數字化工廠在焊裝生產準備過程中的應用

霍鵬程，劉國文

(奇瑞汽車股份有限公司，安徽蕪湖 241006)

1 數字化工廠的發展趨勢

隨著全球范圍內市場競爭的加劇，縮短產品的設計周期、生產周期、上市周期，降低開發成本已成為企業追逐的目標。多功能性、高獨立性和產品的短期設計制造都給制造系統的規劃和設計提出更高的要求。各企業在追求規模效益的同時，勢必要進行擴大再生產，規劃新建廠房或者對現有廠房進行布局優化調整。

在此以奇瑞公司自2008年數字化工廠實施至今在工廠規劃中的實際應用為案例，對數字化工廠相關技術進行介紹。同時通過該技術的實施，發現了規劃中的一些問題，并提出對策建議，同時結合實際應用，總結出項目實施經驗。

1.1 數字化工廠簡介

數字化工廠是對傳統工廠規劃理念的革命。它是根據虛擬制造的原理，通過提供虛擬產品開發環境，利用計算機技術和網絡技術，實現工廠規劃中的靜態工廠規劃、裝配工藝規劃和物流仿真規劃，達到縮短工廠建設周期、降低建設成本、優化工藝布局和優化物流方案的目的。數字化工廠與虛擬制造關系如圖1所示。

圖1 數字化工廠與虛擬制造關系

數字化工廠是一個集成化的計算機環境，在計算機網絡和虛擬現實環境中建立起來的用于對生產工程的各個環節，在不同層次(小到操作步驟，大到生產單元、生產線乃至整個工廠)進行設計、仿真、分析和優化，具有集成、開放、并行和人機交互等特點。數字化工廠有廣義和狹義之分。從廣義角度而言，數字化工廠是以制造產品和提供服務的企業為核心，由核心企業和一切相關的成員構成，使一切信息數字化的動態組織方式。從狹義的角度而言，數字化工廠是以工藝規劃和生產線規劃為核心，研究如何組織生產的問題，包括產品工藝分析、工藝規劃、生產計劃、生產線規劃、物流仿真和生產線優化等內容。數字化工廠概念如圖2所示。

圖2 數字化工廠概念

1.2 數字化工廠常用軟件和應用情況

到目前為止，數字化制造已經在國外領先汽車制造企業中得到了普遍應用，調查顯示，全球前15大汽車制造企業都在不同范圍內采用了數字化制造解決方案，并獲得了降低規劃成本、提高規劃質量、加快規劃時間等多方面的投資回報。

國內外主流的PLM系統有達索公司（Dassault Systèmes）、參數技術公司（PTC[1]）、西門子PLM公司（Siemens Product Lifecycle Management Software Inc.）、歐特克公司（Autodesk，Inc.）、CAXA 等。其中在汽車行業應用最廣的主要有達索公司的delmia系統、西門子公司的Tecnomatix，以及在相應系統上高度定制的TBD系統。全球主要汽車制造企業采用PLM系統的情況如圖3所示。

1.3 奇瑞公司數字化發展規劃

奇瑞公司的數字化發展規劃如圖4所示。

2 數字化工廠軟件介紹

2.1 Delmia系統介紹

Delmia系統是法國達索系統（Dussault System）公司為客戶提供的數字化設計、制造和維護管理的PLM平臺。Delmia系統主要包含：面向設計制造的DPE；面向物理過程分析的QUEST；面向人機分析的Human；面向虛擬現實的Envision；面向機器人仿真的Robotics；面向系統數據集成的PPR Navigator。

圖3 全球主要汽車制造企業采用PLM系統的情況

圖4 數字化發展規劃

DELMIA軟件系統包括兩個相互關聯的獨立軟件——DPE（DELMIAProcessEngineer）與DPM（Digital ProcessManufacturing）。前者為數字化工藝規劃平臺，它建立產品數據、資源數據和工藝結構，并將三者有效地關聯在一起，實現工藝方案的評估、各種數據的統計計算、裝配工藝結果的輸出等；后者提供工藝細節規劃和驗證應用的環境，以產品、工裝的三維模型并結合DPE已設計好的工藝流程進行數字化裝配過程的仿真驗證，兩者通過唯一的PPR Hub數據庫共享數據。由于汽車制造行業的特點及各企業在技術標準方面、數據管理方面、輸入輸出需求方面的差異，使得DPE的通用模板難以應對不同的用戶，而二次開發能較好地解決這個問題。DELMIA的二次開發主要指對DPE進行二次開發，按照企業的不同需求，進行客戶化定制。

3 生產線規劃

3.1 規劃內容

數字化工廠是虛擬的集成制造環境，通過其虛擬環境建立目標系統的模型并仿真，能夠對參數化表示的生產線進行分析和優化。虛擬環境下生產線的規劃包括以下幾個內容。

3.1.1 生產線總體初步規劃

根據生產綱領和工藝內容，確定生產節拍，選擇合適的加工設備和加工參數，采用預設計的物流策略和控制規則，合理安排空間布局以符合現場空間限制，這是生產線規劃的第一步，其他規劃內容都要依據初步規劃后的模型運行數據進行分析判斷。

3.1.2 設備分析

判斷機床等設備的加工參數設置、服務優先級機制、裝夾方式是否合理；分析設備發生故障的頻率、故障修復的時間、設備的維護成本對生產線產能和生產任務進度的影響，重新設置設備參數乃至更換設備。

3.1.3 生產線物流規劃

判斷物流分流策略和控制規則是否合理，驗證自動導向小車（AGV）和機械手等運送設備的路徑、數量、速度以及服務機制的合理性，分析緩沖站容量和倉庫容量是否過大或過小。

3.1.4 生產線布局規劃

規劃生產線布局，建立生產線的三維視圖。對特定工位進行三維的裝配操作接近性分析和裝配干涉檢查。

3.1.5 人機工程分析

通過對生產線上的工作人員進行仿真模擬，分析人員工作的空間和勞動強度，優化工人的動作和行走路線。

3.1.6 平衡性和瓶頸分析

判斷生產線上的各種隨機因素對平衡性的影響，找出瓶頸工序，通過參數的重新配置和工序的優化消除瓶頸，提高生產能力。

4 數字化工廠在生產線規劃中的應用

整個生成準備階段分為三步：概念規劃階段、資源驗證階段、現場實施階段，常用模塊如圖5所示，在不同的階段有著不同的內容。

圖5 焊裝應用范圍

4.1 概念規劃階段

4.1.1 工藝設計

工藝規劃的主要內容有工藝拆分、3D式樣、焊鉗模擬、時序定義、機器人仿真、工藝文件輸出。

（1）工藝拆分、時序定義。

將產品數據按照工藝需求進行工位拆分、設備選型、時序定義，拆分出滿足節拍需求和質量要求的工位，如圖6所示。

（2）3D式樣、焊鉗選型。

在沒有夾具的情況下進行焊鉗模擬、焊點分配，往往無法考慮與焊鉗與夾具的干涉、夾具對焊鉗的遮擋等情況。3D式樣的引入可以更清楚直觀地了解這些情況，提升焊鉗選型和焊點分配的準確性，如圖7所示。

（3）機器人仿真、人機仿真。

在涉及采用自動化的工位，除驗證焊點的可焊接外，還需要需驗證機器人姿態的可行性、選擇合理的機器人位置、驗證焊鉗選用是否合適，保證自動化方案的可行性，如圖8所示。

圖6 工藝拆分

圖7 焊鉗模擬

在工藝設計過程中，經常會遇到一些工位需要采用非常規的焊接姿態，只進行焊鉗模擬對最后的總姿態并沒有一個直觀的了解。針對這些工位，進行人機姿態仿真，可以直觀地看出焊接時人體的姿態，并最終做出決策，如圖9所示。

圖8 機器人仿真

圖9 人機仿真

（4）工藝文件的輸出。

在工藝設計完成后，工藝設計的數據保存于系統中，客戶可以根據需求調用數據，通過二次開發生成需要的文件。在生成文件的過程中，還可以將企業標準植入二次開發腳本中，進行數據處理，進一步生成數據處理后的文件。如焊接參數表（根據點焊參數庫）、判斷中頻焊機（根據材料、料厚）、判斷吊具（根據總成質量）等。

4.2 資源驗證階段

4.2.1 方案、廠房規劃

工位仿真：生產線及自動化工位的柔性化能力已成為衡量生產線成功的重要標準。柔性能力越強的工位對機器人之間、機器人與設備間的協同合作能力要求越高。工位仿真可以在方案確定前，對方案進行詳細的仿真驗證，找出優化方案。

通過工位仿真，可以更準確地確認設備的數量、方案的布置情況、工位占地面積，對預算申報、方案對比確認提供更準確的數據支持。如圖10所示。

4.2.2 3D工廠

圖10 方案驗證（新生產線及混線方案驗證）

整個生產車間的設備是由不同的供應商提供的，這對不同設備之間的銜接、校核提出了更高的要求。傳統的工廠布置圖是二維的，也就是平面布置圖，在校核空間方向時造成局限，尤其是在校核高度時，造成不必要的返工。例如夾具、吊具、鋼結構、葫蘆軌道分屬于不同的供應商廠家，在校核起吊空間、轉運空間時，二維空間就存在局限性，現場因前期校核不準造成返工的情況很多。3D工廠示意如圖11所示。

在工藝拆分過程中搭建3D布局，可以在概念規劃時期就發現方案存在的問題，評估現場空間大小。從工位開始搭建，保證工位布局的合理；利用工位搭建的數模然后在區域內進行搭建，優化區域內布局的合理，最終在生產線級別下搭建，形成整個車間布局。如圖12所示。

4.3 現場實施

圖11 3D工廠

圖12 工位3D布局

資源驗證后，生成指導現場實施工藝指令，不僅是紙面文件，同時包含3D指令和AVI視頻，通過網絡（IE瀏覽器、客戶端）發布DELMIA仿真記錄。供應商、車間均可查看工藝信息并反饋，形成一個交互式平臺，對整個系統工藝進行維護、更新、存檔。如圖13所示。

5 數字化工廠技術帶來的價值

（1）利用數字化工廠技術可實現同平臺、集成的、三維的焊裝項目工藝規劃，提升規劃質量和項目管理能力。

圖13 信息發布

（2）形象直觀地進行工藝規劃中的產品、焊點分配，工裝運動仿真、機器人仿真、人機操作仿真。提高知識、工藝規劃信息的共享率和重用率；在生產規劃過程中通過仿真驗證產品的可制造性、可裝配性、制造流程的合理性、生產線的效率等，及時發現產品設計、生產規劃的錯誤。

（3）方案優化。

a.減少物理樣機的數量。

試制物理樣機的目的是檢查可制造性和可裝配性，并借助試驗驗證汽車的性能。利用數字化制造技術后，很多分析和驗證工作都可以通過數字樣機來完成。

b.生產線設計更加優化。

生產線布局之前，在虛擬環境中不斷分析、驗證和改進設計方案，從而大大優化了生產線規劃的質量，減少了許多實施后調整工作所帶來的損失。

c.通過舊線改造來提高生產效率。

在軟件平臺的設計和分析生產過程中，以虛擬方式評估備選布局及物流方案，在變動生產布局前對變動結果進行預測。這樣在搬遷或整合工廠、增添新車型時，生產改造過程就變得簡單和可靠。

d.提高生產的柔性化方案的可行性。

通過生產線的柔性設計，在一條生產線可以生產更多類型的汽車，從而提高了生產線的利用率，并大幅節約成本、縮短時間。柔性生產線需要不同設備、配合實施，對各設備集成的要求更高，通過前期的仿真驗證，能更早、更準確地判斷出方案的可行性，使柔性化方案更為成熟。

e.工藝數據同平臺設計，滿足項目管理及客戶的需求。

所有的工藝數據均存儲、來源于同一平臺，保證了數據的完整性、準確性；通過集成開發，將這些數據提取生成客戶所需要的工藝文件，指導現場生成需要。

f.通過共用平臺將工藝設計、工廠規劃、焊裝仿真、物流仿真等集成一體，真正實現數字化工廠的建立。