同步工程视角下汽车冲压件SPM 预测方法

文/张名昊， 黄晓雨， 赵梦龙， 黄海波， 贾永泉·上海蔚来汽车有限公司

为提升冲压整线的生产效率，推动车间数字化转型，本文以某车型机盖外板冲压件为例，针对其OP10 拉延工序开展了冲压高速生产线自动化仿真(简称SPM 仿真)。首先，利用前处理软件Autoform、Catia、UG 等对产品造型进行数据处理，获取SPM 仿真模型和初始参数；其次，将初始参数输入到济二冲压自动化运动规划系统(JIER Automation Motion Planning System，JAMP)中拟合压机曲线，并结合西门子压机线体仿真软件(Press Line Simulation，PLS)中3D 仿真结果对压机曲线参数进行调整；最后，结合机盖案例开展具体零件分析并进行验证。结果表明，本文提出的SPM 标准工作方法能够准确地预测冲压自制件的实际生产节拍，有效指导冲压工艺前期设计；通过零件通过性分析检查，优化了模具、端拾器等结构设计，整线生产节拍为13.5spm，验证符合预测数据。

随着工业化水平的不断提高和市场竞争的不断加剧，国内整车厂在新建冲压车间或者改造的时候，一般都会选择高速压机线或者伺服压机线，搬运设备一般为机器人或者机械臂类型，最高生产节拍可以达到15 次/分钟以上。

蔚来先进制造基地F2 工厂冲压车间引进JIER 单臂高速压机线，如图1、图2 所示，零件取送为横杆搬运式。其工作原理为：利用横杆上的真空/磁性吸附式端拾器对零件进行抓取动作，机械手根据输入曲线参数实现指定轨迹运动，压机滑块抬起过程中完成下料手取料出模、上料手送料进模的过程。

图1 送料小臂与横杆理论图

图2 送料小臂与横杆实物图

在模具项目实施时，完成模具结构设计后，一般会借助设备厂商提供的标准化干涉曲线进行模具干涉分析和节拍分析，并且对模具结构中影响节拍提升的部位进行设计优化，最后输出一个SPM 值。但是这样的静态分析方法，无法准确获取到模具结构对应的最佳SPM 信息，以及无法输出现场设备的运动控制轨迹，具有较大的局限性。因而，应用离线动态SPM分析的方法，是十分必要的。

SPM 动态仿真能够模拟冲压零件的整线生产全过程，在同步工程阶段提前识别模具结构、端拾器布置风险点，优化零件运动轨迹参数以提升整线生产节拍，并大大降低模具回厂后的母线调试工时和现场安全隐患。

基于项目经验，SPM 整线节拍的瓶颈工位一般为OP10 拉延工序，主要受到产品型面和压料面边界的多重干涉影响，与后工序修边、翻边、冲孔、整形等模具不同，很难通过结构优化的方式完全消除SPM瓶颈。因此，OP10 工序决定了整线模具联动生产节拍。

本文主要借助JAMP 和PLS 软件开展了瓶颈工位OP10 拉延工序的全过程动态仿真，并结合实际案例对某车型机盖外板冲压件的整线SPM 进行了预测，为行业提供可行的SPM 预测方法与仿真参数标准。

PLS 仿真数据处理

标准仿真参数定义

标准化的模具参数、横杆曲线定义和产品数据是SPM 精确仿真的关键前提，结合现场调试经验，蔚来已经形成了冲压SPM 标准工作指导书。

表1 为OP10 拉延工序下SPM 仿真所涉及的模具、横杆等标准参数值。本文定义工序件/端拾器与下模安全距离Z0 为50mm，横杆与OP10 上模上游安全距离Z1 为150mm、下游安全距离Z2 为100mm(以压料面外侧为边界)，进料横杆投料点位置板料与压边圈高点高度差h1 不小于30mm、送料横杆取料点高于工序件距离h2 为150mm，工序件之间安全距离Y0 不低于100mm，OP10 进料横杆(RB1)/OP10 取料横杆(RB2)投料点Y 向均默认为2750mm，RB1 不设置转角、RB2 相邻节点转角控制在15°以内。

表1 OP10 拉延工序下SPM 仿真标准参数值

数据生成

为了获取工序件/模具型面数据状态，以2023款ES8 机盖外板为例，本文采用Autoform、Catia 和UG 三类CAE/CAD 软件实现了三维数据的准确提取，具体技术路线如图3 所示。

图3 工序件/模具仿真数据获取路线

在同步工程阶段，冲压工艺工程师利用Autoform软件完成工艺设计后，基于拉延工序坐标系，以.STP文件格式导出分析文件中拉延工序的凹模面(DIE)、凸模面(PUNCH)、压料面(BINDER)、OP05 工序板料线和拉延件收缩线(Draw-in)边界，便于后续生成动态仿真模型，具体操作路线见图4。该阶段交付文件有凹模/凸模/压边圈三个工具体、板料线和拉延件边界线。其中，拉延边界线是默认在车身坐标系下导出，因此，需要额外导出一个车身坐标系下的凸模面(PUNCH)，用于后续的定位变换，将车身坐标系下的拉延边界线转换到拉延工序坐标系下。

图4 Autoform 数据处理

采用Catia 软件将上述片体统一并转换为三维实体模型。本文忽略模座的影响，仅依据压料面生成上、下模简单实体，作为仿真分析数据，具体操作步骤如下：

⑴采用填充命令，直接将OP05 边界线填充为一个封闭片体，作为板料工序件；

⑵利用上一环节导出的车身坐标和拉延坐标系下的凸模面，采用定位变换命令，将车身坐标下的OP10 边界线转换为拉延坐标下的，然后利用拉伸和切割命令，使用拉延坐标下的拉延件边界切割凹模面，获得到拉延工序件；

⑶利用平行曲线命令，将OP05 边界线向外扩大30mm，生成压料面的边界线；

⑷以凸模面最高点作为基准点，生成基准平面，并向下平移850mm 作为模具底面，向上平移350mm作为模具顶面，这样获取到闭合状态的模具上下底面；

⑸利用已生成的压料面边界和上下底面，处理之前导出的凹模面(DIE)、凸模面(PUNCH)、压料面(BINDER)，分别生成上模、下模和压边圈模型。

如图5 所示，生成了5 个用于动态节拍仿真的模型。最终，利用UG 将上/下模、压边圈、板料和拉延件将STP 格式文件转成JT 格式，并测量得到上模上下游干涉点坐标和工件上下游宽度值，用于设置JAMP 配方信息。

图5 Catia 生成数据模型

SPM 仿真预测方法

仿真技术路线图

图6 为SPM 仿真全过程技术路线图。其中，JAMP 软件是济二在冲压自动化运动规划领域自主开发的主干软件，基于上文前处理数据结果，在JAMP软件参数面板中完成输入，生成运动规划曲线并写入配方中。本文在PLS 软件中选择合适的压机线，导入模具、零件、端拾器等三维模型文件后，刷新JAMP配方，初步实现OP10 拉延工序的全动态仿真后，在三维视角下检查零件通过性，完成对原配方的优化。通常，依据前后序工序件、工序件与下模干涉、端拾器与下模干涉、带料横杆/小臂与上模干涉等四种干涉类型验证零件通过性。

图6 SPM 仿真全过程技术路线图

零件通过性检查

以某车型前盖外板为例，在PLS 中加载初始配方后，按上述四种干涉类型依次检查零件通过性问题。

⑴前后序工序件干涉检查。

拉延工序需重点确认平板料与OP10 工序件在模具内的干涉检查情况。在JAMP 配方制作时，需要正确输入工序件上下游(以横杆中心为分界)的宽度，并且设置工序件间安全距离为100mm，一般不会产生工序件干涉情况。针对前盖外板这类弧形板料，通过测量工序件中心线上的间距确认干涉情况，如图7所示，板料与拉延件间距值为120mm，符合现场安全距离要求。

图7 板料与拉延件干涉检查

⑵工序件与下模干涉检查。

在本文中，由于生成的压边圈模型为简易模型，没有设计定位杆等结构，因而工序件与下模的干涉检查，主要检查工序件与下模型面的干涉，如图8 所示。通过设计较为合理的Z 向提升高度，使得工序件能够在进出模区时，与下模保持最少50mm 的Z 向距离。在本文中，拉延件在取料出模区时，零件与下模的距离为80mm，满足现场安全要求。定位杆在后期结构设计时，可以尽量降低高度，使其不影响投料和取料功能。

图8 工序件与下模干涉检查

⑶小臂与上模干涉检查。

小臂与上模的干涉检查，主要由PLS 软件绘制送料小臂的运动包络体确认，如图9 所示。若模具超出包络体，或者模具距离包络体还有一些安全量，那可以在JAMP 配方中调整对应干涉点的数据，目标是包络体边界正好接触到上模压料面的边界，达到相对极限的SPM 值。

图9 小臂与上模干涉检查

⑷端拾器与下模干涉检查。

在同步工程阶段，端拾器并未完成结构设计，工艺人员需要依据经验，在拉延工序件上布置合适数量和位置的吸盘，用于模拟端拾器与下模的干涉情况，如图10 所示。通过调整合适的Z 向行程和横杆转角，使得端拾器以尽可能低的姿态进入拉延模具，可以有效地提升节拍。

图10 端拾器与下模干涉检查

曲线配方输出

借助PLS 进行节拍优化，某车型机盖外板OP10模具对应的预测SPM 为13.94，如图11 所示，由JAMP 软件输出整线节拍信息给到现场压机。

图11 JAMP 软件输出整线节拍

图12 模具上线调试

仿真验证

在结构设计阶段，笔者完成了整线模具的SPM仿真，并指导模具合作伙伴对所有工序中存在的干涉风险进行了结构优化设计。

模具回厂后，现场调试结果显示：实际整线生产节拍最高可达到13.5spm，与前期仿真预测结果误差控制在5%以内，误差存在的主要因素为OP10 压边圈的定位板加高设计，影响了前期预测时OP10 取料的Z 向提升高度。

结论

本文实现了在同步工程阶段前期对量产SPM 的预测，可以有效支持冲压工艺设计，尤其是针对一些深度较大、前后落差较大的零件，实现了在设计前期探索不同的拉延转角对于SPM 的影响。本文采用JAMP 和PLS 软件实现了2023 款ES8 机盖外板冲压件OP10 拉延工序的SPM 全过程动态仿真，主要得到以下结论：

⑴形成了安全距离、横杆与零件距离、工序转角等动态仿真涉及的标准化参数和流程，确保动态干涉曲线的准确输出和PLS 模拟精度；

⑵基于PLS 模拟结果和零件通过性干涉检查，优化了投料点高度、上模干涉点、横杆转角等曲线参数，获得了极限SPM 曲线配方；

⑶通过对于OP10 模具节拍的计算，预测了整线节拍在13.94 次/分钟；

⑷开展了现场母线调试，实际整线节拍最高可达13.5 次/分钟，与预测值误差控制在5%以内。

作者简介

张名昊

主任工程师，9 年主机厂冲压领域工作经验，涉及项目管理、冲压工艺开发、高速冲压线SPM 仿真和冲压智能制造项目开发，作为第一发明人申请3 项国家专利，共同发明专利6 项。

编辑：张旭栋

审核：冯忠