Tecnomatix在汽車焊裝領域的應用及思考

朱 杰

(四川成焊寶瑪焊接裝備工程有限公司，四川 成都 610052)

隨著汽車市場的競爭加劇，各大汽車廠家為爭奪市場份額，紛紛加快推出差異化新車型，這使得新車的市場生命周不斷縮短，產品的復雜程度越來越高，這對企業的資源整合能力提出越來越高的要求。作為制造業重要的發展趨勢，信息化將是提升汽車制造業效率，增強企業競爭力的有利手段。目前國際上一些制造企業已經完成信息化改造，并在不斷改進發展中，在這方面，國內的企業還處于起步階段，但是發展迅速。在此將介紹當前汽車行業應用最為廣泛的兩個制造信息化系統之一的Tecnomatix（另一個是法國達索系統公司的DEMIA），并結合實施過程中遇到的問題，總結出一些實施經驗，希望對今后的工作有一定參考價值。

1 Tecnomatix簡介

Tecnomatix是西門子公司為滿足制造業息化而推出的一款數字化工廠軟件，主要用于完成從產品設計到制造之間的工作，定位低于西門子的Teamcenter。Tecnomatix的早期版本叫作eMPower，經過多次收購后并入西門子旗下，Tecnomatix這個名字源于最早開發這個MPM平臺的以色列公司，西門子希望這個平臺起到連通產品到制造的通路，將原來多種分散的工具整合到統一的軟件包中供工藝人員使用，它提供了集成的“制造規劃平臺”，利用數據庫和網絡技術將制造規劃、制造準備、制造管理的信息連續同步的呈現在所有相關人員面前，多個工程師可以同時對同一個項目不同的部分進行操作，單一的數據庫確保了數據的唯一和一致性，網絡化可使項目可多人協同。這兩個信息化特點使得在Tecnomatix平臺下的工廠規劃作業避免了很多傳統規劃制造準備的缺點，能在進行現場動作之前在虛擬環境中對各種設想、計劃的操作進行可行性驗證、仿真等，將潛在的變更提前到使用實物資源之前，加速項目進程，如圖1所示。

在汽車焊裝領域，這一信息化系統使相關人員能夠專心于自己專業的創造性工作，同時又能通過統一的平臺達成同一個項目目標，盡量減少機械重復事務對效率的影響。

Tecnomatix系統使用服務器/客戶端架構。服務器使用Oracle數據庫，兩個主要的客戶端軟件是Process Designer（PD）和Process Simulate（PS），都運行于windows平臺；另外，物流仿真模塊PlantSimulation，可單獨運行也可與數據庫關聯。目前Tecnomatix最新的版本是10.1。

圖1 Tecnomatix平臺下的工廠規劃作業與傳統規劃的比較

所有用戶通過PD或PS使用帳號/口令登錄，很容易控制用戶操作權限，追溯內容的變更。

2 Tecnomatix在汽車焊裝領域的應用

汽車白車身生產面臨的主要問題是能否及時將產品設計轉化成目標產能。由于涉及的設備種類、專業門類眾多，多因素互為設計前提，從規劃設計到施工投產需要進行多次反復。數字化工廠環境為工藝人員提供了一個試錯的虛擬環境，預見可能遇到的問題并解決，Tecnomatix的大致項目流程如圖2所示。

圖2 Tecnomatix項目流程

工作的目標是得到符合產能要求的生產線，總體思路是施工實施前必須先在虛擬環境中對方案進行驗證模擬，經反復修改確認后再施工，現場實施后再將實際的情況反饋到虛擬環境中，以便持續改進和管理。

Tecnomatix的數據分成兩部分，項目的邏輯關系和信息存于Oracle數據庫，與之關聯的其他各種文檔保存在sysroot的網絡存儲中供所有用戶共享。工作從在PD中新建空白項目樹開始，項目樹用于存儲和管理項目中所有對象的邏輯關系，它具有如同windows資源管理器般的層級結構，具體結構和節點類型完全由使用者根據需要定義。由于基于Oracle后臺，項目樹不僅是平面結構，理論上它的任意節點間都可以產生關聯關系。對項目簡單的描述是：（1）創建具有合理細節的虛擬環境和各種對象的信息內容；（2）使用各種工具對要求的指標進行試錯/仿真/驗證；（3）輸出用于施工、管理的各種文檔；（4）實際工程實施。各階段的循環協調始終貫穿其間。

2.1 規劃工作

規劃的起點是汽車白車身CAD模型和加工特征（焊點、焊縫、涂膠信息、螺柱），目標是給定的生產綱要，在規劃設計過程中工藝人員涉及到四大類對象：建立設施使用的資源、要加工的零件、決定零件如何加工的加工特征、加工零件的操作過程。規劃的主要工作就是確定這四種要素的合理配置和關系，通過Oracle數據庫Tecnomatix可以保存并隨時向用戶顯示出其相關關系。操作處于四種要素的核心位置，它決定了用什么做、如何做、做什么、什么時候做，它是各種對象的交匯點，如圖3所示。

圖3 規劃過程中四個要素的配置和關系

其中零件、加工特征、資源三種具有3D表達的對象在Tecnomatix中都使用中性的.CO或.COJT文件進行3D表達（見圖4），其獨立于任何CAD設計平臺，主要用于虛擬現實應用，其中新版的.COJT文件相較.CO文件具有明顯的文件體積優勢（只有.CO的約1/10），特別適于如工廠、船塢等這種大型設施的虛擬顯示。規劃員在PD中的主要工作包括：根據設計意圖在PD中使用資源的3D模型構建汽車焊裝線的詳細工程設計——建設虛擬生產設施；編寫工藝操作流程，將其與之相應的資源關聯；將操作要用到的零件和焊點與相應的操作關聯。關聯過程不一定像圖3一樣，由于四種要素之間的關聯具有傳導性，所以最終各要素都會和與之關聯的其他要素取得聯系，在其屬性中可以看到關聯的其他要素，另外工藝員可將各種格式的附件關聯到與之對應的節點上，這使得工程人員在項目任何階段都能很容易地根據當前的問題迅速找出相關信息。

圖4 零件、加工特征、資源在Tecnomatix中的3D虛擬顯示

總之在虛擬環境中按規劃意圖如同在現實中施工一樣創建虛擬焊裝線是規劃階段的主線。

2.2 仿真工作

規劃人員建立好虛擬焊裝線之后，下一步工作是看其能否正常運轉。仿真人員可以把PD中感興趣的部分（如：一個工位、一條生產線、一臺機器人等）打包到一個“study”中，然后使用PS打開study，利用PS中的各種工具驗證分析自己感興趣的問題。工程人員需要考慮的因素有：干涉、工藝節拍、物流、人機工程、電氣等，PS單一形象的虛擬環境為多設計目標檢查提供了便利的驗證仿真條件和手段（見圖5），其中對焊裝生產最為有用的是機器人離線編程、物流仿真和干涉檢查。目前PS離線編程涵蓋了三十多個品牌的工業機器人（KUKA、ABB、FANUC、PUMA、IBM 等），得到的程序可以在短時間內投入到生產中。物流仿真的Plant模塊既可以脫離數據庫單獨建模，也可以通過PD接口利用已有規劃方案生成物流模型，對焊裝線的全生命周期物流進行仿真，還能評估各種意外對物流鏈的壓力大小，目前物流模塊多為汽車主機廠使用，焊裝分包商由于工作范圍有限做物流仿真的意義不大。干涉檢查是PS最基本也是最重要的驗證工具，其使用貫穿項目的始終，對于焊裝設計它還可以方便地實時檢查電極帽與附近物體的安全間隙。由于Tecnomatix虛擬環境中涵蓋了實物工廠中幾乎所有3D元素，PS干涉檢查作為施工前最后一道檢查，對最終施工能起到很好的質量保證。

圖5 PS仿真

圖6 虛擬人機工程體驗

目前的大趨勢是在單一的環境中對數字化工廠做盡可能全面的驗證，要求虛擬樣機（焊裝線）具有如同實物的各種特征，仿真模擬范圍除了上述常用的手段外還包括：PLC虛擬調試、虛擬人機工程體驗等。目前仿真得到機器人離線程序后還需要自動化工程師現場匹配PLC程序和調試，PLC虛擬調試可以讓工程師利用PS虛擬環境調試PLC程序作為現場最終下載的提前驗證，這能提前發現問題，縮短現場時間。虛擬人機工程體驗（也有叫沉浸式虛擬環境）利用動作捕捉技術和虛擬現實技術讓用戶進入到虛擬場景，能夠直觀體驗尚未建造的設施，做出準確的適用性判斷，如圖6所示。

經過一系列模擬驗證后，在PS中做出的修改和變更作為更新返回到PD中對所有系統用戶發布。由于系統中相關人員能夠隨時迅速地在PD/PS環境中切換，使得“設計→驗證→修改→再驗證”循環，快速進化項目設計方案，達到節省時間和成本的目的。

2.3 Tecnomatix國內應用現狀

目前國內已有上海大眾、一汽大眾、上汽通用、奇瑞汽車等比較大型的主機廠逐漸過渡到了這一數字化平臺，并通過項目帶動的方式逐步實現應用的深入和范圍的推廣。在主機廠的帶動下，焊裝線供應商也在主動或被動的轉變工作方式。在這一過程中還是存在一些現象和問題。

對工程進行預先驗證再實際實施，成功的關鍵之一是虛擬世界必須真實反映現實世界，同時現實中的偏差必須能夠及時準確地反饋到虛擬環境中，前一個要求通過如實的模型轉換和導入可以得到滿足，并且根據實際需要還能做一些簡化；后一個要求目前比較好的解決方法是使用3D激光掃描得到設施建成后的3D模型，然后導入到虛擬環境中進行對比和對之前模型進行修正。目前3D激光掃描技術在國內焊裝車間工程中使用很少，這使得單次項目虛擬數據很難在后續工程使用，以后的項目還是免不了大量“現場時間”，這一方面造成每次建模工作的浪費，另一方面系統保存了不正確的數據給不知情的工程人員使用，會造成潛在風險。主機廠家都打算長期維護管理虛擬環境，比較看重數據的一致性，而供應商多關心單次工程前期的仿真驗證對施工結果的影響。

與其他信息化系統一樣，制造信息化系統投資大、見效慢，缺乏規模的企業輕易不會使用，所以目前Tecnomatix使用的企業是以汽車主機廠為主，焊裝供應商為輔，在主機廠的標準下利用這一平臺完成工程任務。另外，就目前國內的應用現狀看，它還不能完全取代傳統的焊裝工程工作方式，而是作為一個重要的補充，一方面是由國內制造業IT環境決定的，另一方面由制造業人員素質決定的。其次，這一系統的實施是一個循序漸進的過程。它是對舊方法的逐步改進和取代，影響到幾乎所有工程參與人員，很多實際的工作流程、標準都需要不斷在現實應用中摸索、總結、驗證再固化下來。系統效率的真正發揮需要人員的熟練配合、經驗和知識的積累，系統的標準和運行管理才是系統實施成功的關鍵。

3 結論

通過信息化技術提升傳統制造業效率是未來中國制造業發展的必然選擇，信息化系統應用的關鍵是工作方式的轉變，在汽車焊裝線規劃、設計、建造實施流程從傳統模式向以信息化為依托更高效工作模式的轉變過程中，除了關注軟件本身的完善以外更應該關心相應人才的培養、標準的建立和項目組織協調效率的提升，這是如Tecnomatix這類信息化系統的真正價值所在。