數字化工廠制造過程管理系統在汽車生產線上的應用

摘要：數字化工廠是基于產品整個全生命周期數據，在虛擬的計算機環境中，對整個生命周期的生產過程進行仿真、評估以及進一步的優化，并延伸到產品的整個生命周期的新型的生產及組織方式中。數字化工廠是數字制造技術和計算機仿真技術完美相結合的產物，它的出現給汽車制造業注入了新的生命和活力，稱為了溝通產品設計和制造的紐帶和橋梁。本文介紹了“數字化工廠”制造過程管理系統，闡述了其特點、應用，并列舉成功運用的案例，得出結論即實施與開發、系統集成是企業成功應用“數字化工廠”的關鍵。

關鍵詞：數字化工廠；裝焊線；白車身

中圖分類號： T14 文獻標識碼：A 文章編號1672-3791（2015）10（b）-0000-00

隨著汽車市場的競爭的日趨激烈，企業都在不斷地發展、優化、完善自己的產品的開發和制造系統，每個企業都在尋找更優秀的“數字化工廠”制造過程管理系統，來對其生產制造進行相應的支持和改進[1]。

1數字化工廠的特點

制造過程應用系統使得實際制造在虛擬現實環境中進行“預覽”，提供多種輔助工具來輸出工藝文件、圖表；這樣既縮短安裝、調試周期，各工位的工作量又得到了平衡，提高了可靠性、效率和質量，降低了生產線成本，縮短了規劃的周期[2]。

2技術性能指標

2.1統一的數據庫管理平臺

工藝規劃數據通過分類管理，方便工藝規劃數據和查找，數據檢索和參數查詢瞬間完成。通過工藝和制造資源數據的累積，資源庫和工藝庫都可以在后續工藝規劃中再度利用[3]。

2.2工藝規劃、模擬驗證

三維仿真環境下來實施工藝規劃、模擬驗證、工裝夾具與產品之間的干涉、可制造性的驗證。例如：焊接中最合適焊槍的選擇，夾具、機器人產品是否有干涉，優化路徑，添加中間點、中間點的優化，機器人工位離線調試和編程，機器人程序輸出[4]。

2.3客戶化輸出

系統可提供若干種輔助工具來進行快速輸出工藝文件和圖表，大大降低了文檔編制和輸出的工作量[5]。

2.4知識庫

數字化工廠具有標準化的工藝知識庫，可以便于后續的規劃項目中進行重復利用，整個工藝規劃的周期得到了相應的縮短，也加快了新產品上市的過程。

2.5系統集成

具有集成工時分析工具實現了工時分析，平衡了每個工位的工作量，提高了制造資源的合理有效的利用率，達到了提很高的JPH，生產線產能得到了有效提高。

2.6具有統一的數據平臺即“數字化工廠”

其主要通過網絡來具體實現供應商間的并行工程。

3數字化工廠的應用

3.1裝焊線-白車身生產準備規劃

為了給白車身完整的工程規劃、設計、管理、項目跟蹤的團隊協同環境，為生產線提供了2D/3D布局圖，減少項目30%的規劃工作量；綜合焊接管理，焊接信息查詢時間減少了75%；減少丟失焊點80%；提高資源利用率高達85%。

3.2總裝-解決總裝的工藝規劃

為總裝制造工程提供了相應的設計、規劃、管理和團隊協同制造環境，解決了生產線的工藝規劃問題。減少了用于裝配可行性模型的數量，對復雜的裝配進行了干涉仿真，進行早期預測、消除風險工程，規劃簡單的裝配路徑，優化了生產線的物流系統，縮短了生產準備的時間。

3.3發動機解決方案

發動機生產線上的裝配線的設計、質量管理以及優化據此得到了完美的解決。各個部門的協作，免去了不必要的設計和更改，有利于利用標準化資源和工藝模板對新產品的工藝規劃，降低了投資成本。NC刀路仿真，換刀次數最小化，減少刀具無效運動的時間和距離，刀具和工裝卡具優選與和機加工線/裝配先的線平衡，減少機床運動臺面的旋轉，降低了相應的風險系數。數控仿真的進行，生產線物流過程的優化，平衡分析和優化生產線，都縮短了生產線調試時間和效率，提高了產品的產量。

3.4沖壓、生產線的仿真、模具的運動校核

通過三維圖形瀏覽，得到了更充足的信息溝通，早期的設計沖突可通過相應的分析得到，并且進行相應的運動優化，同步進行工藝設計，減少了調整時間和沖壓生產線的建立，優化了工作循環的時間。

3.5噴漆模塊

仿真噴漆，優化厚度、路徑，優選噴漆工具，快速精確的工藝規劃。

3.6 eM-Plant物流仿真模塊

通過仿真工具，對復雜的生產制造系統進行仿真并且優化，可快速有效的分析驗證，復雜的制造體系進行快速建模，對產品制造能力的評估、優化相應的生產線、分析其緩沖的區域，找出瓶頸點并計算進行優化，根據這些來定出最佳的物流控制方法，對項目進行早期的風險和錯誤驗證，及時進行糾正和改進，在一周時間內完成產品生產線的初步規劃，過去需一個月的生產周期，應用此軟件可以大大縮短時間、高效率、精確的對項目進行評估，并且針對典型工藝和數據可以重復利用，減少了重復勞動，項目流程時間，取代了手工勞動，對工裝卡具的數據驗證后可進行設計制造，各個部門的人員進行信息共享。

3.7 實際成功案例

德國寶馬（BMW）汽車：減少工藝規劃時間 （22 %），減少項目規劃時間 （50%），減少規劃工作量 （10 %），減少規劃投資 （5%），減少多系列產品規劃投資 （5 %）

（1）大大縮短了準備期的時間，企業因此而獲得效益；減少了7天的生產準備時間，可以提前一周時間（5天）正式投產。正式投產時，每天可生產2250量車，投產后，每量車比在準備時減少費用達$2000。準備期間日可生產500量，平均每量車的制造費用達$3000，采用白車身解決方案后節省了10%，整個生產準備期間節省的投資計算如下：5（days）*2250（car/day）*$2，000=$22，500，000+

10%*70（days）*500（av.Car/day during

ram-up period）*$3，000=$10，500，000

共為$33，000，000（三千三百萬美圓），提高了項目規劃效率與能力。

（2）企業獲得的效益：企業一共有80位規劃工程師，每位每年工作費用累計$120，000，采用工藝規劃模塊，工作效率與質量得到提高，每人約20%的費用得到了節約。效益計算如下：

80（planner）*$120，000（planner cost/year）

*20%（increase productivity）=$1，900，000

（一百九十萬美圓）

（三百五十萬美圓）

（3）企業獲得的總效益為：生產準備期間：$33，000，000（三千百萬美圓）；規劃效率與質量的提高：$1，900，000（一百九十萬美圓） ；項目投資節省：$3，500，000（三百五十萬美圓）；總和：$38，400，000（三千八百四十萬美圓）

4結論

在汽車領域，“數字化工廠”制造過程管理系統得到了非常廣泛的應用，實現了制造過程管理的信息自動化，時間、質量和成本等方面都產生了巨大的經濟效益。但相應的產品設計的可制造驗證、工藝的規劃、生產過程中制定的計劃、驗證、夾具設計以及驗證、生產線以及物流的規劃、PLC、NC程序的編制等，并不是一般的單個的工具軟件系統，而是ERP、CAD/PDM系統相似的系統。客戶化的開發與實施、系統集成是關乎到我們能否成功應用“數字化工廠”的關鍵。

參考文獻

[1]戴毅茹.虛擬敏捷制造企業建模技術的研究[D].上海：同濟大學 CIMS 研究中心，2003.

[2]吳澄.現代集成制造系統導論[M].北京：清華大學出版社，2002.

[3]張伯順.十六大以來汽車工業發展及其成因[J].汽車情報，1993：30-45

[4]中國汽車工廠學會.北京：中國汽車參考[M]，2008（3）：-10

[5]劉海江，茹凡.白車身側圍工位仿真技術研究[J].北京：機械與電子，2006，（2）：53-55