數(shù)字工廠技術(shù)在汽車(chē)焊裝中的應(yīng)用

熊容廷,宋艷麗

(廣汽豐田汽車(chē)有限公司，廣東廣州 511455)

0 引言

當(dāng)前全球制造業(yè)與信息科技深度融合，邁向先進(jìn)智能制造亦是大勢(shì)所趨。通過(guò)美國(guó)“再工業(yè)化”[1]、德國(guó)“工業(yè)4.0”戰(zhàn)略，歐美正在重塑競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。其中數(shù)字工廠技術(shù)作為數(shù)字孿生分支領(lǐng)域，是全球先進(jìn)智能制造研究熱點(diǎn)，并廣泛應(yīng)用在航空航天、造船、汽車(chē)等重點(diǎn)工業(yè)領(lǐng)域[2]。在汽車(chē)制造領(lǐng)域，伴隨工業(yè)信息化與機(jī)器人化，制造模式逐漸從CAD/CAE/CAM數(shù)字化設(shè)計(jì)及加工走向全產(chǎn)品周期虛擬現(xiàn)實(shí)的數(shù)字化工廠DF(Digital Factory)模式；在物理實(shí)體與數(shù)字層次建立閉環(huán)反饋，實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)計(jì)制造，防范產(chǎn)品缺陷與預(yù)防設(shè)備故障，提高生產(chǎn)效率[3-4]。數(shù)字工廠技術(shù)與制造裝備有機(jī)結(jié)合，正在引領(lǐng)著第四次信息工業(yè)革命。

目前汽車(chē)數(shù)字化制造軟件提供商主要有西門(mén)子Tecnomatix、達(dá)索3D Experience等。歐美系汽車(chē)制造商主要使用Tecnomatix旗下PD/PS或搭配RobotCAD來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)字工廠的生產(chǎn)線仿真與離線輸出[3]；日系汽車(chē)商也亦步亦趨，開(kāi)發(fā)適合自己的數(shù)字化制造軟件。某公司從1987年開(kāi)始經(jīng)過(guò)近30年不斷完善，實(shí)現(xiàn)了大容量、高精度的生產(chǎn)線仿真，目前使用基于達(dá)索Delmia平臺(tái)二次開(kāi)發(fā)的CarottⅢ進(jìn)行生產(chǎn)線仿真與機(jī)器人離線程序輸出，主要適用于川崎、不二越、安川機(jī)器人(含點(diǎn)焊、弧焊、涂膠、搬運(yùn)等外部軸)。通過(guò)生產(chǎn)線仿真、機(jī)器人離線編程，項(xiàng)目導(dǎo)入時(shí)間極大縮短，并降低改造風(fēng)險(xiǎn)，消除了長(zhǎng)時(shí)間停工的集中改造工事，保證了生產(chǎn)稼動(dòng)，滿足客戶對(duì)產(chǎn)品的需求。機(jī)器人人工編程與離線編程時(shí)間對(duì)比如圖1所示。

圖1 機(jī)器人人工編程與離線編程時(shí)間對(duì)比

1 數(shù)字工廠在焊裝的應(yīng)用

1.1 數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)成

建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫(kù)是整個(gè)數(shù)字工廠應(yīng)用的關(guān)鍵，也極大方便了數(shù)據(jù)查詢與使用。數(shù)據(jù)庫(kù)分3個(gè)方面：(1)產(chǎn)品設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，包含車(chē)身數(shù)據(jù)、焊點(diǎn)數(shù)據(jù)、定位基準(zhǔn)數(shù)據(jù)。再根據(jù)車(chē)身設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)階段進(jìn)行細(xì)分。(2)資源數(shù)據(jù)，包含夾具、機(jī)器人、焊槍、搬運(yùn)手、生產(chǎn)線及外圍附屬設(shè)備。(3)生產(chǎn)線集成仿真數(shù)據(jù)，包含將產(chǎn)品設(shè)計(jì)與資源數(shù)據(jù)整合后形成的數(shù)字工廠，如圖2所示。

目前國(guó)內(nèi)外主流汽車(chē)公司已經(jīng)實(shí)現(xiàn)從產(chǎn)品設(shè)計(jì)、SE、設(shè)備式樣到工程改造前機(jī)器人離線編程等全流程數(shù)字化開(kāi)發(fā)。通過(guò)數(shù)字化檢討與模擬，相對(duì)同行業(yè)縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)到投產(chǎn)的生產(chǎn)準(zhǔn)備周期約5個(gè)月[5]，如圖3、圖4所示。

圖2 數(shù)據(jù)庫(kù)基本構(gòu)成

圖3 汽車(chē)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)基本流程

圖4 數(shù)字化生產(chǎn)準(zhǔn)備周期流程概要

1.2 工藝規(guī)劃

在SE階段，利用數(shù)字工廠開(kāi)展生產(chǎn)線適用性檢討，制定產(chǎn)品流程圖、定位基準(zhǔn)圖，并實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品通用化，降低生產(chǎn)線改造成本。例如在SE階段對(duì)產(chǎn)品、設(shè)計(jì)焊點(diǎn)及定位基準(zhǔn)進(jìn)行驗(yàn)證，確認(rèn)設(shè)計(jì)焊點(diǎn)可否焊接；確認(rèn)生產(chǎn)線工裝夾具改造規(guī)模等，完善產(chǎn)品、焊點(diǎn)和基準(zhǔn)設(shè)計(jì)，控制投資預(yù)算，并降低改造成本。

1.3 工程計(jì)劃

在產(chǎn)品定型后，在CarottⅢ軟件環(huán)境下，完成生產(chǎn)線仿真環(huán)境的資源配置，制作工藝流程圖；實(shí)施生產(chǎn)線機(jī)器人焊點(diǎn)分配，篩選出需要更換的機(jī)器人及焊槍清單，完成機(jī)器人與焊槍

選型；作成詳細(xì)的工裝夾具式樣書(shū)，進(jìn)行設(shè)備招標(biāo)采購(gòu)。

1.4 離線仿真與輸出

在設(shè)備改造前，在CarottⅢ軟件環(huán)境下，進(jìn)行機(jī)器人離線編程與程序輸出(包含原位置程序、作業(yè)程序、電極頭整形程序、機(jī)器人干涉互鎖圖、設(shè)備可維護(hù)通道、節(jié)拍圖、焊接條件等)。重點(diǎn)檢查：(1)機(jī)器人與機(jī)器人、機(jī)器人與工裝夾具之間的互鎖信號(hào)設(shè)定；(2)工程節(jié)拍，對(duì)超出節(jié)拍的工程進(jìn)行焊接軌跡優(yōu)化；(3)針對(duì)有干涉風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，制作機(jī)器人程序再現(xiàn)作業(yè)注意點(diǎn)提示書(shū)；(4)針對(duì)需要更換的機(jī)器人與焊槍、搬運(yùn)手，制作裝配技術(shù)指示書(shū)。

2 新車(chē)型導(dǎo)入中應(yīng)用

2.1 在車(chē)身生產(chǎn)線上改造實(shí)踐

作者所帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)借鑒日本豐田相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，自主在CarottⅢ數(shù)字工廠環(huán)境下，進(jìn)行新車(chē)型項(xiàng)目3D虛擬檢討，作成設(shè)備改造式樣，并利用機(jī)器人離線編程數(shù)據(jù)，實(shí)施生產(chǎn)線改造工事，最終實(shí)現(xiàn)新車(chē)型導(dǎo)入的0停工和0停線目標(biāo)，節(jié)約了幾千萬(wàn)技術(shù)支援成本，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目自主規(guī)劃，同時(shí)驗(yàn)證了數(shù)字工廠在汽車(chē)制造領(lǐng)域舉足輕重的作用。改造規(guī)模及效益對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 新車(chē)型導(dǎo)入方式以及效益對(duì)比[5]

數(shù)字化檢討主要流程如下：

(1)制品檢討(焊點(diǎn)配置、基準(zhǔn)配置、FEM分析、工程節(jié)拍、工程可行性、品質(zhì)預(yù)留量等)；

(2)設(shè)備檢討(數(shù)字工廠更新、改造日程檢討、設(shè)備式樣作成、機(jī)器人焊點(diǎn)分配、打點(diǎn)檢討、定位基準(zhǔn)圖作成、節(jié)拍圖作成、設(shè)備采購(gòu)清單)；

(3)數(shù)字式樣審核、DE設(shè)計(jì)與檢討、招標(biāo)采購(gòu)；

(4)機(jī)器人離線編程與焊接條件輸出；

(5)現(xiàn)地生產(chǎn)線改造與機(jī)器人程序再現(xiàn)。

2.2 數(shù)字化工廠關(guān)鍵

2.2.1 數(shù)字工廠與實(shí)物工廠一致性

目前數(shù)字工廠數(shù)據(jù)庫(kù)需要由專(zhuān)門(mén)的公司進(jìn)行數(shù)據(jù)維護(hù)和更新，如圖5所示。目前主要采用FARO三維激光掃描儀Focus3D+FARO SCENE進(jìn)行實(shí)物工廠設(shè)備數(shù)據(jù)采集，并進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)更新。

圖5 數(shù)字工廠與實(shí)物工廠對(duì)照

設(shè)備方面主要采集數(shù)據(jù)內(nèi)容：(1)生產(chǎn)線布局&外圍安全柵及附屬品；(2)機(jī)器人&焊槍及附屬品；(3)生產(chǎn)線夾具、基準(zhǔn)托盤(pán)；(4)機(jī)器人搬運(yùn)手。

2.2.2 機(jī)器人離線編程與再現(xiàn)精度

目前機(jī)器人離線編程的精度偏差，主要取決于設(shè)備安裝位置、機(jī)器離線程序、機(jī)器人焊槍本體精度(<±0.3mm)三方面的累積偏差。機(jī)器人安裝位置偏差由修正測(cè)量?jī)x器進(jìn)行修正，例如 FARO三維激光掃描儀Focus3D+FARO SCENE，精度控制在毫米級(jí)別。通過(guò)使用機(jī)器人廠家的虛擬控制器(VRC)，可以將機(jī)器人離線編程軌跡與實(shí)際軌跡位置偏差控制在毫米級(jí)別，同時(shí)節(jié)拍計(jì)算精度達(dá)到微秒級(jí)(μs)，如圖6、圖7所示。

圖6 標(biāo)準(zhǔn)示教器(實(shí)物)與虛擬示教器

圖7 機(jī)器人仿真與實(shí)機(jī)對(duì)比

通過(guò)三方面精度確保，機(jī)器離線軌跡與實(shí)際位置偏差小于3 mm，極大縮短了機(jī)器人現(xiàn)場(chǎng)示教調(diào)整時(shí)間，成為新車(chē)型導(dǎo)入項(xiàng)目中0停工改造成功的關(guān)鍵因素。

3 結(jié)論

數(shù)字工廠技術(shù)不僅僅是簡(jiǎn)單的實(shí)物工廠數(shù)字復(fù)制，而是具有產(chǎn)品全生命周期管理的工廠數(shù)字孿生體，從產(chǎn)品周期上涵蓋了產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝規(guī)劃、工程計(jì)劃、設(shè)備制造、維護(hù)預(yù)警等虛擬現(xiàn)實(shí)制造，從技術(shù)層面包含了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)IoT、集成制造MEMS、產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫(kù)管理PDM等。歐美日汽車(chē)廠家通過(guò)數(shù)字工廠技術(shù)應(yīng)用在時(shí)間、成本、質(zhì)量方面都取得了巨大的收益與成果。在這千年一遇工業(yè)信息化變革的歷史關(guān)口，中國(guó)制造2025[6]要把握機(jī)會(huì)，奮勇直追，趕上這次工業(yè)4.0信息化浪潮。