陳志毅 李少華 姚亮 黎佳瑞 趙智宇

（重慶長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。汽車主機廠應(yīng)根據(jù)市場需求做出快速響應(yīng)，推出新的車型。因此，有效縮短新車型的生產(chǎn)準備周期是提高企業(yè)競爭力的必要手段[1]。

數(shù)字化工廠是指通過建立現(xiàn)代數(shù)字制造體系、網(wǎng)絡(luò)化配置實現(xiàn)整個制造流程的全面數(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)運行控制系統(tǒng)、產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)系統(tǒng)等各種信息系統(tǒng)，形成由產(chǎn)品設(shè)計、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，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 的主要功能是實現(xiàn)仿真驗證與離線編程。基于PD 和PS，可以實現(xiàn)與現(xiàn)實工廠相對應(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、工藝可達性的驗證和模擬、機器人及設(shè)備個體運動與聯(lián)動制作、機器人離線程序?qū)С?、以及機器人和PLC 信號虛擬調(diào)試聯(lián)動。在虛擬環(huán)境中實現(xiàn)生產(chǎn)線生產(chǎn)的全部過程，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)計數(shù)據(jù)，在現(xiàn)有實際制造系統(tǒng)的所映射的虛擬現(xiàn)實環(huán)境中，對產(chǎn)品生產(chǎn)過程進行計算機仿真和優(yōu)化的虛擬制造方式。通過數(shù)字化手段，為產(chǎn)品設(shè)計和工藝制造搭建起了新的橋梁。

通過生產(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)對真實工廠的制造資源和產(chǎn)品工藝進行軟件內(nèi)的空間布局，在計算機內(nèi)模擬真實的生產(chǎn)制造情況，建立真實工廠的虛擬映射（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證流程

數(shù)字化規(guī)劃流程見圖2，首先利用CAD 等平面布局軟件進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)平面布局圖進行生產(chǎn)線預(yù)搭建以及運動機構(gòu)定義，使虛擬工廠環(huán)境更加貼近真實環(huán)境；在PS 中進行產(chǎn)品工藝驗證，在驗證過程中逐步更新及優(yōu)化布局方案，最終進行機器人路徑制作、PLC 虛擬調(diào)試并輸出離線程序。

圖2 數(shù)字化工廠規(guī)劃及工藝驗證流程

數(shù)字化規(guī)劃流程的優(yōu)勢在于，利用PD 和PS 實現(xiàn)了工藝平面圖、3D 數(shù)模、焊點膠條等連接工藝信息，工藝參數(shù)等信息的資源整合，通過PD 3D 布局和PS 模擬仿真驗證，反饋工藝布局進行不斷優(yōu)化，提前模擬和測試制造過程，起到了規(guī)避問題點、提高工藝利用率、降低成本、縮短產(chǎn)品上市時間的效果。針對數(shù)字化工廠的搭建和驗證的每一個步驟分別做詳細講解。

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)計軟件CATIA 的part 數(shù)據(jù)和2D 平面設(shè)計軟件CAD 的dwg 文件為例來進行講解。

在第一次導(dǎo)入數(shù)據(jù)時需要優(yōu)先導(dǎo)出cust 文件，也稱為客戶化文件，每個主機廠的cust 文件可能有所不同。cust 文件中對每種數(shù)據(jù)類型設(shè)置有單獨的圖標和分類。

將2D 和3D 數(shù)據(jù)導(dǎo)入PD 進行布局需要通過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Cre?ate Engineering Libraries 命令將cojt 文件導(dǎo)入PD 中進行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)樹的標準結(jié)構(gòu)。以國內(nèi)某大型主機廠的層級結(jié)構(gòu)為例（圖4），將每種數(shù)據(jù)放置在對應(yīng)的層級和后臺中，數(shù)據(jù)整合清晰明了。

圖4 國內(nèi)某主機廠的PD標準層級結(jié)構(gòu)

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

圖5 數(shù)字化工廠和真實工廠的對比

3.2 運動機構(gòu)的定義

在PS 軟件中，為了使數(shù)字化工廠盡可能和真實工廠保持一致，需要對工裝，焊鉗進行運動機構(gòu)進行定義，以保證和現(xiàn)場實際運動狀態(tài)吻合。

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

3.3 工藝驗證分析

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)。

為了實現(xiàn)數(shù)字化工廠的工藝驗證和生產(chǎn)制造過程模擬，在進行生產(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)用以支撐驗證。

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

圖8 運用Automatic Part Assignment關(guān)聯(lián)零件與焊點

對應(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)的機器人以及工具坐標（圖9）。在設(shè)置好后，即可在路徑中進行工裝干涉性，焊點焊接，機器人抓放件等過程的模擬。

圖9 設(shè)置路徑相關(guān)聯(lián)的機器人和工具坐標

在驗證過程中需要注意以下4 點內(nèi)容。

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

b.機器人在驗證干涉性時，機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)時零件變形造成的干涉。

c.機器人的動作路徑應(yīng)盡量避免和其他機器人的動作過程中有重疊部分，也就是所謂的避免“干涉區(qū)”。如果干涉區(qū)無法回避，應(yīng)盡量通過前后工作順序錯開一起工作的時間，減少對生產(chǎn)線節(jié)拍造成影響。同時，機器人在原點時，不可以和任何其他路徑有干涉區(qū)。

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

3.4 機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)劃過程中，在完成工藝驗證以及路徑的制作后，可以在PS 中進行機器人和PLC 的虛擬調(diào)試和機器人離線程序的導(dǎo)出。

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

圖10 機器人控制器配置路徑

圖11 MOTOMAN機器人控制器中各配置文件含義

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

4 結(jié)論

a.針對于汽車焊裝線設(shè)備工裝數(shù)據(jù)量大、現(xiàn)場更改多的情況，通過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)實工廠和虛擬工廠的數(shù)據(jù)統(tǒng)一的形式，在前期進行干涉性及可達性的驗證。將產(chǎn)品問題，制造問題發(fā)現(xiàn)在前期，降低現(xiàn)場的更改量，提高工藝規(guī)劃及機械設(shè)計質(zhì)量。

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