汽車行業(yè)數(shù)字化車間技術(shù)探索

單利華，劉曉晨，王玉光

（北奔重型汽車集團有限公司，內(nèi)蒙古 包頭 014032）

汽車行業(yè)數(shù)字化車間技術(shù)探索

單利華，劉曉晨，王玉光

（北奔重型汽車集團有限公司，內(nèi)蒙古 包頭 014032）

數(shù)字化車間技術(shù)是數(shù)字制造技術(shù)的關鍵技術(shù)之一，在探索數(shù)字化車間內(nèi)涵的基礎上，分析了汽車行業(yè)數(shù)字化車間建設的現(xiàn)狀和需求，提出了數(shù)字化車間構(gòu)建思路，最后介紹了國內(nèi)外數(shù)字化車間的解決方案。

汽車；數(shù)字化車間；需求；構(gòu)建

CLC NO.: U468.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)10-117-03

引言

近年來網(wǎng)絡技術(shù)和信息技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字化車間技術(shù)已成為先進制造技術(shù)在實際制造過程中的實現(xiàn)基礎。它改變了傳統(tǒng)的規(guī)劃設計理念，將設計規(guī)劃從經(jīng)驗和手工方式，轉(zhuǎn)化為計算機輔助數(shù)字仿真與優(yōu)化的精確可靠的規(guī)劃設計，它在時間、質(zhì)量和成本方面體現(xiàn)出重要的意義。

1、數(shù)字化車間的內(nèi)涵

數(shù)字化車間是指以制造資源、生產(chǎn)操作和產(chǎn)品為核心，將數(shù)字化的產(chǎn)品設計數(shù)據(jù)，在現(xiàn)有實際制造系統(tǒng)的數(shù)字化現(xiàn)實環(huán)境中，對生產(chǎn)過程進行計算機仿真優(yōu)化的虛擬制造方式。數(shù)字化車間技術(shù)是在高性能計算機及高速網(wǎng)絡的支持下，采用計算機仿真與數(shù)字化現(xiàn)實技術(shù)，以群組協(xié)同工作的方式，它概括了對真實制造世界的對象和活動的建模與仿真研究的各個方面。從產(chǎn)品概念的形成、設計到制造全過程的三維可視及交互的環(huán)境，在計算機上實現(xiàn)產(chǎn)品制造的本質(zhì)過程，通過計算機數(shù)字化模型來模擬和預測產(chǎn)品功能、性能及可加工性等各方面可能存在的問題。

圖1 數(shù)字化車間TOP-DOWN 結(jié)構(gòu)

在數(shù)字化車間的設計和規(guī)劃階段各種類型的人員所關心的層次有所不同，所以將數(shù)字化車間的模擬仿真力度進行層次的劃分，使不同人員在不同階段得到不同的仿真模擬力度。經(jīng)過分析，把數(shù)字化車間軟件分為四個層次，如圖1所示。

這四層的仿真力度逐漸細化，詳細到設備的一個具體的動作?？梢哉f通過這四層的仿真模擬，達到對制造系統(tǒng)的設計規(guī)劃優(yōu)化、系統(tǒng)的性能分析和能力平衡以及工藝過程的優(yōu)化和校驗。

2、國內(nèi)汽車行業(yè)數(shù)字化制造的需求分析

汽車的制造工藝按照類型劃分為沖壓、白車身焊接、噴涂、總裝、動力總成(發(fā)動機)以及其它零配件的制造/裝配。其中，白車身焊接、總裝和動力總成工藝是最復雜的三種類型，下面對這三種工藝的特點及數(shù)字化制造需求進行分析。

2.1 白車身工藝的特點及數(shù)字化制造需求

白車身制造的基本過程就是采用機器人(或者手動加機械手輔助)的手段，傳輸、抓取、夾持離散的鈑金和沖壓件并將其焊接成復雜的白車身結(jié)構(gòu)。重卡行業(yè)的白車身焊裝過程目前還沒有完全實現(xiàn)機器人自動焊接，多數(shù)以機器人和手動焊接配合完成白車身焊裝。許多工藝信息都和零部件的三維幾何特性密切相關，這給車身焊裝工藝參數(shù)選擇、工藝流程規(guī)劃、車身焊裝的質(zhì)量控制甚至車身設計都帶來很多挑戰(zhàn)。如何管理好數(shù)以千計的焊點，保證無漏焊、重焊，是白車身工藝規(guī)劃的難點。

在白車身焊裝線領域，國內(nèi)絕大多數(shù)整車廠還處在一個較低的技術(shù)水平上，無論是項目招標還是具體項目實施，相關數(shù)據(jù)多數(shù)還停留在AutoCAD圖紙狀態(tài)，焊裝工藝工程師最為主要的工作內(nèi)容就是Excel填表和截圖，工程師難有時間去考慮制造工藝本身的問題，如節(jié)拍平衡、生產(chǎn)線布置以及工位仿真等。目前，白車身制造過程中存在的問題包括：工藝設計數(shù)據(jù)和手段依然停留在二維年代；缺乏有效管理焊點信息的手段，缺乏統(tǒng)一的數(shù)據(jù)管理平臺，缺乏精確的焊接過程分析手段，缺乏更為直觀、精確的工廠布局和仿真手段，缺乏精確的物流過程分析手段，缺乏更有競爭力的招標投標技術(shù)手段。這些問題是汽車制造商在白車身工藝和制造過程中積極采用數(shù)字化制造技術(shù)的主要原因。一般來說，一套支持白車身工藝的數(shù)字化制造解決方案應具備從“概念規(guī)劃－粗規(guī)劃－詳細規(guī)劃－生產(chǎn)運行管理”的完整解決方案。

2.2 總裝工藝的特點及數(shù)字化制造需求

商用車方面，整個裝配過程從底盤車架開始，按照裝配工藝將所有零件部件進行裝配，最終形成底盤車。在過去的十幾年中，隨著汽車產(chǎn)品型號的急劇增加，產(chǎn)品配置越來越復雜，總裝的混流生產(chǎn)變得非常普遍，總裝生產(chǎn)線成為汽車制造商在規(guī)劃設計過程中最費時間的部分。

目前，國內(nèi)大多數(shù)重卡行業(yè)，汽車裝配工藝一般由工藝規(guī)劃人員先進行經(jīng)驗性、類比性的手工設計，然后根據(jù)樣車裝配試驗情況和生產(chǎn)現(xiàn)場實際情況進行適當調(diào)整后完成。這種做法工作量巨大，耗時長，工藝規(guī)劃的質(zhì)量無法保證，在裝配任務規(guī)劃、生產(chǎn)線平衡等方面難以達到較理想的優(yōu)化效果。因此，必須廣泛使用虛擬技術(shù)，在計算機上實現(xiàn)裝配工藝規(guī)劃和驗證，從而及時發(fā)現(xiàn)并修正問題，減少實際投產(chǎn)后的變更。一般來說，一套支持總裝工藝的數(shù)字化制造解決方案應包含數(shù)字化預裝配、數(shù)字化工藝規(guī)劃、數(shù)字化工藝規(guī)劃驗證、生產(chǎn)管理和供應商協(xié)同等功能。

采用Matlab軟件，判斷矩陣A的最大特征值λmax為 4.051 1，最大特征值對應的特征向量 W＝［0.472 85 0.284 38 0.072 85 0.169 92］， 一致性比例值 CR＝（4.051 1－4）／3＝0.017，因為 CR＜0.10，可以判斷矩陣通過一致性檢驗。

2.3 動力總成工藝的特點及數(shù)字化制造需求

發(fā)動機是汽車的關鍵部件，它的制造工藝非常的復雜。發(fā)動機制造工廠都包含缸體、缸蓋、曲軸等的機械加工生產(chǎn)線，發(fā)動機的裝配線，以及發(fā)動機檢測線和設備。發(fā)動機的制造質(zhì)量直接影響著汽車產(chǎn)品的性能水平和可靠性。隨著發(fā)動機趨于輕量化、結(jié)構(gòu)簡單化、性能優(yōu)質(zhì)化，發(fā)動機制造技術(shù)和工藝發(fā)生了很大的變化，高速、高效、柔性是制造工藝當前的主要特點。為了應對這些挑戰(zhàn)，除了采用先進的制造技術(shù)和制造設備以外，進行數(shù)字化工藝規(guī)劃和仿真驗證也是提高動力總成工藝水平的重要途徑。

數(shù)字化工藝規(guī)劃的基本需求是：（1）加工工藝規(guī)劃。（2）裝配工藝規(guī)劃。

數(shù)字化工藝仿真的基本需求是：（1）建立發(fā)動機生產(chǎn)車間的仿真模型。（2）通過仿真生成發(fā)動機生產(chǎn)線的工藝布局優(yōu)化方案并進行數(shù)據(jù)分析。（3）通過仿真生成發(fā)動機車間量產(chǎn)后的物流分析及物料配送計劃。（4）通過仿真生成發(fā)動機車間生產(chǎn)、物流成本分析報告。輸出生產(chǎn)成本，計算物流成本在生產(chǎn)成本中的比重，提出報告并分析原因。

3、數(shù)字化車間建設思路

數(shù)字化車間系統(tǒng)的規(guī)劃是比較復雜的，不可能一次性完成這樣的任務，可以分三個階段實現(xiàn)該系統(tǒng)：

3.1 建立基本布局系統(tǒng)

讓設計人員通過可視化的方法對廠房設計，生產(chǎn)線布局和各種物流進行規(guī)劃設計。在此階段，需要建立其軟件的基本框架，和各種車間對象的仿真模型。在此要對車間內(nèi)各種對生產(chǎn)有直接或間接關系的設備物品進行抽象分類，并建立與之對應的對象類（class）。要建立軟件的人機界面，使用戶能方便的管理這些對象，對車間進行由總體到局部的布局。完成后允許用戶設計和布置車間內(nèi)部的布局，諸如生產(chǎn)線的走向，各個工位的位置，配置何種設備及如何擺放，車間內(nèi)各種附件位置等。

3.2 加入調(diào)度控制和仿真系統(tǒng)

使系統(tǒng)能對布置好的車間進行運行仿真，以檢驗各種設計布局是否合理。此階段要設計智能控制對象和統(tǒng)計分析系統(tǒng)。智能調(diào)度對象總管車間內(nèi)各種事務、按照生產(chǎn)計劃，控制生產(chǎn)設備進行生產(chǎn)，控制生產(chǎn)線上的物流。可以在仿真系統(tǒng)中對各種生產(chǎn)管理調(diào)度計劃進行試驗，以檢測避免死鎖等問題。當一個具體的生產(chǎn)車間的布局已經(jīng)完成，可以讓數(shù)字化車間模擬運作，檢驗設計的可行性和合理性，統(tǒng)計分析系統(tǒng)記錄仿真運行的各種數(shù)據(jù)、進行分析優(yōu)化、對發(fā)現(xiàn)的設計問題進行及時的修正。由于是在電腦中仿真運行，除了設計工時外并不耗費任何成本，可以進行多種設計的試驗比較，以找到最優(yōu)的布局設計和調(diào)度規(guī)則。

3.3 建立與車間的日常生產(chǎn)全面結(jié)合的接口

進行可視化的監(jiān)控和管理。在此階段，要設計數(shù)字化車間系統(tǒng)與物理系統(tǒng)的互連接口，通過LAN、現(xiàn)場總線等其他技術(shù)把數(shù)字化車間的指令送到真實的設備上，控制設備進行生產(chǎn)。同時物理系統(tǒng)的信息也通過接口反饋給數(shù)字化車間，讓數(shù)字化車間同步表現(xiàn)真實車間的生產(chǎn)狀態(tài)。監(jiān)控人員可以以數(shù)字化車間為接口監(jiān)控工廠生產(chǎn)，通過可視化方式監(jiān)控生產(chǎn)過程甚至車間內(nèi)所有發(fā)生的事件；同時把數(shù)字化系統(tǒng)作為控制中斷，對生產(chǎn)進行計劃外的干預，以應對特殊的情況。

4、數(shù)字化車間解決方案

一套針對汽車行業(yè)的數(shù)字化制造解決方案必須體現(xiàn)汽車制造的特點，它著眼于改進整個汽車制造流程，涵蓋從動力系統(tǒng)到車身、涂裝到最終裝配及車間平面布置、一直到供應商與系統(tǒng)管理的所有功能。下面對UGS公司公司的數(shù)字化制造解決方案作一個簡單的介紹。

UGS公司是PLM 領域的全球領先者，它提供的Tecno matix平臺是一套完整的數(shù)字化制造解決方案，其構(gòu)建基礎是開放式的PLM，即Teamcenter主構(gòu)架，它由零部件制造、裝配規(guī)劃、資源管理、工廠設計與優(yōu)化、人力績效、產(chǎn)品質(zhì)量規(guī)劃與分析、生產(chǎn)管理等核心模塊構(gòu)成。針對汽車行業(yè)的Tecnomatix解決方案的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 UGS公司的Tecnomatix數(shù)字化制造解決方案(汽車行業(yè))

三維化的工廠設計和布局優(yōu)化——合理的車間布局是保持長期盈利能力、生產(chǎn)流程耐久性和柔性以及可維護性的基礎，在三維環(huán)境下通過對象模塊的方式進行工廠設計不但形象直觀，更能夠充分描述和利用信息，對存儲需求和物流設備進行評估，從而優(yōu)化設施布局，以獲得更高的生產(chǎn)線和物流績效。

汽車全套工藝的規(guī)劃設計。決方案包含了針對汽車全套工藝的輔助規(guī)劃設計功能：白車身、總裝、發(fā)動機、沖壓、涂裝以及零部件供應商的工藝規(guī)劃。

（1）白車身工藝解決方案。解決白車身焊接工藝規(guī)劃和焊裝生產(chǎn)線的規(guī)劃問題。

（2）總裝工藝解決方案。主要解決總裝生產(chǎn)線的工藝規(guī)劃、多車型混線生產(chǎn)中的制造管理、總裝物流優(yōu)化和按定單排產(chǎn)等制造工藝問題，完成人員模擬、生產(chǎn)線平衡和時間流程的規(guī)劃。

（3）機加工工藝解決方案。主要解決發(fā)動機機加工生產(chǎn)線的工藝規(guī)劃、加工策略優(yōu)選、刀具和工裝卡具優(yōu)選、NC仿真和生產(chǎn)線平衡等問題。

（4）其它工藝模塊。沖壓工藝模塊解決沖壓生產(chǎn)線的運動機構(gòu)分析和干涉檢查問題；噴漆模塊作為噴涂工藝設計工具，它處理整個噴涂工藝過程，從機器人運動路徑的設計、覆蓋參數(shù)和厚度的確定、直到仿真并把優(yōu)化的程序下到生產(chǎn)線。

5、結(jié)束語

數(shù)字化車間主要解決產(chǎn)品設計和產(chǎn)品制造之間的“鴻溝”，實現(xiàn)產(chǎn)品生命周期中的制造、裝配、質(zhì)量控制和檢測等各個階段的功能，主要解決工廠、車間和生產(chǎn)線以及產(chǎn)品的設計到制造實現(xiàn)的轉(zhuǎn)化過程，使設計到生產(chǎn)制造之間的不確定性降低，在數(shù)字空間中將生產(chǎn)制造過程壓縮和提前，使生產(chǎn)制造過程在數(shù)字空間中得以檢驗，從而提高系統(tǒng)的成功率和可靠性，縮短從設計到生產(chǎn)的轉(zhuǎn)化時間。

[1] 張浩，樊留群，馬玉敏編著.數(shù)字化工廠技術(shù)與應用. 北京：機械工業(yè)出版社，2006（4）.

[2] 李世杰，張艷蕊著.數(shù)字化車間構(gòu)建策略.天津：河北工業(yè)大學.2009（9）.

[3] 韓英淳著.汽車制造工藝學.人民交通出版社.2005.12.

Auto industry digital workshop technology exploration

Shan Lihua, Liu Xiaochen, Wang Yuguang
( North toward national heavy duty truck group co., LTD., Inner Mongolia Baotou 014032 )

Digital workshop technology, as a key technology of digital manufacturing technology. Based on the exploration of connotation of digital workshop, this paper analyzes the recent situations and needs of constructing digital workshops in motor industries and proposes some ideas about such construction, some domestic and international ideas relating to the digital workshop are also presented at the end of this paper.

Automobile; digital manufacturing workshop; demand; construction

U468.1

A

1671-7988 (2017)10-117-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.10.039

單利華，就職于北奔重型汽車集團有限公司。主要從事汽車標準化管理等方面工作。