汽车行业数字化车间技术探索

单利华，刘晓晨，王玉光

（北奔重型汽车集团有限公司，内蒙古 包头 014032）

汽车行业数字化车间技术探索

单利华，刘晓晨，王玉光

（北奔重型汽车集团有限公司，内蒙古 包头 014032）

数字化车间技术是数字制造技术的关键技术之一，在探索数字化车间内涵的基础上，分析了汽车行业数字化车间建设的现状和需求，提出了数字化车间构建思路，最后介绍了国内外数字化车间的解决方案。

汽车；数字化车间；需求；构建

CLC NO.: U468.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)10-117-03

引言

近年来网络技术和信息技术的飞速发展，数字化车间技术已成为先进制造技术在实际制造过程中的实现基础。它改变了传统的规划设计理念，将设计规划从经验和手工方式，转化为计算机辅助数字仿真与优化的精确可靠的规划设计，它在时间、质量和成本方面体现出重要的意义。

1、数字化车间的内涵

数字化车间是指以制造资源、生产操作和产品为核心，将数字化的产品设计数据，在现有实际制造系统的数字化现实环境中，对生产过程进行计算机仿真优化的虚拟制造方式。数字化车间技术是在高性能计算机及高速网络的支持下，采用计算机仿真与数字化现实技术，以群组协同工作的方式，它概括了对真实制造世界的对象和活动的建模与仿真研究的各个方面。从产品概念的形成、设计到制造全过程的三维可视及交互的环境，在计算机上实现产品制造的本质过程，通过计算机数字化模型来模拟和预测产品功能、性能及可加工性等各方面可能存在的问题。

图1 数字化车间TOP-DOWN 结构

在数字化车间的设计和规划阶段各种类型的人员所关心的层次有所不同，所以将数字化车间的模拟仿真力度进行层次的划分，使不同人员在不同阶段得到不同的仿真模拟力度。经过分析，把数字化车间软件分为四个层次，如图1所示。

这四层的仿真力度逐渐细化，详细到设备的一个具体的动作。可以说通过这四层的仿真模拟，达到对制造系统的设计规划优化、系统的性能分析和能力平衡以及工艺过程的优化和校验。

2、国内汽车行业数字化制造的需求分析

汽车的制造工艺按照类型划分为冲压、白车身焊接、喷涂、总装、动力总成(发动机)以及其它零配件的制造/装配。其中，白车身焊接、总装和动力总成工艺是最复杂的三种类型，下面对这三种工艺的特点及数字化制造需求进行分析。

2.1 白车身工艺的特点及数字化制造需求

白车身制造的基本过程就是采用机器人(或者手动加机械手辅助)的手段，传输、抓取、夹持离散的钣金和冲压件并将其焊接成复杂的白车身结构。重卡行业的白车身焊装过程目前还没有完全实现机器人自动焊接，多数以机器人和手动焊接配合完成白车身焊装。许多工艺信息都和零部件的三维几何特性密切相关，这给车身焊装工艺参数选择、工艺流程规划、车身焊装的质量控制甚至车身设计都带来很多挑战。如何管理好数以千计的焊点，保证无漏焊、重焊，是白车身工艺规划的难点。

在白车身焊装线领域，国内绝大多数整车厂还处在一个较低的技术水平上，无论是项目招标还是具体项目实施，相关数据多数还停留在AutoCAD图纸状态，焊装工艺工程师最为主要的工作内容就是Excel填表和截图，工程师难有时间去考虑制造工艺本身的问题，如节拍平衡、生产线布置以及工位仿真等。目前，白车身制造过程中存在的问题包括：工艺设计数据和手段依然停留在二维年代；缺乏有效管理焊点信息的手段，缺乏统一的数据管理平台，缺乏精确的焊接过程分析手段，缺乏更为直观、精确的工厂布局和仿真手段，缺乏精确的物流过程分析手段，缺乏更有竞争力的招标投标技术手段。这些问题是汽车制造商在白车身工艺和制造过程中积极采用数字化制造技术的主要原因。一般来说，一套支持白车身工艺的数字化制造解决方案应具备从“概念规划－粗规划－详细规划－生产运行管理”的完整解决方案。

2.2 总装工艺的特点及数字化制造需求

商用车方面，整个装配过程从底盘车架开始，按照装配工艺将所有零件部件进行装配，最终形成底盘车。在过去的十几年中，随着汽车产品型号的急剧增加，产品配置越来越复杂，总装的混流生产变得非常普遍，总装生产线成为汽车制造商在规划设计过程中最费时间的部分。

目前，国内大多数重卡行业，汽车装配工艺一般由工艺规划人员先进行经验性、类比性的手工设计，然后根据样车装配试验情况和生产现场实际情况进行适当调整后完成。这种做法工作量巨大，耗时长，工艺规划的质量无法保证，在装配任务规划、生产线平衡等方面难以达到较理想的优化效果。因此，必须广泛使用虚拟技术，在计算机上实现装配工艺规划和验证，从而及时发现并修正问题，减少实际投产后的变更。一般来说，一套支持总装工艺的数字化制造解决方案应包含数字化预装配、数字化工艺规划、数字化工艺规划验证、生产管理和供应商协同等功能。

采用Matlab软件，判断矩阵A的最大特征值λmax为 4.051 1，最大特征值对应的特征向量 W＝［0.472 85 0.284 38 0.072 85 0.169 92］， 一致性比例值 CR＝（4.051 1－4）／3＝0.017，因为 CR＜0.10，可以判断矩阵通过一致性检验。

2.3 动力总成工艺的特点及数字化制造需求

发动机是汽车的关键部件，它的制造工艺非常的复杂。发动机制造工厂都包含缸体、缸盖、曲轴等的机械加工生产线，发动机的装配线，以及发动机检测线和设备。发动机的制造质量直接影响着汽车产品的性能水平和可靠性。随着发动机趋于轻量化、结构简单化、性能优质化，发动机制造技术和工艺发生了很大的变化，高速、高效、柔性是制造工艺当前的主要特点。为了应对这些挑战，除了采用先进的制造技术和制造设备以外，进行数字化工艺规划和仿真验证也是提高动力总成工艺水平的重要途径。

数字化工艺规划的基本需求是：（1）加工工艺规划。（2）装配工艺规划。

数字化工艺仿真的基本需求是：（1）建立发动机生产车间的仿真模型。（2）通过仿真生成发动机生产线的工艺布局优化方案并进行数据分析。（3）通过仿真生成发动机车间量产后的物流分析及物料配送计划。（4）通过仿真生成发动机车间生产、物流成本分析报告。输出生产成本，计算物流成本在生产成本中的比重，提出报告并分析原因。

3、数字化车间建设思路

数字化车间系统的规划是比较复杂的，不可能一次性完成这样的任务，可以分三个阶段实现该系统：

3.1 建立基本布局系统

让设计人员通过可视化的方法对厂房设计，生产线布局和各种物流进行规划设计。在此阶段，需要建立其软件的基本框架，和各种车间对象的仿真模型。在此要对车间内各种对生产有直接或间接关系的设备物品进行抽象分类，并建立与之对应的对象类（class）。要建立软件的人机界面，使用户能方便的管理这些对象，对车间进行由总体到局部的布局。完成后允许用户设计和布置车间内部的布局，诸如生产线的走向，各个工位的位置，配置何种设备及如何摆放，车间内各种附件位置等。

3.2 加入调度控制和仿真系统

使系统能对布置好的车间进行运行仿真，以检验各种设计布局是否合理。此阶段要设计智能控制对象和统计分析系统。智能调度对象总管车间内各种事务、按照生产计划，控制生产设备进行生产，控制生产线上的物流。可以在仿真系统中对各种生产管理调度计划进行试验，以检测避免死锁等问题。当一个具体的生产车间的布局已经完成，可以让数字化车间模拟运作，检验设计的可行性和合理性，统计分析系统记录仿真运行的各种数据、进行分析优化、对发现的设计问题进行及时的修正。由于是在电脑中仿真运行，除了设计工时外并不耗费任何成本，可以进行多种设计的试验比较，以找到最优的布局设计和调度规则。

3.3 建立与车间的日常生产全面结合的接口

进行可视化的监控和管理。在此阶段，要设计数字化车间系统与物理系统的互连接口，通过LAN、现场总线等其他技术把数字化车间的指令送到真实的设备上，控制设备进行生产。同时物理系统的信息也通过接口反馈给数字化车间，让数字化车间同步表现真实车间的生产状态。监控人员可以以数字化车间为接口监控工厂生产，通过可视化方式监控生产过程甚至车间内所有发生的事件；同时把数字化系统作为控制中断，对生产进行计划外的干预，以应对特殊的情况。

4、数字化车间解决方案

一套针对汽车行业的数字化制造解决方案必须体现汽车制造的特点，它着眼于改进整个汽车制造流程，涵盖从动力系统到车身、涂装到最终装配及车间平面布置、一直到供应商与系统管理的所有功能。下面对UGS公司公司的数字化制造解决方案作一个简单的介绍。

UGS公司是PLM 领域的全球领先者，它提供的Tecno matix平台是一套完整的数字化制造解决方案，其构建基础是开放式的PLM，即Teamcenter主构架，它由零部件制造、装配规划、资源管理、工厂设计与优化、人力绩效、产品质量规划与分析、生产管理等核心模块构成。针对汽车行业的Tecnomatix解决方案的结构如图2所示。

图2 UGS公司的Tecnomatix数字化制造解决方案(汽车行业)

三维化的工厂设计和布局优化——合理的车间布局是保持长期盈利能力、生产流程耐久性和柔性以及可维护性的基础，在三维环境下通过对象模块的方式进行工厂设计不但形象直观，更能够充分描述和利用信息，对存储需求和物流设备进行评估，从而优化设施布局，以获得更高的生产线和物流绩效。

汽车全套工艺的规划设计。决方案包含了针对汽车全套工艺的辅助规划设计功能：白车身、总装、发动机、冲压、涂装以及零部件供应商的工艺规划。

（1）白车身工艺解决方案。解决白车身焊接工艺规划和焊装生产线的规划问题。

（2）总装工艺解决方案。主要解决总装生产线的工艺规划、多车型混线生产中的制造管理、总装物流优化和按定单排产等制造工艺问题，完成人员模拟、生产线平衡和时间流程的规划。

（3）机加工工艺解决方案。主要解决发动机机加工生产线的工艺规划、加工策略优选、刀具和工装卡具优选、NC仿真和生产线平衡等问题。

（4）其它工艺模块。冲压工艺模块解决冲压生产线的运动机构分析和干涉检查问题；喷漆模块作为喷涂工艺设计工具，它处理整个喷涂工艺过程，从机器人运动路径的设计、覆盖参数和厚度的确定、直到仿真并把优化的程序下到生产线。

5、结束语

数字化车间主要解决产品设计和产品制造之间的“鸿沟”，实现产品生命周期中的制造、装配、质量控制和检测等各个阶段的功能，主要解决工厂、车间和生产线以及产品的设计到制造实现的转化过程，使设计到生产制造之间的不确定性降低，在数字空间中将生产制造过程压缩和提前，使生产制造过程在数字空间中得以检验，从而提高系统的成功率和可靠性，缩短从设计到生产的转化时间。

[1] 张浩，樊留群，马玉敏编著.数字化工厂技术与应用. 北京：机械工业出版社，2006（4）.

[2] 李世杰，张艳蕊著.数字化车间构建策略.天津：河北工业大学.2009（9）.

[3] 韩英淳著.汽车制造工艺学.人民交通出版社.2005.12.

Auto industry digital workshop technology exploration

Shan Lihua, Liu Xiaochen, Wang Yuguang
( North toward national heavy duty truck group co., LTD., Inner Mongolia Baotou 014032 )

Digital workshop technology, as a key technology of digital manufacturing technology. Based on the exploration of connotation of digital workshop, this paper analyzes the recent situations and needs of constructing digital workshops in motor industries and proposes some ideas about such construction, some domestic and international ideas relating to the digital workshop are also presented at the end of this paper.

Automobile; digital manufacturing workshop; demand; construction

U468.1

A

1671-7988 (2017)10-117-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.10.039

单利华，就职于北奔重型汽车集团有限公司。主要从事汽车标准化管理等方面工作。