數(shù)字化工廠制造過程管理系統(tǒng)在汽車生產(chǎn)線上的應(yīng)用

摘要：數(shù)字化工廠是基于產(chǎn)品整個(gè)全生命周期數(shù)據(jù)，在虛擬的計(jì)算機(jī)環(huán)境中，對整個(gè)生命周期的生產(chǎn)過程進(jìn)行仿真、評估以及進(jìn)一步的優(yōu)化，并延伸到產(chǎn)品的整個(gè)生命周期的新型的生產(chǎn)及組織方式中。數(shù)字化工廠是數(shù)字制造技術(shù)和計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)完美相結(jié)合的產(chǎn)物，它的出現(xiàn)給汽車制造業(yè)注入了新的生命和活力，稱為了溝通產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造的紐帶和橋梁。本文介紹了“數(shù)字化工廠”制造過程管理系統(tǒng)，闡述了其特點(diǎn)、應(yīng)用，并列舉成功運(yùn)用的案例，得出結(jié)論即實(shí)施與開發(fā)、系統(tǒng)集成是企業(yè)成功應(yīng)用“數(shù)字化工廠”的關(guān)鍵。

關(guān)鍵詞：數(shù)字化工廠；裝焊線；白車身

中圖分類號： T14 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號1672-3791（2015）10（b）-0000-00

隨著汽車市場的競爭的日趨激烈，企業(yè)都在不斷地發(fā)展、優(yōu)化、完善自己的產(chǎn)品的開發(fā)和制造系統(tǒng)，每個(gè)企業(yè)都在尋找更優(yōu)秀的“數(shù)字化工廠”制造過程管理系統(tǒng)，來對其生產(chǎn)制造進(jìn)行相應(yīng)的支持和改進(jìn)[1]。

1數(shù)字化工廠的特點(diǎn)

制造過程應(yīng)用系統(tǒng)使得實(shí)際制造在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中進(jìn)行“預(yù)覽”，提供多種輔助工具來輸出工藝文件、圖表；這樣既縮短安裝、調(diào)試周期，各工位的工作量又得到了平衡，提高了可靠性、效率和質(zhì)量，降低了生產(chǎn)線成本，縮短了規(guī)劃的周期[2]。

2技術(shù)性能指標(biāo)

2.1統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫管理平臺(tái)

工藝規(guī)劃數(shù)據(jù)通過分類管理，方便工藝規(guī)劃數(shù)據(jù)和查找，數(shù)據(jù)檢索和參數(shù)查詢瞬間完成。通過工藝和制造資源數(shù)據(jù)的累積，資源庫和工藝庫都可以在后續(xù)工藝規(guī)劃中再度利用[3]。

2.2工藝規(guī)劃、模擬驗(yàn)證

三維仿真環(huán)境下來實(shí)施工藝規(guī)劃、模擬驗(yàn)證、工裝夾具與產(chǎn)品之間的干涉、可制造性的驗(yàn)證。例如：焊接中最合適焊槍的選擇，夾具、機(jī)器人產(chǎn)品是否有干涉，優(yōu)化路徑，添加中間點(diǎn)、中間點(diǎn)的優(yōu)化，機(jī)器人工位離線調(diào)試和編程，機(jī)器人程序輸出[4]。

2.3客戶化輸出

系統(tǒng)可提供若干種輔助工具來進(jìn)行快速輸出工藝文件和圖表，大大降低了文檔編制和輸出的工作量[5]。

2.4知識(shí)庫

數(shù)字化工廠具有標(biāo)準(zhǔn)化的工藝知識(shí)庫，可以便于后續(xù)的規(guī)劃項(xiàng)目中進(jìn)行重復(fù)利用，整個(gè)工藝規(guī)劃的周期得到了相應(yīng)的縮短，也加快了新產(chǎn)品上市的過程。

2.5系統(tǒng)集成

具有集成工時(shí)分析工具實(shí)現(xiàn)了工時(shí)分析，平衡了每個(gè)工位的工作量，提高了制造資源的合理有效的利用率，達(dá)到了提很高的JPH，生產(chǎn)線產(chǎn)能得到了有效提高。

2.6具有統(tǒng)一的數(shù)據(jù)平臺(tái)即“數(shù)字化工廠”

其主要通過網(wǎng)絡(luò)來具體實(shí)現(xiàn)供應(yīng)商間的并行工程。

3數(shù)字化工廠的應(yīng)用

3.1裝焊線-白車身生產(chǎn)準(zhǔn)備規(guī)劃

為了給白車身完整的工程規(guī)劃、設(shè)計(jì)、管理、項(xiàng)目跟蹤的團(tuán)隊(duì)協(xié)同環(huán)境，為生產(chǎn)線提供了2D/3D布局圖，減少項(xiàng)目30%的規(guī)劃工作量；綜合焊接管理，焊接信息查詢時(shí)間減少了75%；減少丟失焊點(diǎn)80%；提高資源利用率高達(dá)85%。

3.2總裝-解決總裝的工藝規(guī)劃

為總裝制造工程提供了相應(yīng)的設(shè)計(jì)、規(guī)劃、管理和團(tuán)隊(duì)協(xié)同制造環(huán)境，解決了生產(chǎn)線的工藝規(guī)劃問題。減少了用于裝配可行性模型的數(shù)量，對復(fù)雜的裝配進(jìn)行了干涉仿真，進(jìn)行早期預(yù)測、消除風(fēng)險(xiǎn)工程，規(guī)劃簡單的裝配路徑，優(yōu)化了生產(chǎn)線的物流系統(tǒng)，縮短了生產(chǎn)準(zhǔn)備的時(shí)間。

3.3發(fā)動(dòng)機(jī)解決方案

發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)線上的裝配線的設(shè)計(jì)、質(zhì)量管理以及優(yōu)化據(jù)此得到了完美的解決。各個(gè)部門的協(xié)作，免去了不必要的設(shè)計(jì)和更改，有利于利用標(biāo)準(zhǔn)化資源和工藝模板對新產(chǎn)品的工藝規(guī)劃，降低了投資成本。NC刀路仿真，換刀次數(shù)最小化，減少刀具無效運(yùn)動(dòng)的時(shí)間和距離，刀具和工裝卡具優(yōu)選與和機(jī)加工線/裝配先的線平衡，減少機(jī)床運(yùn)動(dòng)臺(tái)面的旋轉(zhuǎn)，降低了相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)。數(shù)控仿真的進(jìn)行，生產(chǎn)線物流過程的優(yōu)化，平衡分析和優(yōu)化生產(chǎn)線，都縮短了生產(chǎn)線調(diào)試時(shí)間和效率，提高了產(chǎn)品的產(chǎn)量。

3.4沖壓、生產(chǎn)線的仿真、模具的運(yùn)動(dòng)校核

通過三維圖形瀏覽，得到了更充足的信息溝通，早期的設(shè)計(jì)沖突可通過相應(yīng)的分析得到，并且進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)優(yōu)化，同步進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)，減少了調(diào)整時(shí)間和沖壓生產(chǎn)線的建立，優(yōu)化了工作循環(huán)的時(shí)間。

3.5噴漆模塊

仿真噴漆，優(yōu)化厚度、路徑，優(yōu)選噴漆工具，快速精確的工藝規(guī)劃。

3.6 eM-Plant物流仿真模塊

通過仿真工具，對復(fù)雜的生產(chǎn)制造系統(tǒng)進(jìn)行仿真并且優(yōu)化，可快速有效的分析驗(yàn)證，復(fù)雜的制造體系進(jìn)行快速建模，對產(chǎn)品制造能力的評估、優(yōu)化相應(yīng)的生產(chǎn)線、分析其緩沖的區(qū)域，找出瓶頸點(diǎn)并計(jì)算進(jìn)行優(yōu)化，根據(jù)這些來定出最佳的物流控制方法，對項(xiàng)目進(jìn)行早期的風(fēng)險(xiǎn)和錯(cuò)誤驗(yàn)證，及時(shí)進(jìn)行糾正和改進(jìn)，在一周時(shí)間內(nèi)完成產(chǎn)品生產(chǎn)線的初步規(guī)劃，過去需一個(gè)月的生產(chǎn)周期，應(yīng)用此軟件可以大大縮短時(shí)間、高效率、精確的對項(xiàng)目進(jìn)行評估，并且針對典型工藝和數(shù)據(jù)可以重復(fù)利用，減少了重復(fù)勞動(dòng)，項(xiàng)目流程時(shí)間，取代了手工勞動(dòng)，對工裝卡具的數(shù)據(jù)驗(yàn)證后可進(jìn)行設(shè)計(jì)制造，各個(gè)部門的人員進(jìn)行信息共享。

3.7 實(shí)際成功案例

德國寶馬（BMW）汽車：減少工藝規(guī)劃時(shí)間 （22 %），減少項(xiàng)目規(guī)劃時(shí)間 （50%），減少規(guī)劃工作量 （10 %），減少規(guī)劃投資 （5%），減少多系列產(chǎn)品規(guī)劃投資 （5 %）

（1）大大縮短了準(zhǔn)備期的時(shí)間，企業(yè)因此而獲得效益；減少了7天的生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間，可以提前一周時(shí)間（5天）正式投產(chǎn)。正式投產(chǎn)時(shí)，每天可生產(chǎn)2250量車，投產(chǎn)后，每量車比在準(zhǔn)備時(shí)減少費(fèi)用達(dá)$2000。準(zhǔn)備期間日可生產(chǎn)500量，平均每量車的制造費(fèi)用達(dá)$3000，采用白車身解決方案后節(jié)省了10%，整個(gè)生產(chǎn)準(zhǔn)備期間節(jié)省的投資計(jì)算如下：5（days）*2250（car/day）*$2，000=$22，500，000+

10%*70（days）*500（av.Car/day during

ram-up period）*$3，000=$10，500，000

共為$33，000，000（三千三百萬美圓），提高了項(xiàng)目規(guī)劃效率與能力。

（2）企業(yè)獲得的效益：企業(yè)一共有80位規(guī)劃工程師，每位每年工作費(fèi)用累計(jì)$120，000，采用工藝規(guī)劃模塊，工作效率與質(zhì)量得到提高，每人約20%的費(fèi)用得到了節(jié)約。效益計(jì)算如下：

80（planner）*$120，000（planner cost/year）

*20%（increase productivity）=$1，900，000

（一百九十萬美圓）

（三百五十萬美圓）

（3）企業(yè)獲得的總效益為：生產(chǎn)準(zhǔn)備期間：$33，000，000（三千百萬美圓）；規(guī)劃效率與質(zhì)量的提高：$1，900，000（一百九十萬美圓） ；項(xiàng)目投資節(jié)?。?3，500，000（三百五十萬美圓）；總和：$38，400，000（三千八百四十萬美圓）

4結(jié)論

在汽車領(lǐng)域，“數(shù)字化工廠”制造過程管理系統(tǒng)得到了非常廣泛的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了制造過程管理的信息自動(dòng)化，時(shí)間、質(zhì)量和成本等方面都產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。但相應(yīng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)的可制造驗(yàn)證、工藝的規(guī)劃、生產(chǎn)過程中制定的計(jì)劃、驗(yàn)證、夾具設(shè)計(jì)以及驗(yàn)證、生產(chǎn)線以及物流的規(guī)劃、PLC、NC程序的編制等，并不是一般的單個(gè)的工具軟件系統(tǒng)，而是ERP、CAD/PDM系統(tǒng)相似的系統(tǒng)?？蛻艋拈_發(fā)與實(shí)施、系統(tǒng)集成是關(guān)乎到我們能否成功應(yīng)用“數(shù)字化工廠”的關(guān)鍵。

參考文獻(xiàn)

[1]戴毅茹.虛擬敏捷制造企業(yè)建模技術(shù)的研究[D].上海：同濟(jì)大學(xué) CIMS 研究中心，2003.

[2]吳澄.現(xiàn)代集成制造系統(tǒng)導(dǎo)論[M].北京：清華大學(xué)出版社，2002.

[3]張伯順.十六大以來汽車工業(yè)發(fā)展及其成因[J].汽車情報(bào)，1993：30-45

[4]中國汽車工廠學(xué)會(huì).北京：中國汽車參考[M]，2008（3）：-10

[5]劉海江，茹凡.白車身側(cè)圍工位仿真技術(shù)研究[J].北京：機(jī)械與電子，2006，（2）：53-55