唐鳳霞，劉 俊，范銳強(qiáng)，黎 亮

應(yīng)用 Application

基于Tecnomatix的汽車焊接數(shù)字化工藝設(shè)計過程

唐鳳霞，劉 俊，范銳強(qiáng)，黎 亮

（重慶小康工業(yè)集團(tuán)股份有限公司，重慶市 400000）

為了解決產(chǎn)品設(shè)計和產(chǎn)品制造之間的鴻溝，降低設(shè)計到生產(chǎn)制造之間的不確定性，采用Tecnomatix數(shù)字化工藝設(shè)計方法，以某車型下車體為例，從仿真前提環(huán)境建設(shè)、三維規(guī)劃方案設(shè)計和虛擬仿真三個方面進(jìn)行研究及論述，利用此方法實現(xiàn)了在產(chǎn)品設(shè)計階段，焊裝工藝設(shè)計同步開展三維規(guī)劃設(shè)計和虛擬仿真驗證工作，從而可于設(shè)計階段有效規(guī)避問題發(fā)生，減少開發(fā)周期和變更成本。

數(shù)字化；虛擬仿真；三維規(guī)劃設(shè)計；Tecnomatix

1 引言

隨著汽車市場競爭的日益激烈，產(chǎn)品開發(fā)過程越來越復(fù)雜，對于產(chǎn)品開發(fā)周期要求越來越高[2]，傳統(tǒng)工藝設(shè)計模式以個人經(jīng)驗為主，工藝設(shè)計及評審主要以二維靜態(tài)形式展開，不能夠為設(shè)計師直觀準(zhǔn)確地展現(xiàn)問題，工程設(shè)計階段缺少統(tǒng)一仿真平臺和標(biāo)準(zhǔn)，仿真過程可控度較差，工藝驗證主要為物理驗證模式，周期長，成本高，現(xiàn)場試制過程中，干涉等問題多，難以支撐汽車行業(yè)高效率、高質(zhì)量和低成本的需求。Tecnomatix是一套全面的數(shù)字化解決方案組合，基于該平臺能有效解決傳統(tǒng)開發(fā)生產(chǎn)過程中存在的痛點。 Process Designer（以下簡稱“PD”）與Process simulate（以下簡稱“PS”）是Tecnomatix平臺中重要的兩個模塊[4]，焊裝工藝為汽車制造過程中的核心環(huán)節(jié)，本文將基于某車型下車體生產(chǎn)線介紹焊裝數(shù)字化工藝設(shè)計與仿真驗證過程。

2 設(shè)計前提

2.1 白車身數(shù)字化工藝設(shè)計流程

白車身數(shù)字化工藝設(shè)計流程如圖1所示。

2.2 Sysroot結(jié)構(gòu)

Tecnomatix一般有3層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，即Client、eMServer和Oracle。Oracle數(shù)據(jù)庫存儲項目的所有對象節(jié)點及其關(guān)聯(lián)關(guān)系，Sysroot下主要存儲于eM database中的節(jié)點相關(guān)的所有外部文件[2]，主要包括產(chǎn)品和資源的3D、文檔和AutoCAD文件等，如圖2所示。

圖1 白車身數(shù)字化工藝設(shè)計流程

圖2 Sysroot存儲結(jié)構(gòu)

2.3 項目模板

在系統(tǒng)中，搭建規(guī)劃及知識資源庫結(jié)構(gòu)，主機(jī)廠及供應(yīng)商基于該結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計及仿真數(shù)據(jù)存放。項目資源庫中存放設(shè)備資源、典型工藝等，產(chǎn)品文件夾中存放產(chǎn)品數(shù)模，制造特征庫用于存放產(chǎn)品的制造特征，如點焊、弧焊和涂膠等制造信息，車型變量庫中用于存放車型變量，用于多車型共用線體區(qū)分，項目規(guī)劃文件夾中存放項目規(guī)劃相關(guān)文件，在該節(jié)點下創(chuàng)建車型節(jié)點，車型節(jié)點下分別創(chuàng)建車型規(guī)劃仿真節(jié)點、 Layout 節(jié)點以及技術(shù)人員進(jìn)行規(guī)劃仿真的 Module 節(jié)點，臨時文件夾存放粗規(guī)劃設(shè)計時的臨時相關(guān)文件，供應(yīng)商規(guī)劃文件存放承包方在規(guī)劃設(shè)計仿真時的臨時相關(guān)文件，如圖3所示。

圖3 Sysroot存儲結(jié)構(gòu)

2.4 數(shù)據(jù)庫搭建

建立資源分類庫主要分為制造特征數(shù)據(jù)庫、產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫、制造資源庫和經(jīng)典工藝庫，資源的添加、變更和發(fā)布等通過資源庫管理員進(jìn)行統(tǒng)一管理，能夠確保資源的準(zhǔn)確性、唯一性。數(shù)據(jù)資源需按要求填寫屬性，設(shè)計工程師可根據(jù)屬性特征實現(xiàn)資源的快速查詢、調(diào)用。

2.5 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與導(dǎo)入

白車身規(guī)劃仿真用到的數(shù)據(jù)主要為產(chǎn)品數(shù)據(jù)、制造特征數(shù)據(jù)（點焊、弧焊、涂膠、螺接和鉚接等制造特征）、制造資源數(shù)據(jù)和二維布局圖[3]。將其他格式的產(chǎn)品、制造資源數(shù)據(jù)和二維布局圖轉(zhuǎn)換為Tecnomatix可識別JT文件，將該JT文件放于對應(yīng)名稱的cojt文件夾中，并放置于Sysroot目錄下，在Process Desgner中運行命令Tools→ Administrative Tools→Create Engineering Libraries 命令，選擇該資源對應(yīng)的類型導(dǎo)入資源數(shù)據(jù)。

焊點需從產(chǎn)品數(shù)據(jù)中手工導(dǎo)出中間文件，中間文件為.CSV格式，在系統(tǒng)中運行File→Import→Import eBOPfrom File，找到.CSV 文件完成焊點導(dǎo)入。

連續(xù)制造特征如弧焊、涂膠等，需在Catia中做出特征線，為了保證轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)后所有的特征線都是分開獨立的，在轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)之前對特征線進(jìn)行分拆，另存為多個Catia文件，將轉(zhuǎn)換后的連續(xù)性制造特征cojt文件放在系統(tǒng)根目錄的對應(yīng)文件分類中?；氐絇D軟件在特征資源庫上單擊右鍵，新建連續(xù)性制造特征，然后在新建的連續(xù)性制造上單擊右鍵選擇屬性，連續(xù)性制造特征屬性窗口打開后切換到Physical選項卡，在3D File處選擇連續(xù)性制造特征的co文件（系統(tǒng)根目錄中），關(guān)閉屬性窗口，連續(xù)性制造特征便創(chuàng)建 完成。

3 PD工藝設(shè)計

在PD中，基于生產(chǎn)節(jié)拍、自動化程度及生產(chǎn)方式等指導(dǎo)性文件，能夠快速將產(chǎn)品信息與產(chǎn)品制造特征、制造資源和制造工藝關(guān)聯(lián)在一起，創(chuàng)建工藝過程模型及制造信息模型，實現(xiàn)對白車身焊接過程中的工藝過程規(guī)劃及生產(chǎn)信息管理，詳細(xì)描述了焊接工藝過程實現(xiàn)的工藝順序、資源設(shè)備及焊接特征分配情況、物流流向和作業(yè)方法等，并最終于虛擬環(huán)境中建立 完成產(chǎn)線三維模型建立，支持仿真驗證，如圖4所示。

在tecnomatix中，焊點與產(chǎn)品數(shù)據(jù)分開導(dǎo)入系統(tǒng)中，導(dǎo)入后需對產(chǎn)品和焊點進(jìn)行關(guān)聯(lián)，并建立聯(lián)系。規(guī)劃人員可Lode需要關(guān)聯(lián)的焊點與產(chǎn)品，運行命令A(yù)pplications—Weld—Automatic Parts Assignment, 完成關(guān)聯(lián)。

采用操作數(shù)及資源樹雙胞胎結(jié)構(gòu)節(jié)點，創(chuàng)建產(chǎn)線PrLine及工位PrStation結(jié)構(gòu)，并通過運行命令Tools→Synchronize Process Objects將雙胞胎結(jié)構(gòu)中生產(chǎn)線或工位按要求進(jìn)行同步命名。

圖4 PD三維規(guī)劃步驟

由于BOM表定義的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)不一定適用于項目規(guī)劃前提，因此規(guī)劃員需要分析產(chǎn)品的零件結(jié)構(gòu)，按照規(guī)劃前提定義車身零件的上件/焊接順序，使其既滿足BOM表的零件結(jié)構(gòu)定義，又滿足實際的工藝規(guī)劃方案中的節(jié)拍等需求。如節(jié)拍能滿足要求，可將兩個或兩個以上設(shè)計總成歸并到同一個工藝總成（夾具）中進(jìn)行焊接；如節(jié)拍不能滿足要求，可將一個設(shè)計總成分解至兩個或兩個以上工藝總成（夾具）中進(jìn)行焊接。確定零件上件順序后，選擇相應(yīng)工位→右擊→New→ Compound Operation，修改操作名稱。將要上的零件拖拽到這個操作上，完成零部件上件定義。

完成工位的上件操作后，需建立相應(yīng)的焊接操作和輸送操作，完成整個工位工藝操作的定義。原則上需優(yōu)先從經(jīng)典操作工藝庫中拖拽，如果在經(jīng)典操作工藝庫中找不到合適的操作，則創(chuàng)建新的操作。單擊需要創(chuàng)建操作的工位→右擊→New→對應(yīng)操作節(jié)點類型及數(shù)量即可完成。創(chuàng)建完成后，按要求規(guī)范進(jìn)行命名及屬性的填寫。

車身每個總成上都要完成許多焊點，在編制焊點布局圖時必須對焊點進(jìn)行分組，即將1把焊鉗在1個工作節(jié)拍內(nèi)完成的焊點分為1個焊點組，焊點分組時需權(quán)衡工位節(jié)拍、焊接強(qiáng)度及可達(dá)性，相同設(shè)備焊接焊點盡量分配在相同工位以減少投資；在制造特征庫中找到待分配的焊點，將其拖拽到指定的焊接操作上，完成焊點分配[3]。

生產(chǎn)工位內(nèi)的操作工藝定義完成后，在Pert圖中確定工藝操作的順序，制定操作工藝流程。Pert圖同時顯示了與工藝操作相關(guān)聯(lián)的工藝信息，包括與資源、零件和MFG信息的關(guān)聯(lián)關(guān)系，如圖5所示。

圖5 某車型下車體組焊工位PERT圖

新建的工藝操作，由于其沒有MTM標(biāo)準(zhǔn)代碼，因此操作時間需要規(guī)劃員根據(jù)經(jīng)驗進(jìn)行預(yù)估。選擇新建操作節(jié)點→鼠標(biāo)右鍵→“Properties”打開屬性窗口→選擇“Time”標(biāo)簽→在“AllocatedTime”欄填入預(yù)估的操作時間。

用GANTT圖對工藝規(guī)劃中的工位工作量進(jìn)行平衡分析，以顯示資源及操作在工藝周期間的分配情況，如圖6所示。

圖6 某車型下車體組焊工位GANTT圖

焊點分組及工藝流程規(guī)劃工作完成后即可進(jìn)行焊鉗選型，確定焊鉗的最小數(shù)量，然后根據(jù)工件的形狀及尺寸確定焊鉗的形式（X形、C形）、喉深、開檔、行程和電極形狀，在標(biāo)準(zhǔn)庫中選取合適的設(shè)備。使用Process Simulate軟件中的“Gun Search”命令，對焊點的焊接可達(dá)性進(jìn)行分析，并進(jìn)行焊槍篩選確定。

工藝流程及設(shè)備選型完成后，即可進(jìn)行三維布局規(guī)劃，所謂的三維布局規(guī)劃是指在選定的設(shè)施區(qū)域內(nèi)，合理安排組織內(nèi)部生產(chǎn)作業(yè)單元、輔助設(shè)施的相對位置和面積及設(shè)備的布置，并將對應(yīng)的三維數(shù)模布置于相應(yīng)位置[3]，使之構(gòu)成一個符合企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營要求的有機(jī)整體，如圖7所示。

圖7 某車型下車體生產(chǎn)線三維模型

4 PS仿真驗證

在工藝規(guī)劃及三維布局完成后，可以在PS里面對制造過程進(jìn)行虛擬驗證。通過在同一環(huán)境中，模擬裝配過程、人工操作、設(shè)備運動軌跡、焊接可達(dá)性和工藝順序等，幫助工程師在設(shè)計初期發(fā)現(xiàn)問題并及時更正，以下主要介紹PS的典型應(yīng)用——機(jī)器人點焊仿真。

運行RobcadStudy打開仿真文件，將焊點投影到零件表面。選擇分配到焊接操作上的焊點，單擊Weld→Spot→ Project Weld Points命令，將焊點正確投影，如圖8所示。

圖8 機(jī)器人點焊仿真過程

焊點投影完成后，進(jìn)一步定義該焊接操作的機(jī)器人，完成機(jī)器人的定位以及其底座高度的確定。首先進(jìn)行工具安裝，先選擇機(jī)器人，再在菜單欄選擇Kinematics→Mount Tool，打開工具裝配對話框窗口→在工具裝配對話框中選擇工具和工具安裝坐標(biāo)系，以及機(jī)器人及其安裝坐標(biāo)系→選擇好工具的Toolframe后，單擊工具坐標(biāo)系旁的“Create Frame of Reference”按鈕，在出現(xiàn)的“Position”窗口中輸入工具裝配時與機(jī)器人TCPF的偏移量，單擊”O(jiān)K”完成工具坐標(biāo)系的設(shè)置→單擊“Apply”確認(rèn)，完成機(jī)器人上工具的裝配，如果機(jī)器人與工具間有連接法蘭或者Toolchanger，需要在工具裝配時將工具裝配到正確的位置。

工具安裝完成后，可定義焊接操作的機(jī)器人及焊槍，選擇焊接操作→鼠標(biāo)右鍵→“Operation Properties”命令，打開焊接操作的屬性窗口→在“Process”標(biāo)簽中，選擇Robot信息欄→在對象樹窗口選擇機(jī)器人資源節(jié)點，此時裝配到機(jī)器人上的焊槍將會自動添加到Gun信息欄→單擊“確定”完成焊接操作的焊槍定義。

調(diào)整機(jī)器人位置，焊點可能還是不可達(dá)，在Process Simulate中，還可以使用“Smart Place”命令對機(jī)器人進(jìn)行智能定位，單擊下拉菜單Kinematics下的“Smart Place”命令，打開“Smart Place”窗口→將機(jī)器人和焊接操作添加到窗口相應(yīng)信息欄中→在窗口的Search Area區(qū)域，設(shè)定機(jī)器人智能定位的查找范圍和位置點數(shù)→單擊“Start”按鈕，開始對查找范圍內(nèi)所有機(jī)器人位置點的焊接可達(dá)性進(jìn)行分析，并在“Search Results”區(qū)域顯示分析結(jié)果→選擇某一位置點，單擊“Place”命令將機(jī)器人直接定位至該位置，紅色為不可達(dá)的范圍，藍(lán)色為可達(dá)的范圍。查看機(jī)器人焊接姿態(tài)，修改機(jī)器人焊接方向，完成焊點的無干涉焊接調(diào)整，如圖9所示。

圖9 機(jī)器人智能工具

焊接操作狀態(tài)調(diào)整好之后，添加中間路徑，形成一條完整的焊接路徑，進(jìn)行布局及干涉等驗證，在下車體開發(fā)過程中利用仿真發(fā)現(xiàn)圖10，在布局中，上件臺與立柱干涉，需調(diào)整；圖11中焊接過程中電動機(jī)與零件干涉，需調(diào)整焊槍結(jié)構(gòu)。

圖10 布局合理性驗證圖

圖11 干涉性驗證

除了上述的焊接操作，在仿真過程中還會用到一些其他的操作，如 Device Operations對有機(jī)構(gòu)的設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)切換定義，Object Flow Operation對物流路徑進(jìn)行定義，Pick and Place Operation對抓放件進(jìn)行定義，當(dāng)生產(chǎn)過程中涉及的所有路徑及狀態(tài)切換動作都完成定義后，把它們按照Pert圖中的工藝順序連續(xù)執(zhí)行，就完成一個完整的仿真Sequence of Operations (SOP) 。

5 結(jié)語

[1] 葛懷林，李二鐵．Tecnomatix在汽車焊裝工藝規(guī)劃設(shè)計中的應(yīng)用研究[J]．汽車與配件，2011(5)：37．

[2] 朱杰．Tecnomatix在汽車焊裝領(lǐng)域的應(yīng)用及思考[J]．電焊機(jī)，2013，43(2)：16-19．

[3] 常輝娟．基于Tecnomatix軟件的白車身工藝規(guī)劃與仿真驗證[J]．科技與創(chuàng)新，2015（8）：94-95．

[4] 姜海濤．Tecnomatix在重卡焊接工藝設(shè)計中的應(yīng)用[J]．汽車制造業(yè)，2011(9)：39-40．