汽車行業數字化車間技術探索

單利華，劉曉晨，王玉光

（北奔重型汽車集團有限公司，內蒙古 包頭 014032）

汽車行業數字化車間技術探索

單利華，劉曉晨，王玉光

（北奔重型汽車集團有限公司，內蒙古 包頭 014032）

數字化車間技術是數字制造技術的關鍵技術之一，在探索數字化車間內涵的基礎上，分析了汽車行業數字化車間建設的現狀和需求，提出了數字化車間構建思路，最后介紹了國內外數字化車間的解決方案。

汽車；數字化車間；需求；構建

CLC NO.: U468.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)10-117-03

引言

近年來網絡技術和信息技術的飛速發展，數字化車間技術已成為先進制造技術在實際制造過程中的實現基礎。它改變了傳統的規劃設計理念，將設計規劃從經驗和手工方式，轉化為計算機輔助數字仿真與優化的精確可靠的規劃設計，它在時間、質量和成本方面體現出重要的意義。

1、數字化車間的內涵

數字化車間是指以制造資源、生產操作和產品為核心，將數字化的產品設計數據，在現有實際制造系統的數字化現實環境中，對生產過程進行計算機仿真優化的虛擬制造方式。數字化車間技術是在高性能計算機及高速網絡的支持下，采用計算機仿真與數字化現實技術，以群組協同工作的方式，它概括了對真實制造世界的對象和活動的建模與仿真研究的各個方面。從產品概念的形成、設計到制造全過程的三維可視及交互的環境，在計算機上實現產品制造的本質過程，通過計算機數字化模型來模擬和預測產品功能、性能及可加工性等各方面可能存在的問題。

圖1 數字化車間TOP-DOWN 結構

在數字化車間的設計和規劃階段各種類型的人員所關心的層次有所不同，所以將數字化車間的模擬仿真力度進行層次的劃分，使不同人員在不同階段得到不同的仿真模擬力度。經過分析，把數字化車間軟件分為四個層次，如圖1所示。

這四層的仿真力度逐漸細化，詳細到設備的一個具體的動作。可以說通過這四層的仿真模擬，達到對制造系統的設計規劃優化、系統的性能分析和能力平衡以及工藝過程的優化和校驗。

2、國內汽車行業數字化制造的需求分析

汽車的制造工藝按照類型劃分為沖壓、白車身焊接、噴涂、總裝、動力總成(發動機)以及其它零配件的制造/裝配。其中，白車身焊接、總裝和動力總成工藝是最復雜的三種類型，下面對這三種工藝的特點及數字化制造需求進行分析。

2.1 白車身工藝的特點及數字化制造需求

白車身制造的基本過程就是采用機器人(或者手動加機械手輔助)的手段，傳輸、抓取、夾持離散的鈑金和沖壓件并將其焊接成復雜的白車身結構。重卡行業的白車身焊裝過程目前還沒有完全實現機器人自動焊接，多數以機器人和手動焊接配合完成白車身焊裝。許多工藝信息都和零部件的三維幾何特性密切相關，這給車身焊裝工藝參數選擇、工藝流程規劃、車身焊裝的質量控制甚至車身設計都帶來很多挑戰。如何管理好數以千計的焊點，保證無漏焊、重焊，是白車身工藝規劃的難點。

在白車身焊裝線領域，國內絕大多數整車廠還處在一個較低的技術水平上，無論是項目招標還是具體項目實施，相關數據多數還停留在AutoCAD圖紙狀態，焊裝工藝工程師最為主要的工作內容就是Excel填表和截圖，工程師難有時間去考慮制造工藝本身的問題，如節拍平衡、生產線布置以及工位仿真等。目前，白車身制造過程中存在的問題包括：工藝設計數據和手段依然停留在二維年代；缺乏有效管理焊點信息的手段，缺乏統一的數據管理平臺，缺乏精確的焊接過程分析手段，缺乏更為直觀、精確的工廠布局和仿真手段，缺乏精確的物流過程分析手段，缺乏更有競爭力的招標投標技術手段。這些問題是汽車制造商在白車身工藝和制造過程中積極采用數字化制造技術的主要原因。一般來說，一套支持白車身工藝的數字化制造解決方案應具備從“概念規劃－粗規劃－詳細規劃－生產運行管理”的完整解決方案。

2.2 總裝工藝的特點及數字化制造需求

商用車方面，整個裝配過程從底盤車架開始，按照裝配工藝將所有零件部件進行裝配，最終形成底盤車。在過去的十幾年中，隨著汽車產品型號的急劇增加，產品配置越來越復雜，總裝的混流生產變得非常普遍，總裝生產線成為汽車制造商在規劃設計過程中最費時間的部分。

目前，國內大多數重卡行業，汽車裝配工藝一般由工藝規劃人員先進行經驗性、類比性的手工設計，然后根據樣車裝配試驗情況和生產現場實際情況進行適當調整后完成。這種做法工作量巨大，耗時長，工藝規劃的質量無法保證，在裝配任務規劃、生產線平衡等方面難以達到較理想的優化效果。因此，必須廣泛使用虛擬技術，在計算機上實現裝配工藝規劃和驗證，從而及時發現并修正問題，減少實際投產后的變更。一般來說，一套支持總裝工藝的數字化制造解決方案應包含數字化預裝配、數字化工藝規劃、數字化工藝規劃驗證、生產管理和供應商協同等功能。

采用Matlab軟件，判斷矩陣A的最大特征值λmax為 4.051 1，最大特征值對應的特征向量 W＝［0.472 85 0.284 38 0.072 85 0.169 92］， 一致性比例值 CR＝（4.051 1－4）／3＝0.017，因為 CR＜0.10，可以判斷矩陣通過一致性檢驗。

2.3 動力總成工藝的特點及數字化制造需求

發動機是汽車的關鍵部件，它的制造工藝非常的復雜。發動機制造工廠都包含缸體、缸蓋、曲軸等的機械加工生產線，發動機的裝配線，以及發動機檢測線和設備。發動機的制造質量直接影響著汽車產品的性能水平和可靠性。隨著發動機趨于輕量化、結構簡單化、性能優質化，發動機制造技術和工藝發生了很大的變化，高速、高效、柔性是制造工藝當前的主要特點。為了應對這些挑戰，除了采用先進的制造技術和制造設備以外，進行數字化工藝規劃和仿真驗證也是提高動力總成工藝水平的重要途徑。

數字化工藝規劃的基本需求是：（1）加工工藝規劃。（2）裝配工藝規劃。

數字化工藝仿真的基本需求是：（1）建立發動機生產車間的仿真模型。（2）通過仿真生成發動機生產線的工藝布局優化方案并進行數據分析。（3）通過仿真生成發動機車間量產后的物流分析及物料配送計劃。（4）通過仿真生成發動機車間生產、物流成本分析報告。輸出生產成本，計算物流成本在生產成本中的比重，提出報告并分析原因。

3、數字化車間建設思路

數字化車間系統的規劃是比較復雜的，不可能一次性完成這樣的任務，可以分三個階段實現該系統：

3.1 建立基本布局系統

讓設計人員通過可視化的方法對廠房設計，生產線布局和各種物流進行規劃設計。在此階段，需要建立其軟件的基本框架，和各種車間對象的仿真模型。在此要對車間內各種對生產有直接或間接關系的設備物品進行抽象分類，并建立與之對應的對象類（class）。要建立軟件的人機界面，使用戶能方便的管理這些對象，對車間進行由總體到局部的布局。完成后允許用戶設計和布置車間內部的布局，諸如生產線的走向，各個工位的位置，配置何種設備及如何擺放，車間內各種附件位置等。

3.2 加入調度控制和仿真系統

使系統能對布置好的車間進行運行仿真，以檢驗各種設計布局是否合理。此階段要設計智能控制對象和統計分析系統。智能調度對象總管車間內各種事務、按照生產計劃，控制生產設備進行生產，控制生產線上的物流。可以在仿真系統中對各種生產管理調度計劃進行試驗，以檢測避免死鎖等問題。當一個具體的生產車間的布局已經完成，可以讓數字化車間模擬運作，檢驗設計的可行性和合理性，統計分析系統記錄仿真運行的各種數據、進行分析優化、對發現的設計問題進行及時的修正。由于是在電腦中仿真運行，除了設計工時外并不耗費任何成本，可以進行多種設計的試驗比較，以找到最優的布局設計和調度規則。

3.3 建立與車間的日常生產全面結合的接口

進行可視化的監控和管理。在此階段，要設計數字化車間系統與物理系統的互連接口，通過LAN、現場總線等其他技術把數字化車間的指令送到真實的設備上，控制設備進行生產。同時物理系統的信息也通過接口反饋給數字化車間，讓數字化車間同步表現真實車間的生產狀態。監控人員可以以數字化車間為接口監控工廠生產，通過可視化方式監控生產過程甚至車間內所有發生的事件；同時把數字化系統作為控制中斷，對生產進行計劃外的干預，以應對特殊的情況。

4、數字化車間解決方案

一套針對汽車行業的數字化制造解決方案必須體現汽車制造的特點，它著眼于改進整個汽車制造流程，涵蓋從動力系統到車身、涂裝到最終裝配及車間平面布置、一直到供應商與系統管理的所有功能。下面對UGS公司公司的數字化制造解決方案作一個簡單的介紹。

UGS公司是PLM 領域的全球領先者，它提供的Tecno matix平臺是一套完整的數字化制造解決方案，其構建基礎是開放式的PLM，即Teamcenter主構架，它由零部件制造、裝配規劃、資源管理、工廠設計與優化、人力績效、產品質量規劃與分析、生產管理等核心模塊構成。針對汽車行業的Tecnomatix解決方案的結構如圖2所示。

圖2 UGS公司的Tecnomatix數字化制造解決方案(汽車行業)

三維化的工廠設計和布局優化——合理的車間布局是保持長期盈利能力、生產流程耐久性和柔性以及可維護性的基礎，在三維環境下通過對象模塊的方式進行工廠設計不但形象直觀，更能夠充分描述和利用信息，對存儲需求和物流設備進行評估，從而優化設施布局，以獲得更高的生產線和物流績效。

汽車全套工藝的規劃設計。決方案包含了針對汽車全套工藝的輔助規劃設計功能：白車身、總裝、發動機、沖壓、涂裝以及零部件供應商的工藝規劃。

（1）白車身工藝解決方案。解決白車身焊接工藝規劃和焊裝生產線的規劃問題。

（2）總裝工藝解決方案。主要解決總裝生產線的工藝規劃、多車型混線生產中的制造管理、總裝物流優化和按定單排產等制造工藝問題，完成人員模擬、生產線平衡和時間流程的規劃。

（3）機加工工藝解決方案。主要解決發動機機加工生產線的工藝規劃、加工策略優選、刀具和工裝卡具優選、NC仿真和生產線平衡等問題。

（4）其它工藝模塊。沖壓工藝模塊解決沖壓生產線的運動機構分析和干涉檢查問題；噴漆模塊作為噴涂工藝設計工具，它處理整個噴涂工藝過程，從機器人運動路徑的設計、覆蓋參數和厚度的確定、直到仿真并把優化的程序下到生產線。

5、結束語

數字化車間主要解決產品設計和產品制造之間的“鴻溝”，實現產品生命周期中的制造、裝配、質量控制和檢測等各個階段的功能，主要解決工廠、車間和生產線以及產品的設計到制造實現的轉化過程，使設計到生產制造之間的不確定性降低，在數字空間中將生產制造過程壓縮和提前，使生產制造過程在數字空間中得以檢驗，從而提高系統的成功率和可靠性，縮短從設計到生產的轉化時間。

[1] 張浩，樊留群，馬玉敏編著.數字化工廠技術與應用. 北京：機械工業出版社，2006（4）.

[2] 李世杰，張艷蕊著.數字化車間構建策略.天津：河北工業大學.2009（9）.

[3] 韓英淳著.汽車制造工藝學.人民交通出版社.2005.12.

Auto industry digital workshop technology exploration

Shan Lihua, Liu Xiaochen, Wang Yuguang
( North toward national heavy duty truck group co., LTD., Inner Mongolia Baotou 014032 )

Digital workshop technology, as a key technology of digital manufacturing technology. Based on the exploration of connotation of digital workshop, this paper analyzes the recent situations and needs of constructing digital workshops in motor industries and proposes some ideas about such construction, some domestic and international ideas relating to the digital workshop are also presented at the end of this paper.

Automobile; digital manufacturing workshop; demand; construction

U468.1

A

1671-7988 (2017)10-117-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.10.039

單利華，就職于北奔重型汽車集團有限公司。主要從事汽車標準化管理等方面工作。