基于PDPS的白车身焊装生产线改造设计及工艺仿真研究

摘 要：随着汽车制造业的快速发展，对车身焊装生产线的要求也越来越高。为了提高生产效率和产品质量，本文针对白车身焊装生产线进行了基于PDPS的改造设计及工艺仿真研究。通过分析现有生产线存在的问题，明确了生产线的改造方向以及目标。PDPS是一种主要应用于制造业的生产线工艺仿真软件，旨在提高生产效率、降低成本，并确保工艺的可靠性和质量。基于PDPS的白车身焊装生产线改造设计及工艺仿真研究能够有效提高生产效率和产品质量，降低生产成本，具有良好的应用前景。

关键词：PDPS 白车身焊装生产线 改造设计 工艺仿真 生产效率

1 绪论

随着汽车制造业的快速发展，对车身焊装生产线的要求也越来越高。传统的白车身焊装生产线存在许多问题，如生产效率低下、产品质量不稳定、生产成本高等。为了提高生产效率和产品质量，降低生产成本，本文针对白车身焊装生产线进行了基于PDPS（Process Design and Process Simulate）的改造设计及工艺仿真研究[1]。

目前，汽车制造业正朝着自动化、信息化、智能化的方向发展。许多研究机构和企业都在积极探索和应用新技术、新方法来提高生产效率和产品质量。例如，国内外的一些企业已经开始采用机器人焊接技术、自动化物流系统等来改造生产线[2-4]。国内的一些企业也开始关注PDPS在生产线改造中的应用，并取得了一定的成果。然而，现有的研究成果主要集中在自动化设备和信息管理系统的研究上，对基于PDPS的白车身焊装生产线改造设计及工艺仿真研究还比较少。本研究将基于PDPS，对白车身焊装生产线进行模块化设计、工艺优化和生产过程的信息化管理。利用3D设计软件Catia对生产线进行三维建模，运用PDPS进行工艺仿真[5]。通过仿真分析，验证了改造方案的可行性，并优化了生产线布局和工艺流程[6-8]。

PDPS主要包括Process Design 和Process Simulate两个模块。其中Process Design 是工艺设计模块，主要用于创建、优化和管理制造流程。Process Simulate是工艺仿真模块，专注于模拟和优化制造过程，同时对生产线进行工艺优化，提高生产效率和产品质量。本研究的目的是通过基于PDPS的白车身焊装生产线改造设计及工艺仿真研究，提高生产效率和产品质量，降低生产成本，为汽车制造业的发展提供有力支持。同时，本研究也将为其他类似生产线的改造提供参考和借鉴。

2 创建焊装生产线仿真环境

2.1 PDPS软件仿真流程

打开PDPS软件，新建一个项目，并填写项目的名称、描述及其他必要信息。在使用PDPS软件进行机器人生产线工艺规划时，通常采用基于时间序列的仿真模式，而对于那些需要考虑信号逻辑关系的仿真项目，则采用基于事件驱动的仿真模式。本文通过运用PDPS软件对机器人在实际环境下的作业情况进行模拟，以识别和解决产品设计与制造过程中可能遇到的问题。具体来说，图1展示了白车身焊装生产线的仿真流程。

2.2 创建焊装生产线仿真数据

2.2.1 工位数据导入

PDPS软件是一个用于工艺设计和仿真的工具，广泛应用于制造业生产线正式投产前的产线工艺布局设计及仿真。在白车身焊装生产线仿真过程中，建模和数据导入是两个重要的环节，它们直接影响到仿真的准确性和有效性。数据导入是将实际生产线的数据导入PDPS软件，用于仿真模型的验证和优化。数据导入主要包括：收集数据、格式转换、导入数据等三个方面。首先将收集实际生产线的运行数据，包括设备参数、生产节拍、焊接工艺等。然后将收集到的数据转换为PDPS软件支持的格式，如Excel、CSV等。最后将转换后的数据导入PDPS软件，与仿真模型进行关联。建模和数据导入时需要确保输入的数据准确无误，以保证仿真结果的准确性。在导入数据后，对仿真模型进行验证，确保模型的准确性。根据仿真结果，对模型参数进行调整，以优化仿真结果。

白车身焊装生产线包括多个工位，每个工位有焊装机器人和输送带。在PDPS软件中，首先构建仿真模型，包括工位数量、设备参数、物料流等。然后，收集实际生产线的运行数据，如设备参数、生产节拍、焊接工艺等，并将其转换为PDPS软件支持的格式。最后，将转换后的数据导入PDPS软件，与仿真模型进行关联，并进行仿真验证和优化。

2.2.2 焊点数据导入

将焊点数据导入PDPS软件之前，需要收集实际的焊点数据。这些数据包括焊点的位置、焊缝长度、焊接时间、焊接电流、电压等参数。这些数据可以通过焊接记录仪、生产管理系统或其他数据采集工具获得。收集到的焊点数据通常需要转换为PDPS软件支持的数据格式，如CSV或Excel文件。在转换过程中，需要确保数据的准确性和一致性，以便在PDPS软件中进行正确的导入和处理。将转换后的数据文件导入PDPS软件，通常需要按照软件的指引进行操作。在导入过程中，需要确保焊点数据与仿真模型中的焊点位置相对应，以便进行准确的仿真和分析。导入焊点数据后，需要将数据与仿真模型中的焊点位置进行关联。这可以通过标记焊点、设定焊接参数等方式实现。然后，进行仿真验证，确保焊点数据的导入和处理正确无误。

2.2.3 夹具机构定义

夹具机构定义是模拟生产线中用于固定和定位车身部件的关键组件。夹具机构在焊接过程中起着至关重要的作用，它能够有效保证白车身焊接质量的可靠性和稳定性。白车身焊装生产线上，有多个焊点需要进行仿真。首先，根据实际生产线布局，在PDPS软件中确定夹具的位置。然后，根据夹具的实际类型，选择PDPS软件中的相应夹具模型。接下来，利用“Kinematics Editor”命令，设置夹具的夹持力、夹持行程、夹持角度等参数，并在仿真模型中定义夹具的夹持和释放动作，如图2所示。

2.2.4 机器人焊接路径设置

机器人焊接路径设置是一个重要的环节，它涉及到模拟实际生产线中机器人焊接过程的路径规划。同时，为了确保生产安全，机器人碰撞干涉检查也是必不可少的。在软件中设定碰撞检查的条件，包括检查范围、检查频率等。在仿真过程中，软件会自动检查机器人焊接路径是否与生产线上的其他设备、工件等发生碰撞。仿真结束后，软件会显示碰撞检查的结果，包括碰撞的位置、类型等。根据碰撞检查结果，对焊接路径和参数进行调整，以避免碰撞，如图3所示为发生碰撞干涉情况。

白车身焊装生产线上有多个焊点需要进行机器人焊接。首先，根据实际生产线中的机器人型号，在软件中选择相应的机器人模型导入PDPS。然后，根据焊接工艺要求，在软件中利用Add Current Location 命令，在路径编辑器中规划机器人的焊接路径，并设定焊接参数。之后进行碰撞干涉检查，确保焊接路径与生产线上的其他设备、工件等不发生碰撞。最后，根据仿真结果和实际生产需求，对焊接路径和参数进行调整，以优化焊接效果和生产节拍，如图4所示为机器人碰撞干涉检查调整后的情况。

2.3 创建焊装生产线工艺流程

白车身底板零件焊装工艺布局主要由八个工位组成，如图5所示。 AFO1750工位包含1个零件中转台，零件中转台上摆放5Q0_803_531_F和5Q0_803_133_C两个底板分总成零件。AFO1755工位包含1台搬运机械手，机械手抓取AFO1750零件上件台上的5Q0_803_531_F和5Q0_803_133_C 两个零件并该两个零件放置在AFO1770定位焊装夹具上。AFO1657工位包含1台积放链，积放链上摆放5Q0_803_502_CM和5Q0_803_501_CM两个底板分总成零件。AFO1760工位包含1台搬运机械手，1台七轴和1台固定涂胶机。机械手安装在七轴上，机械手在七轴上移动至AFO1657积放链下方并抓取积放链上的5Q0_803_502_CM和5Q0_803_501_CM两个底板分总成零件，然后搬运至AFO1765涂胶位，对该两个零件进行涂胶.最后将零件放置在AFO1770定位焊装夹具上。

AFO1770工位包含1个定位焊装夹具和2台焊接机械手。2台机械手对摆放在AFO1770定位焊夹具上的底板分总成零件5Q0_803_531_F、5Q0_803_133_C、5Q0_803_502_CM和5Q0_803_501_CM进行焊接形成底板总成零件5Q0_803_407_CM。AFO1775工位包含1台搬运机械手、1台固定焊枪和1个零件中转台。机械手将底板总成零件5Q0_803_407_CM从AFO1770定位焊装夹具上搬运至固定焊接位对该零件进行焊接，焊接完成后机械手再将该零件放置在中转台上。AFO1782工位包含1台机械手、1台固定焊枪和1个零件中转台。机械手从AFO1775中装台上抓取底板总成零件5Q0_803_407_CM，搬运至固定焊接位进行焊接，焊接完成后将零件放置在中转台上。AFO1785工位包含1台机械手、1台固定焊枪和1台积放链。机械手从AFO1782中装台上抓取底板总成零件5Q0_803_407_CM，搬运至固定焊接位进行焊接，焊接完成后将零件放置在积放链上。图6所示为岛型工位3D布局。

3 焊装生产线仿真研究内容

本研究旨在利用PDPS（Process Design and Process Simulate）软件对白车身焊装生产线进行仿真研究，以提高生产效率、降低成本、优化工艺流程和确保生产安全。具体研究内容包括以下几个方面：

（1）生产线建模：建立精确的生产线仿真模型，包括焊装机器人、输送带、工位等关键设备。

（2）工艺流程仿真：导入实际的焊点信息，包括焊点位置，焊接压力，焊接时间，焊接电流等参数，确保软件仿真数据信息与实际焊接工艺指导书中各项参数要求一致，从而保证仿真结果的有效性和可信度。

（3）夹具机构定义：根据实际生产线中的夹具类型，在PDPS软件中定义夹具模型。设定夹具的夹紧力、夹紧时间、夹紧位置等参数，以模拟夹具的实际功能。

（4）机器人焊接路径设置：根据焊接工艺要求，在PDPS软件中规划机器人的焊接轨迹。

（5）碰撞干涉检查：在仿真过程中，针对机器人焊接路径与生产线上的其他设备、工件等进行碰撞干涉检查。根据碰撞检查结果，对焊接路径进行调整以避免碰撞。

（6）仿真结果分析：运行仿真动画，观察焊接过程的模拟效果，确保整个焊接工艺满足生产节拍要求。

4 PDPS的仿真优势

4.1 提高生产效率

PDPS软件能够模拟实际生产线的运行情况，帮助企业发现生产流程中的瓶颈和优化点，从而提高生产线的整体效率[9]。通过仿真模拟，可以对生产线进行预先设计和优化，确保实际生产过程中能够高效、顺畅地运行。PDPS软件可以预测设备故障和维护需求，提前安排维护计划，减少实际生产中的停机时间。通过仿真模拟，企业可以提前发现潜在问题，并采取措施进行预防，从而降低因设备故障导致的停机时间。

4.2 降低生产成本

PDPS软件可以帮助企业合理分配资源，如设备、人员、物料等，减少等待时间和资源浪费。通过仿真分析，企业可以更加精准地评估资源需求，确保资源得到充分利用。PDPS软件可以帮助企业优化能源使用，如调整设备运行时间、优化冷却系统等，从而降低能耗成本[9]。通过仿真分析，企业可以评估不同方案的能耗情况，选择最优方案，实现节能降耗。PDPS软件可以帮助企业评估不同方案的成本效益，选择最优方案。通过仿真分析，企业可以预测生产成本，为成本控制提供依据[10]。

4.3 提高产品质量

PDPS软件可以预测和避免由于生产线设计不合理导致的质量问题，如焊接缺陷、零件错位等。通过仿真模拟，企业可以优化工艺参数，确保生产过程中产品质量的一致性。此外，仿真模拟还可以帮助企业建立更有效的质量监控体系，及时发现并解决问题[11]。PDPS软件可以帮助企业评估生产线改造过程中的风险，如设备故障、质量问题等。通过仿真模拟，企业可以提前发现潜在风险，并采取措施进行预防，降低风险发生概率。

5 结论

本研究以基于PDPS的白车身焊装生产线改造设计及工艺仿真为研究对象，完成对生产线建模、工艺流程仿真、夹具机构定义、机器人焊接路径设置、碰撞干涉检查等方面的研究。通过PDPS软件建立了精确的生产线仿真模型，能够模拟实际生产情况，为生产线的优化和升级提供支持。导入实际的焊点数据，与仿真模型中的焊点位置进行关联，确保焊接工艺的准确性。定义了夹具机构模型，并设定了夹紧参数，模拟了夹具的实际功能，有助于提高焊接质量和生产效率。规划了机器人的焊接路径，并设定了焊接参数，确保焊接工艺的合理性和有效性。进行了碰撞干涉检查，根据检查结果调整了焊接路径和参数，避免了碰撞，提高了生产安全。

本研究基于PDPS的白车身焊装生产线改造设计及工艺仿真研究取得了显著成果，为生产线的优化和升级提供了理论依据和实践支持。通过合理的设计和实施，本研究可以有效提高生产线的性能和效率，为焊装生产线的持续发展提供支持。

参考文献：

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[2]刘大顺，邵珊珊.白车身柔性总拼技术研究及在焊装生产线中的应用[J].时代汽车，2019（16）：110-112.

[3]漆俊杰.轿车白车身焊装生产线的工艺规划与布局设计[J].南方农机，2018，49（12）：53.

[4]郑联语，高浩，吴约旺.白车身焊装生产线数字化夹具设计系统开发及应用[J].汽车零部件，2015（05）：1674-1986.

[5]高恒勇.白车身焊装生产线效率提升方法研究[J].金属加工（热加工），2012（22）：57-59.

[6]张生芳，曾魁，田轩，等.采用Process Designer的白车身焊装生产线工艺规划研究[J].现代制造工程，2012（05）：1671-3133.

[7]宁艳亭，张姗姗，葛卫京.基于PDPS软件的汽车侧围内板焊装线仿真研究[J].汽车工艺与材料，2023（5）：19-24.

[8]周珍林，陈勇，李智阿，等.汽车焊装生产线虚拟调试的全面应用[J].汽车制造业，2021（001）：48-50.

[9]Design System of Body-in-white Welding Production Line Digitized Fixture and Its Application[J].Auto Engineer，2015.

[10]Qiang W J ， Run W C ， Zhe S C，et al.Application of Multi-PLC and Multilevel Field-bus in Robot Welding Line[J].Journal of Shanghai Jiaotong University，2008.

[11]Zhu B ， Wang Y T，Yu T .Automatic Processing System of Welding Spots in Auto-Body Welding Lines[J].Advanced Materials Research，2012，472-475：2993-2997.