虛擬實(shí)景仿真技術(shù)在自動(dòng)化連桿鍛造生產(chǎn)線設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

虛擬實(shí)景仿真技術(shù)已成為數(shù)字化工業(yè)制造技術(shù)和生產(chǎn)流水線的重要應(yīng)用環(huán)節(jié)，針對(duì)工業(yè)產(chǎn)品利用該技術(shù)可優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)，通過虛擬實(shí)景仿真技術(shù)，避免或減少物理模型的制作，縮短開發(fā)周期，降低成本；通過建設(shè)數(shù)字化虛擬工廠，直觀地展示工廠、生產(chǎn)線、產(chǎn)品虛擬樣品以及整個(gè)生產(chǎn)過程，為員工培訓(xùn)、實(shí)際生產(chǎn)制造和方案評(píng)估帶來便捷。使企業(yè)內(nèi)各負(fù)責(zé)部門之間的交流變得更加容易，不僅大大縮短了企業(yè)產(chǎn)品開發(fā)的時(shí)間，而且也為其產(chǎn)品的宣傳、銷售贏得了先機(jī)。隨著鍛造自動(dòng)化技術(shù)向著數(shù)字化、信息化、智能化的快速發(fā)展，虛擬實(shí)景仿真技術(shù)越來越多的應(yīng)用于鍛造技術(shù)領(lǐng)域，特別是在鍛造自動(dòng)化生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)階段更體現(xiàn)了這種技術(shù)的優(yōu)越性和先進(jìn)程度。

方案設(shè)計(jì)

一拖公司通過對(duì)虛擬實(shí)景仿真技術(shù)的持續(xù)性研究，首次在二重集團(tuán)研制的新型4000t 熱模鍛壓力機(jī)連桿自動(dòng)化鍛造示范線設(shè)計(jì)過程中進(jìn)行了應(yīng)用，取得了較好的效果。所開發(fā)的這條示范線，主要用于發(fā)動(dòng)機(jī)連桿、鏈軌節(jié)、小排量汽車曲軸、齒輪等批量化生產(chǎn)。生產(chǎn)線采用具有總線控制系統(tǒng)的自動(dòng)化技術(shù)，由加熱單元體、鍛造單元體、熱處理單元體、自動(dòng)碼垛單元等組成，加熱單元體具有加熱、自動(dòng)上料、自動(dòng)溫控坯料篩選、爐體快換等功能；鍛造單元體以一臺(tái)4000t 的熱模鍛壓力機(jī)為主，采用步進(jìn)式送料系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)工位之間的快速傳遞，通過主機(jī)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、物料傳遞系統(tǒng)、上下頂出系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)的同步功能，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品多工步鍛造成形。

生產(chǎn)線設(shè)計(jì)

作為鍛造生產(chǎn)線的初期規(guī)劃，國外比較先進(jìn)的設(shè)計(jì)思想首先是根據(jù)產(chǎn)品進(jìn)行結(jié)構(gòu)工藝分析和成形仿真分析，確定最佳成形工藝方案，然后根據(jù)成形工藝以及市場需求選擇合適的設(shè)備，設(shè)備選型結(jié)束后，開始進(jìn)行自動(dòng)化生產(chǎn)線工藝布局設(shè)計(jì)，然后通過實(shí)景仿真對(duì)生產(chǎn)線工藝布局進(jìn)行優(yōu)化提升，最后確定相關(guān)的廠房、物流、倉儲(chǔ)等配套設(shè)施。國外的設(shè)計(jì)理念是自動(dòng)化技術(shù)服務(wù)于設(shè)備，設(shè)備服務(wù)于工藝。工藝是整個(gè)設(shè)計(jì)的主線和綱領(lǐng)。國內(nèi)企業(yè)在生產(chǎn)線規(guī)劃設(shè)計(jì)方面與國外有一定的差距，國內(nèi)一般是先建廠房，再上設(shè)備和自動(dòng)化，最后用產(chǎn)品工藝去適應(yīng)設(shè)備和自動(dòng)化，這種由于前期方案設(shè)計(jì)過程中未能充分考慮工藝與設(shè)備自動(dòng)化的匹配性問題，是導(dǎo)致目前國內(nèi)鍛造自動(dòng)化實(shí)施過程中預(yù)期和實(shí)際應(yīng)用有較大落差的主要原因。對(duì)于二重集團(tuán)生產(chǎn)的4000t熱模鍛壓力機(jī)自動(dòng)化生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)，充分考慮了國外先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念，在設(shè)計(jì)初期階段，制定的設(shè)計(jì)方案路線如圖1 所示。

產(chǎn)品工藝分析

為了說明虛擬技術(shù)的應(yīng)用特點(diǎn)，在生產(chǎn)線的虛擬開發(fā)過程中主要是以商用車、工程機(jī)械、農(nóng)用機(jī)械等發(fā)動(dòng)機(jī)的連桿鍛件產(chǎn)品為研究對(duì)象進(jìn)行展開的，連桿

重量按照不大于5kg，材料采用C70S6 等非調(diào)質(zhì)鋼牌號(hào)，鍛造溫度在1150 ～ 1200℃之間，采用4 工位成形工藝，熱處理一般采用余熱控冷工藝。產(chǎn)品主要工藝流程為：下料（高速精密剪床）→自動(dòng)上料系統(tǒng)→加熱（1300kW 感應(yīng)爐）→輥鍛（460 輥鍛機(jī)）→上料工位→壓扁工位→預(yù)鍛工位→終鍛工位→切邊沖孔精整工位(4000t 熱模鍛壓機(jī)) →控溫冷卻爐→噴丸→自動(dòng)碼垛包裝。

技術(shù)指標(biāo)參數(shù)

作為生產(chǎn)線設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，需要根據(jù)產(chǎn)品的市場規(guī)劃首先確定下來，接下來的設(shè)計(jì)方案和虛擬過程仿真，要全部圍繞技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行，通過不斷優(yōu)化，

直到滿足技術(shù)指標(biāo)為最終目的。制定的技術(shù)指標(biāo)為：⑴ 生產(chǎn)節(jié)拍為10 ～ 14 秒/ 件； 班產(chǎn)定額為1500 ～ 2000 件（6 小時(shí)/ 班）；⑵換模時(shí)間≤ 30min；⑶鍛件厚度公差±0.5mm；⑷直線度≤ 0.5mm；⑸重量公差≤ 1.5%。

設(shè)備布局方案設(shè)計(jì)

首先要設(shè)計(jì)整個(gè)生產(chǎn)線的平面布置圖，在圖紙上要明確設(shè)備布局、設(shè)備設(shè)施的具體功能以及物流轉(zhuǎn)運(yùn)通道、轉(zhuǎn)運(yùn)工具、人機(jī)工程操作、安全通道等內(nèi)容，規(guī)劃圖是整個(gè)仿真分析的基礎(chǔ)，一切仿真過程要完全圍繞規(guī)劃設(shè)計(jì)圖展開，特別是設(shè)備之間的銜接關(guān)系，要嚴(yán)格根據(jù)圖紙要求進(jìn)行。同時(shí)在仿真分析之前，也

要考慮到每一個(gè)設(shè)備的最大、最小生產(chǎn)節(jié)拍數(shù)，這樣仿真分析的時(shí)候可以在一定范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整，避免出現(xiàn)瓶頸現(xiàn)象，等方案圖紙節(jié)拍確定以后，可以考慮下一步的工作，設(shè)計(jì)的方案如圖2 所示。

虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用

數(shù)字化建模

數(shù)字化建模主要圍繞的模擬用數(shù)模展開，將仿真中涉及到的所有設(shè)備設(shè)施、輔具、輸送小車等工具，根據(jù)布置圖全部生成3D 數(shù)模，完成的數(shù)模轉(zhuǎn)到3DMAX 中進(jìn)行前處理，將文件格式轉(zhuǎn)到最小片面數(shù)量級(jí)，便于以后在專業(yè)軟件中進(jìn)行輕量化處理與動(dòng)作仿真。這一個(gè)環(huán)節(jié)的工作量較為龐大，尤其是生產(chǎn)線中的大型復(fù)雜設(shè)備，這種設(shè)備的建模是工作量最大的部分。在建模的同時(shí)也要結(jié)合工藝要求，進(jìn)行結(jié)構(gòu)上的不斷修訂，直到滿足仿真動(dòng)畫處理的要求。靜態(tài)數(shù)模處理好以后。開始在3DMAX 中進(jìn)行組裝和連線，連線過程中如果發(fā)現(xiàn)接口尺寸出現(xiàn)問題，這時(shí)候可以做調(diào)整，直到滿足節(jié)拍的需要為止。最后就是將裝好的生產(chǎn)線數(shù)模導(dǎo)入到專業(yè)軟件中，開始制作動(dòng)畫仿真，如圖3、圖4 所示。

虛擬實(shí)景動(dòng)作仿真設(shè)計(jì)

在制作動(dòng)畫之前，將整條生產(chǎn)線按照功能分為多個(gè)單元體，根據(jù)劃分的單元體。進(jìn)行各個(gè)單元體內(nèi)部動(dòng)作分解，完成各自分解后的動(dòng)畫設(shè)計(jì)，該部分主要

在3DMAX 軟件中進(jìn)行處理和動(dòng)畫的生成，每一個(gè)動(dòng)作的時(shí)間軸要根據(jù)技術(shù)指標(biāo)中的生產(chǎn)節(jié)拍進(jìn)行統(tǒng)籌考慮。動(dòng)作分割構(gòu)成包含以下十步。⑴自動(dòng)上料動(dòng)作仿真；⑵自動(dòng)溫度分選動(dòng)作仿真；⑶感應(yīng)爐到輥鍛機(jī)接口動(dòng)作仿真；⑷四道次輥鍛動(dòng)作仿真；⑸輥鍛機(jī)到主機(jī)接口動(dòng)作仿真；⑹坯料到主機(jī)步進(jìn)梁第一工位動(dòng)作仿真；⑺四工位鍛造過程動(dòng)作仿真；⑻自動(dòng)噴霧潤滑動(dòng)作仿真；⑼模具快換動(dòng)作仿真；⑽鍛件到熱處理爐接口動(dòng)作仿真。

根據(jù)在3DMAX 中制作的分解動(dòng)作動(dòng)畫，逐一導(dǎo)入到專業(yè)實(shí)景仿真軟件QZAUAR 3D 開始進(jìn)行虛擬實(shí)景的全流程仿真設(shè)計(jì)，并將上述動(dòng)作合成為一個(gè)統(tǒng)一的場景。最終完成整個(gè)自動(dòng)化生產(chǎn)線的虛擬實(shí)景仿真。

首先，下好的坯料由叉車運(yùn)送到自動(dòng)上料可翻轉(zhuǎn)料斗里面，通過翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，將坯料導(dǎo)入帶有提料器的設(shè)備中，提料器將坯料逐步提升到感應(yīng)爐前的輸送帶上，這里考慮到節(jié)拍，提料器設(shè)置為2 臺(tái)，提料過程中不符合要求的坯料會(huì)重新進(jìn)入提料器中，重新提升。輸送帶上的坯料進(jìn)入中頻爐開始加熱，加熱后的坯料由輸送帶傳遞到輥鍛機(jī)的接料夾鉗中，然后接料夾鉗將坯料喂入輥鍛機(jī)輥鍛夾鉗，開始輥鍛，四道次輥鍛結(jié)束后，由輥鍛夾鉗將輥好的坯料送到傳輸帶上。坯料通過輸送機(jī)進(jìn)入到主機(jī)翻轉(zhuǎn)夾鉗，然后由翻轉(zhuǎn)夾鉗將坯料送到待轉(zhuǎn)工位，待轉(zhuǎn)工位下降并旋轉(zhuǎn)90°，坯料進(jìn)入步進(jìn)梁的第一工位，步進(jìn)梁開始進(jìn)行坯料的位移，位移順序由壓扁開始，直到切邊沖孔工位，最后將鍛件送到輸送帶上，輸送帶將鍛件傳遞到控溫爐，飛邊通過步進(jìn)梁進(jìn)入到專用傳送帶，將飛邊帶走，整個(gè)模擬過程結(jié)束。仿真動(dòng)作結(jié)果如圖5 ～圖8 所示。

優(yōu)化與提高

⑴加熱單元部分。從仿真分析過程來看，上料部分需要做進(jìn)一步提升，一套上料系統(tǒng)無法滿足節(jié)拍的需要，考慮到以后生產(chǎn)閉式鍛造的產(chǎn)品，自動(dòng)上料與加熱爐之間增加一套自動(dòng)稱重系統(tǒng)（帶分選），感應(yīng)爐增加自動(dòng)清空裝置，以及爐膛內(nèi)部的氧化皮清理系統(tǒng)，同時(shí)考慮快速出料系統(tǒng)。

⑵輥鍛機(jī)組。從中頻爐軌道到輥鍛機(jī)的接口部分，現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)不是最佳方案，如果是長的棒料，實(shí)現(xiàn)有困難，如曲軸產(chǎn)品、轉(zhuǎn)向臂產(chǎn)品，最后一道次輥鍛以

后采用輸送帶方式，定位細(xì)節(jié)上需要根據(jù)不同的產(chǎn)品重新設(shè)計(jì)方案。

⑶主機(jī)部分。從設(shè)備安裝空間分析，４工位為最佳方案，對(duì)于齒輪產(chǎn)品的成形采用４工位設(shè)計(jì)，步進(jìn)梁結(jié)構(gòu)輸送帶存在一定的干涉，需要做進(jìn)一步結(jié)構(gòu)形式的改進(jìn)。

⑷輥鍛后坯料到步進(jìn)梁第一工位之間的結(jié)構(gòu)有進(jìn)一步優(yōu)化的空間，尤其是與設(shè)備的連接形式與位置。

⑸控溫冷卻系統(tǒng)部分。該方案目前主要以非調(diào)質(zhì)鋼設(shè)計(jì)，但是對(duì)于需要預(yù)熱淬火的產(chǎn)品，需要重新考慮爐子位置，主機(jī)之后以控溫冷卻為主，其他工藝需要配置單獨(dú)的設(shè)備，如果考慮并行機(jī)構(gòu)，可采取地下運(yùn)輸方式。

結(jié)束語

通過采用虛擬實(shí)景仿真技術(shù)，完成從產(chǎn)品的初始外形設(shè)計(jì)、生產(chǎn)過程的建模、仿真加工、模型裝配、過程檢驗(yàn)，再到最終生產(chǎn)線的虛擬設(shè)計(jì)、生產(chǎn)過程的虛擬仿真、成形過程仿真及生產(chǎn)線中的人、物、信息的全面仿真，可以預(yù)先分析判斷制造中可能出現(xiàn)的問題，在產(chǎn)品實(shí)施前就采取預(yù)防措施，進(jìn)行持續(xù)優(yōu)化技術(shù)支撐和改進(jìn)，從而可以減少前期設(shè)計(jì)給后期制造帶來的麻煩，達(dá)到降低成本、縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，增強(qiáng)企業(yè)競爭力的目的，為今后鍛造行業(yè)智能制造技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展提供了較好的技術(shù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。