基于Tecnomatix的數(shù)字化孿生工廠搭建及工藝驗(yàn)證

陳志毅 李少華 姚亮 黎佳瑞 趙智宇

（重慶長(zhǎng)安汽車股份有限公司，重慶400000）

1 前言

隨著工業(yè)4.0 智慧工廠、中國(guó)制造2025 的提出，汽車制造業(yè)正面臨著翻天覆地的變化。汽車主機(jī)廠應(yīng)根據(jù)市場(chǎng)需求做出快速響應(yīng)，推出新的車型。因此，有效縮短新車型的生產(chǎn)準(zhǔn)備周期是提高企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的必要手段[1]。

數(shù)字化工廠是指通過(guò)建立現(xiàn)代數(shù)字制造體系、網(wǎng)絡(luò)化配置實(shí)現(xiàn)整個(gè)制造流程的全面數(shù)字化管理。數(shù)字化工廠建設(shè)需要把現(xiàn)代管理理論、智能生產(chǎn)理論、通信技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)、數(shù)字孿生技術(shù)等深度融為一體，全面整合車間生產(chǎn)設(shè)備、生產(chǎn)運(yùn)行控制系統(tǒng)、產(chǎn)品設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)系統(tǒng)等各種信息系統(tǒng)，形成由產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)規(guī)劃與生產(chǎn)執(zhí)行所構(gòu)成的新型生產(chǎn)組織方式[2]。

Tecnomatix 軟件是西門子公司提供的一套綜合性的數(shù)字化制造解決方案平臺(tái)，其中Process De?signer（PD）和Process Simulation（PS）是Tecnomatix系統(tǒng)中的基礎(chǔ)功能模塊。PD 的主要功能是數(shù)據(jù)管理與工藝規(guī)劃；PS 的主要功能是實(shí)現(xiàn)仿真驗(yàn)證與離線編程?；赑D 和PS，可以實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)實(shí)工廠相對(duì)應(yīng)的，在3D 模擬環(huán)境下的數(shù)字化孿生工廠的搭建。在數(shù)字化工廠中，可以實(shí)現(xiàn)工藝與產(chǎn)品數(shù)據(jù)的相互關(guān)聯(lián)、焊裝生產(chǎn)線的布局與優(yōu)化、工藝可達(dá)性的驗(yàn)證和模擬、機(jī)器人及設(shè)備個(gè)體運(yùn)動(dòng)與聯(lián)動(dòng)制作、機(jī)器人離線程序?qū)С?、以及機(jī)器人和PLC 信號(hào)虛擬調(diào)試聯(lián)動(dòng)。在虛擬環(huán)境中實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線生產(chǎn)的全部過(guò)程，極大地降低了生產(chǎn)線的規(guī)劃、裝配、和調(diào)試周期，加速了新車型的上市進(jìn)度。

2 數(shù)字化孿生工廠的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

數(shù)字化工廠是企業(yè)信息化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化的總稱[3]，是傳統(tǒng)制造型企業(yè)發(fā)展的新階段。數(shù)字化工廠是指以資源、操作和產(chǎn)品為核心，將數(shù)字化的產(chǎn)品設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，在現(xiàn)有實(shí)際制造系統(tǒng)的所映射的虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中，對(duì)產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真和優(yōu)化的虛擬制造方式。通過(guò)數(shù)字化手段，為產(chǎn)品設(shè)計(jì)和工藝制造搭建起了新的橋梁。

通過(guò)生產(chǎn)線組成要素（設(shè)備、夾具、線槽水汽等管路、產(chǎn)品數(shù)據(jù)、工藝參數(shù)）在Tecnomatix 內(nèi)1：1集成，利用建模技術(shù)對(duì)真實(shí)工廠的制造資源和產(chǎn)品工藝進(jìn)行軟件內(nèi)的空間布局，在計(jì)算機(jī)內(nèi)模擬真實(shí)的生產(chǎn)制造情況，建立真實(shí)工廠的虛擬映射（圖1）。

圖1 數(shù)字化工廠系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3 數(shù)字化工廠的搭建及工藝驗(yàn)證流程

數(shù)字化規(guī)劃流程見(jiàn)圖2，首先利用CAD 等平面布局軟件進(jìn)行初版的平面布局圖繪制，隨后將生產(chǎn)資源（設(shè)備，工裝，產(chǎn)品等）數(shù)模導(dǎo)入PD 軟件中，根據(jù)平面布局圖進(jìn)行生產(chǎn)線預(yù)搭建以及運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)定義，使虛擬工廠環(huán)境更加貼近真實(shí)環(huán)境；在PS 中進(jìn)行產(chǎn)品工藝驗(yàn)證，在驗(yàn)證過(guò)程中逐步更新及優(yōu)化布局方案，最終進(jìn)行機(jī)器人路徑制作、PLC 虛擬調(diào)試并輸出離線程序。

圖2 數(shù)字化工廠規(guī)劃及工藝驗(yàn)證流程

數(shù)字化規(guī)劃流程的優(yōu)勢(shì)在于，利用PD 和PS 實(shí)現(xiàn)了工藝平面圖、3D 數(shù)模、焊點(diǎn)膠條等連接工藝信息，工藝參數(shù)等信息的資源整合，通過(guò)PD 3D 布局和PS 模擬仿真驗(yàn)證，反饋工藝布局進(jìn)行不斷優(yōu)化，提前模擬和測(cè)試制造過(guò)程，起到了規(guī)避問(wèn)題點(diǎn)、提高工藝?yán)寐?、降低成本、縮短產(chǎn)品上市時(shí)間的效果。針對(duì)數(shù)字化工廠的搭建和驗(yàn)證的每一個(gè)步驟分別做詳細(xì)講解。

3.1 生產(chǎn)線布局和數(shù)字化建模

在PD 軟件中，生產(chǎn)線的搭建需要基于平面圖和3D 數(shù)據(jù)，以3D 設(shè)計(jì)軟件CATIA 的part 數(shù)據(jù)和2D 平面設(shè)計(jì)軟件CAD 的dwg 文件為例來(lái)進(jìn)行講解。

在第一次導(dǎo)入數(shù)據(jù)時(shí)需要優(yōu)先導(dǎo)出cust 文件，也稱為客戶化文件，每個(gè)主機(jī)廠的cust 文件可能有所不同。cust 文件中對(duì)每種數(shù)據(jù)類型設(shè)置有單獨(dú)的圖標(biāo)和分類。

將2D 和3D 數(shù)據(jù)導(dǎo)入PD 進(jìn)行布局需要通過(guò)crossmanager 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換軟件，將平面圖的dwg 文件和3D 的part 文件統(tǒng)一轉(zhuǎn)換成cojt 文件。通過(guò)Cre?ate Engineering Libraries 命令將cojt 文件導(dǎo)入PD 中進(jìn)行3D 虛擬工廠的搭建（圖3）。

圖3 虛擬工廠

為了有效地整理和控制數(shù)據(jù)，可以制定相關(guān)結(jié)構(gòu)樹(shù)的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)。以國(guó)內(nèi)某大型主機(jī)廠的層級(jí)結(jié)構(gòu)為例（圖4），將每種數(shù)據(jù)放置在對(duì)應(yīng)的層級(jí)和后臺(tái)中，數(shù)據(jù)整合清晰明了。

圖4 國(guó)內(nèi)某主機(jī)廠的PD標(biāo)準(zhǔn)層級(jí)結(jié)構(gòu)

搭建完成的數(shù)字化工廠和實(shí)際工廠的狀態(tài)完全一致，既可以指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)安裝，也可以通過(guò)模擬生產(chǎn)狀態(tài)，規(guī)避產(chǎn)品，以及制造過(guò)程中的問(wèn)題。如圖5 所示為某數(shù)字化孿生工廠與現(xiàn)實(shí)工廠對(duì)比示意。

圖5 數(shù)字化工廠和真實(shí)工廠的對(duì)比

3.2 運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的定義

在PS 軟件中，為了使數(shù)字化工廠盡可能和真實(shí)工廠保持一致，需要對(duì)工裝，焊鉗進(jìn)行運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行定義，以保證和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)動(dòng)狀態(tài)吻合。

以圖6 中抓具為例，利用PS 中的Set Modeling使工裝進(jìn)入可編輯模式，之后用Kinematic Device命令進(jìn)入機(jī)構(gòu)定義界面。在機(jī)構(gòu)定義界面中，可以根據(jù)運(yùn)動(dòng)類型的不同，定義旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)或是橫移機(jī)構(gòu),在將工裝的每個(gè)部件都定位完成后，通過(guò)Pose Editor 命令（圖7）將定義好的部件設(shè)置整體運(yùn)動(dòng)順序，以保證與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備動(dòng)作狀態(tài)一致。其他設(shè)備的定義思路與工裝一致。每一個(gè)有著完善定義的設(shè)備單元組成了和現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)完全一致的數(shù)字化孿生工廠。

3.3 工藝驗(yàn)證分析

數(shù)字化工廠搭建完成的最終目的是為了在虛擬工廠中模擬生產(chǎn)過(guò)程，從而起到完善產(chǎn)品，優(yōu)化方案布局，降低成本的效果，因此工藝驗(yàn)證分析是數(shù)字化工廠規(guī)劃工作中最重要的一環(huán)。

為了實(shí)現(xiàn)數(shù)字化工廠的工藝驗(yàn)證和生產(chǎn)制造過(guò)程模擬，在進(jìn)行生產(chǎn)線的初版布局后，需要導(dǎo)入產(chǎn)品和工藝信息，并將產(chǎn)品和工藝信息相互關(guān)聯(lián)用以支撐驗(yàn)證。

在PS 中使用Automatic Part Assignment 命令，使產(chǎn)品和焊點(diǎn)等工藝信息相關(guān)聯(lián)（圖8），隨后將零件投影至需要驗(yàn)證的夾具上。隨后即可驗(yàn)證機(jī)器人可達(dá)性并制作路徑。

圖8 運(yùn)用Automatic Part Assignment關(guān)聯(lián)零件與焊點(diǎn)

對(duì)應(yīng)的焊接操作路徑的屬性中可以設(shè)置與其相關(guān)相關(guān)聯(lián)的機(jī)器人以及工具坐標(biāo)（圖9）。在設(shè)置好后，即可在路徑中進(jìn)行工裝干涉性，焊點(diǎn)焊接，機(jī)器人抓放件等過(guò)程的模擬。

圖9 設(shè)置路徑相關(guān)聯(lián)的機(jī)器人和工具坐標(biāo)

在驗(yàn)證過(guò)程中需要注意以下4 點(diǎn)內(nèi)容。

a.一般在驗(yàn)證可達(dá)性的時(shí)候，各軸需要保留10°以上的余量，以防止后期在安裝階段導(dǎo)致機(jī)器人不可達(dá)。

b.機(jī)器人在驗(yàn)證干涉性時(shí)，機(jī)器人和工裝最少要保留10 mm 以上的余量，和產(chǎn)品數(shù)據(jù)至少要保證3 mm 以上的余量，以防止加工誤差以及生產(chǎn)時(shí)零件變形造成的干涉。

c.機(jī)器人的動(dòng)作路徑應(yīng)盡量避免和其他機(jī)器人的動(dòng)作過(guò)程中有重疊部分，也就是所謂的避免“干涉區(qū)”。如果干涉區(qū)無(wú)法回避，應(yīng)盡量通過(guò)前后工作順序錯(cuò)開(kāi)一起工作的時(shí)間，減少對(duì)生產(chǎn)線節(jié)拍造成影響。同時(shí)，機(jī)器人在原點(diǎn)時(shí)，不可以和任何其他路徑有干涉區(qū)。

d.在任何仿真過(guò)程中，都應(yīng)該有意識(shí)地簡(jiǎn)化路徑，以起到降低機(jī)器人節(jié)拍，提高生產(chǎn)線效率的作用。

3.4 機(jī)器人離線程序的輸出和虛擬調(diào)試

在數(shù)字化工廠的規(guī)劃過(guò)程中，在完成工藝驗(yàn)證以及路徑的制作后，可以在PS 中進(jìn)行機(jī)器人和PLC 的虛擬調(diào)試和機(jī)器人離線程序的導(dǎo)出。

機(jī)器人離線程序的導(dǎo)出需要基于Tecnomatix軟件中的OLP 程序模塊和RCS（機(jī)器人控制器文件），以MOTOMAN 機(jī)器人為例，在機(jī)器人屬性中按圖10 中連接配置機(jī)器人控制器文件，需要鏈接的文件定義如圖11。在配置好機(jī)器人控制器文件后，在對(duì)應(yīng)的路徑上右鍵，使用Download to Robot命令即可導(dǎo)出機(jī)器人離線程序。

圖10 機(jī)器人控制器配置路徑

圖11 MOTOMAN機(jī)器人控制器中各配置文件含義

同時(shí)，在PS 中運(yùn)用Control 模塊可以實(shí)現(xiàn)和西門子博途軟件的相互關(guān)聯(lián)，在數(shù)字化工廠中實(shí)現(xiàn)虛擬的PLC 信號(hào)聯(lián)動(dòng)，和機(jī)器人離線程序相配合可以降低現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試時(shí)間30%～40%，極大地提升了調(diào)試工作效率。

4 結(jié)論

a.針對(duì)于汽車焊裝線設(shè)備工裝數(shù)據(jù)量大、現(xiàn)場(chǎng)更改多的情況，通過(guò)PD 將工廠相關(guān)數(shù)模導(dǎo)入，并將工藝信息和數(shù)模相關(guān)聯(lián)，以將現(xiàn)實(shí)工廠和虛擬工廠的數(shù)據(jù)統(tǒng)一的形式，在前期進(jìn)行干涉性及可達(dá)性的驗(yàn)證。將產(chǎn)品問(wèn)題，制造問(wèn)題發(fā)現(xiàn)在前期，降低現(xiàn)場(chǎng)的更改量，提高工藝規(guī)劃及機(jī)械設(shè)計(jì)質(zhì)量。

b.利用Tecnomatix 軟件中的OLP 程序模塊準(zhǔn)確模擬機(jī)器人工作時(shí)間，并導(dǎo)出機(jī)器人離線輔助現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，可以在前期有效控制生產(chǎn)節(jié)拍，大幅度提高現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試效率，提前了新車型的投產(chǎn)上市時(shí)間。