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進(jìn)入21世紀(jì)，國內(nèi)的汽車制造行業(yè)發(fā)展迅猛，規(guī)模不斷擴(kuò)大，市場競爭日趨激烈，諸多因素威脅著汽車主機(jī)廠的生存環(huán)境。因而汽車企業(yè)根據(jù)市場需求做出快速反應(yīng)和決策，推出新的產(chǎn)品，有效縮短產(chǎn)品的生產(chǎn)準(zhǔn)備周期是提高企業(yè)競爭力的必要手段。隨著新車型的不斷引入以及增效降本、自主規(guī)劃等要求的提出，低成本、高質(zhì)量、短時(shí)間成為各大廠家追逐的目標(biāo)。因此規(guī)劃與工藝部門必須要有一個(gè)創(chuàng)新的解決方案來解決工藝設(shè)計(jì)、工藝規(guī)劃、工藝仿真、工藝驗(yàn)證及與供應(yīng)商協(xié)作等核心問題。在此背景下, 許多汽車公司通過借鑒國內(nèi)其它汽車廠家在此方面的成功經(jīng)驗(yàn)引入了“數(shù)字化工廠”制造規(guī)劃系統(tǒng)[1,2,3]。
數(shù)字化工廠主要是將整個(gè)生產(chǎn)的信息總結(jié)為三類對象：產(chǎn)品、工藝及資源。產(chǎn)品主要是指汽車的零件信息, 包含車身零件、裝配件及標(biāo)準(zhǔn)件。工藝是指如何將產(chǎn)品設(shè)計(jì)具體實(shí)現(xiàn)的方法，以及零件安裝后的質(zhì)量特性，一般汽車廠都會(huì)以工藝卡的形式體現(xiàn)整個(gè)裝配的工藝。資源是指為生產(chǎn)提供的工裝設(shè)備以及人員，具體包含焊鉗、機(jī)器人、工位器具、工裝夾具以及操作者等。數(shù)字化工廠技術(shù)實(shí)際上就是將產(chǎn)品、工藝及資源有機(jī)的結(jié)合起來, 在三維環(huán)境下，可以直觀地觀察到每個(gè)工位包含的全部信息。這樣可以使工藝規(guī)劃人員很容易地發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中存在的問題并能及時(shí)地反饋到設(shè)計(jì)部門, 將制造成本降低到最小?！ ?
簡單來講，以產(chǎn)品全生命周期的相關(guān)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，根據(jù)虛擬制造的原理，在計(jì)算機(jī)虛擬環(huán)境中，對整個(gè)生產(chǎn)過程進(jìn)行仿真、評(píng)估和優(yōu)化，進(jìn)一步可以擴(kuò)展到整個(gè)產(chǎn)品生命周期的新型生產(chǎn)組織方式。本文針對焊裝領(lǐng)域數(shù)字化工廠軟件的應(yīng)用情況進(jìn)行相關(guān)的研究。
1 數(shù)字化工廠軟件建立的目的及用途（技術(shù)原理）
數(shù)字化工廠軟件主要應(yīng)用在產(chǎn)品開發(fā)和過程開發(fā)的前期，一旦設(shè)備、工裝投入制造，再次更改周期，成本將大大增加，因而在制造前對產(chǎn)品設(shè)計(jì)和過程設(shè)計(jì)的合理性進(jìn)行分析就顯得尤為重要。數(shù)字化工廠軟件建立的技術(shù)原理也主要是針對產(chǎn)品設(shè)計(jì)和過程設(shè)計(jì)，主要包括以下幾個(gè)方面：
1.1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及工藝性分析：研究產(chǎn)品搭接關(guān)系，分析復(fù)雜結(jié)構(gòu)，判斷其可制造性并對不合理的部位制定對策, 也就是產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段的工藝評(píng)審。通過這樣的同步工程開發(fā)，降低了過程設(shè)計(jì)階段進(jìn)行產(chǎn)品更改或者進(jìn)行非常復(fù)雜的設(shè)備、工裝制造的風(fēng)險(xiǎn)，從而減少了過程設(shè)計(jì)的周期和資金投入。
1.2 資源配置：在三維場景下觀察零件在相應(yīng)工位的裝配情況，進(jìn)行各工位的資源配置。如焊槍、夾具、鋼結(jié)構(gòu)等。
1.3 資源優(yōu)化：根據(jù)定義的工藝參數(shù)選擇合適的焊槍，并且在正確選擇了焊槍、變壓器、焊接控制器、機(jī)器人、夾具等資源的基礎(chǔ)上進(jìn)行資源優(yōu)化。
1.4 焊點(diǎn)分配：沿著各工位分布焊點(diǎn), 并確認(rèn)所有的焊點(diǎn)都得到了處理，沒有焊點(diǎn)被遺漏。同時(shí)可看到焊點(diǎn)的顯示情況。
1.5 簡化過程文件的編制：可自動(dòng)生成工序卡、工具明細(xì)表、設(shè)備明細(xì)表、焊接參數(shù)等。
1.6 物流布局：進(jìn)行3D空間布局，使整個(gè)車間及生產(chǎn)線的物資、物流清晰直觀。
2 數(shù)字化工廠軟件的組成及數(shù)據(jù)庫建立
2.1 數(shù)字化工廠軟件的組成 對焊裝數(shù)字化工廠軟件進(jìn)行歸納和分類，可以分為四大模塊：工藝規(guī)劃模塊（Process Designer）、工藝仿真模塊（Process Simulate）、仿真及離線編程模塊（Rob CAD）和物流仿真模塊（Plant）。
2.2 數(shù)據(jù)庫的建立 針對四大模塊所需的資源和資料進(jìn)行數(shù)據(jù)庫建立?！ ?數(shù)據(jù)庫建立包括創(chuàng)建資源庫、建立產(chǎn)品庫及操作庫。數(shù)據(jù)庫是最本質(zhì)的東西，只有建立了一個(gè)龐大完善的數(shù)據(jù)庫，將產(chǎn)品、工藝和資源有效的聯(lián)系起來，才能在三維環(huán)境下進(jìn)行三維布局、工藝仿真及物流仿真等工作?！ ?資源庫的建立是耗時(shí)最長的工作, 由于所有的工作都是在三維環(huán)境下進(jìn)行，所以所有的物資都要建立數(shù)字化工廠軟件識(shí)別的3D模型（*co，*cojt, *ce），如圖1所示，
生產(chǎn)線內(nèi)的機(jī)器人、夾具、臺(tái)車、焊鉗、底座等都需要建模。數(shù)字化工廠軟件支持多人協(xié)同作業(yè)，可以大大節(jié)約建模時(shí)間。在改造原有生產(chǎn)線時(shí)，可以從原有的生產(chǎn)線調(diào)用資源，方便進(jìn)行工裝設(shè)備選型，而且三維再現(xiàn)的可視化布局更直觀，方案的優(yōu)劣一目了然，驗(yàn)證的效果更接近真實(shí)。國內(nèi)某知名汽車公司的焊裝車間就是利用該技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)能提升工藝方案規(guī)劃?！ ?br /> 產(chǎn)品庫的建立需要有產(chǎn)品部門bom 表及3D產(chǎn)品的數(shù)模輸入，并且產(chǎn)品的3D數(shù)模要與bom表中的零件號(hào)及零件層級(jí)是一一對應(yīng)的，3D數(shù)據(jù)為CATIA 格式的需要將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字化工廠軟件識(shí)別的co格式文件并轉(zhuǎn)化到數(shù)字化工廠軟件環(huán)境下?！ ?br /> 操作庫的建立實(shí)際上就是在產(chǎn)品和資源都具備的情況下，具體的工藝實(shí)施過程。以工藝為中心，整合產(chǎn)品及資源。操作庫主要是建立好相應(yīng)的工位，每個(gè)工位需要進(jìn)行哪些工藝操作及裝配、搬運(yùn)等內(nèi)容。在操作庫的建立過程中，需要輔助進(jìn)行工時(shí)分析、設(shè)備選型、工藝仿真及物流仿真等相關(guān)的工作。
3 數(shù)字化工廠軟件在工藝驗(yàn)證和工藝流程分析中的應(yīng)用方法 ]
3.1 工藝驗(yàn)證 利用數(shù)字化工廠軟件可以對焊槍的選擇、分配過的焊點(diǎn)、機(jī)器人焊接操作、手工焊接操作等進(jìn)行工藝驗(yàn)證。在對所有進(jìn)行的工藝驗(yàn)證種類中，對零件的焊接可達(dá)性進(jìn)行仿真驗(yàn)證是最常見的。方法是給出零件和焊點(diǎn)的數(shù)量及位置，然后根據(jù)焊接路徑進(jìn)行仿真。在仿真過程中使用干涉檢查的方法檢查布局是否合理，焊鉗是否能達(dá)到所有的焊點(diǎn)位置，機(jī)器人的姿態(tài)是否舒服，最后會(huì)給出檢測的報(bào)告，具體過程如圖2和圖3示。
工藝驗(yàn)證一般是按照工序卡要求進(jìn)行，經(jīng)過對軟件進(jìn)行二次開發(fā)定制, 可以在工藝規(guī)劃及設(shè)計(jì)后能自動(dòng)輸出工序卡、設(shè)備明細(xì)表及工裝明細(xì)表等文件。在軟件的使用過程中進(jìn)行定制開發(fā)很有必要也很方便使用。根據(jù)以往項(xiàng)目積累的經(jīng)驗(yàn)，數(shù)字化工廠自動(dòng)線仿真過程中要注意以下幾點(diǎn)：
3.1.1 選擇機(jī)器人焊鉗時(shí)，盡可能體積小，要將線纜到達(dá)范圍及活動(dòng)范圍考慮進(jìn)去，以免現(xiàn)場調(diào)試時(shí)線纜干涉。機(jī)器人焊鉗設(shè)計(jì)時(shí)，盡可能重量輕，降低機(jī)器人負(fù)載，從而提高機(jī)器人運(yùn)動(dòng)速度。
3.1.2 同一把焊鉗所焊的焊點(diǎn)分配盡量分布在同一區(qū)域。
3.1.3 盡量不用帶外部行走軸的機(jī)器人。
3.1.4 點(diǎn)焊鉗電極修磨機(jī)布置時(shí)，要避免機(jī)器人作業(yè)范圍與生產(chǎn)線的車身、相鄰機(jī)器人修磨、相鄰機(jī)器人點(diǎn)焊時(shí)干涉，減少等待。
3.1.5 機(jī)器人一般對稱布置在生產(chǎn)線兩側(cè)，同一工位，地面上布置的點(diǎn)焊機(jī)器人數(shù)量盡量不超過6臺(tái)。
3.2 數(shù)字化工廠軟件的工藝流程分析 數(shù)字化工廠軟件具有自動(dòng)線平衡的功能，利用Gannt Viewer工具分析生產(chǎn)線各工作區(qū)域和工位的操作時(shí)間，根據(jù)之前對安裝零件的分析，利用pert 圖搭接裝配先后關(guān)系，根據(jù)這種搭接關(guān)系，將所有的操作平均分配到生產(chǎn)線，對于一些不涉及裝配順序的零件, 用來平衡時(shí)間關(guān)系，系統(tǒng)計(jì)算完成后, 觀察每個(gè)工位的裝配工作，再將操作分配到人或者機(jī)器人。
4 數(shù)字化工廠軟件在焊裝線的具體應(yīng)用實(shí)例
數(shù)字化工廠在某車型的應(yīng)用情況：
4.1 多車型側(cè)圍加強(qiáng)板共線生產(chǎn)改造方案論證，如圖4和表1所示。
4.2 新車型在主焊線通過性驗(yàn)證，如圖5和表2所示。
5 工作中使用數(shù)字化工廠軟件的優(yōu)點(diǎn)
5.1 可以在數(shù)字化信息平臺(tái)上將日本馬自達(dá)的工藝方案進(jìn)行修改編輯，生成適應(yīng)中國情況的工藝方案。
5.2 為公司今后車身工藝規(guī)劃管理和提高工藝規(guī)劃的效率和質(zhì)量打下一定的基礎(chǔ)。
5.3 建立了一個(gè)白車身工藝規(guī)劃的協(xié)同工作環(huán)境，實(shí)現(xiàn)工藝規(guī)劃人員之間的數(shù)據(jù)共享和并行工作。
5.4 建立了資源庫和工藝操作庫，為后續(xù)項(xiàng)目的開展提供了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫框架。
5.5 不斷豐富的資源庫，在今后的工作中，可以方便快捷的達(dá)到資源重組以及重復(fù)利用等。
5.6 新車型混產(chǎn)時(shí)，快速準(zhǔn)確的通過性驗(yàn)證以及新的資源需求。
5.7 檢驗(yàn)新車型的工藝方案通過性，提高工藝規(guī)劃效率、質(zhì)量。
5.8 提高本地化制造的技術(shù)可靠性和質(zhì)量。
5.9 有效降低后期工藝更改及產(chǎn)品更改帶來的成本。
5.10 論證并確定了生產(chǎn)線的改造方案，如主拼夾具改造，大量節(jié)約了改造費(fèi)用及停產(chǎn)改造時(shí)間。
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