谈数字化工厂技术在汽车装配工艺中的应用

　　随着汽车行业的迅速发展，新产品不断涌现，产品的市场寿命日益缩短， 更新换代加速，诸多因素威胁着汽车主机厂的生存环境。因而汽车企业根据市 场需求做出快速反应和决策，推出新的 产品，有效地缩短产品的生命周期是提 高企业竞争力的必要手段。

　　那么如何才能做到有效地缩短产品 的生命周期呢?本文主要针对汽车总装 工艺规划方面，说明了如何使用数字化 制造技术提高工艺规划水平、缩短新产品开发周期，新工厂布局、工艺验证及 设备选型与验证的时间。

　　在2000年之前，国内的汽车主机厂 很少独立完成整个汽车开发流程，尤其 是轿车的产品设计、生产转化等一系列 技术工作，大部分主要依靠进口国外品 牌成型车进行生产。但在近些年，随着国内自主品牌的崛起，国内制造水平的 提升，许多主机厂都已经转换为自主研 发、自主生产的公司策略，一定程度上 得到了市场的认可。但产品的开发成本 以及质量都面临着巨大的问题。原因是传统的制造模式已经不符合的先进生产 技术的要求。

　　传统的制造模式是将设计与制造 分开，设计实现的是功能的描述，而制造现实现的是设计的物化，两者之间缺 乏集成。为了完成设计的意图，往往对 生产制造要求很高或者生产无法满足设 计要求。与此同时，随着计算机和网络 技术的发展，使得基于多媒体计算机系统和通信网络的数字制造技术为现代制

　　造系统的并行作业、分布式运行、虚拟 写作、远程操作与监视等提供了可能。 基于这样的原因和条件，数字化工厂(Digital Factory，DF)技术在信息时 代的制造业中应运而生。

　　数字化工厂技术是数字制造中关 键环节之一，数字化工厂技术主要解决产品设计和产品制造之间的“鸿沟”， 从而实现工厂、车间和生产线以及产品 从设计到制造实现的转化工程，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进行压缩和提 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，缩短从设计到生产地转化时间。为 此，数字化工厂可定义为：以产品全生命周期的相关数据为基础，根据虚拟制造的原理，在计算机虚拟环境中，对整 个生产过程中进行仿真、评估和优化，进一步可以扩展到整个产品生命周期的新型生产组织方式。

　　那么究竟数字化工厂是如何运行的呢?

　　数字化工厂主要是将整个生产的 信息总结为三类对象。这三类对象分别为：产品、工艺及资源。详细地讲，产 品主要是指汽车的零件信息，其中包含 车身件、装配件及标准件。工艺是指描 述如何安装零件的方法，以及零件安装的后质量特性，一般汽车厂都会以工艺卡的形式体现整个装配的工艺。资源是指为生产提供的全部的设备以及人员，就拿一个普通的工位举例，可能包含拧 紧枪、输送设备、物料箱、工装夹具以及操作者等。那么数字化工厂技术的主 旨实际上就是将产品、工艺及资源三者 有机地结合起来，在3D技术、模拟技术 的渲染条件下，直观地观察每个工位所 包含的全部信息。这样可以使工艺规划 人员很容易地发现设计的问题所在，可 以及时地反馈到设计部门，然后再做相 应的调整，将制造成本降低到最小。

　　下面笔者就按步骤分析数字化工厂 的工作内容。数字化工厂技术在装配工 艺的运用实际上包含以下几个阶段：(1) 产品的输入及管理;(2)工艺的建立;(3) 资源的建立;(4)产品、工艺、资源的关 系搭建。

　　一、产品的输入及管理

　　在设计第一次与工艺在新产品的交流中，实际上有如下几种交付资料：一 是产品零件的明细表，我们称之为BOM(Bill of Materials)表，主要的内容是 汽车零件的清单;二是产品的3D数据， 这些数据都是以车身坐标系下体现的， 而且BOM表上的零件清单与产品的3D数据 应该是一一对应的;三是整车的产品质量特性，主要描述产品在安装完成后的 质量标准。在从研发部门接收到这三方 面资料后，就可以将产品数据导入到数 字化工厂的软件中，导入软件后，将获 得一个产品库和一个产品树，产品库包含了汽车上所有的零件(包括车身)，它的表现形式是零件的I D与零件的3D数 据相关联，并且自动生成零件的预览 图，方便查找。产品树来源于产品库，它反映着产品设计的最新状态，并且保 持着BOM中产品的结构关系，也就是层次关系。

　　目前在产品导入的阶段中，导入零件主要有两种形式，这主要取决于研发部门的管理方法。

　　第一种就是类似于Teamcenter的管理形式，在T e a m c e n t e r中，产品的I D已 经与3D结构相互关联，数字化工厂软件 拥有直接读取T e a m c e n t e r信息的接口， 通过这种方式直接将产品数据导入。这种方法在数据的版本管理以及与研发设 计进度同步方面都相当地容易和方便。 应该说这样方法是比较科学也是比较方 便的。但是，由于一些公司还没有搭建 这样设计信息平台。那么只能按照第二种方法，对软件进行二次开发，使得产 品的BOM与3D数据进行关联，然后再将其 导入。这种方法只能够导入设计阶段中的一个版本。对于产品数据后续的版本 维护只能靠人为完成，那样在操作中难 免会产生错误，影响项目的工作质量。 实际上，目前很少公司能够达到 协同的设计及制造环境。所谓协同的开 发环境应该是，整个产品开发团队在同一个平台内完成设计的各个阶段，每个 零件在完成一个阶段的设计后分别建立 新的版本号，这样会使得项目组所有的 人都能够观察到每个人的工作进度，以 及对自己设计范围的影响。同样，生产部门也可以将这个平台与自己的数字化 工厂做出接口，实时地观察及跟进项目 的进度，对与生产制造成本关系较大的 设计问题给予及时的反馈，缩短产品 实体验证的时间，做到真正意义上研发部门与工艺部门的同步工程(SE，Simultaneous Engineering)。

　　另外，数字化工厂中所需要的产品数据都还要进行转换。由于设计部门完成的3D文件包含信息过多，导致在打开多个文件时，对计算机的要求很高，而生产工程师实际上更多关心的是产品的安装结构及在整车中的位置。所以为了更好更轻便地浏览3D图样，对产品的数据都要进行轻量化处理。目前，国际上数字化工厂软件应用得较为广泛的是西门子公司的Tecnomitix及达索公司Delmia，Tecnomitix公司是将数据转化为JT文件，而Delmia转化的格式为CGR。 转化后的数据减少了很多沉赘的数据信息，对计算机的内存及显卡的要求都大大的降低。

　　二、工艺的建立

　　在工艺规划的工作中，主要有三个任务，(1)根据质量特性文件，分析每个零件的安装方法;(2)工时分析，计算安装零件时，每个工步的安装工时;(3)工艺流程规划，对每个单步操作进行安装顺序分析，并分配到每个工位。

　　1.分析安装方法

　　在分析零件的安装方法时，数字化工厂可对零件的安装进行仿真，方法是给出零件的安装路径，然后根据路径进行仿真，仿真过程中使用干涉验证的方法检查装配方法是否合理，最后会给出检测的报告。图1为对仪表板合装工位的仿真案例。一般来讲，零件的安装方法都会以工艺卡片的文件形式来体现。在数字化工厂软件中，并没有对工艺卡片等进行集成，原因是考虑到每个主机厂的工艺卡片的内容和排版形式都不同。 所以如果要完成与工艺文件的集成，一般来讲都需要对软件进行二次开发，也就是对软件进行客户化处理。要使软件更好地应用到实际工作中，一些客户化的定制是十分必要的。同时，数字化工厂支持e-Bop的功能，也就是以工艺部门为服务器，以生产车间、质量等相关 部门为客户端，工艺部门直接在软件中发布新产品或者新版本的工艺文件，车间直接通过访问服务器了解文件的更改情况。使用这种方式代替原有的工艺文件打印后下发的模式，可以节约成本，而且更便于的管理。

　　2.工时分析

　　工时分析主要是对零件的安装时间进行仿真计算。汽车的装配主要是人的操作，所以工时主要是计算操作者对每个零件的工作时间。

　　数字化工厂技术的工时分析是以MTM(Methods of Time Measurement)国际标准工时计算法则为核心基础进行计算。MTM的计算方法是将工作或工作单元分解成基本动作。分解的动作主要包括：移动、放下、定向、装配、使用、拆卸和精神准备等动作要素，每个要素有多个值，通过调节因素，以便选择合适的表格值。调节因素包括：重量、距离、物体尺寸，以及动作的难度等。然后合计动作的标准时间，得出工作的正常时间，最后在正常时间上加上宽放时间，得出标准工作时间。不过由于这种工时的计算方法比较繁琐，比较不适宜在工作中使用，一般来讲，每个汽车主机厂都该应根据自己公司的工作实际情况，制订一套工时的计算方法，用来简化计算工时的工作量。同样，数字 化工厂软件可以将每个公司自己的工时计算方法与软件结合起来，这也属于对软件的客户化处理。另外，数字化工厂软件中会有一个工艺库的概念，主要是储存一些比较典型的安装样板。如，在现实生产中，安装一个需要使用四个螺栓紧固的零件，它的工时为20秒。那么把这个工艺过程加入到工艺库中，待有同样的案例出现时，可以直接使用这个时间标准。

　　3.工艺流程分析

　　数字化工厂软件具有自动线平衡的功能，自动线线平衡功能主要是根据之前对安装零件的分析，利用pert图搭接安装的先后关系，将所有的操作平均分配到生产线，对于一些不涉及到装配顺序的零 件，用来平衡时间关系，系统计算完成后，观察每个工位的装配工作，然后再将 操作分配到人。

　　三、资源的建立

　　资源的建立是组建数字化工厂过程中工作量最大的部分。由于是使用3D仿真技术，那么对于所有的设备都必须有3D的模型。在完成模型的建立后，就需要将所有的设备按照图纸进行布局。 规划员可以将规划图纸导入系统，将平面布置图作为背景，将资源中包含的设备、人员、工具、工装、夹具、钢结构和物料箱等相关资源布置到工厂相应的位置。并且数字化工厂技术支持协同工作，每个工程师可以负责完成自己的生产区域的布局，最后再将所有的资源汇总。图2为资源布局图。

　　目前在工业技术先进国家，3D技术基本已经成熟，设备供应商基本都有能力提供3D图样。国内的大多数设备供应商厂家对这方面的能力还不够成熟，但有很多公司已经认识到3D图样的重要性，随着工业水平的发展，相信在这方面的能力都会有很大的提升。

　　完成了产品的输入、工艺的安排和资源的布局，那么下一步就是将工艺、产品与资源整合在一起。以工艺为核心，将产品和资源附在工艺上，做出生产线的装配树，从而进行装配仿真模拟。在这一过程中，主要工作内容包括装配顺序的规划验证、装配运动验证、干涉检查和装配工程仿真。装配仿真模拟能够清晰地看到每个工位做什么工作、涉及到什么产品，以及使用什么样的资源。应该说，能够直观地观察到整个工厂的情况，大大地帮助规划人员对模拟现场的分析从而做出更好的调整。 当所有的调整都结束后，数字化工厂软件输出整个工厂的工艺概况表。概况表的信息以工段和工位为单元，涵盖了产品、工艺和资源全部信息。

　　四、人机工程

　　人机工程仿真模块主要仿真人体在特定的工作环境下的一些行为变化，如动作的时间评估、工作姿态好坏的评估和疲劳强度的评估。系统可提供多种人体模型标准，可以详细仿真工人在特定工作环境下的人机工程问题。系统提供多种人体建模标准，可以根据不同的人体模型输入不同的参数，如性别、 体重和身高。并且，建立关于人体模型 的数据库和良好的可视界面，进行人体模型主要属性的设置，分析人体可触及范围。在仿真环境下，系统自动分析人力能够包罗到的空间，分析人体可以触 及的范围和动作时间，系统支持MTM工时定额评估标准，快速分析动作时间。同时，人体动作的控制由宏命令编译。 在仿真环境下，系统自动分析人双眼包罗空间，分析人可以看见的范围，提供多种的人体工程评估标准。系统支持包括：OWAS(工作姿态分析)、Burandt- Scheultets(抓取力分析)和NIOSH81/91(疲劳评估标准)。实际上，数字化工厂的构建如同建立一个实际工厂一样，在建立初期需要投入大量的人力和物理，需要构建工厂、车间、生产线以及设备的数字模型，一旦建立完成，就可以长期使用进行仿真。尤其对于验证新车型是否在原有生产线生产的可行性分析，有极大地帮助。数字化工厂系统通过工艺规划部门、产品研发部门、生产工程部门和生产车间的高度信息共 享，实现各部门间的并行协同作业。同时，可以在产品的设计、规划阶段就预测整个产品的全生命周期的本质行为，把潜在的问题解决在设计阶段，从而避免时间和资金的问题。相信不久以后，数字化制造技术会成为提高企业和产品竞争力的重要手段。