Automobile Technology & Material
基于NX的自动冲压线效率影响因素研究
雷玉霞 温在慧 韦旺华 阙夏丽 孙光辉545000） （东风柳州汽车有限公司，柳州
摘要：以某一确定的自动冲压线和发动机罩外板、前门外板和侧围外板为特定零件研究对象，基于实际生产线体、设备和冲压模具，采用NX软件进行3D建模并模拟研究影响自动冲压线效率（SPM）的影响因素及其主次，并确定不同种类零件SPM理论目标。结果表明，所研究对象线
体极限SPM约为12.3件/min。影响自动线效率因素有一级影响因素零件深度、工序之间旋转角度和压机冲次；二级影响因素送料高度差和零件偏心；三级影响因素模具特有结构。发动机罩外板
SPM 11.07件/min、11.1件/min8.8、件/min。类、前门外板类和侧围外板类自动线 理论目标分别为关键词：冲压自动化生产线 自动线模拟 生产效率 影响因素 SPM中图分类号：TG386 文献标识码：B Doi：10.19710/j.cnki.1003-8817.20190207
1 前言
冲压自动线以其特有的高效能、高安全性和
稳定性[1-5]，成为冲压行业的发展趋势，国内越来越
多的汽车生产厂家采用自动线以满足高速的生产
[6]。然而，自动线生产效率一直备受关
制造需求注，各学者也不断地研究如何提升自动线效率[7]。随之，七轴机器人逐步代替六轴机器人，成为冲压自动线的主角。七轴机器人是在六轴机器人的基础上增加一个直线七轴，零件传输无需像六轴一
180°
[2,8]。目
样在两工序间旋转 ，以提升生产效率
7~10件/min，机械手
前，机械人自动线生产效率为
8~12 件/min[9]。除设备固有参
自动线生产效率为数（速度等）原因影响自动冲压线生产效率以外，李飞宇指出冲压自动化动作（取放件动作）效率是
影响自动线生产效率的因素之一[10]。事实上，自动
线生产效率影响因素的确定，仍然存在较多争议。本文以某一确定的自动线和某些特定零件为
NX，结合具体零件以及模具结构
研究对象，基于建模并模拟分析，对自动线效率影响因素进行研究分析，并量化各影响因素的影响量，最终确定影响因素的主次，确定各零件的最高理论自动冲压
Strokes Per Minute，spm
线效率（ ），以指导实际生产，提升自动冲压线效率。
2 模拟参数背景2.1 自动冲压线设备参数
1，具体参数如下。
研究对象示意见图
a.线体由线首单元、压力机间单元和线末单元
2台堆垛小车、2
组成，其中，线首单元包含 台上料机器人、清洗涂油机和送料皮带等；压力机间单元
4 3
包含 台机械压力机和 台七轴机器；线末单元包
1
含 台六轴机器人和出料皮带等。
B.六轴机器人型号：ABB 6660；七轴机器人型号：ABB 7600；机械压力机型号：2 400 t+3×1 200 t。ABB U
c.采用 型碳纤维杆连接铝合金端拾器作为零件传递设备。若传递的是侧围外板，七轴
25 kg
机器人载荷在 左右，根据机器人性能参数，
45 kg
载荷在 以上方才影响机器速度，故未将载荷对机器人的影响列为影响参数之一。
2.2 机器人轨迹控制方式
10冲压自动线现场机器人轨迹采用 点控制方
2 6
式，详见图 所示。机台内为 个点（AP、P、BP、BD、D和AD），分别控制取料和放料动作；机台外
4
为 个点（OU、WU、WL和OL），作为机器人出入机台的控制点。实际调试过程，完成单个机器人轨迹调试后，若要进一步进行线体效率的提升，需要通过“整线同步”进行调整，调整参数主要如下。
a.压力机提前启动下料机器人，对应参数“下料许可角度UC”；
b.下料机器人提前启动上料机器人，对应参数为“提前上料许可距离LA”；
c.上料机器人提前启动压力机，对应参数为“提前冲压许可距离LC”；
L
d.机器人各个点的运动速度、运动方式（ 型
J
和 型）和运动半径。
本文所有模拟结果均在最优以上参数，即“整线同步”的情况下所得。
2.3 零件工艺参数特点
零件工艺参数特点取决于零件结构和采用的工
艺方式，而零件结构取决于车型造型及其分缝情况，工艺方式取决于加工和生产的设备参数等因素。零件工艺参数包含零件深度影响的拉延模压边圈行程、零件翻边等结构决定的工序之间旋转角度（各工序之间冲压方向的转角）、保证模具受压机压力不偏心而造成的零件与机台的偏心、零件深度和机台开口高度以及模具强度要求决定的送料高度（平板料/工序件相对于机台台面的进入高度，拉延模为压边圈顶起时的状态，并越过定位具高度）、机台开口高度和工艺性需求决定的模具闭合高度等。对比分析某车型发动机罩外板、前门外板和
1 5，可知，发
侧围外板相关工艺参数，详见表 至表动机罩外板各序冲压方向无变化且各序送料高度无变化，结合模拟调试过程可知实际零件模拟与
OP10
简化轨迹模拟结果的不同主要来源于 机器人等待点在机台外和实际模具特有结构（含避让模具定位和高于零件型面等斜楔结构等）造成的影响；前门外板较发动机罩外板增加工序之间旋转角度，对比上述两个零件模拟结果可得该因素影响量；侧围外板较为复杂，工序之间旋转角度、偏心量、送料高度以及工序件的送料高度差等多个参数均有变化，通过对比实际零件轨迹模拟与简化轨迹模拟，并结合已确定影响量的影响因素，可知各影响因素作用情况。
3 参数建模
a.采用三坐标标定现场压机和机器人等设备位置，根据实际位置建模，得到线体模型。
b.采用白光扫描对现场端拾器进行扫描，根据扫描结果建模，并导入线体模型，关联机器人。
c.将某车型侧围外板、前门外板和发动机罩外板模具导入线体模型，并关联上下机台。
d.编程控制线体各压机以及机器人之间的运行逻辑关系，实现线体串联。
10
e.通过 点坐标调节方式进行机器人轨迹规划。
f.调节相关参数，优化仿真结果。
4 模拟结果4.1 线体极限SPM
将自动线所有机器人运动轨迹假设在同一平10
面上，即轨迹中 个点设置为同一Z值（机器人相应位置点输出的坐标Z向位置），模拟了线体的极限情况，即机器人无取料和放料动作，且搬运平板
18 c/min，整线同步调整最优，结
料，全序压机冲次
6。
果见表6 SPM 12.32 件/min；且
从表 可知，线体 极限为
SPM
不同Z向高度水平上线体 极限不同，这主要是由于不同高度上机器人各轴交互运动速度不一
Z - 100~700 SPM
样； 值从 之间变更时， 变动量在
0.03~0.51；Z 200~300
值在 左右为机器人最快速度区，对应发动机罩外板和前门外板送料高度。
4.2 零件深度的影响
WU/BP/AP/OU/
将自动线所有机器人轨迹中
WL/BD/AD/OL 8 250，P个点Z值设置在同一高度点和D点设置不同Z值，即模拟机器人在自身最高运行速度平台上，取放料点深度取不同数值高度，即当零件拉延深度不同时，搬运平板料，全序压机
18 c/min，整线同步调整最优，结果见表7。
7 250 140，
从表 可知，取放料点高度从 降至
SPM 1；高度从140 50，SPM 0.6。即
降幅 降至 降幅
SPM
增加取料和放料动作后，线体 大幅下降。
4.3 模具特有结构的影响
将发动机罩外板模具和端拾器导入线体，进
SPM 8。对比实际
行实际零件模拟，所得线体 见表
4.2
零件轨迹和 中简化轨迹发现，由于发动机罩外
OP10 1 000 mm
板 模具闭合高度为 ，零件深度为
110 mm，调试实际轨迹时，r21
机器人在等待进入
P1
机台的等待点（WU点）无法设置在机台范围内，
3；以及实际模具特有结构（含避让模具定
详见图位和高于零件型面等斜楔结构等），将上述原因统称为模具特有结构因素，则其造成实际轨迹较简
SPM 0.17。
化轨迹线体 降低 其中，忽略实际轨迹调试时，人为设置各点与直接设置机器人坐标值之间的误差。
4.4 工序之间旋转角度影响
将前门外板模具和端拾器导入线体，进行实
SPM 8。对比实际零件
际零件模拟，所得线体 见表
4.2 4.3
轨迹和 中简化轨迹发现，除 模具特有结构因素影响外，前门外板各工序增加了旋转角度，详
4。因此，两种轨迹之间的差异11.84- 11.1=
见图
0.74，除去4.3 0.17 外，0.57
中模具特有结构影响量
SPM
即为工序之间旋转角度对整线 的影响量。将侧围外板模具和端拾器导入线体，进行实
SPM 9。其中，方
际零件模拟，所得实际线体 见表
1 5 6
案 至方案 为简化轨迹模拟情况，方案 为侧围
1
外板实际零件轨迹模拟情况。方案 机台冲次为
18 c/min，机器人运动轨迹设置400
水平处，无取放
SPM 10.83 件/min；方案2 1
料动作，整线 为 在方案
P D 200，模拟增加侧围同等零
基础上设置 和 点为
SPM 10.51 件/min。对比
件深度搬运板料，整线 为实际零件轨迹和简化轨迹调试发现，侧围外板轨迹还存在以下特点。
b.由于模具机构复杂，自制斜楔众多，实际生
14 c/min；
产压机冲次为
c.各工序零件中心与机台中心并非一一对应，
2 6
具体偏心情况详见表 和图 所示；
1 7所
d.各工序间存在旋转角度，详见表 和图
9 3、4 5
示。表 中，方案 和 分别增加侧围外板轨迹
4.5.1
送料高度差的影响
1 2
对比方案 和 可知，轨迹点Z值的变动仍然
SPM
是影响 的主要因素之一，侧围外板拉延深度
200，使原始SPM10.83 件/min 10.51 件/min，下
降至
0.32；而侧围OP10 OP20
降量为 机台取料点与 送料
345（取整350）使整线SPM 10.19
点高度差 再降至
件/min，下降量为0.32；整体Z 10.8310.19=0.64。
值变动影响量
4.5.2
压机冲次的影响
3 4 SPM
对比方案 和 可知，压机冲次对整线 存在
18 c/min
一定的影响量，对于侧围而言，压机冲次由
14 c/min SPM 10.19- 9.68=
降至 ，造成整线 下降
0.51。为进一步研究压机冲次对整线SPM
的影响情
SPM
况，同时排除个别零件工艺特性影响冲次对 影
WU/BP/AP/OU/WL/BD/AD/OL 8 250（即
响，在 点高度
机器人速度最优平面上），P/D 2 205 SPM
点高度 最优
SPM
情况下，通过降低压机冲次以研究冲次对 的影
10。
响，结果见表10 2
从表 可知，机台冲次每下降或上升 个冲次单SPM 0.25~0.6
位，造成的 影响量在 之间。现场调试发16 c/min，
动机罩外板时证明上述观点，全序冲次
SPM 10.25 件/min 18 c/min，spm
为 ，全序冲次 为
10.7件/min，差值为0.45。
4.5.3
零件偏心的影响
4 5
对比方案 和 可知，对于侧围而言，零件中
SPM 0.26
心与机台中心的对应关系对 的影响量在左右。
4.5.4
工序之间旋转角度影响
5 6
方案 与 即侧围外板实际调试轨迹和简化轨迹的对比，两者之间存在侧围外板工序之间转
3.4
角度的差异，而从 分析中可知，工序之间旋转
0.57，因此方案5 6 SPM
角度影响量为 和 整线 的差
0.57 0.62，与0.57 0.04，
异应在 左右，实际差异 相差原因为侧围外板与前门外板各工序转角度不一致
3.4
的结果，因此认为 结论合理。此外，在任何一个确定零件工艺情况下，考虑各影响因素，可通过
SPM
本文所得结论进行目标 预测。
4.6 SPM影响因素小结
SPM
综上所述，影响零件 的因素及其影响量
11。由于针对不同零件，各因素的影响
值见下表占比不同，故将零件深度、工序之间旋转角度和压机冲次列为一级影响因素，送料高度差和零件偏心列为二级影响因素，模具特有结构列为三级影响因素。就侧围外板而言，上述因素的主次排序为：工序之间旋转角度＞压机冲次＞零件深度＞送料高度差＞零件偏心。
5 结束语
以某一确定的自动线和发动机罩外板、前门NX外板和侧围外板为特定零件研究对象，采用 软
件结合具体的零件以及模具结构建模并模拟分
析，得到影响冲压自动线效率（SPM）的影响因素及
其影响量，具体结论如下。
向高度（250）平面搬运平板
a.当机器人在同一Z
SPM 12.3件/min；
料时，该自动冲压线 达极限值约为
b.影响自动冲压线效率因素按影响程度可分
为一级影响因素零件深度、工序之间旋转角度和压机冲次，二级影响因素送料高度差和零件偏心，三级影响因素模具特有结构。
SPM 11.07件/min；
c.发动机罩外板类 理论目标
SPM 11.1件/min；侧围外板类
前门外板类 理论目标
SPM 8.8件/min。
理论目标
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