虚拟制造技术在白车身组装中的应用

孙启蒙

（天津福臻工业装备有限公司）

汽车作为现代生活中不可或缺的交通运输工具，自诞生以来经历了数次的更新换代。汽车白车身的生产由完全人工到现在的自动化率达到90%以上，其发展与每个时代科学技术的发展息息相关。随着计算机领域的飞速发展，“虚拟制造”的概念应运而生，虚拟制造即将实际的生产过程在计算机上实现虚拟化的模拟生产，以达到解决现实中难以处理的复杂问题、降低投资风险及缩短试验周期的目的。作为代表智能化和现代化的白车身生产线，虚拟制造技术在其中发挥着重要作用。结合实际项目经验以及对理论文献的研读，文章总结了白车身生产中常用的虚拟制造技术，并指出了它们各自的优缺点以及应用范围，为更加深入地了解和研究虚拟制造技术提供了依据。

1 物流仿真技术在白车身组装中的应用

物流仿真的意义在于：1）可用于新工厂前期的布局与规划。例如要提高产量，现有的设备和人员能否应对；要扩建工厂，该如何去布局等问题。2）解决新产品并入老生产线的问题。如是否可以与原有产品混流生产，产量能否满足。3）实现生产线的评价和效率提高。如得到瓶颈工位，评价流程是否流畅、设备和空间利用率是否充分等。4）实现日常生产的仿真。通过仿真可以得知当天的生产计划是否可以完成，当天生产计划怎样进行排产等情况。

在国外汽车工业中，物流仿真已经被广泛地采用。上世纪80—90年代，美国福特公司及日本尼桑公司将Witness物流仿真软件用于白车身生产线的前期规划工作中，实现了提前测试工艺设计优劣性的目的，在实际生产中取得了不错的成绩[1-2]。国内物流仿真的研究和应用起步较晚，但随着合资汽车厂的逐渐增多，国内的主机厂也越来越注意物流仿真的应用，对此学者们也进行了很多的研究工作，推动了物流仿真的理论发展。

文献[3]利用Plant Simulation物流仿真软件，研究了某汽车白车身组装线的工艺流程，根据实际情况建立了系统仿真模型，根据仿真结果优化了设备利用率。文献[4]以Plant Simulation为仿真平台，以国内某汽车制造企业白车身焊装线为研究对象，对焊装线进行仿真建模，对焊接工位进行优化重组，从而提高了焊装线的生产效率。文献[5]利用Em-Plant生产物流仿真软件建立了某汽车变速箱混流生产线仿真模型，并对不同的投产序列进行了仿真验证。文献[6]用线性加权法研究了多目标优化问题，有效地保证了生产负荷平衡和物流平顺化的目标要求，同时还减少了装配过程中不同品种的切换频次。文献[7]研究了混合遗传与禁忌搜索算法，解决了混流排序的问题。

目前，关于物流仿真的研究大多停留在理论阶段，而实际生产中由于受工况的复杂程度影响，物流仿真的应用受到了很大的限制。国内主机厂主要采用物流仿真手段实现对生产线的验证工作，而实际的规划和布局大多还是依赖于人工经验。

2 机器人仿真技术在白车身组装中的应用

机器人仿真技术不仅可以通过对目标进行三维建模，实现整个车间的数字化，以便能提前直观地看到整个工厂的布局，而且通过计算机模拟现场的实际操作过程，对提前发现并消除干涉问题、减少焊枪种类、减少备件及降低投资风险起着极其重要的作用。因此，机器人仿真也成为设备进场前主机厂控制设计质量的重要一环。

目前，常用的机器人仿真软件有DELMIA，Robcad，PDPS（process design&process simulation）等。近些年国内主机厂主推使用PDPS进行仿真，因为PDPS不仅具有强大的机器人仿真功能，而且具有强大的工艺规划功能，操作也更为人性化。PDPS软件解决实际问题的基本思路是：1）首先，建立仿真环境、导入夹具、机器人及周边设备等模型，并按照平面图进行布置；2）然后，根据工位的工艺信息及焊点分布等初选焊枪，初步确定机器人位置，3）再优化夹具，在避免干涉的过程中对焊枪也进行优化修改，然后确定终板焊枪及机器人占位；4）后期输出最终的设备占位图供现场安装使用。这是应用软件进行一般仿真的大概过程，当然机器人仿真的作用不止于此，对于其应用，学者们也进行了大量的研究工作。

文献[8]通过蚁群算法对焊接路径进行优化，得出最优焊接路径；并在DELMIA软件中建立了侧围仿真环境，利用焊点之间的转换关系，得到机器人各轴变换关系，为研究机器人工作过程的平稳性提供了理论参考。文献[9]通过Robcad软件建立某车型的地板线模型，通过模拟添加机器冲锋位，加快了机器人焊接节拍。文献[10]利用SolidWorks软件建立机器人模型并模拟了焊接机器人的工作环境，同时以Robcad为辅助得到了离线程序。文献[11]运用Tecnomatix系列软件eM-Workplace(Robcad)模块，对机器人滚边工艺方案进行了模拟仿真，验证了方案的可行性。同时，利用Robcad生成的滚边离线程序可以在现场运行。文献[12]利用DELMIA对整条生产线进行了建模及仿真，分析了设备间的动态干涉性，优化了生产工艺布局并加快了生产节拍，还引入了人机工程概念。

相比物流仿真，机器人仿真技术在白车身组装中的应用较为成熟，在项目实际应用中起着重要的作用，是主机厂把控后期项目生产调试风险的重要一环。但是在实际应用中也存在不足之处，主要是由于现场设备的实际安装位置和仿真软件中的设备位置存在偏差，导致仿真输出的离线程序因在现场误差过大而无法应用，如何解决这一问题将成为日后技术人员关注的重点。

3 虚拟调试技术在白车身组装中的应用

虚拟调试（Virtual Commissioning）即虚拟试生产，其目的是借助虚拟调试软件平台，建立与实际情况一致的物料流、信号流及各生产要素之间的联系，可以实现对点调试，以及单工位和整个生产线的联动联调。在设计阶段提前对电控程序和机器人离线程序进行验证和优化，对于提高项目实施效率、缩短现场调试周期及节省时间与人力成本起到非常重要的作用，而且通过数字化仿真平台，可以对生产人员和维护人员进行虚拟培训，使其快速掌握生产线的运行情况和维修方法，因此，虚拟调试越来越受到各大主机厂的青睐。

虚拟调试用于白车身组装线的主要流程为：首先，接收机器人仿真的数据与相应的电控图、机器人信号表及PLC信号表等；然后，建立各种物料流和信号流，搭建虚拟调试的环境。前期的准备工作完成后可以实现对点调试、单工位调试及工位联调。调试完成可以输出更新后的仿真数据以及调试完成后的PLC程序等。

虚拟调试人员以及软件的成本较高，因此大多数的白车身项目只是在主拼线、侧围线等关键工位采用虚拟调试手段，而其他非关键工位还是主要依赖于机器人仿真技术。

4 结论

白车身组装中常用的虚拟制造技术主要有物流仿真技术、机器人模拟技术以及虚拟调试技术。物流仿真主要用于前期的规划和布局，但是国内的物流仿真起步较晚，加上实际工况的复杂性，目前只是用于验证工艺的可行性；机器人模拟技术应用最为成熟，但其离线程序的应用仍然受限。归根到底，虚拟制造技术是以实际生产为基础，在理论层面进行的模拟工作，而应用于实际的过程中必然受到现实情况复杂性的影响，如何使得虚拟化的模型更加贴近实际，是未来科研工作者以及技术人员研究的重点课题。