生产过程，包括生产、质检、装箱；出入库包括零件入库、零件返修出入库、零件出库。要实现冲压生产智能化，这里的每一个流程都必须自动化。

图1 冲压生产的基本流程

冲压生产的智能化

当前，国内汽车企业生产过程的自动化已普遍比较成熟，国内绝大多数主流汽车厂家的冲压车间生产过程已实现自动化(尽管自动化的方式有所不同)。近年，新建冲压生产线甚至已普遍实现普通机械压力机生产线连续模式生产，突破了机械压力机线只能断续生产的惯常模式，极大提高了生产效率。很多生产线也实现了一定程度上的信息化和智能化，如生产计划会自动传输到生产线进行生产组织，自动监测设备的运行状况并进行统计分析等，但是材料准备、工装模具准备、线尾质检装箱等则普遍依靠人工，连基本的自动化都还没有实现。所以在这里，我们先讨论一下材料准备、冲压线工装模具准备和线尾质检装箱的自动化和智能化如何实现。

⑴冲压材料准备的自动化与智能化。

1)来料管理。

一般是指钢板材料配套企业的生产，以及生产完成后将钢板材料运送到汽车主机厂冲压车间的过程，不过钢板材料的生产和运输是厂外生产活动不涉及本文讨论的范围。汽车厂冲压车间只需通过建立一套生产信息共享系统，将必要的生产指示共享给钢板材料配套企业，通过生产控制系统接收配套企业的生产管理信息、库存信息，对与本企业相关的生产活动进行管理，并根据配套企业的这些信息进行大数据分析，指导安排自己的生产活动，就实现了来料管理的信息化与智能化。

2)材料准备。

这个比较简单，采用无人叉车和立体仓就实现了材料准备的自动化。主机厂冲压车间要做好材料的生产准备智能化，最好是建一个立体仓，用于存放和实现智能化管理材料的出入库。简单来讲，材料在配套企业落料后用物流车送到冲压车间卸货区进行卸货，卸货区地面要做好物流车辆导正和到位提示装置，物流车通常采用飞翼箱式货车(图2)。材料卸货后进入材料仓库，再根据冲压生产计划安排将生产所需材料出库并送到生产线进行生产，这就是冲压材料的准备。

图2 飞翼箱式货车

3)材料仓库。

可以通过当前已相当成熟的仓库智能管理系统、无人智能叉车或物流机器人、自动质检系统实现。材料卸货采用自动叉车(图3)或者AGV 叉车，将材料从厂外材料物流车上卸货并送到入库缓存区进行自动质检；自动质检系统(图4)质检合格，通过依次扫描托盘码和材料码并进行信息绑定后，下发入库指令；中控调度系统接到入库指令，自动筛选合适货架货位，调度自动叉车叉取材料搬运至指定库位，完成原材料入库，并将任务信号反馈给调度系统，同步更新库位管理系统，完成材料入库；车间进行生产时，根据生产管理系统发布的生产指示信息，中控调度系统选择出库所需的原材料并下发出库指令，调度系统收到出库指令，在库位系统中筛选对应原材料，生成出库任务并调度自动叉车，从指定库位叉运材料至冲压线的线首工作台，完成出库任务与上线任务，并将任务信号反馈给调度系统，同步更新库位管理系统，完成材料出库，这就实现了材料准备的智能化。

图3 自动叉车

以上是外包材料配套的材料准备智能化实现方案。如果是车间内落料，落料线将卷料落料后，自动叉车或AGV 小车将材料送到材料立体仓库，按上述流程和方法完成入库，出库和库存管理与采用厂外材料配套的材料准备模式一样。

自动质检系统、中控调度系统、库位管理系统都是仓库智能管理系统的一部分。仓库智能管理系统还包括生产指令的输入与分析、库存信息的整合分析、库存信息传输及材料出入库管理等功能。这些智能化管理系统当下已经完全成熟，当前国内某大型电商公司已经采用更先进的物流机器人、智能仓储系统进行物流管理，其智能化改造方法和技术对汽车生产的各部分物流智能化改造升级也有重要的参考意义，基于新物流技术的发展，冲压材料的准备可以实现更高的智能化水平。

⑵工装准备的智能化。

冲压线的线外工装生产准备，主要包括模具准备、吊运、更换和端拾器更换两部分。

1)模具准备、吊运、更换。

在生产前，模具应达到可保证生产顺利完成、品质合格的状态，这就是模具准备。模具准备工作涉及模具的维修保养，当前要实现模具的维修保养自动化，完全脱离人的作业是不可能的，至少将来在一定时期内模具维保作业实现无人作业还不可能做到，但是模具维保的工作是可以实现智能化管理的，模具的状态是可以实现大数据收集和智能化分析的。通过收集模具的当前生产状态信息，尤其是冲压件品质信息、历史制造信息、历史维保信息、历史使用信息、已使用寿命信息、生产排产信息等，并且进行大数据分析，确定模具状态及维保需求，制定维保计划并安排实施，这就是实现模具维保的智能化。

模具换模的自动化可采用数控天车(图5)来完成。将整个车间坐标化，压力机工作台模具安装位置和每套模具在模具存放区的位置可以事先设定，通过数控天车可实现模具自动吊运。生产完毕的模具随压力机工作台开出线外，数控天车首先根据指示信号到指定位置将模具吊运回模具原存放位置进行存放，或者吊运到模具维修区指定位置进行存放以备维修保养，然后按照指示信号到指定位置将指定模具吊运到压力机工作台上放好待安装。

图5 数控天车

当前，模具吊模的自动化已经十分成熟，模具的自动备模在国内的一汽大众等企业早已经实现。将来为了精确定位模具存放位置，识别模具抓取位置，精确投送至工作台上及模具存放位置，还可以给天车加上视觉三维识别系统，从而精准的定位模具抓取与存放的精确位置。将模具吊运根据生产计划进行调度，将天车系统与生产管理系统、模具库位管理系统进行通讯实现信息化，再通过给天车加上智能管理控制系统，能够根据生产计划实时完成自动模具吊运，变成智能天车，这样就实现了模具吊运、更换的智能化。

生产车间内部两侧墙体或两排立柱之间的空间，工业行业内通常定义为车间的“跨”。每一跨的天车通常只能在本跨范围内移动，如果模具从一跨的模具存放区运送到另一跨的冲压生产线进行生产，就需要过跨，这个时候就需要用到模具过跨车。模具过跨的自动化可通过自动过跨车(图6)实现，自动过跨车已有成熟的产品，其原理可以简单理解为AGV 小车。如果将自动过跨车与天车联动，统一由天车智能管理控制系统进行管理，模具存放区的数控天车按生产指示将模具吊运到停放于指定位置的自动过跨车上，过跨车完成过跨移动后停放于指定位置，生产线的数控天车自动执行过跨车和冲压线压力机工作台之间的模具吊运，完成跨线换模，这样就完成了过跨车的智能化。

图6 自动过跨车

2)端拾器的准备和更换。

端拾器准备的自动化，可以通过AGV 小车和自动化仓库实现。类似于材料管理，为了实现库存管理的自动化，端拾器管理也应该建一个端拾器立体仓(图7)，用于存放和管理端拾器。生产线生产完毕完成自动更换端拾器后，端拾器AGV 小车或物流机器人将端拾器运送到端拾器立体仓，立体仓自动识别或根据生产信息识别端拾器后将其收入，并且存放到指定位置。

图7 端拾器立体仓

下一次，需要生产的端拾器由立体仓自动出库，端拾器小车或物流机器人将端拾器运送到指定位置以备下一次生产更换。将以上这些设备和生产活动通过车间生产管理系统进行控制，与生产线等其他设备进行联网，就实现了端拾器准备的信息化和智能化。

⑶主线冲压生产的智能化。

前面说过，主线冲压生产过程国内绝大多数汽车厂家都已实现自动化，并且实现一定程度上的智能化，包括自动拆垛、清洗、涂油、对中，自动上料，压力机＋机械臂断续或连续模式冲压，自动下料等，以及生产线根据车间生产计划自动完成更换材料、更换模具、更换端拾器并调整相关参数，更换调整完成后可自动进行生产，并根据生产控制指示信息运行和停机，对生产信息、运行信息进行基本的统计等这些基本智能化功能。

如果要实现冲压车间的智能化，要进一步提升信息化水平，如将冲压生产线控制软件进行升级，进一步对如能耗监测、设备运行监测等设备运行信息进行统计和大数据分析，分析设备运行状态，自动生成设备维保计划和故障风险报告等，并上传上级管理系统，同时监控线首的材料准备，线上的模具准备、工装准备，尤其是线尾的质检、装箱、入库及零件台车准备等生产运行情况，收集信息进行实时分析，实时管理、修正自己的生产运行，如出现质量问题及时停线等，同时，将信息上传生产管理系统。

⑷质检、装箱、入库的智能化。

线尾部分包括零件的质检、装箱和入库，如图8所示。自动质检是目前汽车冲压生产实现自动化、智能化中最难实现的部分，目前行业内未完全实现自动质检。当前，视觉技术对于微小差异的识别能力还不足，对于暗裂和麻点这种需借助工具打磨后才能显现的隐形缺陷的检测识别技术还有待提高。虽然自动装箱和自动入库在技术上相对简单，在很多新建汽车工厂冲压车间早已实现，但是对于非新建工厂，自动装箱要对线尾设备进行改造，还需要对零件台车进行改造，往往投入偏高，改造的线尾空间不一定足够。新建工厂不存在台车改造成本高和线尾空间不足的问题。

图8 线尾自动化

1)质检的智能化。

首先谈谈质量检测的自动化。零件质检一般包括数孔、开裂、暗裂、起皱、变形、压痕、麻点、检测精度等，完成质检动作的自动化可以依赖机器人、视觉相机和定制光源来实现，这些属于是硬件；要实现质检智能化和无人化，需要依赖算法和视觉相机分辨率的提升，这些属于是软件。

通过高精度相机进行图像采集，发现局部质量差异，通过2D 算法、3D 算法、AI 算法和算法加速等视觉分析技术进行算法分析，判断出缺陷种类和严重程度、是否合格、是否可返修、是否直接报废等，并将信息发送给管理系统，判断是否应停机、是否应报警、是否该进行模具维修，分辨缺陷种类并输入到缺陷数据库进行大数据分析，这就是质量检测的智能化。

①技术现状。

以目前的自动质检技术，可实现数孔数，检测开裂、起皱、变形、毛刺等，其中缺陷检测精度可以达到1mm，孔径识别范围5 ～100mm，视觉景深范围0 ～350mm，可适应的生产节拍也能达到15SPM 以上。自动质检的难度在于以当前的光学识别精度，由于冲压零件形状复杂多样，要准确识别暗裂并判断是否合格还存在困难，需要光学设备进一步提高精度水平与设备足够柔性化。

目前主流的自动质检实现过程(图9)：识别零件信息后→通过视觉机器人带动视觉装置进行图像采集→算法模型同步开展对缺陷的识别分类→将缺陷信息显示在运行大屏上，为缺陷处理提供依据→记录缺陷并储存在零件大数据里，为后期分析及趋势化管理做储备。

图9 自动质检的基本流程

目前视觉识别方式主要有大视野检测、平面高精度检测、复眼检测、3D 检测等，如图10 所示。当前技术水平下，要较好的完成自动质检与保证质检质量需要进行多种检测方式的组合。

图10 主要的视觉识别方式

当前，国外自动质检研究方案一般为激光扫描头＋柔性机器人形式，如图11 所示，通过采集散斑图案获取点云及相位条纹，根据突变识别缺陷。该方案由于检测效率低，无法满足线上全零件检测的节拍需求，通常采用抽检的方式进行或是线上采用局部抽检的方式使用。

图11 国外自动质检研究方案

当前，国内部分厂家的自动质检实现方案一般为2D 相机＋结构光，如图12 所示，通过对图像进行预处理，进行图像分割、提取特征进行识别。

图12 国内自动质检研究方案

以上两种国内、外质检技术方案均有一定的局限性，无法有效地对暗裂、压痕、凸凹点等问题进行检查，目前都存在检测准确率偏低和一定程度上的误报，无法检出暗裂、起皱、麻点等缺陷。这就是当前自动质检的技术现状。

②组合方法。

想要更有效地实现自动质检，应参考人工质检的方案，采用国外方式＋国内方式结合的方法(国内方式进行线检，国外方式进行抽检)。通过线检＋抽检相结合来实现自动质检，线检负责检查孔数、开裂、起皱、变形等易识别缺陷，并增加线检机器人对隐形缺陷进行打磨和识别；抽检通过柔性质检机器人打光提高暗裂位置的视觉差异度(类似人工质检手电筒打光)及视觉扫描识别暗裂。这样就能有效提高自动质检的检出能力，解决暗裂和麻点检出能力不足的问题。

总之，车间的质量管理要建立一套专门的智能质量管理系统，在线质检管理系统作为质量管理系统的最重要部分，要有一套蓝光检测系统对产品精度进行检查，对生产的质量检测信息进行收集、统计、分析、计算和管理。通过一整套完善的算法判断生产的产品品质是否合格、是否需要返修，生产是否需要停机、是否可以生产，模具是否需要维修、模具故障位置等，并统计质量信息，进行大数据分析，分析质量的变化趋势和特点，预估模具维保的节点用于指导模具维保的开展，分析材料质量是否异常，进行相机控制、拍照控制、光源控制、算法控制、数据统计、缺陷展示等，并与系统对接，接受上级的指示信息、向上级系统发送质量记录信息、质量分析信息、质量统计信息，进行设备监控等，这就是质量管理的智能化。

以上内容通过当前的技术是完全可以实现的，国内一些著名的自动化技术企业、视觉技术企业都有开展相关的业务。

2)装箱的智能化。

目前，自动装箱系统(图13)在国内外都有较多应用。自动装箱主要有两种主流方案。

图13 自动装箱系统

方案一：机器人＋2D 视觉引导抓件＋台车精定位。该方案对台车精度与台车定位精度要求较高。

方案二：机器人＋2D 视觉引导抓件＋3D 视觉引导装箱，即通过视觉引导机器人进行抓取零件并完成装箱。

行业内技术方案成熟，但仍然有很多不足。为了视觉拍照的准确性及稳定性，皮带采用步进形式的居多，以及必须对零件台车形式进行一定程度上的统一。目前，3D 视觉引导装箱技术正在应用中，可降低台车定位精度，但容易受到环境振动的影响。

将自动装箱系统与自动质检系统联动，自动装箱机器人根据自动质检的判断区分合格品和不合格品，就可以实现区分良品与不良品，并进行计数。接收生产指示并将统计信息传输给车间生产管理系统用于生产管理，对生产指示及计数信息进行分析并将信息传输给台车调度系统以控制台车的准备和更换，这样就实现了自动装箱系统的智能化。

3)出、入库及库存管理智能化。

零件入库自动化可利用无人叉车、AGV 叉车进行地面输送或者输送链进行空中或地下坑道输送，更高端一点可以参考某电商企业的物流机器人模式进行入库输送。零件装箱完成之后，可以通过自动叉车或者AGV 小车(图14)将装好零件的台车运输到零件仓，由零件仓完成扫描分类入库。立体仓投资大，如果场地够大且分类库存做得好，零件的库存不一定要有立体仓。立体仓有利于对零件进行出入库管理、分类库存，库存空间利用率更高。如果有足够的预算，建一个高度自动化、智能化的立体仓还是很有必要的。

图14 AGV 小车

可建立一个智能化库存管理系统管理零件出、入库，管理台车回收、统计、库存与供应，管理返修及分类、出入库。零件库存管理系统通过接收上级生产指示和收集后方车间的实时生产信息进行出库，并对库存信息实时调整，分析库存数据和整理库存信息，发送给冲压车间生产管理系统以实现生产智能化管理，将库存信息发送公司生产管理系统和后方车间生产管理系统，以协调生产和共享信息。

根据后方工艺车间生产需要进行零件的自动出库，台车的回收管理与生产调度。通过台车调度系统进行智能化管理，台车与零件库存、出入库高度相关，台车调度系统作为零件库存管理系统的一部分进行管理。对于待返修件需要设立待返修件区，并对待返修件进行分类管理，按生产计划出库到返修区进行返修，返修完成后重新入库到合格品区，这样就实现了库存管理的智能化。零件仓到返修区的物流也可以通过上述物流方式实现。

目前，库存管理和物流智能化这一块的技术国内发展的已相当成熟，各大型电商企业都有相关应用可以提供借鉴，国内也有不少库存管理智能化项目的承包商。

《关于汽车冲压智能化的探讨》(下)见《锻造与冲压》2024 年第4 期