文／秦鵬，方赫，杜慶輝，陸振東·機(jī)械工業(yè)第九設(shè)計(jì)研究院有限公司

在全球數(shù)字經(jīng)濟(jì)時(shí)代，隨著汽車產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，傳統(tǒng)的汽車制造業(yè)生產(chǎn)模式已經(jīng)愈發(fā)不能滿足市場(chǎng)的需求，汽車制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)勢(shì)在必行，走智能制造之路則是傳統(tǒng)制造企業(yè)面對(duì)變革挑戰(zhàn)能做的選擇之一。繼機(jī)械化、電氣化、自動(dòng)化之后，全球制造業(yè)正在向數(shù)字化和智能化轉(zhuǎn)型升級(jí)。

沖壓作為汽車制造領(lǐng)域的首道工藝，沖壓產(chǎn)品質(zhì)量的好壞與生產(chǎn)效率的高低對(duì)整車生產(chǎn)起著重要作用。近年來，沖壓車間隨著汽車制造業(yè)自身生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，其整體也在向智能化方向不斷邁進(jìn)，這其中三維設(shè)計(jì)和仿真軟件的應(yīng)用對(duì)沖壓車間的數(shù)字化規(guī)劃起到了關(guān)鍵作用，鑒于此，如何結(jié)合新技術(shù)開發(fā)出一種快速有效的三維數(shù)字化規(guī)劃方法來完成沖壓車間的工藝方案規(guī)劃是提升沖壓車間智能化水平的關(guān)鍵。

虛擬沖壓車間的建立

車間設(shè)備三維模型的建模

傳統(tǒng)設(shè)計(jì)模式下，沖壓車間的工藝規(guī)劃主要依靠原有類似項(xiàng)目的布置經(jīng)驗(yàn)，工藝設(shè)備、公用管線、廠房主體三部分在設(shè)計(jì)、施工等各階段相對(duì)獨(dú)立，導(dǎo)致在施工過程中會(huì)出現(xiàn)設(shè)備、公用管線、廠房?jī)?nèi)各種平臺(tái)之間的相互干涉等情況，從而造成施工變更、返工等情況的發(fā)生，影響施工進(jìn)度、造成項(xiàng)目拖期及不必要的損失。

針對(duì)此問題，需建立沖壓車間各組成部分的三維模型，組成虛擬沖壓車間，通過在虛擬沖壓車間中對(duì)各組成部分之間的關(guān)系進(jìn)行檢查，即可準(zhǔn)確分析干涉情況。

車間設(shè)備三維模型主要利用三維設(shè)計(jì)軟件完成，如MicroStation、CATIA、SolidWorks 等。車間三維模型建模的復(fù)雜程度猶如真實(shí)車間的建立過程，設(shè)備單元模型、區(qū)域模型以及廠房模型前期皆需投入大量的人力物力完善，但模型通用性較強(qiáng)，對(duì)未來其他項(xiàng)目往往具有借鑒意義。

設(shè)備三維模型建模步驟如下：

⑴三維設(shè)備模型種類。乘用車沖壓車間常用設(shè)備及工位器具，毛坯存放區(qū)的毛坯存放柜，毛坯生產(chǎn)區(qū)的開卷剪切線，模修區(qū)的研配壓力機(jī)和試模壓力機(jī)，模具存放區(qū)的模具以及承載模具的枕軌，沖壓生產(chǎn)區(qū)的沖壓生產(chǎn)線、自動(dòng)化設(shè)備，廢料處理區(qū)的廢料輸送線，沖壓件返修區(qū)的鈑金燈廊，沖壓件存放區(qū)的貨架，車間的起重機(jī)、電動(dòng)平板車、AGV 小車和叉車等。在以上各設(shè)備中，均有多種型號(hào)，選取其典型的一種或幾種型號(hào)進(jìn)行建模，為組建三維模型庫打下基礎(chǔ)。

⑵建立三維設(shè)備模型。當(dāng)前形勢(shì)下，設(shè)備制造商利用三維軟件建模是行業(yè)普遍趨勢(shì)，各關(guān)鍵單元一般均有三維模型，可直接通過設(shè)備制造產(chǎn)商獲取三維模型。對(duì)個(gè)別設(shè)備無法取得三維模型或設(shè)備制造商提供的數(shù)據(jù)與實(shí)際需求差別過大的情況，需通過設(shè)備的二維圖紙以及對(duì)設(shè)備實(shí)物的觀察，完成設(shè)備三維模型的建立。

車間設(shè)備三維模型的建立為車間整體三維模型的開發(fā)打下了基礎(chǔ)，同時(shí)逐步豐富了車間的三維模型庫。需要注意的是，車間整體三維模型的建立是為了更好、更直觀地完善車間的規(guī)劃方案；檢查車間各區(qū)域、各設(shè)備間的干涉情況，主要用到的是生產(chǎn)線設(shè)備的外形輪廓尺寸，內(nèi)部機(jī)械機(jī)構(gòu)不作為重點(diǎn)，但各設(shè)備的外形輪廓與尺寸務(wù)必準(zhǔn)確。部分設(shè)備三維模型如圖1、圖2 所示。

車間整體三維模型的建模

車間整體三維模型的建模工具為Revit、MicroStation 等軟件。沖壓車間整體工藝模型包含土建模型、工藝設(shè)備模型與公用管線模型，模型中可為關(guān)鍵的設(shè)備單元及土建公用模塊賦予參數(shù)，從而解決設(shè)計(jì)階段與施工階段的斷層。

建立車間三維模型的具體步驟如下：

⑴獲取車間工藝設(shè)備的建模數(shù)據(jù)并建模(前文已有詳細(xì)說明)。將所有與車間有關(guān)的設(shè)備三維模型以數(shù)據(jù)庫形式存放，以方便后期調(diào)用。

⑵建立車間的土建模型。以建筑軸網(wǎng)為基準(zhǔn)，逐步建立建筑墻面、柱、屋面、梁、地面等模型，完善門、窗、天車軌道等細(xì)節(jié)，為項(xiàng)目規(guī)劃、正式投產(chǎn)使用與后期運(yùn)營維護(hù)等階段提供實(shí)時(shí)的信息數(shù)據(jù)支撐，尤其對(duì)土建施工階段涉及到的干涉問題以及隱蔽工程管控問題有效。

⑶建立車間的三維管線匯總模型。三維管線匯總是對(duì)公用管線的標(biāo)高、管徑、位置進(jìn)行詳細(xì)的記錄，從空間上直觀地觀察管線、設(shè)備與土建之間的干涉問題，為用戶前期施工提供了便利條件，節(jié)約工程成本；后期可根據(jù)車間內(nèi)管線的變化對(duì)匯總模型進(jìn)行實(shí)時(shí)更新，記錄車間內(nèi)公用管線的變化情況，方便日后的改造與維護(hù)。

⑷將各部分三維模型匯總，完成三維車間整體建模。首先，確定車間的二維平面布置圖，該二維平面布置圖包括車間各區(qū)域土建組成及工藝設(shè)備定位；其次，將二維平面布置圖導(dǎo)入三維模型中，為三維模型定位提供參考；最后，將前述步驟中已經(jīng)建立好的三維模型定位在對(duì)應(yīng)的車間定位點(diǎn)上即可。

三維數(shù)字化車間涵蓋了從車間設(shè)計(jì)、施工到生產(chǎn)運(yùn)營的全過程，傳統(tǒng)的規(guī)劃手段僅僅依靠傳統(tǒng)的工作環(huán)境，借助二維圖紙的布局，利用個(gè)人經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行判斷、分析，最終完成規(guī)劃方案，其方案具有較多的經(jīng)驗(yàn)性、不確定性及不準(zhǔn)確性，而三維數(shù)字化規(guī)劃方法依靠三維軟件及其相應(yīng)的功能，可以高效地得出準(zhǔn)確合理的車間工藝布局，極大程度地減少了人工的分析判斷時(shí)間，提高了方案規(guī)劃的精準(zhǔn)性。車間整體三維數(shù)字化模型如圖3 所示。

車間生產(chǎn)信息化管控系統(tǒng)

車間生產(chǎn)信息化管控系統(tǒng)分為兩方面，一方面是車間生產(chǎn)信息的管理，數(shù)據(jù)采集是該管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)，通過數(shù)據(jù)采集可以收集產(chǎn)品生產(chǎn)數(shù)據(jù)、設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)、了解在制品的狀態(tài)等。通過對(duì)這些信息的分析和處理便于對(duì)現(xiàn)場(chǎng)情況及時(shí)做出反應(yīng)。對(duì)于底層智能設(shè)備的數(shù)據(jù)采集和控制可通過設(shè)備提供的接口訪問。越來越多的智能設(shè)備自帶的軟件接口也為數(shù)據(jù)的采集和管理提供了方便。制造執(zhí)行系統(tǒng)模塊眾多，企業(yè)為了降低項(xiàng)目實(shí)施的風(fēng)險(xiǎn)和費(fèi)用，也會(huì)采用分步實(shí)施的策略，隨著工廠引進(jìn)的應(yīng)用模塊越來越多，制造執(zhí)行系統(tǒng)負(fù)荷越來越大，其后期計(jì)算能力的擴(kuò)展也是必須要考慮的一個(gè)因素。

另一方面是對(duì)車間生產(chǎn)過程的監(jiān)控，通過該監(jiān)控系統(tǒng)可直接顯示車間各工作單元的狀態(tài)，如沖壓線內(nèi)各臺(tái)設(shè)備、沖壓線間自動(dòng)化系統(tǒng)及廢料輸送線等設(shè)備的運(yùn)行情況，沖壓線的故障信息，毛坯存放區(qū)、模具存放區(qū)以及沖壓件存放區(qū)的飽和率等參數(shù)。通過該套系統(tǒng)的分析對(duì)車間內(nèi)各設(shè)備形成預(yù)測(cè)性維護(hù)，讓生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的問題消滅在萌芽狀態(tài)。

在引進(jìn)管控系統(tǒng)之前，生產(chǎn)異常狀況經(jīng)常出現(xiàn)，電話溝通頻繁，引進(jìn)該系統(tǒng)后可通過系統(tǒng)的分析清晰地了解當(dāng)前生產(chǎn)狀況。該系統(tǒng)作為連接企業(yè)上層計(jì)劃管理系統(tǒng)和下層生產(chǎn)控制系統(tǒng)的信息樞紐，主要負(fù)責(zé)生產(chǎn)管理和調(diào)度執(zhí)行，確保生產(chǎn)按計(jì)劃執(zhí)行。從生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)采集并處理生產(chǎn)數(shù)據(jù)，監(jiān)控生產(chǎn)狀態(tài)及生產(chǎn)異常，分析并反饋生產(chǎn)績(jī)效，同時(shí)涵蓋了庫存、物流等生產(chǎn)上下游環(huán)節(jié)的基本功能，從而有效彌補(bǔ)了制造業(yè)計(jì)劃層與控制層之間的管理空白。

結(jié)束語

沖壓車間數(shù)字化規(guī)劃有兩條主線，一條主線是通過3D 技術(shù)對(duì)車間的整體情況進(jìn)行建模，立體地呈現(xiàn)車間整體規(guī)劃方案，這是實(shí)現(xiàn)車間數(shù)字化轉(zhuǎn)型的基礎(chǔ)。另一條主線是車間信息化管控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)計(jì)劃調(diào)度、生產(chǎn)物流、工藝執(zhí)行、過程質(zhì)量、設(shè)備管理等生產(chǎn)過程各環(huán)節(jié)及要素的精細(xì)化管控。兩條主線交匯，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)設(shè)備與信息化系統(tǒng)之間互聯(lián)互通，解決設(shè)計(jì)階段、施工階段和生產(chǎn)運(yùn)營階段之間的斷層，這將成為打造數(shù)字化沖壓車間的必要條件。