數(shù)字化工廠在焊裝生產(chǎn)準備過程中的應(yīng)用

霍鵬程，劉國文

(奇瑞汽車股份有限公司，安徽蕪湖 241006)

1 數(shù)字化工廠的發(fā)展趨勢

隨著全球范圍內(nèi)市場競爭的加劇，縮短產(chǎn)品的設(shè)計周期、生產(chǎn)周期、上市周期，降低開發(fā)成本已成為企業(yè)追逐的目標。多功能性、高獨立性和產(chǎn)品的短期設(shè)計制造都給制造系統(tǒng)的規(guī)劃和設(shè)計提出更高的要求。各企業(yè)在追求規(guī)模效益的同時，勢必要進行擴大再生產(chǎn)，規(guī)劃新建廠房或者對現(xiàn)有廠房進行布局優(yōu)化調(diào)整。

在此以奇瑞公司自2008年數(shù)字化工廠實施至今在工廠規(guī)劃中的實際應(yīng)用為案例，對數(shù)字化工廠相關(guān)技術(shù)進行介紹。同時通過該技術(shù)的實施，發(fā)現(xiàn)了規(guī)劃中的一些問題，并提出對策建議，同時結(jié)合實際應(yīng)用，總結(jié)出項目實施經(jīng)驗。

1.1 數(shù)字化工廠簡介

數(shù)字化工廠是對傳統(tǒng)工廠規(guī)劃理念的革命。它是根據(jù)虛擬制造的原理，通過提供虛擬產(chǎn)品開發(fā)環(huán)境，利用計算機技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實現(xiàn)工廠規(guī)劃中的靜態(tài)工廠規(guī)劃、裝配工藝規(guī)劃和物流仿真規(guī)劃，達到縮短工廠建設(shè)周期、降低建設(shè)成本、優(yōu)化工藝布局和優(yōu)化物流方案的目的。數(shù)字化工廠與虛擬制造關(guān)系如圖1所示。

圖1 數(shù)字化工廠與虛擬制造關(guān)系

數(shù)字化工廠是一個集成化的計算機環(huán)境，在計算機網(wǎng)絡(luò)和虛擬現(xiàn)實環(huán)境中建立起來的用于對生產(chǎn)工程的各個環(huán)節(jié)，在不同層次(小到操作步驟，大到生產(chǎn)單元、生產(chǎn)線乃至整個工廠)進行設(shè)計、仿真、分析和優(yōu)化，具有集成、開放、并行和人機交互等特點。數(shù)字化工廠有廣義和狹義之分。從廣義角度而言，數(shù)字化工廠是以制造產(chǎn)品和提供服務(wù)的企業(yè)為核心，由核心企業(yè)和一切相關(guān)的成員構(gòu)成，使一切信息數(shù)字化的動態(tài)組織方式。從狹義的角度而言，數(shù)字化工廠是以工藝規(guī)劃和生產(chǎn)線規(guī)劃為核心，研究如何組織生產(chǎn)的問題，包括產(chǎn)品工藝分析、工藝規(guī)劃、生產(chǎn)計劃、生產(chǎn)線規(guī)劃、物流仿真和生產(chǎn)線優(yōu)化等內(nèi)容。數(shù)字化工廠概念如圖2所示。

圖2 數(shù)字化工廠概念

1.2 數(shù)字化工廠常用軟件和應(yīng)用情況

到目前為止，數(shù)字化制造已經(jīng)在國外領(lǐng)先汽車制造企業(yè)中得到了普遍應(yīng)用，調(diào)查顯示，全球前15大汽車制造企業(yè)都在不同范圍內(nèi)采用了數(shù)字化制造解決方案，并獲得了降低規(guī)劃成本、提高規(guī)劃質(zhì)量、加快規(guī)劃時間等多方面的投資回報。

國內(nèi)外主流的PLM系統(tǒng)有達索公司（Dassault Systèmes）、參數(shù)技術(shù)公司（PTC[1]）、西門子PLM公司（Siemens Product Lifecycle Management Software Inc.）、歐特克公司（Autodesk，Inc.）、CAXA 等。其中在汽車行業(yè)應(yīng)用最廣的主要有達索公司的delmia系統(tǒng)、西門子公司的Tecnomatix，以及在相應(yīng)系統(tǒng)上高度定制的TBD系統(tǒng)。全球主要汽車制造企業(yè)采用PLM系統(tǒng)的情況如圖3所示。

1.3 奇瑞公司數(shù)字化發(fā)展規(guī)劃

奇瑞公司的數(shù)字化發(fā)展規(guī)劃如圖4所示。

2 數(shù)字化工廠軟件介紹

2.1 Delmia系統(tǒng)介紹

Delmia系統(tǒng)是法國達索系統(tǒng)（Dussault System）公司為客戶提供的數(shù)字化設(shè)計、制造和維護管理的PLM平臺。Delmia系統(tǒng)主要包含：面向設(shè)計制造的DPE；面向物理過程分析的QUEST；面向人機分析的Human；面向虛擬現(xiàn)實的Envision；面向機器人仿真的Robotics；面向系統(tǒng)數(shù)據(jù)集成的PPR Navigator。

圖3 全球主要汽車制造企業(yè)采用PLM系統(tǒng)的情況

圖4 數(shù)字化發(fā)展規(guī)劃

DELMIA軟件系統(tǒng)包括兩個相互關(guān)聯(lián)的獨立軟件——DPE（DELMIAProcessEngineer）與DPM（Digital ProcessManufacturing）。前者為數(shù)字化工藝規(guī)劃平臺，它建立產(chǎn)品數(shù)據(jù)、資源數(shù)據(jù)和工藝結(jié)構(gòu)，并將三者有效地關(guān)聯(lián)在一起，實現(xiàn)工藝方案的評估、各種數(shù)據(jù)的統(tǒng)計計算、裝配工藝結(jié)果的輸出等；后者提供工藝細節(jié)規(guī)劃和驗證應(yīng)用的環(huán)境，以產(chǎn)品、工裝的三維模型并結(jié)合DPE已設(shè)計好的工藝流程進行數(shù)字化裝配過程的仿真驗證，兩者通過唯一的PPR Hub數(shù)據(jù)庫共享數(shù)據(jù)。由于汽車制造行業(yè)的特點及各企業(yè)在技術(shù)標準方面、數(shù)據(jù)管理方面、輸入輸出需求方面的差異，使得DPE的通用模板難以應(yīng)對不同的用戶，而二次開發(fā)能較好地解決這個問題。DELMIA的二次開發(fā)主要指對DPE進行二次開發(fā)，按照企業(yè)的不同需求，進行客戶化定制。

3 生產(chǎn)線規(guī)劃

3.1 規(guī)劃內(nèi)容

數(shù)字化工廠是虛擬的集成制造環(huán)境，通過其虛擬環(huán)境建立目標系統(tǒng)的模型并仿真，能夠?qū)?shù)化表示的生產(chǎn)線進行分析和優(yōu)化。虛擬環(huán)境下生產(chǎn)線的規(guī)劃包括以下幾個內(nèi)容。

3.1.1 生產(chǎn)線總體初步規(guī)劃

根據(jù)生產(chǎn)綱領(lǐng)和工藝內(nèi)容，確定生產(chǎn)節(jié)拍，選擇合適的加工設(shè)備和加工參數(shù)，采用預(yù)設(shè)計的物流策略和控制規(guī)則，合理安排空間布局以符合現(xiàn)場空間限制，這是生產(chǎn)線規(guī)劃的第一步，其他規(guī)劃內(nèi)容都要依據(jù)初步規(guī)劃后的模型運行數(shù)據(jù)進行分析判斷。

3.1.2 設(shè)備分析

判斷機床等設(shè)備的加工參數(shù)設(shè)置、服務(wù)優(yōu)先級機制、裝夾方式是否合理；分析設(shè)備發(fā)生故障的頻率、故障修復(fù)的時間、設(shè)備的維護成本對生產(chǎn)線產(chǎn)能和生產(chǎn)任務(wù)進度的影響，重新設(shè)置設(shè)備參數(shù)乃至更換設(shè)備。

3.1.3 生產(chǎn)線物流規(guī)劃

判斷物流分流策略和控制規(guī)則是否合理，驗證自動導(dǎo)向小車（AGV）和機械手等運送設(shè)備的路徑、數(shù)量、速度以及服務(wù)機制的合理性，分析緩沖站容量和倉庫容量是否過大或過小。

3.1.4 生產(chǎn)線布局規(guī)劃

規(guī)劃生產(chǎn)線布局，建立生產(chǎn)線的三維視圖。對特定工位進行三維的裝配操作接近性分析和裝配干涉檢查。

3.1.5 人機工程分析

通過對生產(chǎn)線上的工作人員進行仿真模擬，分析人員工作的空間和勞動強度，優(yōu)化工人的動作和行走路線。

3.1.6 平衡性和瓶頸分析

判斷生產(chǎn)線上的各種隨機因素對平衡性的影響，找出瓶頸工序，通過參數(shù)的重新配置和工序的優(yōu)化消除瓶頸，提高生產(chǎn)能力。

4 數(shù)字化工廠在生產(chǎn)線規(guī)劃中的應(yīng)用

整個生成準備階段分為三步：概念規(guī)劃階段、資源驗證階段、現(xiàn)場實施階段，常用模塊如圖5所示，在不同的階段有著不同的內(nèi)容。

圖5 焊裝應(yīng)用范圍

4.1 概念規(guī)劃階段

4.1.1 工藝設(shè)計

工藝規(guī)劃的主要內(nèi)容有工藝拆分、3D式樣、焊鉗模擬、時序定義、機器人仿真、工藝文件輸出。

（1）工藝拆分、時序定義。

將產(chǎn)品數(shù)據(jù)按照工藝需求進行工位拆分、設(shè)備選型、時序定義，拆分出滿足節(jié)拍需求和質(zhì)量要求的工位，如圖6所示。

（2）3D式樣、焊鉗選型。

在沒有夾具的情況下進行焊鉗模擬、焊點分配，往往無法考慮與焊鉗與夾具的干涉、夾具對焊鉗的遮擋等情況。3D式樣的引入可以更清楚直觀地了解這些情況，提升焊鉗選型和焊點分配的準確性，如圖7所示。

（3）機器人仿真、人機仿真。

在涉及采用自動化的工位，除驗證焊點的可焊接外，還需要需驗證機器人姿態(tài)的可行性、選擇合理的機器人位置、驗證焊鉗選用是否合適，保證自動化方案的可行性，如圖8所示。

圖6 工藝拆分

圖7 焊鉗模擬

在工藝設(shè)計過程中，經(jīng)常會遇到一些工位需要采用非常規(guī)的焊接姿態(tài)，只進行焊鉗模擬對最后的總姿態(tài)并沒有一個直觀的了解。針對這些工位，進行人機姿態(tài)仿真，可以直觀地看出焊接時人體的姿態(tài)，并最終做出決策，如圖9所示。

圖8 機器人仿真

圖9 人機仿真

（4）工藝文件的輸出。

在工藝設(shè)計完成后，工藝設(shè)計的數(shù)據(jù)保存于系統(tǒng)中，客戶可以根據(jù)需求調(diào)用數(shù)據(jù)，通過二次開發(fā)生成需要的文件。在生成文件的過程中，還可以將企業(yè)標準植入二次開發(fā)腳本中，進行數(shù)據(jù)處理，進一步生成數(shù)據(jù)處理后的文件。如焊接參數(shù)表（根據(jù)點焊參數(shù)庫）、判斷中頻焊機（根據(jù)材料、料厚）、判斷吊具（根據(jù)總成質(zhì)量）等。

4.2 資源驗證階段

4.2.1 方案、廠房規(guī)劃

工位仿真：生產(chǎn)線及自動化工位的柔性化能力已成為衡量生產(chǎn)線成功的重要標準。柔性能力越強的工位對機器人之間、機器人與設(shè)備間的協(xié)同合作能力要求越高。工位仿真可以在方案確定前，對方案進行詳細的仿真驗證，找出優(yōu)化方案。

通過工位仿真，可以更準確地確認設(shè)備的數(shù)量、方案的布置情況、工位占地面積，對預(yù)算申報、方案對比確認提供更準確的數(shù)據(jù)支持。如圖10所示。

4.2.2 3D工廠

圖10 方案驗證（新生產(chǎn)線及混線方案驗證）

整個生產(chǎn)車間的設(shè)備是由不同的供應(yīng)商提供的，這對不同設(shè)備之間的銜接、校核提出了更高的要求。傳統(tǒng)的工廠布置圖是二維的，也就是平面布置圖，在校核空間方向時造成局限，尤其是在校核高度時，造成不必要的返工。例如夾具、吊具、鋼結(jié)構(gòu)、葫蘆軌道分屬于不同的供應(yīng)商廠家，在校核起吊空間、轉(zhuǎn)運空間時，二維空間就存在局限性，現(xiàn)場因前期校核不準造成返工的情況很多。3D工廠示意如圖11所示。

在工藝拆分過程中搭建3D布局，可以在概念規(guī)劃時期就發(fā)現(xiàn)方案存在的問題，評估現(xiàn)場空間大小。從工位開始搭建，保證工位布局的合理；利用工位搭建的數(shù)模然后在區(qū)域內(nèi)進行搭建，優(yōu)化區(qū)域內(nèi)布局的合理，最終在生產(chǎn)線級別下搭建，形成整個車間布局。如圖12所示。

4.3 現(xiàn)場實施

圖11 3D工廠

圖12 工位3D布局

資源驗證后，生成指導(dǎo)現(xiàn)場實施工藝指令，不僅是紙面文件，同時包含3D指令和AVI視頻，通過網(wǎng)絡(luò)（IE瀏覽器、客戶端）發(fā)布DELMIA仿真記錄。供應(yīng)商、車間均可查看工藝信息并反饋，形成一個交互式平臺，對整個系統(tǒng)工藝進行維護、更新、存檔。如圖13所示。

5 數(shù)字化工廠技術(shù)帶來的價值

（1）利用數(shù)字化工廠技術(shù)可實現(xiàn)同平臺、集成的、三維的焊裝項目工藝規(guī)劃，提升規(guī)劃質(zhì)量和項目管理能力。

圖13 信息發(fā)布

（2）形象直觀地進行工藝規(guī)劃中的產(chǎn)品、焊點分配，工裝運動仿真、機器人仿真、人機操作仿真。提高知識、工藝規(guī)劃信息的共享率和重用率；在生產(chǎn)規(guī)劃過程中通過仿真驗證產(chǎn)品的可制造性、可裝配性、制造流程的合理性、生產(chǎn)線的效率等，及時發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計、生產(chǎn)規(guī)劃的錯誤。

（3）方案優(yōu)化。

a.減少物理樣機的數(shù)量。

試制物理樣機的目的是檢查可制造性和可裝配性，并借助試驗驗證汽車的性能。利用數(shù)字化制造技術(shù)后，很多分析和驗證工作都可以通過數(shù)字樣機來完成。

b.生產(chǎn)線設(shè)計更加優(yōu)化。

生產(chǎn)線布局之前，在虛擬環(huán)境中不斷分析、驗證和改進設(shè)計方案，從而大大優(yōu)化了生產(chǎn)線規(guī)劃的質(zhì)量，減少了許多實施后調(diào)整工作所帶來的損失。

c.通過舊線改造來提高生產(chǎn)效率。

在軟件平臺的設(shè)計和分析生產(chǎn)過程中，以虛擬方式評估備選布局及物流方案，在變動生產(chǎn)布局前對變動結(jié)果進行預(yù)測。這樣在搬遷或整合工廠、增添新車型時，生產(chǎn)改造過程就變得簡單和可靠。

d.提高生產(chǎn)的柔性化方案的可行性。

通過生產(chǎn)線的柔性設(shè)計，在一條生產(chǎn)線可以生產(chǎn)更多類型的汽車，從而提高了生產(chǎn)線的利用率，并大幅節(jié)約成本、縮短時間。柔性生產(chǎn)線需要不同設(shè)備、配合實施，對各設(shè)備集成的要求更高，通過前期的仿真驗證，能更早、更準確地判斷出方案的可行性，使柔性化方案更為成熟。

e.工藝數(shù)據(jù)同平臺設(shè)計，滿足項目管理及客戶的需求。

所有的工藝數(shù)據(jù)均存儲、來源于同一平臺，保證了數(shù)據(jù)的完整性、準確性；通過集成開發(fā)，將這些數(shù)據(jù)提取生成客戶所需要的工藝文件，指導(dǎo)現(xiàn)場生成需要。

f.通過共用平臺將工藝設(shè)計、工廠規(guī)劃、焊裝仿真、物流仿真等集成一體，真正實現(xiàn)數(shù)字化工廠的建立。