Tecnomatix在汽車焊裝領(lǐng)域的應(yīng)用及思考

朱 杰

(四川成焊寶瑪焊接裝備工程有限公司，四川 成都 610052)

隨著汽車市場的競爭加劇，各大汽車廠家為爭奪市場份額，紛紛加快推出差異化新車型，這使得新車的市場生命周不斷縮短，產(chǎn)品的復(fù)雜程度越來越高，這對企業(yè)的資源整合能力提出越來越高的要求。作為制造業(yè)重要的發(fā)展趨勢，信息化將是提升汽車制造業(yè)效率，增強(qiáng)企業(yè)競爭力的有利手段。目前國際上一些制造企業(yè)已經(jīng)完成信息化改造，并在不斷改進(jìn)發(fā)展中，在這方面，國內(nèi)的企業(yè)還處于起步階段，但是發(fā)展迅速。在此將介紹當(dāng)前汽車行業(yè)應(yīng)用最為廣泛的兩個制造信息化系統(tǒng)之一的Tecnomatix（另一個是法國達(dá)索系統(tǒng)公司的DEMIA），并結(jié)合實(shí)施過程中遇到的問題，總結(jié)出一些實(shí)施經(jīng)驗(yàn)，希望對今后的工作有一定參考價值。

1 Tecnomatix簡介

Tecnomatix是西門子公司為滿足制造業(yè)息化而推出的一款數(shù)字化工廠軟件，主要用于完成從產(chǎn)品設(shè)計(jì)到制造之間的工作，定位低于西門子的Teamcenter。Tecnomatix的早期版本叫作eMPower，經(jīng)過多次收購后并入西門子旗下，Tecnomatix這個名字源于最早開發(fā)這個MPM平臺的以色列公司，西門子希望這個平臺起到連通產(chǎn)品到制造的通路，將原來多種分散的工具整合到統(tǒng)一的軟件包中供工藝人員使用，它提供了集成的“制造規(guī)劃平臺”，利用數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將制造規(guī)劃、制造準(zhǔn)備、制造管理的信息連續(xù)同步的呈現(xiàn)在所有相關(guān)人員面前，多個工程師可以同時對同一個項(xiàng)目不同的部分進(jìn)行操作，單一的數(shù)據(jù)庫確保了數(shù)據(jù)的唯一和一致性，網(wǎng)絡(luò)化可使項(xiàng)目可多人協(xié)同。這兩個信息化特點(diǎn)使得在Tecnomatix平臺下的工廠規(guī)劃作業(yè)避免了很多傳統(tǒng)規(guī)劃制造準(zhǔn)備的缺點(diǎn)，能在進(jìn)行現(xiàn)場動作之前在虛擬環(huán)境中對各種設(shè)想、計(jì)劃的操作進(jìn)行可行性驗(yàn)證、仿真等，將潛在的變更提前到使用實(shí)物資源之前，加速項(xiàng)目進(jìn)程，如圖1所示。

在汽車焊裝領(lǐng)域，這一信息化系統(tǒng)使相關(guān)人員能夠?qū)Ｐ挠谧约簩I(yè)的創(chuàng)造性工作，同時又能通過統(tǒng)一的平臺達(dá)成同一個項(xiàng)目目標(biāo)，盡量減少機(jī)械重復(fù)事務(wù)對效率的影響。

Tecnomatix系統(tǒng)使用服務(wù)器/客戶端架構(gòu)。服務(wù)器使用Oracle數(shù)據(jù)庫，兩個主要的客戶端軟件是Process Designer（PD）和Process Simulate（PS），都運(yùn)行于windows平臺；另外，物流仿真模塊PlantSimulation，可單獨(dú)運(yùn)行也可與數(shù)據(jù)庫關(guān)聯(lián)。目前Tecnomatix最新的版本是10.1。

圖1 Tecnomatix平臺下的工廠規(guī)劃作業(yè)與傳統(tǒng)規(guī)劃的比較

所有用戶通過PD或PS使用帳號/口令登錄，很容易控制用戶操作權(quán)限，追溯內(nèi)容的變更。

2 Tecnomatix在汽車焊裝領(lǐng)域的應(yīng)用

汽車白車身生產(chǎn)面臨的主要問題是能否及時將產(chǎn)品設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化成目標(biāo)產(chǎn)能。由于涉及的設(shè)備種類、專業(yè)門類眾多，多因素互為設(shè)計(jì)前提，從規(guī)劃設(shè)計(jì)到施工投產(chǎn)需要進(jìn)行多次反復(fù)。數(shù)字化工廠環(huán)境為工藝人員提供了一個試錯的虛擬環(huán)境，預(yù)見可能遇到的問題并解決，Tecnomatix的大致項(xiàng)目流程如圖2所示。

圖2 Tecnomatix項(xiàng)目流程

工作的目標(biāo)是得到符合產(chǎn)能要求的生產(chǎn)線，總體思路是施工實(shí)施前必須先在虛擬環(huán)境中對方案進(jìn)行驗(yàn)證模擬，經(jīng)反復(fù)修改確認(rèn)后再施工，現(xiàn)場實(shí)施后再將實(shí)際的情況反饋到虛擬環(huán)境中，以便持續(xù)改進(jìn)和管理。

Tecnomatix的數(shù)據(jù)分成兩部分，項(xiàng)目的邏輯關(guān)系和信息存于Oracle數(shù)據(jù)庫，與之關(guān)聯(lián)的其他各種文檔保存在sysroot的網(wǎng)絡(luò)存儲中供所有用戶共享。工作從在PD中新建空白項(xiàng)目樹開始，項(xiàng)目樹用于存儲和管理項(xiàng)目中所有對象的邏輯關(guān)系，它具有如同windows資源管理器般的層級結(jié)構(gòu)，具體結(jié)構(gòu)和節(jié)點(diǎn)類型完全由使用者根據(jù)需要定義。由于基于Oracle后臺，項(xiàng)目樹不僅是平面結(jié)構(gòu)，理論上它的任意節(jié)點(diǎn)間都可以產(chǎn)生關(guān)聯(lián)關(guān)系。對項(xiàng)目簡單的描述是：（1）創(chuàng)建具有合理細(xì)節(jié)的虛擬環(huán)境和各種對象的信息內(nèi)容；（2）使用各種工具對要求的指標(biāo)進(jìn)行試錯/仿真/驗(yàn)證；（3）輸出用于施工、管理的各種文檔；（4）實(shí)際工程實(shí)施。各階段的循環(huán)協(xié)調(diào)始終貫穿其間。

2.1 規(guī)劃工作

規(guī)劃的起點(diǎn)是汽車白車身CAD模型和加工特征（焊點(diǎn)、焊縫、涂膠信息、螺柱），目標(biāo)是給定的生產(chǎn)綱要，在規(guī)劃設(shè)計(jì)過程中工藝人員涉及到四大類對象：建立設(shè)施使用的資源、要加工的零件、決定零件如何加工的加工特征、加工零件的操作過程。規(guī)劃的主要工作就是確定這四種要素的合理配置和關(guān)系，通過Oracle數(shù)據(jù)庫Tecnomatix可以保存并隨時向用戶顯示出其相關(guān)關(guān)系。操作處于四種要素的核心位置，它決定了用什么做、如何做、做什么、什么時候做，它是各種對象的交匯點(diǎn)，如圖3所示。

圖3 規(guī)劃過程中四個要素的配置和關(guān)系

其中零件、加工特征、資源三種具有3D表達(dá)的對象在Tecnomatix中都使用中性的.CO或.COJT文件進(jìn)行3D表達(dá)（見圖4），其獨(dú)立于任何CAD設(shè)計(jì)平臺，主要用于虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用，其中新版的.COJT文件相較.CO文件具有明顯的文件體積優(yōu)勢（只有.CO的約1/10），特別適于如工廠、船塢等這種大型設(shè)施的虛擬顯示。規(guī)劃員在PD中的主要工作包括：根據(jù)設(shè)計(jì)意圖在PD中使用資源的3D模型構(gòu)建汽車焊裝線的詳細(xì)工程設(shè)計(jì)——建設(shè)虛擬生產(chǎn)設(shè)施；編寫工藝操作流程，將其與之相應(yīng)的資源關(guān)聯(lián)；將操作要用到的零件和焊點(diǎn)與相應(yīng)的操作關(guān)聯(lián)。關(guān)聯(lián)過程不一定像圖3一樣，由于四種要素之間的關(guān)聯(lián)具有傳導(dǎo)性，所以最終各要素都會和與之關(guān)聯(lián)的其他要素取得聯(lián)系，在其屬性中可以看到關(guān)聯(lián)的其他要素，另外工藝員可將各種格式的附件關(guān)聯(lián)到與之對應(yīng)的節(jié)點(diǎn)上，這使得工程人員在項(xiàng)目任何階段都能很容易地根據(jù)當(dāng)前的問題迅速找出相關(guān)信息。

圖4 零件、加工特征、資源在Tecnomatix中的3D虛擬顯示

總之在虛擬環(huán)境中按規(guī)劃意圖如同在現(xiàn)實(shí)中施工一樣創(chuàng)建虛擬焊裝線是規(guī)劃階段的主線。

2.2 仿真工作

規(guī)劃人員建立好虛擬焊裝線之后，下一步工作是看其能否正常運(yùn)轉(zhuǎn)。仿真人員可以把PD中感興趣的部分（如：一個工位、一條生產(chǎn)線、一臺機(jī)器人等）打包到一個“study”中，然后使用PS打開study，利用PS中的各種工具驗(yàn)證分析自己感興趣的問題。工程人員需要考慮的因素有：干涉、工藝節(jié)拍、物流、人機(jī)工程、電氣等，PS單一形象的虛擬環(huán)境為多設(shè)計(jì)目標(biāo)檢查提供了便利的驗(yàn)證仿真條件和手段（見圖5），其中對焊裝生產(chǎn)最為有用的是機(jī)器人離線編程、物流仿真和干涉檢查。目前PS離線編程涵蓋了三十多個品牌的工業(yè)機(jī)器人（KUKA、ABB、FANUC、PUMA、IBM 等），得到的程序可以在短時間內(nèi)投入到生產(chǎn)中。物流仿真的Plant模塊既可以脫離數(shù)據(jù)庫單獨(dú)建模，也可以通過PD接口利用已有規(guī)劃方案生成物流模型，對焊裝線的全生命周期物流進(jìn)行仿真，還能評估各種意外對物流鏈的壓力大小，目前物流模塊多為汽車主機(jī)廠使用，焊裝分包商由于工作范圍有限做物流仿真的意義不大。干涉檢查是PS最基本也是最重要的驗(yàn)證工具，其使用貫穿項(xiàng)目的始終，對于焊裝設(shè)計(jì)它還可以方便地實(shí)時檢查電極帽與附近物體的安全間隙。由于Tecnomatix虛擬環(huán)境中涵蓋了實(shí)物工廠中幾乎所有3D元素，PS干涉檢查作為施工前最后一道檢查，對最終施工能起到很好的質(zhì)量保證。

圖5 PS仿真

圖6 虛擬人機(jī)工程體驗(yàn)

目前的大趨勢是在單一的環(huán)境中對數(shù)字化工廠做盡可能全面的驗(yàn)證，要求虛擬樣機(jī)（焊裝線）具有如同實(shí)物的各種特征，仿真模擬范圍除了上述常用的手段外還包括：PLC虛擬調(diào)試、虛擬人機(jī)工程體驗(yàn)等。目前仿真得到機(jī)器人離線程序后還需要自動化工程師現(xiàn)場匹配PLC程序和調(diào)試，PLC虛擬調(diào)試可以讓工程師利用PS虛擬環(huán)境調(diào)試PLC程序作為現(xiàn)場最終下載的提前驗(yàn)證，這能提前發(fā)現(xiàn)問題，縮短現(xiàn)場時間。虛擬人機(jī)工程體驗(yàn)（也有叫沉浸式虛擬環(huán)境）利用動作捕捉技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)讓用戶進(jìn)入到虛擬場景，能夠直觀體驗(yàn)尚未建造的設(shè)施，做出準(zhǔn)確的適用性判斷，如圖6所示。

經(jīng)過一系列模擬驗(yàn)證后，在PS中做出的修改和變更作為更新返回到PD中對所有系統(tǒng)用戶發(fā)布。由于系統(tǒng)中相關(guān)人員能夠隨時迅速地在PD/PS環(huán)境中切換，使得“設(shè)計(jì)→驗(yàn)證→修改→再驗(yàn)證”循環(huán)，快速進(jìn)化項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案，達(dá)到節(jié)省時間和成本的目的。

2.3 Tecnomatix國內(nèi)應(yīng)用現(xiàn)狀

目前國內(nèi)已有上海大眾、一汽大眾、上汽通用、奇瑞汽車等比較大型的主機(jī)廠逐漸過渡到了這一數(shù)字化平臺，并通過項(xiàng)目帶動的方式逐步實(shí)現(xiàn)應(yīng)用的深入和范圍的推廣。在主機(jī)廠的帶動下，焊裝線供應(yīng)商也在主動或被動的轉(zhuǎn)變工作方式。在這一過程中還是存在一些現(xiàn)象和問題。

對工程進(jìn)行預(yù)先驗(yàn)證再實(shí)際實(shí)施，成功的關(guān)鍵之一是虛擬世界必須真實(shí)反映現(xiàn)實(shí)世界，同時現(xiàn)實(shí)中的偏差必須能夠及時準(zhǔn)確地反饋到虛擬環(huán)境中，前一個要求通過如實(shí)的模型轉(zhuǎn)換和導(dǎo)入可以得到滿足，并且根據(jù)實(shí)際需要還能做一些簡化；后一個要求目前比較好的解決方法是使用3D激光掃描得到設(shè)施建成后的3D模型，然后導(dǎo)入到虛擬環(huán)境中進(jìn)行對比和對之前模型進(jìn)行修正。目前3D激光掃描技術(shù)在國內(nèi)焊裝車間工程中使用很少，這使得單次項(xiàng)目虛擬數(shù)據(jù)很難在后續(xù)工程使用，以后的項(xiàng)目還是免不了大量“現(xiàn)場時間”，這一方面造成每次建模工作的浪費(fèi)，另一方面系統(tǒng)保存了不正確的數(shù)據(jù)給不知情的工程人員使用，會造成潛在風(fēng)險。主機(jī)廠家都打算長期維護(hù)管理虛擬環(huán)境，比較看重數(shù)據(jù)的一致性，而供應(yīng)商多關(guān)心單次工程前期的仿真驗(yàn)證對施工結(jié)果的影響。

與其他信息化系統(tǒng)一樣，制造信息化系統(tǒng)投資大、見效慢，缺乏規(guī)模的企業(yè)輕易不會使用，所以目前Tecnomatix使用的企業(yè)是以汽車主機(jī)廠為主，焊裝供應(yīng)商為輔，在主機(jī)廠的標(biāo)準(zhǔn)下利用這一平臺完成工程任務(wù)。另外，就目前國內(nèi)的應(yīng)用現(xiàn)狀看，它還不能完全取代傳統(tǒng)的焊裝工程工作方式，而是作為一個重要的補(bǔ)充，一方面是由國內(nèi)制造業(yè)IT環(huán)境決定的，另一方面由制造業(yè)人員素質(zhì)決定的。其次，這一系統(tǒng)的實(shí)施是一個循序漸進(jìn)的過程。它是對舊方法的逐步改進(jìn)和取代，影響到幾乎所有工程參與人員，很多實(shí)際的工作流程、標(biāo)準(zhǔn)都需要不斷在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中摸索、總結(jié)、驗(yàn)證再固化下來。系統(tǒng)效率的真正發(fā)揮需要人員的熟練配合、經(jīng)驗(yàn)和知識的積累，系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)和運(yùn)行管理才是系統(tǒng)實(shí)施成功的關(guān)鍵。

3 結(jié)論

通過信息化技術(shù)提升傳統(tǒng)制造業(yè)效率是未來中國制造業(yè)發(fā)展的必然選擇，信息化系統(tǒng)應(yīng)用的關(guān)鍵是工作方式的轉(zhuǎn)變，在汽車焊裝線規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建造實(shí)施流程從傳統(tǒng)模式向以信息化為依托更高效工作模式的轉(zhuǎn)變過程中，除了關(guān)注軟件本身的完善以外更應(yīng)該關(guān)心相應(yīng)人才的培養(yǎng)、標(biāo)準(zhǔn)的建立和項(xiàng)目組織協(xié)調(diào)效率的提升，這是如Tecnomatix這類信息化系統(tǒng)的真正價值所在。