文/范宏平，許映高·上汽大通汽車有限公司南京分公司

目前，隨著整車沖壓車間自動(dòng)化裝備的大量應(yīng)用，包括零件沖壓、行車吊運(yùn)、物料裝箱、物料配送等環(huán)節(jié)上不斷提升自動(dòng)化率，如何提升沖壓生產(chǎn)的信息化、數(shù)字化、智能化，充分發(fā)揮自動(dòng)化裝備優(yōu)勢成為了首要任務(wù)。而沖壓車間由于其生產(chǎn)的特殊性，在計(jì)劃調(diào)度和生產(chǎn)過程管理方面不同于整車制造其他三大工藝車間的需求，工廠層面上雖然規(guī)模應(yīng)用了MES、ERP 等制造系統(tǒng)，但在沖壓自制件環(huán)節(jié)的應(yīng)用并不多見，沒有形成有效的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)，沖壓車間往往成為了汽車四大工藝中的“信息孤島”。

本文主要介紹我廠沖壓車間在數(shù)字化能力建設(shè)中的思路及案例，為數(shù)字化沖壓車間概念的進(jìn)一步拓展提供思路借鑒。

沖壓車間數(shù)字化建設(shè)規(guī)劃

我廠沖壓車間配備了6250 噸全自動(dòng)雙臂高速?zèng)_壓線(圖1)、數(shù)控伺服液壓拉伸墊，輕量化模具，SMARTON 卷揚(yáng)起重機(jī)，360°AGV 智能小車等自動(dòng)化設(shè)備，同時(shí)以MES 系統(tǒng)為核心，構(gòu)建生產(chǎn)過程監(jiān)控系統(tǒng)、整線數(shù)字化仿真平臺(tái)、智能物料管理平臺(tái)、在線零件孔位質(zhì)量檢測系統(tǒng)、智能能源管控以及設(shè)備預(yù)測性維護(hù)系統(tǒng)等數(shù)字化系統(tǒng)(圖2)，將沖壓制造朝著安全、綠色、柔性化、數(shù)字化的智能制造方向進(jìn)一步發(fā)展。

生產(chǎn)過程監(jiān)控系統(tǒng)(PMC)

目前，生產(chǎn)過程實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)(PMC)已經(jīng)成為各大汽車制造公司的標(biāo)配系統(tǒng)。沖壓車間PMC 通過與每條沖壓線線體總控PLC 通訊，從而提供沖壓線生產(chǎn)過程的實(shí)時(shí)監(jiān)控，指示故障情況、報(bào)警和操作模式，有助于快速響應(yīng)，同時(shí)對(duì)生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄和分析，找出瓶頸，進(jìn)行問題改進(jìn)，為車間的生產(chǎn)計(jì)劃、產(chǎn)能分析、ASPM 提升提供依據(jù)，從而達(dá)到節(jié)約管理成本、提高管理效率和效益的目的，如圖3 所示。

同時(shí)沖壓車間PMC 系統(tǒng)集成車間現(xiàn)場監(jiān)控系統(tǒng)，能夠?qū)ΜF(xiàn)場工藝操作準(zhǔn)確性、執(zhí)行性進(jìn)行監(jiān)控、回查，對(duì)設(shè)備和操作進(jìn)行安全監(jiān)控。

整線數(shù)字化仿真平臺(tái)

傳統(tǒng)高速線模具調(diào)試單套需要70 ～80 個(gè)小時(shí)，大量占用沖壓線生產(chǎn)時(shí)間，無法充分發(fā)揮高速?zèng)_壓線的生產(chǎn)效率。為此，沖壓車間建設(shè)基于CATIA 的整線數(shù)字化模型仿真平臺(tái)(圖4)，在模具設(shè)計(jì)階段通過數(shù)字化仿真技術(shù)還原現(xiàn)場實(shí)際生產(chǎn)狀態(tài)，可實(shí)現(xiàn)以下幾個(gè)方面。

(1)離線軌跡調(diào)試。通過將壓機(jī)、模具、機(jī)械手以及端拾器1∶1 構(gòu)建模型，離線構(gòu)建沖壓零件的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，運(yùn)動(dòng)曲線、壓機(jī)與相鄰機(jī)械手狀態(tài)直觀可視，通過軟件報(bào)警發(fā)現(xiàn)干涉點(diǎn)，在開發(fā)階段規(guī)避掉或者提前預(yù)知可能存在的模具干涉問題，提前對(duì)模具進(jìn)行優(yōu)化，規(guī)避后期調(diào)試碰撞風(fēng)險(xiǎn)。

(2)離線端拾器搭建。在模具設(shè)計(jì)階段進(jìn)行生產(chǎn)節(jié)拍分析，檢查模具干涉曲線，分析零件端拾器吸盤點(diǎn)位布置合理性，參考各安全距離標(biāo)準(zhǔn)對(duì)各模具靜態(tài)模擬，校核設(shè)計(jì)節(jié)拍，指導(dǎo)并驗(yàn)證端拾器設(shè)計(jì)。

(3)軌跡節(jié)拍優(yōu)化。通過檢查機(jī)械手運(yùn)行過程中的距離、速度、加速度等各項(xiàng)參數(shù)，將機(jī)械手各軸運(yùn)動(dòng)參數(shù)值控制在合理范圍內(nèi)，得到機(jī)械手各軸運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下穩(wěn)定、節(jié)拍最優(yōu)的軌跡程序，大大縮短后期現(xiàn)場節(jié)拍優(yōu)化時(shí)間。

軌跡及控制參數(shù)修改信息在后臺(tái)生成離線程序，包含各序凸輪角度參數(shù)，各傳輸機(jī)械手X/Y/Z/A/B軸運(yùn)動(dòng)信息，導(dǎo)入現(xiàn)場總控臺(tái)，現(xiàn)場調(diào)試工作開展時(shí)直接調(diào)用。通過使用整線數(shù)字化仿真平臺(tái)，每套模具的試模時(shí)間由70 ～80 小時(shí)縮減至30 ～40 小時(shí)，模具生產(chǎn)節(jié)拍平均提升1.2SPM。

智能物料管理平臺(tái)

傳統(tǒng)沖壓自制件料架是車間數(shù)字化管理中的難題，我廠沖壓車間通過在料架上安裝UWB 定位芯片，以較小的成本將傳統(tǒng)料架轉(zhuǎn)化為智能化設(shè)備，自主將料架、車輛、人員的類型、位置等信息通過物聯(lián)網(wǎng)傳輸給智能物料管理平臺(tái)，后臺(tái)通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析給出成品件、包裝器具的動(dòng)態(tài)庫存和實(shí)時(shí)消耗。

每一枚UWB 定位芯片具有唯一識(shí)別號(hào)，芯片持續(xù)發(fā)射信號(hào)與物聯(lián)網(wǎng)基站通信，物聯(lián)網(wǎng)通過唯一識(shí)別號(hào)區(qū)分不同對(duì)象類型，并將信號(hào)傳輸給數(shù)據(jù)中心。數(shù)據(jù)中心解算標(biāo)簽位置與軌跡數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了人員、物料和車輛的自動(dòng)識(shí)別與定位，如圖5 所示。

智能物料管理平臺(tái)結(jié)合廠區(qū)高精地圖和邏輯算法判斷物料所處環(huán)節(jié)，監(jiān)控成品件生產(chǎn)、倉儲(chǔ)、消耗和包裝器具的使用與回收過程，沖壓車間、物流部門可以在同一個(gè)平臺(tái)上實(shí)時(shí)查看所有生產(chǎn)所需物料（板料、成品、料架）的庫存、消耗和分布情況。通過對(duì)生產(chǎn)物料數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)和分析，掌握成品件和包裝器具的動(dòng)態(tài)庫存，對(duì)沖壓智能排產(chǎn)提供基礎(chǔ)約束信息，提前預(yù)測風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)經(jīng)濟(jì)排產(chǎn)；同時(shí)平臺(tái)對(duì)于成品件質(zhì)量問題可以追溯到單個(gè)料架，并提供生產(chǎn)、入庫和出庫信息，為車間分析和追溯質(zhì)量問題提供數(shù)據(jù)支撐。

智能能源管理系統(tǒng)

能耗費(fèi)用占沖壓車間運(yùn)行總成本的40%左右，因此控制能耗費(fèi)用是降低制造成本中重要的組成部分；我廠沖壓車間秉持綠色制造的理念，建設(shè)規(guī)模為0.25MW的光伏電板（圖6），平均一年產(chǎn)生30萬度電，每年可以節(jié)約86.2 噸標(biāo)煤。

同時(shí)，構(gòu)建智能能源管理系統(tǒng)(圖7)，實(shí)時(shí)監(jiān)視車間所有主要設(shè)備及輔助設(shè)備能源使用情況，能夠進(jìn)行能源計(jì)量、能源分配、能源結(jié)算、能源預(yù)測，將各站點(diǎn)數(shù)據(jù)采集處理后傳至主監(jiān)控畫面，處理、分析各類數(shù)據(jù)(配電、制冷、水泵泵站)，并與PMC 系統(tǒng)互聯(lián)互通，實(shí)時(shí)記錄單沖次能耗(CPS)，針對(duì)不同模具設(shè)定CPS 指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)能源管理精細(xì)化。

設(shè)備預(yù)測性維護(hù)系統(tǒng)

隨著自動(dòng)化設(shè)備占比的提高，愈發(fā)凸顯設(shè)備維護(hù)與管理的重要性，我廠沖壓車間依托集團(tuán)自有云平臺(tái)，開發(fā)設(shè)備預(yù)測性維護(hù)系統(tǒng)，通過構(gòu)建“搶單式”應(yīng)急維修模塊，在線備件倉庫模塊，在線故障知識(shí)庫模塊，設(shè)備預(yù)防性維修“PM”模塊，設(shè)備預(yù)測性維護(hù)“PdM”模塊，打通與生產(chǎn)管理系統(tǒng)(PMC)端到端的接口，充分挖掘數(shù)據(jù)的內(nèi)部聯(lián)系，基于生產(chǎn)產(chǎn)品數(shù)量以及故障頻次，通過平臺(tái)大數(shù)據(jù)分析，自適應(yīng)調(diào)整預(yù)防性維護(hù)周期與頻次。

系統(tǒng)通過直接與設(shè)備PLC、工控機(jī)通訊，獲取大量設(shè)備傳感器數(shù)據(jù)，通過數(shù)學(xué)模型的判斷分析，預(yù)測設(shè)備狀態(tài)的發(fā)展趨勢，合理的做出相應(yīng)維護(hù)策略，逐步把設(shè)備維護(hù)的重點(diǎn)轉(zhuǎn)向“預(yù)測性”維護(hù)(PdM)。圖8 為電機(jī)制動(dòng)器的預(yù)測性維護(hù)，一但周期內(nèi)磨損斜率大于預(yù)設(shè)值，平臺(tái)自動(dòng)創(chuàng)建PdM 維護(hù)工單，維修人員快速響應(yīng)接單處理。

零件在線孔位質(zhì)量檢測

我廠大部分模具提供多種選配零件，以滿足用戶定制需求，但是隨之帶來的模具切換頻次上升，易發(fā)生由于沖頭切換機(jī)構(gòu)故障，導(dǎo)致發(fā)生錯(cuò)漏孔質(zhì)量問題；針對(duì)零件孔位的質(zhì)量檢查，目前國內(nèi)沖壓車間主要采用人工1/4 質(zhì)檢、光照質(zhì)檢的方法來進(jìn)行檢測，不僅效率低下、浪費(fèi)人員，而且易發(fā)生錯(cuò)漏孔件流入下道工序的情況。

為了避免類似情況發(fā)生，我廠沖壓車間開發(fā)在線孔位質(zhì)量檢測系統(tǒng)(圖9)，通過高分辨率工業(yè)相機(jī)，運(yùn)用智能邏輯單元運(yùn)算，針對(duì)每一個(gè)零件進(jìn)行拍照檢測，并與當(dāng)前零件數(shù)模做實(shí)時(shí)比對(duì)，孔位檢測正確率＞99.9%。檢測出的異常情況實(shí)時(shí)通過報(bào)警器提示線末收料人員，并在線末大屏上展示出錯(cuò)誤的位置，幫助收料人員快速判斷問題，確保錯(cuò)漏孔質(zhì)量問題不外溢。

通過不斷建設(shè)與提升車間數(shù)字化能力，在工藝設(shè)計(jì)、生產(chǎn)管理、物料管理、能源管理、質(zhì)量檢測等方面不斷提升車間數(shù)字化、智能化能力，進(jìn)一步提升生產(chǎn)效率、節(jié)約制造成本，為客戶創(chuàng)造更高價(jià)值。