基于Tecnomatix軟件的某載貨汽車項目焊裝工藝規劃與工藝仿真應用

摘 要：基于Tecnomatix軟件Process Designer和Process Simulate的虛擬仿真技術，實現白車身焊裝生產線工藝設計、工藝規劃及仿真驗證。以某貨車項目為例，通過仿真分析焊裝過程中可能出現問題，提出解決方案，可提高生產制造能力，優化生產線的設計，縮短項目開發周期，減少投資成本。

關鍵詞： Process Designer；Process Simulate；虛擬仿真；焊裝

隨著汽車行業的迅猛發展，客戶對于產品的品質要求不斷地提高，市場競爭日趨激烈，各主機廠的生存環境愈發嚴峻。為快速響應市場需求，各主機廠都在投入大量技術以響應其生產制造領域。縮短產品開發周期、減少投資成本以及提高生產制造能力，成為了各企業提高競爭力的手段。在此環境下，數字化工廠制造系統得以廣泛應用。

本文基于Tecnomatix系統中的基礎模塊Process Designer和Process Simulate，以某貨車項目主焊線為例，實現焊裝生產線的工藝規劃設計及工藝仿真。

數字化技術的應用意義

數字化工廠系統可以通過虛擬環境進行焊裝線規劃、建模、布置、設備選型及仿真驗證等，將實際制造過程在虛擬環境中“展現”，縮短新產品投放時間，優化生產線的設計，提高生產制造能力。應用數字化工廠技術，通過搭建3D數字化模型實現焊裝線的虛擬仿真，具有以下五點意義。

（1）工藝規劃的信息管理" 利用軟件平臺建立完整的規劃及制造工藝信息平臺，方便信息查詢。比如針對某一焊點，快速查詢與此相關的零件、焊鉗、操作工位、夾具等，并可分析焊接操作的時間及成本。

（2）工藝設計及工藝流程設計" 可編制工藝流程PERT圖、Gantt圖，工位布局3D設計，并進行工藝檢查，工藝規劃的各種文件輸出，工位布局、節拍表、工時分析等。

（3）工藝規劃的詳細工程分析和工藝驗證" 進行工藝方案驗證、焊接可達性驗證、焊鉗及機器人初選型，提高了工藝規劃的質量，對現有的好的工藝經驗進行重復利用、在項目的早期階段對存在的隱患進行檢查和優化。

（4）減少了項目投資成本 避免了錯誤投資，檢查資源設備的利用效率，優化焊接路徑。

（5）減少項目周期時間 將錯誤和風險降低到最小，通過實現并行工程來在項目早期階段發現工程失誤。

白車身焊裝線工藝規劃

1.工藝規劃流程

工藝規劃的過程主要包括制造特征建模、工藝信息建模、工時節拍分析以及資源3D分布等，根據主焊線的工藝內容，制定工藝流程如圖1所示。

2.基于PD的焊裝線工藝規劃

（1）制造特征建模 工藝規劃是以制造建模為基礎，進行產品庫、資源庫和工藝庫的創建。通過PD將制造特征的產品信息、資源數據、工藝操作進行統一定義，并將完成的數據以樹狀排列的形式添加到各樹上（產品樹、資源樹及操作樹）。

1）項目結構創建。新建項目節點，在項目節點下建立產品樹、資源樹及操作樹。如圖2所示，標準操作庫可以在新建項目節點下自行創建，也可以根據不同的項目類型進行導入。右鍵各操作屬性，可顯示操作的描述、時間等信息，在工藝設計過程中可以重復調用。工藝數據庫都是以樹狀形式歸類，可快速瀏覽或查找。

2）資源數據導入。資源數據包括產品資源、設備資源以及焊點信息。產品庫是存放機器人焊接時所需要的產品數據，資源庫主要是生產線上所用到的工藝裝備（機器人、焊機、焊鉗、夾具、上件臺及輸送系統等）。如圖3所示，工藝庫是焊接產品時所用到的標準工藝操作（夾具打開、轉臺轉動、機器人裝卸件、滑臺滑動及點焊等）。將本項目中需要的資源導入到PD環境下，便于后續規劃操作的調用，以及焊點信息與零件、操作的關聯。

（2）工藝信息建模" 將產品、資源及操作和制造信息進行關聯。根據工藝布局，將產品、資源、操作及制造信息分配到各工位里，形成樹（操作樹和資源樹）的形式，建模內容如下。

1）建立生產線模型。根據焊裝線結構，在工藝文件夾Process下創建用于工藝描述的操作樹及資源樹。對焊裝線建模一般遵循自上而下的順序，即“車間→生產線→區域→工位”逐層細化。各工位根據各自屬性進行編號，在各自節點下進行操作的定義，以及資源的分配。

以Pr為前的對象都是成對的，如圖4所示，自動建立關聯關系，藍色的為資源，紅色的為操作。

焊裝線各工位創建完之后，定義工位之間的工藝流程。圖5所示為主焊線的Pert圖，圖中的矩形表示主焊線各工位，工位之間流程用箭頭連接，指向各工位的箭頭上的零件為該工位的加工對象。

2）工藝信息分配。在建立完生產線模型并確定資源樹和操作樹結構后，需要對設備資源進行分配，同時對工位進行工藝設計。主焊線MB020工藝信息分配如圖6所示，左側是將資源添加到各工位資源樹中；右側是在各工位操作樹下，根據工藝操作流程，創建出的操作信息；中間為工位的3D視圖。

3）工藝數據關聯。在PD中的工藝數據不是獨立存在的，與其他數據存在關聯。工藝數據關聯是將工藝數據（如焊點信息、包邊信息及涂膠信息）和產品、操作、工位的關聯，如將焊點分配到產品、焊點分配到工位、焊點分配到操作。打開資源庫Load待分配的焊點，Add Root相關聯的產品，可顯示焊點及產品數模。

（3）工時節拍分析" 對工位的每一個操作步驟進行MTM工時定義，可以用Gantt圖來表示工藝操作與時間線的流程，進行工時分析。Gantt圖提供了沿操作周期線的操作和資源的圖形化表示，每一個操作的圖條代表時間，可以進行操作時間值的修改以及兩操作之間的flows，規劃和平衡每個工位或單元的負荷。選中工位節點右鍵-Gantt Viewer，打開操作Gantt圖，如圖7所示。

（4）資源3D布局" 進行焊裝線的工藝創建，完成各工位資源樹、操作樹設計，同時將產品工藝信息資源分配好之后，即可以2D布局圖為參考進行資源3D布局設計。在3D環境下（見圖8）進行夾具、機器人、輸送設備等布局情況檢查，有利于資源布局優化，提高規劃質量，節省規劃設計時間。

焊裝工位過程仿真

1.工藝仿真流程

機器人自動化工位仿真基本流程為：根據PD工藝規劃將各工位的資源和工藝建立完成并導入仿真環境，然后對各工位焊點進行投影，結合產品結構及焊點搭接狀態進行焊鉗初選型。之后進行焊鉗干涉性分析、焊接路徑規劃及可達性驗證等模擬工作，根據分析結果判定是否可行，不可行則進行工藝重新分析，并修訂方案。基本仿真技術方案如圖9所示。

2. 基于PS的焊裝線工藝仿真

（1）焊點投影及焊鉗選型 在PD模塊分配至操作的焊點需要轉化為PS模塊中焊點坐標，已便于焊鉗仿真模擬。焊點投影完成后進行焊鉗選型，PS模塊中配置焊鉗選型工具，從已有的焊鉗庫中進行焊鉗初步選型。

（2）方案及布局優化 在3D資源布置中僅僅是將機器人資源加載進來，根據初步的平面布置圖進行機器人位置擺放，未考慮機器人安裝焊鉗之后所有焊點的可達性，因此機器人空間位置需要做優化調整。通過機器人布局優化（見圖10），可以獲得機器人空間布局、底座高度，為后續施工提供位置依據。

（3）機器人仿真驗證" 機器人的仿真驗證主要進行機器人運行過程的干涉情況進行分析，保證生產過程中的正確性、合理性。機器人運行過程6軸運行狀態是否超限；機器人與周圍外設是否干涉、安全距離是否足夠；焊鉗與板件之間焊鉗與夾具之前是否存在干涉等。PS軟件提供干涉檢查功能，如圖11所示，點擊“View→Viewers→Collision Viewer”即可打開干涉檢查菜單。

進行完干涉檢查設置并正確使用后，當出現干涉，即會出現變黃或變紅的報警，如圖12所示。

結語

基于PD平臺進行工藝規劃，構建焊裝線工藝模型，完成3D資源布局，使得工藝規劃更規范、快速、準確，更好地進行信息的維護管理，后期進行產品拓展時可以快速的查找和導入。基于PS平臺下進行焊鉗選型，指導焊鉗的設計；利用Smart place功能進行機器人布置，確定機器人站位，指導現場的安裝調試。通過對機器人的焊接路徑規劃，對仿真結果進行分析，驗證了規劃方案的合理性，為優化設計提供了依據。通過模擬仿真驗證，實現了設計和產生的同步，縮短了項目開發周期，降低了開發風險，有利于對于項目的風險和周期控制。