基于Tecnomatix的數字化孿生工廠搭建及工藝驗證

陳志毅 李少華 姚亮 黎佳瑞 趙智宇

（重慶長安汽車股份有限公司，重慶400000）

1 前言

隨著工業4.0 智慧工廠、中國制造2025 的提出，汽車制造業正面臨著翻天覆地的變化。汽車主機廠應根據市場需求做出快速響應，推出新的車型。因此，有效縮短新車型的生產準備周期是提高企業競爭力的必要手段[1]。

數字化工廠是指通過建立現代數字制造體系、網絡化配置實現整個制造流程的全面數字化管理。數字化工廠建設需要把現代管理理論、智能生產理論、通信技術、大數據技術、數字孿生技術等深度融為一體，全面整合車間生產設備、生產運行控制系統、產品設計開發系統等各種信息系統，形成由產品設計、生產規劃與生產執行所構成的新型生產組織方式[2]。

Tecnomatix 軟件是西門子公司提供的一套綜合性的數字化制造解決方案平臺，其中Process De?signer（PD）和Process Simulation（PS）是Tecnomatix系統中的基礎功能模塊。PD 的主要功能是數據管理與工藝規劃；PS 的主要功能是實現仿真驗證與離線編程。基于PD 和PS，可以實現與現實工廠相對應的，在3D 模擬環境下的數字化孿生工廠的搭建。在數字化工廠中，可以實現工藝與產品數據的相互關聯、焊裝生產線的布局與優化、工藝可達性的驗證和模擬、機器人及設備個體運動與聯動制作、機器人離線程序導出、以及機器人和PLC 信號虛擬調試聯動。在虛擬環境中實現生產線生產的全部過程，極大地降低了生產線的規劃、裝配、和調試周期，加速了新車型的上市進度。

2 數字化孿生工廠的系統結構

數字化工廠是企業信息化、數字化、網絡化的總稱[3]，是傳統制造型企業發展的新階段。數字化工廠是指以資源、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所映射的虛擬現實環境中，對產品生產過程進行計算機仿真和優化的虛擬制造方式。通過數字化手段，為產品設計和工藝制造搭建起了新的橋梁。

通過生產線組成要素（設備、夾具、線槽水汽等管路、產品數據、工藝參數）在Tecnomatix 內1：1集成，利用建模技術對真實工廠的制造資源和產品工藝進行軟件內的空間布局，在計算機內模擬真實的生產制造情況，建立真實工廠的虛擬映射（圖1）。

圖1 數字化工廠系統結構

3 數字化工廠的搭建及工藝驗證流程

數字化規劃流程見圖2，首先利用CAD 等平面布局軟件進行初版的平面布局圖繪制，隨后將生產資源（設備，工裝，產品等）數模導入PD 軟件中，根據平面布局圖進行生產線預搭建以及運動機構定義，使虛擬工廠環境更加貼近真實環境；在PS 中進行產品工藝驗證，在驗證過程中逐步更新及優化布局方案，最終進行機器人路徑制作、PLC 虛擬調試并輸出離線程序。

圖2 數字化工廠規劃及工藝驗證流程

數字化規劃流程的優勢在于，利用PD 和PS 實現了工藝平面圖、3D 數模、焊點膠條等連接工藝信息，工藝參數等信息的資源整合，通過PD 3D 布局和PS 模擬仿真驗證，反饋工藝布局進行不斷優化，提前模擬和測試制造過程，起到了規避問題點、提高工藝利用率、降低成本、縮短產品上市時間的效果。針對數字化工廠的搭建和驗證的每一個步驟分別做詳細講解。

3.1 生產線布局和數字化建模

在PD 軟件中，生產線的搭建需要基于平面圖和3D 數據，以3D 設計軟件CATIA 的part 數據和2D 平面設計軟件CAD 的dwg 文件為例來進行講解。

在第一次導入數據時需要優先導出cust 文件，也稱為客戶化文件，每個主機廠的cust 文件可能有所不同。cust 文件中對每種數據類型設置有單獨的圖標和分類。

將2D 和3D 數據導入PD 進行布局需要通過crossmanager 數據轉換軟件，將平面圖的dwg 文件和3D 的part 文件統一轉換成cojt 文件。通過Cre?ate Engineering Libraries 命令將cojt 文件導入PD 中進行3D 虛擬工廠的搭建（圖3）。

圖3 虛擬工廠

為了有效地整理和控制數據，可以制定相關結構樹的標準結構。以國內某大型主機廠的層級結構為例（圖4），將每種數據放置在對應的層級和后臺中，數據整合清晰明了。

圖4 國內某主機廠的PD標準層級結構

搭建完成的數字化工廠和實際工廠的狀態完全一致，既可以指導現場安裝，也可以通過模擬生產狀態，規避產品，以及制造過程中的問題。如圖5 所示為某數字化孿生工廠與現實工廠對比示意。

圖5 數字化工廠和真實工廠的對比

3.2 運動機構的定義

在PS 軟件中，為了使數字化工廠盡可能和真實工廠保持一致，需要對工裝，焊鉗進行運動機構進行定義，以保證和現場實際運動狀態吻合。

以圖6 中抓具為例，利用PS 中的Set Modeling使工裝進入可編輯模式，之后用Kinematic Device命令進入機構定義界面。在機構定義界面中，可以根據運動類型的不同，定義旋轉機構或是橫移機構,在將工裝的每個部件都定位完成后，通過Pose Editor 命令（圖7）將定義好的部件設置整體運動順序，以保證與現場設備動作狀態一致。其他設備的定義思路與工裝一致。每一個有著完善定義的設備單元組成了和現場狀態完全一致的數字化孿生工廠。

3.3 工藝驗證分析

數字化工廠搭建完成的最終目的是為了在虛擬工廠中模擬生產過程，從而起到完善產品，優化方案布局，降低成本的效果，因此工藝驗證分析是數字化工廠規劃工作中最重要的一環。

為了實現數字化工廠的工藝驗證和生產制造過程模擬，在進行生產線的初版布局后，需要導入產品和工藝信息，并將產品和工藝信息相互關聯用以支撐驗證。

在PS 中使用Automatic Part Assignment 命令，使產品和焊點等工藝信息相關聯（圖8），隨后將零件投影至需要驗證的夾具上。隨后即可驗證機器人可達性并制作路徑。

圖8 運用Automatic Part Assignment關聯零件與焊點

對應的焊接操作路徑的屬性中可以設置與其相關相關聯的機器人以及工具坐標（圖9）。在設置好后，即可在路徑中進行工裝干涉性，焊點焊接，機器人抓放件等過程的模擬。

圖9 設置路徑相關聯的機器人和工具坐標

在驗證過程中需要注意以下4 點內容。

a.一般在驗證可達性的時候，各軸需要保留10°以上的余量，以防止后期在安裝階段導致機器人不可達。

b.機器人在驗證干涉性時，機器人和工裝最少要保留10 mm 以上的余量，和產品數據至少要保證3 mm 以上的余量，以防止加工誤差以及生產時零件變形造成的干涉。

c.機器人的動作路徑應盡量避免和其他機器人的動作過程中有重疊部分，也就是所謂的避免“干涉區”。如果干涉區無法回避，應盡量通過前后工作順序錯開一起工作的時間，減少對生產線節拍造成影響。同時，機器人在原點時，不可以和任何其他路徑有干涉區。

d.在任何仿真過程中，都應該有意識地簡化路徑，以起到降低機器人節拍，提高生產線效率的作用。

3.4 機器人離線程序的輸出和虛擬調試

在數字化工廠的規劃過程中，在完成工藝驗證以及路徑的制作后，可以在PS 中進行機器人和PLC 的虛擬調試和機器人離線程序的導出。

機器人離線程序的導出需要基于Tecnomatix軟件中的OLP 程序模塊和RCS（機器人控制器文件），以MOTOMAN 機器人為例，在機器人屬性中按圖10 中連接配置機器人控制器文件，需要鏈接的文件定義如圖11。在配置好機器人控制器文件后，在對應的路徑上右鍵，使用Download to Robot命令即可導出機器人離線程序。

圖10 機器人控制器配置路徑

圖11 MOTOMAN機器人控制器中各配置文件含義

同時，在PS 中運用Control 模塊可以實現和西門子博途軟件的相互關聯，在數字化工廠中實現虛擬的PLC 信號聯動，和機器人離線程序相配合可以降低現場調試時間30%～40%，極大地提升了調試工作效率。

4 結論

a.針對于汽車焊裝線設備工裝數據量大、現場更改多的情況，通過PD 將工廠相關數模導入，并將工藝信息和數模相關聯，以將現實工廠和虛擬工廠的數據統一的形式，在前期進行干涉性及可達性的驗證。將產品問題，制造問題發現在前期，降低現場的更改量，提高工藝規劃及機械設計質量。

b.利用Tecnomatix 軟件中的OLP 程序模塊準確模擬機器人工作時間，并導出機器人離線輔助現場調試，可以在前期有效控制生產節拍，大幅度提高現場調試效率，提前了新車型的投產上市時間。