虛擬實景仿真技術(shù)在自動化連桿鍛造生產(chǎn)線設(shè)計中的應(yīng)用

虛擬實景仿真技術(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)，針對工業(yè)產(chǎn)品利用該技術(shù)可優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計，通過虛擬實景仿真技術(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生產(chǎn)過程，為員工培訓(xùn)、實際生產(chǎn)制造和方案評估帶來便捷。使企業(yè)內(nèi)各負責(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)的時間，而且也為其產(chǎn)品的宣傳、銷售贏得了先機。隨著鍛造自動化技術(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，特別是在鍛造自動化生產(chǎn)線的設(shè)計階段更體現(xiàn)了這種技術(shù)的優(yōu)越性和先進程度。

方案設(shè)計

一拖公司通過對虛擬實景仿真技術(shù)的持續(xù)性研究，首次在二重集團研制的新型4000t 熱模鍛壓力機連桿自動化鍛造示范線設(shè)計過程中進行了應(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)動機連桿、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)的自動化技術(shù)，由加熱單元體、鍛造單元體、熱處理單元體、自動碼垛單元等組成，加熱單元體具有加熱、自動上料、自動溫控坯料篩選、爐體快換等功能；鍛造單元體以一臺4000t 的熱模鍛壓力機為主，采用步進式送料系統(tǒng)實現(xiàn)工位之間的快速傳遞，通過主機運動系統(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，實現(xiàn)產(chǎn)品多工步鍛造成形。

生產(chǎn)線設(shè)計

作為鍛造生產(chǎn)線的初期規(guī)劃，國外比較先進的設(shè)計思想首先是根據(jù)產(chǎn)品進行結(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，開始進行自動化生產(chǎn)線工藝布局設(shè)計，然后通過實景仿真對生產(chǎn)線工藝布局進行優(yōu)化提升，最后確定相關(guān)的廠房、物流、倉儲等配套設(shè)施。國外的設(shè)計理念是自動化技術(shù)服務(wù)于設(shè)備，設(shè)備服務(wù)于工藝。工藝是整個設(shè)計的主線和綱領(lǐng)。國內(nèi)企業(yè)在生產(chǎn)線規(guī)劃設(shè)計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)備和自動化，最后用產(chǎn)品工藝去適應(yīng)設(shè)備和自動化，這種由于前期方案設(shè)計過程中未能充分考慮工藝與設(shè)備自動化的匹配性問題，是導(dǎo)致目前國內(nèi)鍛造自動化實施過程中預(yù)期和實際應(yīng)用有較大落差的主要原因。對于二重集團生產(chǎn)的4000t熱模鍛壓力機自動化生產(chǎn)線的設(shè)計，充分考慮了國外先進的設(shè)計理念，在設(shè)計初期階段，制定的設(shè)計方案路線如圖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，在生產(chǎn)線的虛擬開發(fā)過程中主要是以商用車、工程機械、農(nóng)用機械等發(fā)動機的連桿鍛件產(chǎn)品為研究對象進行展開的，連桿

重量按照不大于5kg，材料采用C70S6 等非調(diào)質(zhì)鋼牌號，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）→自動上料系統(tǒng)→加熱（1300kW 感應(yīng)爐）→輥鍛（460 輥鍛機）→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) →控溫冷卻爐→噴丸→自動碼垛包裝。

技術(shù)指標(biāo)參數(shù)

作為生產(chǎn)線設(shè)計的關(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)計方案和虛擬過程仿真，要全部圍繞技術(shù)指標(biāo)進行，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/ 班）；⑵換模時間≤ 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

首先要設(shè)計整個生產(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)運通道、轉(zhuǎn)運工具、人機工程操作、安全通道等內(nèi)容，規(guī)劃圖是整個仿真分析的基礎(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)圖紙要求進行。同時在仿真分析之前，也

要考慮到每一個設(shè)備的最大、最小生產(chǎn)節(jié)拍數(shù)，這樣仿真分析的時候可以在一定范圍內(nèi)進行調(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 中進行前處理，將文件格式轉(zhuǎn)到最小片面數(shù)量級，便于以后在專業(yè)軟件中進行輕量化處理與動作仿真。這一個環(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。在建模的同時也要結(jié)合工藝要求，進行結(jié)構(gòu)上的不斷修訂，直到滿足仿真動畫處理的要求。靜態(tài)數(shù)模處理好以后。開始在3DMAX 中進行組裝和連線，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，開始制作動畫仿真，如圖3、圖4 所示。

虛擬實景動作仿真設(shè)計

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

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

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

首先，下好的坯料由叉車運送到自動上料可翻轉(zhuǎn)料斗里面，通過翻轉(zhuǎn)機構(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，提料過程中不符合要求的坯料會重新進入提料器中，重新提升。輸送帶上的坯料進入中頻爐開始加熱，加熱后的坯料由輸送帶傳遞到輥鍛機的接料夾鉗中，然后接料夾鉗將坯料喂入輥鍛機輥鍛夾鉗，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。坯料通過輸送機進入到主機翻轉(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°，坯料進入步進梁的第一工位，步進梁開始進行坯料的位移，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，飛邊通過步進梁進入到專用傳送帶，將飛邊帶走，整個模擬過程結(jié)束。仿真動作結(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，自動上料與加熱爐之間增加一套自動稱重系統(tǒng)（帶分選），感應(yīng)爐增加自動清空裝置，以及爐膛內(nèi)部的氧化皮清理系統(tǒng)，同時考慮快速出料系統(tǒng)。

⑵輥鍛機組。從中頻爐軌道到輥鍛機的接口部分，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，定位細節(jié)上需要根據(jù)不同的產(chǎn)品重新設(shè)計方案。

⑶主機部分。從設(shè)備安裝空間分析，４工位為最佳方案，對于齒輪產(chǎn)品的成形采用４工位設(shè)計，步進梁結(jié)構(gòu)輸送帶存在一定的干涉，需要做進一步結(jié)構(gòu)形式的改進。

⑷輥鍛后坯料到步進梁第一工位之間的結(jié)構(gòu)有進一步優(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，但是對于需要預(yù)熱淬火的產(chǎn)品，需要重新考慮爐子位置，主機之后以控溫冷卻為主，其他工藝需要配置單獨的設(shè)備，如果考慮并行機構(gòu)，可采取地下運輸方式。

結(jié)束語

通過采用虛擬實景仿真技術(shù)，完成從產(chǎn)品的初始外形設(shè)計、生產(chǎn)過程的建模、仿真加工、模型裝配、過程檢驗，再到最終生產(chǎn)線的虛擬設(shè)計、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)品實施前就采取預(yù)防措施，進行持續(xù)優(yōu)化技術(shù)支撐和改進，從而可以減少前期設(shè)計給后期制造帶來的麻煩，達到降低成本、縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，增強企業(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)實踐經(jīng)驗。