数字化智能冲压车间关键技术

文／韩明，邢晓威，冯永旺·中汽研汽车工业工程（天津）有限公司

在“中国制造2025”和碳中和、碳达峰的大背景下，有序推进数字化智能制造转型升级是我国传统车企迫切要完成的目标。围绕数字化技术手段，以关键智能工艺装备为核心，可以构建一个数据驱动、虚实结合、智能可控、高效安全的数字化、智能化冲压车间，为国内的一些传统车企提供一些思路和建议。

随着工业4.0、智能制造、数字化转型等理念的不断深入，汽车行业不断创新发展，向着智能汽车、电动汽车、互联网汽车等方向转变，用户对产品品质和智能化提出更高的期望，市场竞争也越来越激烈。对于汽车生产制造来说，大幅提高自动化水平，引入智能化元素实现数据的透明传输，实现车间的数字化智能转型升级已成为一种趋势。

冲压生产工艺担负着汽车内板件及大型外覆盖件的生产制造，在整车生产质量和效率环节占据着举足轻重的位置。由于新能源汽车、燃料电池汽车、智能化汽车等多方面的市场导向的要求，汽车产品更新换代较快，促使冲压车间的生产技术需要不断迭代更新。如何更好地将新型的数字化智能技术融入到冲压车间的规划、建设及运营实施中，是冲压车间数字化智能转型升级的关键问题。

冲压车间数字化建模技术

传统规划设计依靠二维设计工具，凭借设计人员个人经验和能力进行二维图纸的设计，完成项目的传统规划设计工作，因而存在一定的经验性及不确定性。传统的二维设计项目案例如图1 所示。

图1 二维设计项目案例

近年来的设计工具由普通的二维设计工具大量转向三维设计工具，原先的厂房主体、公用管线及工艺设备，现在已大量的采用三维工具进行设计，很大程度上解决了工艺设计、公用管线、厂房主体相互之间的干涉问题，大大降低了工程变更、返工的概率，提高了工程设计质量。数字化的三维设计方案依靠先进的数字化工具，可准确高效的进行车间工艺设计，规避了传统设计过程中依赖设计人员个人经验与能力，极大的提高了项目规划的时效性和准确性。

冲压线离线仿真技术

冲压车间模具调试的时间都很长，如果模具的调试工作利用整车厂冲压线，势必会占用冲压车间的大量生产时间，浪费车间设备、人员、物料等资源，降低冲压车间生产效率。为了解决模具调试过程中导致的生产资源浪费和生产效率低下的问题，冲压车间可运用数字化工具，建设基于三维模型的数字化离线仿真平台，将传统的放在车间进行的模具调试工作转换至离散的三维模型系统平台中进行，现有较成熟的数字化仿真系统平台工具有CATIA、UG、SolidWorks 等。利用这些数字化仿真系统工具充分还原现场生产实况，可以在模具的设计阶段完成模具的大部分调试工作，例如全自动压机系统的机械手离线轨迹调试工作、模具离线调试工作、模具干涉曲线检查、端拾器离线调试工作、生产系统节拍分析优化等。通过离线仿真系统平台，可实现以下几方面的离线仿真工作。

⑴机械手离线轨迹调试，通过系统仿真模拟，将压机、机械手、模具之间的运动轨迹关系可视化，提前规避系统的干涉问题。既可进行离线程序编程调试，又可直接导出并应用在冲压系统中，降低后期线体调试时间和成本。

⑵模具干涉曲线检查分析，可以在模具设计开发阶段提前发现干涉问题，避免后期模具调试过程中的干涉碰撞问题。

⑶端拾器离线调试仿真分析，可以分析冲压件吸附点位置的合理性，分析端拾器的运动轨迹，避免端拾器与模具的干涉，为端拾器设计提供指导验证意见。

⑷系统节拍分析优化，通过分析自动化系统各项运动参数，分析出自动机械手运动的最优运动轨迹，降低机械手往复运输时间，对生产节拍进行充分优化，提高线体综合效率。

冲压先进检测技术

蓝光柔性扫描检测技术

传统的冲压件离线检测依靠技术人员经验的情况较多，对检测人员技术要求较高，还要频繁更换检具并进行调试，占用大量的人力、物力、仓储等资源。自动化柔性蓝光扫描3D 技术基于自动同步光学追踪技术，可以无接触、不贴点的快速完成检测，扫描速度快、精度高，实现了便捷高效的自动化检测；同时该技术还可与生产线高效衔接，形成在线视觉检测系统，可大大降低冲压件下线质检工作量。

油膜在线检测及强度在线检测技术

冲压油膜在线检测技术是利用软件测量技术实现实时检测和实时反馈，并且能够根据质量进行实时修正及在线控制。该技术能够实现板材自动上料过程中的板材表面油膜情况的在线检测，根据检测结果调整工艺参数和设备参数，将油膜质量的在线控制并入冲压自动生产流程，建立板材油膜检测数据库，并基于油膜大数据进行工艺优化、设备维护、质量追溯，降低冲压件废品率，是助力提升冲压车间的智能制造体系的重要技术措施。板材强度在线检测基于自动电磁感应原理，是由磁化线圈、传感器以及支撑辊等关键部件组成，能够自动检测铁质板材的屈服特性、抗拉特性以及混晶等导致的板材缺陷，实现了钢材板料长度方向和宽度方向的连续检测，从而保证了每个冲压件的质量都符合要求。

自动视觉装框及AGV 自动入库技术

冲压车间线尾下件工序对冲压件的变形较为敏感，同时质量要求很高，但传统的下件方式采用人工完成，生产节拍快且人员工作负荷大，容易在大而薄的冲压件上产生集中应力造成冲压件局部变形，会对冲压件产生不良的影响。机器人的自动视觉装框技术(图2），根据不同的冲压件采用对应端拾器进行下件，端拾器吸盘的附着力稳定均匀，避免了人工下件的集中应力导致的冲压件变形问题，保证了冲压件质量。同时，可以结合自动质检设备集成为线尾智能化下件提供解决方案，是冲压车间提升智能制造体系的关键手段。

图2 自动视觉装框

传统的线尾冲压件料架是由人工叉车运送至冲压件库，存在线尾物流复杂、污染大、工人负荷大、安全隐患大等很多不足。结合线尾自动视觉装框技术，并集成AGV 自动入库技术(图3），可在自动化冲压线线尾集成一套自动装框、自动入库的便捷高效的智能系统，可实现在集约用地、缩减线尾人员、降低安全隐患、保证冲压件质量、降低产品破损率等多方面降本增效的目的。

图3 AGV 自动入库

车间数字化智能技术

在传统的冲压车间中，不同冲压线之间的生产组织相对独立，设备总图布局分散，容易产生数据孤岛，生产组织主要靠人工，导致冲压车间生产组织与管理效率低下落后、设备开动率低、设备能耗偏高、车间安全系数高等诸多问题。在数字化智能技术逐渐成熟的前提下，汽车工厂冲压车间的数字化智能水平低下，将导致车间的自动化程度低、生产效率低、生产成本高、安全问题大等问题，因此提高冲压车间的数字化智能水平是目前国内整车厂的主要技术提升方向之一。

数字化智能系统(图4）主要包含了生产管理系统、设备实时监控系统、能源实时监控系统、安全环境监控系统、物流管理以及人员管理等多个应用模块，其中生产管理系统及设备实时监控系统是数字化智能系统的关键组成部分，连接了生产及设备两大模块，涵盖了制造执行系统、排程系统、质量系统、设备监控、设备辅助诊断、设备预测性维护、设备检修管理等功能模块。数字化智能系统对车间的生产管理、设备、能源、环境、人员及物流进行了全方位的监管控制，可以显著提高生产效率、提高设备开动率、降低车间能耗、加强设备巡检、精准维保设备，数字化智能系统将逐渐成为冲压车间降本增效提质的有效手段。

图4 数字化智能车间系统架构图

结束语

本文分析总结了冲压车间现今较为先进的数字化智能技术，包含了冲压车间先进检测、自动视觉及自动入库等硬件设施方面的技术，也包含了数字化建模及仿真、数字化智能软件系统等软件方面的技术。数字化智能车间的技术升级并不应该只局限在数字化的软件技术方面，而应该兼顾车间内软件、硬件、人员管理、生产组织等一系列技术提升，这样才能在数字经济时代为企业的数字化智能制造转型升级提供助力。

——文章选自《锻造与冲压》2022年第18期