熊容廷,宋艷麗

(廣汽豐田汽車有限公司，廣東廣州 511455)

0 引言

當前全球制造業(yè)與信息科技深度融合，邁向先進智能制造亦是大勢所趨。通過美國“再工業(yè)化”[1]、德國“工業(yè)4.0”戰(zhàn)略，歐美正在重塑競爭優(yōu)勢。其中數(shù)字工廠技術(shù)作為數(shù)字孿生分支領域，是全球先進智能制造研究熱點，并廣泛應用在航空航天、造船、汽車等重點工業(yè)領域[2]。在汽車制造領域，伴隨工業(yè)信息化與機器人化，制造模式逐漸從CAD/CAE/CAM數(shù)字化設計及加工走向全產(chǎn)品周期虛擬現(xiàn)實的數(shù)字化工廠DF(Digital Factory)模式；在物理實體與數(shù)字層次建立閉環(huán)反饋，實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實設計制造，防范產(chǎn)品缺陷與預防設備故障，提高生產(chǎn)效率[3-4]。數(shù)字工廠技術(shù)與制造裝備有機結(jié)合，正在引領著第四次信息工業(yè)革命。

目前汽車數(shù)字化制造軟件提供商主要有西門子Tecnomatix、達索3D Experience等。歐美系汽車制造商主要使用Tecnomatix旗下PD/PS或搭配RobotCAD來實現(xiàn)數(shù)字工廠的生產(chǎn)線仿真與離線輸出[3]；日系汽車商也亦步亦趨，開發(fā)適合自己的數(shù)字化制造軟件。某公司從1987年開始經(jīng)過近30年不斷完善，實現(xiàn)了大容量、高精度的生產(chǎn)線仿真，目前使用基于達索Delmia平臺二次開發(fā)的CarottⅢ進行生產(chǎn)線仿真與機器人離線程序輸出，主要適用于川崎、不二越、安川機器人(含點焊、弧焊、涂膠、搬運等外部軸)。通過生產(chǎn)線仿真、機器人離線編程，項目導入時間極大縮短，并降低改造風險，消除了長時間停工的集中改造工事，保證了生產(chǎn)稼動，滿足客戶對產(chǎn)品的需求。機器人人工編程與離線編程時間對比如圖1所示。

圖1 機器人人工編程與離線編程時間對比

1 數(shù)字工廠在焊裝的應用

1.1 數(shù)據(jù)庫構(gòu)成

建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫是整個數(shù)字工廠應用的關鍵，也極大方便了數(shù)據(jù)查詢與使用。數(shù)據(jù)庫分3個方面：(1)產(chǎn)品設計數(shù)據(jù)，包含車身數(shù)據(jù)、焊點數(shù)據(jù)、定位基準數(shù)據(jù)。再根據(jù)車身設計數(shù)據(jù)階段進行細分。(2)資源數(shù)據(jù)，包含夾具、機器人、焊槍、搬運手、生產(chǎn)線及外圍附屬設備。(3)生產(chǎn)線集成仿真數(shù)據(jù)，包含將產(chǎn)品設計與資源數(shù)據(jù)整合后形成的數(shù)字工廠，如圖2所示。

目前國內(nèi)外主流汽車公司已經(jīng)實現(xiàn)從產(chǎn)品設計、SE、設備式樣到工程改造前機器人離線編程等全流程數(shù)字化開發(fā)。通過數(shù)字化檢討與模擬，相對同行業(yè)縮短產(chǎn)品開發(fā)到投產(chǎn)的生產(chǎn)準備周期約5個月[5]，如圖3、圖4所示。

圖2 數(shù)據(jù)庫基本構(gòu)成

圖3 汽車設計開發(fā)基本流程

圖4 數(shù)字化生產(chǎn)準備周期流程概要

1.2 工藝規(guī)劃

在SE階段，利用數(shù)字工廠開展生產(chǎn)線適用性檢討，制定產(chǎn)品流程圖、定位基準圖，并實現(xiàn)產(chǎn)品通用化，降低生產(chǎn)線改造成本。例如在SE階段對產(chǎn)品、設計焊點及定位基準進行驗證，確認設計焊點可否焊接；確認生產(chǎn)線工裝夾具改造規(guī)模等，完善產(chǎn)品、焊點和基準設計，控制投資預算，并降低改造成本。

1.3 工程計劃

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；實施生產(chǎn)線機器人焊點分配，篩選出需要更換的機器人及焊槍清單，完成機器人與焊槍

選型；作成詳細的工裝夾具式樣書，進行設備招標采購。

1.4 離線仿真與輸出

在設備改造前，在CarottⅢ軟件環(huán)境下，進行機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、機器人干涉互鎖圖、設備可維護通道、節(jié)拍圖、焊接條件等)。重點檢查：(1)機器人與機器人、機器人與工裝夾具之間的互鎖信號設定；(2)工程節(jié)拍，對超出節(jié)拍的工程進行焊接軌跡優(yōu)化；(3)針對有干涉風險點，制作機器人程序再現(xiàn)作業(yè)注意點提示書；(4)針對需要更換的機器人與焊槍、搬運手，制作裝配技術(shù)指示書。

2 新車型導入中應用

2.1 在車身生產(chǎn)線上改造實踐

作者所帶領的團隊借鑒日本豐田相關經(jīng)驗，自主在CarottⅢ數(shù)字工廠環(huán)境下，進行新車型項目3D虛擬檢討，作成設備改造式樣，并利用機器人離線編程數(shù)據(jù)，實施生產(chǎn)線改造工事，最終實現(xiàn)新車型導入的0停工和0停線目標，節(jié)約了幾千萬技術(shù)支援成本，實現(xiàn)項目自主規(guī)劃，同時驗證了數(shù)字工廠在汽車制造領域舉足輕重的作用。改造規(guī)模及效益對比見表1。

表1 新車型導入方式以及效益對比[5]

數(shù)字化檢討主要流程如下：

(1)制品檢討(焊點配置、基準配置、FEM分析、工程節(jié)拍、工程可行性、品質(zhì)預留量等)；

(2)設備檢討(數(shù)字工廠更新、改造日程檢討、設備式樣作成、機器人焊點分配、打點檢討、定位基準圖作成、節(jié)拍圖作成、設備采購清單)；

(3)數(shù)字式樣審核、DE設計與檢討、招標采購；

(4)機器人離線編程與焊接條件輸出；

(5)現(xiàn)地生產(chǎn)線改造與機器人程序再現(xiàn)。

2.2 數(shù)字化工廠關鍵

2.2.1 數(shù)字工廠與實物工廠一致性

目前數(shù)字工廠數(shù)據(jù)庫需要由專門的公司進行數(shù)據(jù)維護和更新，如圖5所示。目前主要采用FARO三維激光掃描儀Focus3D+FARO SCENE進行實物工廠設備數(shù)據(jù)采集，并進行數(shù)據(jù)庫更新。

圖5 數(shù)字工廠與實物工廠對照

設備方面主要采集數(shù)據(jù)內(nèi)容：(1)生產(chǎn)線布局&外圍安全柵及附屬品；(2)機器人&焊槍及附屬品；(3)生產(chǎn)線夾具、基準托盤；(4)機器人搬運手。

2.2.2 機器人離線編程與再現(xiàn)精度

目前機器人離線編程的精度偏差，主要取決于設備安裝位置、機器離線程序、機器人焊槍本體精度(<±0.3mm)三方面的累積偏差。機器人安裝位置偏差由修正測量儀器進行修正，例如 FARO三維激光掃描儀Focus3D+FARO SCENE，精度控制在毫米級別。通過使用機器人廠家的虛擬控制器(VRC)，可以將機器人離線編程軌跡與實際軌跡位置偏差控制在毫米級別，同時節(jié)拍計算精度達到微秒級(μs)，如圖6、圖7所示。

圖6 標準示教器(實物)與虛擬示教器

圖7 機器人仿真與實機對比

通過三方面精度確保，機器離線軌跡與實際位置偏差小于3 mm，極大縮短了機器人現(xiàn)場示教調(diào)整時間，成為新車型導入項目中0停工改造成功的關鍵因素。

3 結(jié)論

數(shù)字工廠技術(shù)不僅僅是簡單的實物工廠數(shù)字復制，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)品設計、工藝規(guī)劃、工程計劃、設備制造、維護預警等虛擬現(xiàn)實制造，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)庫管理PDM等。歐美日汽車廠家通過數(shù)字工廠技術(shù)應用在時間、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口，中國制造2025[6]要把握機會，奮勇直追，趕上這次工業(yè)4.0信息化浪潮。