數(shù)字化制造技術(shù)在汽車生產(chǎn)制造中的應(yīng)用

李 偉

（北京汽車研究總院有限公司，北京 101300）

當(dāng)前，中國(guó)汽車制造業(yè)正處在一個(gè)機(jī)遇與危機(jī)并存的關(guān)鍵發(fā)展階段。一方面，資金的大量投入和消費(fèi)市場(chǎng)的持續(xù)繁榮帶動(dòng)了汽車制造業(yè)的迅猛發(fā)展；另一方面，汽車制造能力“大而不強(qiáng)”的現(xiàn)象非常突出，表現(xiàn)為：整車制造資源分散。中國(guó)有上百家整車廠，但普遍規(guī)模很??；自主創(chuàng)新能力欠缺。國(guó)內(nèi)制造的一些較高檔次的汽車從車型設(shè)計(jì)到生產(chǎn)線布置（含設(shè)備和布局規(guī)劃）基本上都自國(guó)外引進(jìn)；汽車產(chǎn)品的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力弱，難以走出國(guó)門。

在這種嚴(yán)峻形勢(shì)下，基于產(chǎn)品生命周期管理策略的數(shù)字化制造技術(shù)表現(xiàn)尤為突出。國(guó)內(nèi)外領(lǐng)先的汽車制造公司都在矢志不渝地推動(dòng)數(shù)字化制造技術(shù)的應(yīng)用，由此獲得的投資回報(bào)令人鼓舞。調(diào)查顯示，采用了數(shù)字化制造技術(shù)的汽車制造企業(yè)，其產(chǎn)品推向市場(chǎng)的速度增加了30%，重復(fù)設(shè)計(jì)減少了65%，生產(chǎn)規(guī)劃流程精簡(jiǎn)了40%，平均產(chǎn)量增長(zhǎng)了15%。數(shù)字化制造技術(shù)在國(guó)外的成功應(yīng)用給國(guó)內(nèi)的汽車制造廠家樹立了很好的榜樣。

1 數(shù)字化制造技術(shù)在工藝設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

數(shù)字化制造技術(shù)的數(shù)據(jù)管理是基于當(dāng)前生產(chǎn)的機(jī)械及工藝數(shù)據(jù)，建立了完整的產(chǎn)品及制造數(shù)據(jù)管理平臺(tái)。其實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品與制造數(shù)據(jù)的系統(tǒng)集成，直接在線進(jìn)行三維的數(shù)字化工藝路線規(guī)劃；利用數(shù)字化評(píng)審工作室進(jìn)行虛擬評(píng)審，讓BIR問(wèn)題提前發(fā)現(xiàn)解決；通過(guò)仿真分析，實(shí)現(xiàn)實(shí)體工廠建模、在線設(shè)備共線及制造可行性驗(yàn)證分析、生產(chǎn)線布局規(guī)劃動(dòng)態(tài)仿真模擬等；利用TCM進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬，單工序到實(shí)體工廠工位進(jìn)行模擬；最終結(jié)合零部件實(shí)物掃描數(shù)據(jù)的虛擬評(píng)審及試制部的兩輪零部件的試裝驗(yàn)證，試制實(shí)物裝配前，利用掃描對(duì)典型零部件進(jìn)行掃描，利用數(shù)字化工作室進(jìn)行裝配分析驗(yàn)證。

“數(shù)字化工廠”技術(shù)與系統(tǒng)作為新型的制造系統(tǒng)，為制造商及其供應(yīng)商提供了一個(gè)制造工藝信息平臺(tái)，使企業(yè)能夠?qū)φ麄€(gè)制造過(guò)程進(jìn)行設(shè)計(jì)規(guī)劃，模擬仿真和管理，并將制造信息及時(shí)地與相關(guān)部門、供應(yīng)商共享，從而實(shí)現(xiàn)虛擬制造和并行工程，保障生產(chǎn)的順利進(jìn)行。在汽車行業(yè)，數(shù)字化工廠更是發(fā)揮了重要的作用。從產(chǎn)品設(shè)計(jì)到制造開始的工作轉(zhuǎn)換是汽車開發(fā)過(guò)程中最關(guān)鍵的步驟之一，“數(shù)字化工廠”規(guī)劃系統(tǒng)可以通過(guò)詳細(xì)的規(guī)劃設(shè)計(jì)和驗(yàn)證預(yù)見(jiàn)所有的制造任務(wù)，在提高質(zhì)量的同時(shí)減少設(shè)計(jì)時(shí)間，從而加速汽車開發(fā)周期。同時(shí)，它還可以消除浪費(fèi)，減少為了完成某項(xiàng)任務(wù)所需的資源數(shù)量等。此外，“數(shù)字化工廠”規(guī)劃系統(tǒng)通過(guò)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)主機(jī)廠內(nèi)部、生產(chǎn)線供應(yīng)商、工裝夾具供應(yīng)商等的并行工程。

2 以焊裝生產(chǎn)線數(shù)字化制造技術(shù)為例說(shuō)明仿真流程

2.1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備和導(dǎo)入

焊接生產(chǎn)線的仿真通過(guò)CATIA軟件完成，仿真前CATIA數(shù)據(jù)要批量輕量化為JT數(shù)據(jù),上傳PDM系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)；利用自動(dòng)工具基于3D位置信息分配焊點(diǎn)到零件，樹瀏覽器與圖形瀏覽器完全同步，結(jié)果可以修改。創(chuàng)建企業(yè)基礎(chǔ)資源數(shù)據(jù)庫(kù),資源庫(kù)按照用途分類儲(chǔ)存焊鉗工裝設(shè)備等資源?？梢噪S時(shí)添加企業(yè)所需的資源數(shù)據(jù)。

2.2 粗工藝規(guī)劃

定義初步的工藝在直觀的3D環(huán)境中可以分析產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、焊點(diǎn)分布情況，根據(jù)節(jié)拍計(jì)算初步劃分工位、輸出工位數(shù)量；分配零件到不同的工位，根據(jù)零件的上件順序，創(chuàng)建工藝路線產(chǎn)生MBOM；根據(jù)企業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)操作庫(kù)及MTM標(biāo)準(zhǔn)工時(shí)定額區(qū)分出粗工藝流程；分配資源到不同的工位，同時(shí)可以干涉檢查。

2.3 焊點(diǎn)分配和焊鉗選擇

焊點(diǎn)分配到工位，利用焊接一致性檢查自動(dòng)工具，確認(rèn)焊點(diǎn)分配，從生產(chǎn)線焊槍庫(kù)中根據(jù)幾何尺寸搜索合適的焊槍。

2.4 夾具規(guī)劃

把PLP庫(kù)中的PLP點(diǎn)分配到相應(yīng)的工位，要考慮3D位置、控制方向、類型等。

2.5 定義焊接操作和焊接次序

按照工藝路線定義焊接操作次序，然后檢驗(yàn)焊接可達(dá)性。焊接可達(dá)性驗(yàn)證靜態(tài)機(jī)器人和焊鉗能夠無(wú)干涉的焊接到點(diǎn)。在生產(chǎn)線級(jí)，利用WDC（Weld Distribution Center）觀察所有的焊點(diǎn)和所有的機(jī)器人達(dá)到能力和干涉狀態(tài)矩陣，利用AAA（Automatic Approach Angle）旋轉(zhuǎn)所有的焊點(diǎn)方向，以滿足達(dá)到性和無(wú)干涉情況，進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測(cè)。

2.6 優(yōu)化焊接路徑和焊槍

首先需要調(diào)整焊點(diǎn)順序和焊點(diǎn)方向，定義通過(guò)點(diǎn)（Via location），定義運(yùn)動(dòng)參數(shù)，確認(rèn)干涉間隙、路徑仿真。

2.7 工藝調(diào)整和完善

利用pert圖完整定義工位中的工藝流程；利用Gantt圖，直觀地瀏覽操作時(shí)間及次序；檢查共享資源使用時(shí)間是否沖突。

3 某車型仿真分析

某車型仿真過(guò)程中共發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、夾具設(shè)計(jì)、焊鉗選型等問(wèn)題。

3.1 產(chǎn)品設(shè)計(jì)缺陷

后輪罩處三層焊接焊點(diǎn)設(shè)置在側(cè)圍內(nèi)板有凹槽特征處，三層板間有間隙不貼和，而且這個(gè)位置由于車身外側(cè)有側(cè)圍外板遮擋，車身內(nèi)側(cè)有后輪罩和側(cè)圍內(nèi)板遮擋，人無(wú)論是看產(chǎn)品數(shù)據(jù)還是在焊接過(guò)程中都不能夠直接發(fā)現(xiàn)，僅在仿真過(guò)程中通過(guò)焊點(diǎn)探測(cè)功能才能發(fā)現(xiàn)，如圖1所示。一旦生產(chǎn)過(guò)程沒(méi)有發(fā)現(xiàn)這個(gè)問(wèn)題，車流入市場(chǎng)那么將出現(xiàn)開裂、召回等重大質(zhì)量問(wèn)題，影響品牌美譽(yù)度。

圖1 后輪罩焊接點(diǎn)

3.2 夾具設(shè)計(jì)缺陷

夾具設(shè)計(jì)沒(méi)有避讓焊鉗通道，造成門洞內(nèi)的焊點(diǎn)全部焊接不到，而零件不能點(diǎn)定在生產(chǎn)過(guò)程中是不被允許的，所以必須整改，如圖2所示。

圖2 夾具設(shè)計(jì)缺陷

如圖3所示，設(shè)計(jì)工藝順序?yàn)閭?cè)圍分總成植釘后總拼工位側(cè)圍外板與車體分總成合拼，那么問(wèn)題出現(xiàn)，焊接時(shí)焊鉗與螺柱干涉，無(wú)法焊接。解決方案有兩種，其一是移動(dòng)焊點(diǎn)位置，這個(gè)最簡(jiǎn)單方便，但是要通過(guò)強(qiáng)度校核；其二是改變工藝順序，焊接后再植釘，這需要增加工裝設(shè)備甚至整個(gè)車身翻轉(zhuǎn)，難度較大。最后，本項(xiàng)目采取移動(dòng)焊點(diǎn)的方案實(shí)施。

3.3 焊鉗選型缺陷

焊鉗雖然焊接狀態(tài)符合工況，但是沒(méi)有考慮焊鉗的行程，行程不夠?qū)е潞搞Q達(dá)不到焊接位置，因此也是不可用的，如圖4所示。錯(cuò)誤在焊接仿真時(shí)發(fā)現(xiàn)，比實(shí)物到達(dá)車間后測(cè)試出錯(cuò)誤提前3個(gè)月，極大縮短了工期。焊鉗與車身本體干涉，焊接時(shí)要扭轉(zhuǎn)5°以上，造成焊接效果不良，必須更改焊鉗選型。

圖3 焊接流程設(shè)計(jì)缺陷

圖4 焊鉗與車身干涉

4 結(jié)語(yǔ)

數(shù)字化制造是制造領(lǐng)域的數(shù)字化，它是制造技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與管理科學(xué)的交叉融合發(fā)展與應(yīng)用的結(jié)果，是中國(guó)制造2025的重要組成部分。數(shù)字化制造技術(shù)的應(yīng)用縮短了產(chǎn)品的生產(chǎn)周期，提高了生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)成本，為我國(guó)制造業(yè)的發(fā)展勾勒了光明的前景。