虛擬制造技術在白車身組裝中的應用

孫啟蒙

（天津福臻工業(yè)裝備有限公司）

汽車作為現(xiàn)代生活中不可或缺的交通運輸工具，自誕生以來經(jīng)歷了數(shù)次的更新?lián)Q代。汽車白車身的生產(chǎn)由完全人工到現(xiàn)在的自動化率達到90%以上，其發(fā)展與每個時代科學技術的發(fā)展息息相關。隨著計算機領域的飛速發(fā)展，“虛擬制造”的概念應運而生，虛擬制造即將實際的生產(chǎn)過程在計算機上實現(xiàn)虛擬化的模擬生產(chǎn)，以達到解決現(xiàn)實中難以處理的復雜問題、降低投資風險及縮短試驗周期的目的。作為代表智能化和現(xiàn)代化的白車身生產(chǎn)線，虛擬制造技術在其中發(fā)揮著重要作用。結合實際項目經(jīng)驗以及對理論文獻的研讀，文章總結了白車身生產(chǎn)中常用的虛擬制造技術，并指出了它們各自的優(yōu)缺點以及應用范圍，為更加深入地了解和研究虛擬制造技術提供了依據(jù)。

1 物流仿真技術在白車身組裝中的應用

物流仿真的意義在于：1）可用于新工廠前期的布局與規(guī)劃。例如要提高產(chǎn)量，現(xiàn)有的設備和人員能否應對；要擴建工廠，該如何去布局等問題。2）解決新產(chǎn)品并入老生產(chǎn)線的問題。如是否可以與原有產(chǎn)品混流生產(chǎn)，產(chǎn)量能否滿足。3）實現(xiàn)生產(chǎn)線的評價和效率提高。如得到瓶頸工位，評價流程是否流暢、設備和空間利用率是否充分等。4）實現(xiàn)日常生產(chǎn)的仿真。通過仿真可以得知當天的生產(chǎn)計劃是否可以完成，當天生產(chǎn)計劃怎樣進行排產(chǎn)等情況。

在國外汽車工業(yè)中，物流仿真已經(jīng)被廣泛地采用。上世紀80—90年代，美國福特公司及日本尼桑公司將Witness物流仿真軟件用于白車身生產(chǎn)線的前期規(guī)劃工作中，實現(xiàn)了提前測試工藝設計優(yōu)劣性的目的，在實際生產(chǎn)中取得了不錯的成績[1-2]。國內(nèi)物流仿真的研究和應用起步較晚，但隨著合資汽車廠的逐漸增多，國內(nèi)的主機廠也越來越注意物流仿真的應用，對此學者們也進行了很多的研究工作，推動了物流仿真的理論發(fā)展。

文獻[3]利用Plant Simulation物流仿真軟件，研究了某汽車白車身組裝線的工藝流程，根據(jù)實際情況建立了系統(tǒng)仿真模型，根據(jù)仿真結果優(yōu)化了設備利用率。文獻[4]以Plant Simulation為仿真平臺，以國內(nèi)某汽車制造企業(yè)白車身焊裝線為研究對象，對焊裝線進行仿真建模，對焊接工位進行優(yōu)化重組，從而提高了焊裝線的生產(chǎn)效率。文獻[5]利用Em-Plant生產(chǎn)物流仿真軟件建立了某汽車變速箱混流生產(chǎn)線仿真模型，并對不同的投產(chǎn)序列進行了仿真驗證。文獻[6]用線性加權法研究了多目標優(yōu)化問題，有效地保證了生產(chǎn)負荷平衡和物流平順化的目標要求，同時還減少了裝配過程中不同品種的切換頻次。文獻[7]研究了混合遺傳與禁忌搜索算法，解決了混流排序的問題。

目前，關于物流仿真的研究大多停留在理論階段，而實際生產(chǎn)中由于受工況的復雜程度影響，物流仿真的應用受到了很大的限制。國內(nèi)主機廠主要采用物流仿真手段實現(xiàn)對生產(chǎn)線的驗證工作，而實際的規(guī)劃和布局大多還是依賴于人工經(jīng)驗。

2 機器人仿真技術在白車身組裝中的應用

機器人仿真技術不僅可以通過對目標進行三維建模，實現(xiàn)整個車間的數(shù)字化，以便能提前直觀地看到整個工廠的布局，而且通過計算機模擬現(xiàn)場的實際操作過程，對提前發(fā)現(xiàn)并消除干涉問題、減少焊槍種類、減少備件及降低投資風險起著極其重要的作用。因此，機器人仿真也成為設備進場前主機廠控制設計質(zhì)量的重要一環(huán)。

目前，常用的機器人仿真軟件有DELMIA，Robcad，PDPS（process design&process simulation）等。近些年國內(nèi)主機廠主推使用PDPS進行仿真，因為PDPS不僅具有強大的機器人仿真功能，而且具有強大的工藝規(guī)劃功能，操作也更為人性化。PDPS軟件解決實際問題的基本思路是：1）首先，建立仿真環(huán)境、導入夾具、機器人及周邊設備等模型，并按照平面圖進行布置；2）然后，根據(jù)工位的工藝信息及焊點分布等初選焊槍，初步確定機器人位置，3）再優(yōu)化夾具，在避免干涉的過程中對焊槍也進行優(yōu)化修改，然后確定終板焊槍及機器人占位；4）后期輸出最終的設備占位圖供現(xiàn)場安裝使用。這是應用軟件進行一般仿真的大概過程，當然機器人仿真的作用不止于此，對于其應用，學者們也進行了大量的研究工作。

文獻[8]通過蟻群算法對焊接路徑進行優(yōu)化，得出最優(yōu)焊接路徑；并在DELMIA軟件中建立了側圍仿真環(huán)境，利用焊點之間的轉(zhuǎn)換關系，得到機器人各軸變換關系，為研究機器人工作過程的平穩(wěn)性提供了理論參考。文獻[9]通過Robcad軟件建立某車型的地板線模型，通過模擬添加機器沖鋒位，加快了機器人焊接節(jié)拍。文獻[10]利用SolidWorks軟件建立機器人模型并模擬了焊接機器人的工作環(huán)境，同時以Robcad為輔助得到了離線程序。文獻[11]運用Tecnomatix系列軟件eM-Workplace(Robcad)模塊，對機器人滾邊工藝方案進行了模擬仿真，驗證了方案的可行性。同時，利用Robcad生成的滾邊離線程序可以在現(xiàn)場運行。文獻[12]利用DELMIA對整條生產(chǎn)線進行了建模及仿真，分析了設備間的動態(tài)干涉性，優(yōu)化了生產(chǎn)工藝布局并加快了生產(chǎn)節(jié)拍，還引入了人機工程概念。

相比物流仿真，機器人仿真技術在白車身組裝中的應用較為成熟，在項目實際應用中起著重要的作用，是主機廠把控后期項目生產(chǎn)調(diào)試風險的重要一環(huán)。但是在實際應用中也存在不足之處，主要是由于現(xiàn)場設備的實際安裝位置和仿真軟件中的設備位置存在偏差，導致仿真輸出的離線程序因在現(xiàn)場誤差過大而無法應用，如何解決這一問題將成為日后技術人員關注的重點。

3 虛擬調(diào)試技術在白車身組裝中的應用

虛擬調(diào)試（Virtual Commissioning）即虛擬試生產(chǎn)，其目的是借助虛擬調(diào)試軟件平臺，建立與實際情況一致的物料流、信號流及各生產(chǎn)要素之間的聯(lián)系，可以實現(xiàn)對點調(diào)試，以及單工位和整個生產(chǎn)線的聯(lián)動聯(lián)調(diào)。在設計階段提前對電控程序和機器人離線程序進行驗證和優(yōu)化，對于提高項目實施效率、縮短現(xiàn)場調(diào)試周期及節(jié)省時間與人力成本起到非常重要的作用，而且通過數(shù)字化仿真平臺，可以對生產(chǎn)人員和維護人員進行虛擬培訓，使其快速掌握生產(chǎn)線的運行情況和維修方法，因此，虛擬調(diào)試越來越受到各大主機廠的青睞。

虛擬調(diào)試用于白車身組裝線的主要流程為：首先，接收機器人仿真的數(shù)據(jù)與相應的電控圖、機器人信號表及PLC信號表等；然后，建立各種物料流和信號流，搭建虛擬調(diào)試的環(huán)境。前期的準備工作完成后可以實現(xiàn)對點調(diào)試、單工位調(diào)試及工位聯(lián)調(diào)。調(diào)試完成可以輸出更新后的仿真數(shù)據(jù)以及調(diào)試完成后的PLC程序等。

虛擬調(diào)試人員以及軟件的成本較高，因此大多數(shù)的白車身項目只是在主拼線、側圍線等關鍵工位采用虛擬調(diào)試手段，而其他非關鍵工位還是主要依賴于機器人仿真技術。

4 結論

白車身組裝中常用的虛擬制造技術主要有物流仿真技術、機器人模擬技術以及虛擬調(diào)試技術。物流仿真主要用于前期的規(guī)劃和布局，但是國內(nèi)的物流仿真起步較晚，加上實際工況的復雜性，目前只是用于驗證工藝的可行性；機器人模擬技術應用最為成熟，但其離線程序的應用仍然受限。歸根到底，虛擬制造技術是以實際生產(chǎn)為基礎，在理論層面進行的模擬工作，而應用于實際的過程中必然受到現(xiàn)實情況復雜性的影響，如何使得虛擬化的模型更加貼近實際，是未來科研工作者以及技術人員研究的重點課題。