基于干涉曲线的高速冲压生产线数字化样机技术

赵 兵，杨龙成，魏庆磊，赵先进

（济南二机床集团有限公司，山东 济南 250022）

1 冲压行业发展概述

汽车产业在国民经济中占有重要地位。汽车产业发展的同时能够带动钢铁、石化、机械电子和数控机床等相关产业的发展，为国民经济持续健康发展提供动力。随着国家“碳达峰”、“碳中和”目标的提出，新能源汽车与燃油汽车的竞争日益激烈，加速了汽车产品的更新换代。

目前我国汽车行业生产制造四大工艺中，仅有冲压工艺可以实现国产设备替代。经过多年的技术开发与市场耕耘，以济南二机床集团有限公司为代表的冲压设备已占据国内高端冲压市场近80%的份额。但与此同时，相关冲压自动线运动规划及虚拟仿真技术，与德国、日本相关公司相比，技术差距已然存在，市场推广存在较大差距[1]。

对主机厂而言，冲压技术主要具有工艺要求高、冲压设备复杂、周期长、规模大等特点。冲压成形工件的干涉分析贯穿于工艺设计、模具设计等过程，鉴于模具设计与冲压线设计具有同时性，在相应设计和制造阶段就能评估冲压自动线的生产能力，成为冲压设备商首要解决的技术问题。由此，需要在冲压线设计、工艺设计等过程充分采用计算机辅助技术，如过程仿真优化、虚拟仿真技术等[2]，以满足主机厂对相应技术的需求。

2 干涉曲线基础知识及应用简介

2.1 整线规划基础知识

整线运动规划所涉及的整线运动模型范围，包括各压机冲压工位，以及操作成形工件的上、下料送料臂，也包括其间的成形工件流动。由于成形工件属于被操作对象，或者从属于压机（下模/滑块/拉伸垫），或者与送料的端拾器作为一体而被传送，所以工件运动是一种附属运动，整线运动规划涉及的主动运动体仅为各送料系统及压机。

2.2 干涉曲线基础知识

通过整线运动规划，获得横杆旋转中心相对于滑块（包含上模）、相对于移动工作台（下模）的相对轨迹线，这样就获得了如图1 所示的干涉曲线。干涉曲线可以分为标准干涉曲线与非标准干涉曲线，标准干涉曲线是指在主机厂确定相关压力机主参数后，由设备商根据相应标准，提供通用化的干涉曲线，用于指导前期模具设计；非标准干涉曲线是指在完成模具初步设计后，主机厂通过设备商提供的曲线规划软件，输入特定模具的相应参数，针对性的获得对应此模具的干涉曲线，以期针对性的优化相应模具，以达到理想节拍的目的。

图1 某用户某规格的标准干涉曲线

2.3 干涉曲线使用方法

标准干涉曲线的使用方法如图2 所示。由图可知，标准干涉曲线是在模具初始设计时在合模状态下使用的。在使用标准干涉曲线时，通过将标准干涉曲线依据相应的放置方式（不同送料装置，相应要求略有不同），一般规定，在物流方向，干涉曲线的零点放置在模具/移动工作所在的中心位置，此时为便于端拾器的设置，允许干涉曲线在此位置，沿物流方向移动±100mm；在竖直方向，干涉曲线的零点位置，放置在下模中心区域最高点以上约150mm 位置。此时的位置考虑了相关的端拾器设置及相应横杆尺寸。

图2 标准干涉曲线的使用方法

在检查下模时，通常隐藏上模，调整干涉曲线放置位置，使横杆携带板料，横杆旋转中心在上方两条线（T 线）进行全行程移动，检查整个移动过程中板料/端拾器与下模的干涉情况，以判断与下模的干涉情况。如未干涉且安全距离较大，通常可调整放置点，以期在检查上模时，获得较大的安全距离；如发生干涉，则需调整放置点或更换标准干涉曲线规格。

在检查上模时，通常隐藏下模，使横杆携带板料，横杆旋转中心在下方两条线（RT 线）进行全行程移动，检查整个移动过程中，横杆与上模的干涉情况，整个运动过程中，因滑块/上模处于上行或下行过程，此时的安全距离均为动态，为便于实际生产，此时的安全距离要求，均大于100mm。具体的使用方法如图3 所示。

图3 干涉曲线用于检查模具的方法

3 整线数字化样机技术

3.1 数字化样机技术简介

数字化样机运动仿真技术是指利用计算机辅助技术，在计算机中搭建产品的三维模型，按照产品的实际运行情况进行参数设置，并进行虚拟试验，对其运行情况进行研究分析，进而对产品进行优化的一种技术手段。作为一种全新的产品研发方法，数字化样机运动仿真技术可以在虚拟环境中模拟真实的产品，涉及建模、运动控制、机构学、运动学、动力学和多体系统运动学等一系列学科，并能支持并行工程方法学。此外，数字化样机运动仿真技术还支持信息传递、决策制定、产品和流程，可提供用于产品设计、制造以及维护的虚拟环境，并应用于产品从概念设计到维护服务的全生命周期。从产品的设计、制造到产品的后期维护，数字化样机运动仿真技术为整个生命周期中的产品开发流程提供一个决策和交流的平台。

3.2 数字化样机技术实现途径

PLS（Press Line Simulation）是由Siemens PLM Software 推出的一款冲压自动化行业专用于冲压线仿真的平台软件，集冲压自动线整线规划、模型建立、干涉检查、送料曲线分析、生成分析结果等功能于一体，具有强大的计算分析仿真能力，应用主要面向汽车外覆盖件的数字化制造。

3.3 数字化样机技术实现基础插件

基于PLS 仿真软件平台，针对性的研发机械手曲线规划插件JAMP（JIER Automation transfer system Motion Planning toolkit），该插件的界面如图4所示。其中图4a 为二维干涉检查模块，该模块可根据输入的模具、送料手参数，初步判断出瓶颈工位及各工位的干涉曲线，用于初步干涉检查；图4b 为二维动态干涉检查模块，该模块根据前面输入参数，展示二维动态仿真界面，在此界面上，可根据需求，获得各序安全距离最小时的相位，各序压机间的相位差，实现送料手与上模下料的动态仿真。

图4 JAMP 软件

JAMP 插件是用于济南二机床集团有限公司开发的单臂快速送料线的整线规划软件，该插件可实现整线运动规划以及送料工艺优化，并对整线运动进行分析及优化。

JAMP 插件主要目的是帮助主机厂工艺技术人员检验和改进规划算法，并进行相关曲线的输出，支持PLS 仿真环境下的带件模拟，用于检验规划方法的效率与有效性。

3.4 数字化样机技术应用于干涉曲线

SIEMENS PLS 是一款专门用于冲压线仿真的专用型软件，设备商建立对应产品的冲压线数模，并对整线的运动进行严格定义，对模具（包含板料）的轻量化简化予以指导，使主机厂工艺人员，快速掌握相应的使用技巧，可快速定义相关设备的参数，导入初版模具数据。

JAMP 插件为整线各轴运动规划软件，包括压机间相位差、自动化相位差、自动化各轴运动设置、取料点放料点等参数，由程序自动规划出最优整线节拍，将相关的曲线输出到指定文件夹，对整线数模的运动进行驱动。

主机厂工艺技术人员，将模具导入PLS 软件中，如图5 所示，将下模固定在移动工作台之上；上模固定在滑块之上；板料的归属可分为三类：在前序冲压过程中，板料隶属前序压机；在送料手搬运过程中，板料隶属于送料手；在送料手放置下序压机后，板料隶属下序压机。将所有数模导入成功后，点击整线运动按钮，即可获得该套/该序模具的特定干涉曲线，将该数模输出成轻量化的JT 模型，即可达到样机的二次应用。

图5 数字化样机的干涉曲线界面

在仿真过程中的干涉检查，可有软件内部模块自主实现，在整线运动过程中，如出现干涉，则会有颜色变化提示，以实现快速方便地判断干涉情况，如图6 所示。

图6 数字化样机的干涉提示界面

由JAMP 生成的配方，经过PLS 仿真软件验证后，可导入现场控制程序内，进行下载，经同步微速验证，以期快速实现高速生产。

4 结语

标准干涉曲线的使用，实现了模具在设计阶段，实现成形工件的通过性检查；结合数字化样机技术，更为有效地提高特定模具的具体结构细节优化；在特定模具优化过程中，可通过调整送料手轨迹的优化，离线配方的生成，有效减低试模生产时间，并对整线节拍优化具有十分积极的作用。相关技术经过了多个主机厂进行的相应生产过程验证，取得了积极的效果。