Tecnomatix在汽车焊装领域的应用及思考

朱 杰

(四川成焊宝玛焊接装备工程有限公司，四川 成都 610052)

随着汽车市场的竞争加剧，各大汽车厂家为争夺市场份额，纷纷加快推出差异化新车型，这使得新车的市场生命周不断缩短，产品的复杂程度越来越高，这对企业的资源整合能力提出越来越高的要求。作为制造业重要的发展趋势，信息化将是提升汽车制造业效率，增强企业竞争力的有利手段。目前国际上一些制造企业已经完成信息化改造，并在不断改进发展中，在这方面，国内的企业还处于起步阶段，但是发展迅速。在此将介绍当前汽车行业应用最为广泛的两个制造信息化系统之一的Tecnomatix（另一个是法国达索系统公司的DEMIA），并结合实施过程中遇到的问题，总结出一些实施经验，希望对今后的工作有一定参考价值。

1 Tecnomatix简介

Tecnomatix是西门子公司为满足制造业息化而推出的一款数字化工厂软件，主要用于完成从产品设计到制造之间的工作，定位低于西门子的Teamcenter。Tecnomatix的早期版本叫作eMPower，经过多次收购后并入西门子旗下，Tecnomatix这个名字源于最早开发这个MPM平台的以色列公司，西门子希望这个平台起到连通产品到制造的通路，将原来多种分散的工具整合到统一的软件包中供工艺人员使用，它提供了集成的“制造规划平台”，利用数据库和网络技术将制造规划、制造准备、制造管理的信息连续同步的呈现在所有相关人员面前，多个工程师可以同时对同一个项目不同的部分进行操作，单一的数据库确保了数据的唯一和一致性，网络化可使项目可多人协同。这两个信息化特点使得在Tecnomatix平台下的工厂规划作业避免了很多传统规划制造准备的缺点，能在进行现场动作之前在虚拟环境中对各种设想、计划的操作进行可行性验证、仿真等，将潜在的变更提前到使用实物资源之前，加速项目进程，如图1所示。

在汽车焊装领域，这一信息化系统使相关人员能够专心于自己专业的创造性工作，同时又能通过统一的平台达成同一个项目目标，尽量减少机械重复事务对效率的影响。

Tecnomatix系统使用服务器/客户端架构。服务器使用Oracle数据库，两个主要的客户端软件是Process Designer（PD）和Process Simulate（PS），都运行于windows平台；另外，物流仿真模块PlantSimulation，可单独运行也可与数据库关联。目前Tecnomatix最新的版本是10.1。

图1 Tecnomatix平台下的工厂规划作业与传统规划的比较

所有用户通过PD或PS使用帐号/口令登录，很容易控制用户操作权限，追溯内容的变更。

2 Tecnomatix在汽车焊装领域的应用

汽车白车身生产面临的主要问题是能否及时将产品设计转化成目标产能。由于涉及的设备种类、专业门类众多，多因素互为设计前提，从规划设计到施工投产需要进行多次反复。数字化工厂环境为工艺人员提供了一个试错的虚拟环境，预见可能遇到的问题并解决，Tecnomatix的大致项目流程如图2所示。

图2 Tecnomatix项目流程

工作的目标是得到符合产能要求的生产线，总体思路是施工实施前必须先在虚拟环境中对方案进行验证模拟，经反复修改确认后再施工，现场实施后再将实际的情况反馈到虚拟环境中，以便持续改进和管理。

Tecnomatix的数据分成两部分，项目的逻辑关系和信息存于Oracle数据库，与之关联的其他各种文档保存在sysroot的网络存储中供所有用户共享。工作从在PD中新建空白项目树开始，项目树用于存储和管理项目中所有对象的逻辑关系，它具有如同windows资源管理器般的层级结构，具体结构和节点类型完全由使用者根据需要定义。由于基于Oracle后台，项目树不仅是平面结构，理论上它的任意节点间都可以产生关联关系。对项目简单的描述是：（1）创建具有合理细节的虚拟环境和各种对象的信息内容；（2）使用各种工具对要求的指标进行试错/仿真/验证；（3）输出用于施工、管理的各种文档；（4）实际工程实施。各阶段的循环协调始终贯穿其间。

2.1 规划工作

规划的起点是汽车白车身CAD模型和加工特征（焊点、焊缝、涂胶信息、螺柱），目标是给定的生产纲要，在规划设计过程中工艺人员涉及到四大类对象：建立设施使用的资源、要加工的零件、决定零件如何加工的加工特征、加工零件的操作过程。规划的主要工作就是确定这四种要素的合理配置和关系，通过Oracle数据库Tecnomatix可以保存并随时向用户显示出其相关关系。操作处于四种要素的核心位置，它决定了用什么做、如何做、做什么、什么时候做，它是各种对象的交汇点，如图3所示。

图3 规划过程中四个要素的配置和关系

其中零件、加工特征、资源三种具有3D表达的对象在Tecnomatix中都使用中性的.CO或.COJT文件进行3D表达（见图4），其独立于任何CAD设计平台，主要用于虚拟现实应用，其中新版的.COJT文件相较.CO文件具有明显的文件体积优势（只有.CO的约1/10），特别适于如工厂、船坞等这种大型设施的虚拟显示。规划员在PD中的主要工作包括：根据设计意图在PD中使用资源的3D模型构建汽车焊装线的详细工程设计——建设虚拟生产设施；编写工艺操作流程，将其与之相应的资源关联；将操作要用到的零件和焊点与相应的操作关联。关联过程不一定像图3一样，由于四种要素之间的关联具有传导性，所以最终各要素都会和与之关联的其他要素取得联系，在其属性中可以看到关联的其他要素，另外工艺员可将各种格式的附件关联到与之对应的节点上，这使得工程人员在项目任何阶段都能很容易地根据当前的问题迅速找出相关信息。

图4 零件、加工特征、资源在Tecnomatix中的3D虚拟显示

总之在虚拟环境中按规划意图如同在现实中施工一样创建虚拟焊装线是规划阶段的主线。

2.2 仿真工作

规划人员建立好虚拟焊装线之后，下一步工作是看其能否正常运转。仿真人员可以把PD中感兴趣的部分（如：一个工位、一条生产线、一台机器人等）打包到一个“study”中，然后使用PS打开study，利用PS中的各种工具验证分析自己感兴趣的问题。工程人员需要考虑的因素有：干涉、工艺节拍、物流、人机工程、电气等，PS单一形象的虚拟环境为多设计目标检查提供了便利的验证仿真条件和手段（见图5），其中对焊装生产最为有用的是机器人离线编程、物流仿真和干涉检查。目前PS离线编程涵盖了三十多个品牌的工业机器人（KUKA、ABB、FANUC、PUMA、IBM 等），得到的程序可以在短时间内投入到生产中。物流仿真的Plant模块既可以脱离数据库单独建模，也可以通过PD接口利用已有规划方案生成物流模型，对焊装线的全生命周期物流进行仿真，还能评估各种意外对物流链的压力大小，目前物流模块多为汽车主机厂使用，焊装分包商由于工作范围有限做物流仿真的意义不大。干涉检查是PS最基本也是最重要的验证工具，其使用贯穿项目的始终，对于焊装设计它还可以方便地实时检查电极帽与附近物体的安全间隙。由于Tecnomatix虚拟环境中涵盖了实物工厂中几乎所有3D元素，PS干涉检查作为施工前最后一道检查，对最终施工能起到很好的质量保证。

图5 PS仿真

图6 虚拟人机工程体验

目前的大趋势是在单一的环境中对数字化工厂做尽可能全面的验证，要求虚拟样机（焊装线）具有如同实物的各种特征，仿真模拟范围除了上述常用的手段外还包括：PLC虚拟调试、虚拟人机工程体验等。目前仿真得到机器人离线程序后还需要自动化工程师现场匹配PLC程序和调试，PLC虚拟调试可以让工程师利用PS虚拟环境调试PLC程序作为现场最终下载的提前验证，这能提前发现问题，缩短现场时间。虚拟人机工程体验（也有叫沉浸式虚拟环境）利用动作捕捉技术和虚拟现实技术让用户进入到虚拟场景，能够直观体验尚未建造的设施，做出准确的适用性判断，如图6所示。

经过一系列模拟验证后，在PS中做出的修改和变更作为更新返回到PD中对所有系统用户发布。由于系统中相关人员能够随时迅速地在PD/PS环境中切换，使得“设计→验证→修改→再验证”循环，快速进化项目设计方案，达到节省时间和成本的目的。

2.3 Tecnomatix国内应用现状

目前国内已有上海大众、一汽大众、上汽通用、奇瑞汽车等比较大型的主机厂逐渐过渡到了这一数字化平台，并通过项目带动的方式逐步实现应用的深入和范围的推广。在主机厂的带动下，焊装线供应商也在主动或被动的转变工作方式。在这一过程中还是存在一些现象和问题。

对工程进行预先验证再实际实施，成功的关键之一是虚拟世界必须真实反映现实世界，同时现实中的偏差必须能够及时准确地反馈到虚拟环境中，前一个要求通过如实的模型转换和导入可以得到满足，并且根据实际需要还能做一些简化；后一个要求目前比较好的解决方法是使用3D激光扫描得到设施建成后的3D模型，然后导入到虚拟环境中进行对比和对之前模型进行修正。目前3D激光扫描技术在国内焊装车间工程中使用很少，这使得单次项目虚拟数据很难在后续工程使用，以后的项目还是免不了大量“现场时间”，这一方面造成每次建模工作的浪费，另一方面系统保存了不正确的数据给不知情的工程人员使用，会造成潜在风险。主机厂家都打算长期维护管理虚拟环境，比较看重数据的一致性，而供应商多关心单次工程前期的仿真验证对施工结果的影响。

与其他信息化系统一样，制造信息化系统投资大、见效慢，缺乏规模的企业轻易不会使用，所以目前Tecnomatix使用的企业是以汽车主机厂为主，焊装供应商为辅，在主机厂的标准下利用这一平台完成工程任务。另外，就目前国内的应用现状看，它还不能完全取代传统的焊装工程工作方式，而是作为一个重要的补充，一方面是由国内制造业IT环境决定的，另一方面由制造业人员素质决定的。其次，这一系统的实施是一个循序渐进的过程。它是对旧方法的逐步改进和取代，影响到几乎所有工程参与人员，很多实际的工作流程、标准都需要不断在现实应用中摸索、总结、验证再固化下来。系统效率的真正发挥需要人员的熟练配合、经验和知识的积累，系统的标准和运行管理才是系统实施成功的关键。

3 结论

通过信息化技术提升传统制造业效率是未来中国制造业发展的必然选择，信息化系统应用的关键是工作方式的转变，在汽车焊装线规划、设计、建造实施流程从传统模式向以信息化为依托更高效工作模式的转变过程中，除了关注软件本身的完善以外更应该关心相应人才的培养、标准的建立和项目组织协调效率的提升，这是如Tecnomatix这类信息化系统的真正价值所在。