数字化工厂软件在一汽轿车的应用.doc

数字化工厂软件在一汽轿车的应用1、前言随着新车型的不断引入以及降低成本、自主规划等要求，“时间、成本、质量”的压力大大加重了汽车厂技术部门的工作负担；以及市场的竞争愈演愈烈，为了加快产品上市和提高质量，进一步减少成本、提高生产率、提升技术部门的工作质量和效率，各制造企业都在寻求更好的“数字化工厂”制造过程管理系统，来对其生产制造领域进行支持和改进。 也正是在此背景下，一汽轿车汽车有限公司从2004年开始，通过了解并借鉴日本MAZDA在“数字化工厂”的成功经验分阶段引入“数字化工厂”制造系统。Cycle / Manufacturing Cell工艺仿真工艺布局SiteAssembly lineHall性能仿真物料单结构设计CATIA, ProEngineerE-BOMPSNPart Management资源管理Resource DesignRes. StructurePSNCATIA工艺设计Body in WhiteRobotFMConveyorWorkerPositionPart APart BSpot weldingJoiningPart APart B产品设计图1 数字化系统制造工艺设计解决方案2、数字化工厂的特点“数字化工厂”制造过程应用系统使得实际制造过程得以在虚拟现实环境中“预览”，具有制造工程师工艺设计的完整的先进解决方案；同时，通过客户化开发和系统集成，“数字化工厂”提供了多种辅助工具可以快速输出符合要求的工艺文件和图表；仿真/验证功能不仅缩短了设备安装调试周期，还使生产线各工位的工作量得到了有效平衡，增强了设备和工艺的可行性和可靠性，减少了车间的工艺更改次数，大大提高了车身工艺规划的效率和质量，降低了生产线成本，缩短了整个车型的规划周期，加快上市过程。U1U2U3图2 数字化工厂软件的应用可缩短生产准备时间所谓缩短生产准备时间如上图所示：第一步从U1线到U2线，是指利用数字化工厂软件缩短了生产准备的过程时间。比如说：仿真技术的运用，大大降低了实物阶段的出错率；离线编程技术的运用，大大缩短了生产线停线改造的时间等。第二步从U2线到U3线，是指运用数字化工厂软件，大跨步地与产品研发实现同步工程。在产品研发过程中有了产品的数学模型，数字化工厂软件就可以利用这些3D模型提前开展工艺设计，进行工艺规划，因此就可以提前进行工艺的生产准备。3、数字化工厂系统的主要技术性能指标3.1使用统一的数据库管理平台对所有的工艺规划数据进行分类管理，大大方便了用户查找和浏览工艺规划数据，使参数查询和数据检索在数秒钟内即可完成。通过对制造资源数据和操作工艺的积累，形成的资源库和工艺库，可以在以后的工艺规划中重复利用，提高了资源和数据的利用率。3.2工艺规划、模拟验证系统在三维仿真环境中对制造过程进行工艺规划、模拟验证，包括完成整个生产线中所有制造资源的布局、检验设计的工装夹具与产品之间是否存在干涉、验证产品的可制造性。如：焊接过程中，通过在已有的标准资源库中选择各焊接过程最合适的焊枪，检查在各工位的焊接过程中，焊枪和机器人是否与夹具、产品和其他制造资源产生干涉，优化各工位的焊接路径，包括各焊点的焊接方向调整、添加必要的焊接路径中间点、焊接路径中间点优化，对所有的机器人工位进行离线编程和调试，输出机器人程序。3.3客户化输出通过客户化开发，系统可以提供多种辅助工具快速输出符合要求的工艺文件、图表等，极大降低了工艺规划过程中文档编制和输出的工作量。3.4知识库形成了的标准工艺知识库，将已有的典型工艺数据保存在工艺知识库中，方便在后续的规划项目中重复利用，可大大缩短整个工艺规划周期，加快产品的上市过程；还可以避免工艺规划经验的个人垄断，快速提高新规划员的工艺规划能力。3.5系统集成通过集成如工时分析工具等，实现MTM工时分析，平衡各工位之间的工作量，提高制造资源的有效利用率，从而达到提高JPH，提高生产线产能的效果。3.6基于“数字化工厂”统一的数据平台，通过网络实现与供应商之间并行工程。4、国内外应用实践制造业在技术领域已经发生了巨大的进步，这种进步刺激了成本的节约和品质的提高。反映国家的基础制造业技术发展水平和影响着基础制造业经济命脉的汽车业尤其如此，国内外汽车产品设计工程师已经做了很多了不起的工作来加速设计时间，缩短产品上市时间，并且储存优秀的设计方案以备将来的使用；西方汽车制造工程师们早在十九世纪中期就着手在此方面的研究，随着计算机技术的发展和多年应用实践的研究，最终研究出了一套科学实用先进的数字化制造解决方案-也称“数字化工厂”，这些先进技术的作用非常显著并在行业上得到了广泛的认可。国内汽车行业，首先是一些合资企业，如南北大众，通用等，在十九世纪九十年代就纷纷开始效仿和学习国外的先进制造技术-“数字化工厂”，使在制造技术上得到了很大提升，并获取了很大的利益；其次是国内自主品牌的汽车业，如奇瑞，福田，长城等，从开始在产品设计领域的埋头苦干，已逐步开始重视制造环节，并已成立各大工程院或技术中心，着手对“数字化工厂”技术的研究和尝试性的应用；案例一：通用-GM用户需求: 缩短生产准备时间并加速产品投放市场用户感言：GM 使用了 Tecnomatix eMPower 解决方案 ，它向我们提供了用于制造过程管理的全方位的解决方案 ，使我们大大缩短了将新产品从设计，制造到投放市场的时间。我们认为 eMPower 解决方案的应用在生产制造过程中起着极为重要的作用，它使我们减少了生产准备时间，加速了产品面市, 并使我们的产品拥有完美的品质和可信的服务。案例二：宝马-BMW应用效益体现总结图：图3 现代工艺规划与传统工艺规划的对比BMW将数字化制造技术应用到了汽车制造各个专业领域，尤其在生产线制造的虚拟验证，以及和供应商的工作协调上，获得了很大效益，以下为他们部分效益的总结：图4 数字化工厂软件所发挥的效益案例三：奥迪-AUDI应用历程：图5 数字化工厂软件在Audi物流规划仿真的应用“数字化工厂”-物流规划仿真在Audi的应用分析，应用工具eM-Plant，Audi制造工程师的项目总结如下： 以前奥迪的物流规划依靠各种分散的表单，数据很离散； 在新的 A3 Sportback Audi 项目上，不仅应用了数字化的产品设计和工艺过程的规划，而且在物流规划中也全面应用了数字化的物流仿真工具； Markus Schneider, -Audi数字化物流系统的负责人 in Ingolstadt, 总结出: “应用数字化物流规划软件工具后，物流规划的质量大大提高了。”； 在生产开始前，整个生产物流供应链：从供应商、入库、仓储、上线的各个物流过程都全面应用了数字化的物流规划仿真系统； 在数字化物流规划系统中，零件BoM 表上的每个零件都被分配了相应的工位器具，根据零件的几何尺寸和工位器具的数据，物流规划员就可定义各个零件应使用标准的器具或须特殊定制新的器具； 在生产的早期，包装供应商可通过确认零件的尺寸和其容器的尺寸，为零部件的包装做好准备； 现在Audi的专家可在生产的早期阶段对物流系统进行检验，以前是在生产开始后才能发现存在的问题，这样就可对物流方案进行先期评估和可行性检验。 案例五：马自达-MAZDA节省了时间和成本， 提高了产品质量、工作效率和产量；现在Mazda 通过在每个车型项目SOP（投产）前进行约20000项的数字化仿真研究，已经把项目周期从30个月减少到18个月， Mazda 的目标是今后每个车型项目在SOP前做约30000项数字化预研究来把项目周期缩短到14个月。 所有部门的工作数据都储存在一个 eMServer 中：1) 没有数据冗余；2) 不会发生丢失的数据；3) 没有重复数据；4) 访问数据快捷简便；5) 工作流程清晰；6) 可靠性强；应用发动机解决方案的分析 Mazda RX8 转子发动机 - 16 种不同的零件 13 种机型 9周的生产准备时间 应用发动机解决方案后生产准备周期缩短到3周 在新机加工线上应用数字化仿真工具把机床从54台减少到42台，节约了大量设备投资。 每个加工特征的投资从5400000日圆（36000美圆）减少到3860000日圆（25733美圆），整个生产线上共节约投资四百万美圆 案例六：上海大众-SVW图6 “数字化工厂”技术在德国大众-VW的应用上海大众在学习和参考德国大众的成功应用经验的基础之上，已成功的应用到部分领域，尤其在上海大众的焊装领域，在此之前，每款车型的制造工艺设计，都需要国外专家的支持，并为此支付几千万的技术支持费，在焊装成功应用了“数字化工厂”之后，实现了完全自主规划，在制造技术和质量上都有了大幅度的提升；2007年，上海大众着手开始在发动机和总装领域的应用，并在发动机线的物流和人工工时核定方面，再次应证了“数字化工厂”技术在汽车制造领域发挥着举足轻重的作用。 图7 “数字化工厂”技术在上海大众-VW的应用5、一汽轿车应用历程2005年，引进“数字化工厂”车身规划系统1) 完成现有生产线及相关资源建模，建立标准工艺数据库、资源库；2) 建模完成后，可以对现有生产线进行优化，或者在现有生产线上生产新车型前，在虚拟制造环境中进行工艺检验和仿真优化；3) 培养一支能熟练运用“数字化工厂”制造规划系统进行车身前期工艺规划和工艺仿真的工程队伍；4) 系统集成：完成了产品数据PDM系统与eMPower系统的数据集成，如下图（图八）；图8 “数字化工厂”技术在一汽轿车的应用2006年，“数字化工厂”车身规划系统应用开发与系统集成2006年，FCC委托北京迪基透科技有限公司就“数字化工厂”车身规划系统进行了系统集成及客户化开发， 主要开发了与PDM的数据接口模块、工艺文件的输出模块、焊接数据库智能系统模块等。a.焊接规范开发模块 / WeldAP（如图九）：焊接规范计算工具主要解决以往设计焊接规范规范缺乏依据，主要靠经验来设计，设计结果与实际要求偏差较大的问题。该模块可根据零件的材料条件和板厚条件以及相应的技术要求按照两种方法计算出相应的焊接规范，为设计人员提供参考，帮助设计人员设计出合理的焊接规范。图9 焊接规范开发模块b.工装明细表输出工具 / CTable c.设备明细表输出工具 / EqTable焊接参数系统模块 d.工序卡输出工具 / OpTable通过“数字化工厂”系统的应用开发，在规划速度、质量等方面都得到很大提高；工艺文件可以自动生成，节省了大量的文件编写工作；同时由于项目的积累，为提速以后项目进度（新项目及改造项目）奠定了丰厚的基础。 2007年，主焊线（M2）的改造工艺方案的虚拟验证和离线编程“数字化工厂”应用于主焊线M2的改造，主要使用ROBCAD机器人规划仿真模块。在车身主焊线规划和工艺设计的同时，利用Robcad建立虚拟仿真模型，通过计算机的虚拟环境，设计和验证将来新投产的车型在M2线上的制造工艺通过性，利用Robcad软件的先进功能设计和优化机器人工作过程中的换焊枪、抓具、焊接、互锁等操作，并设计和优化焊接过程中的中间点和焊接路径；在虚拟环境中验证、设计和优化完M2工艺后，最终实现现场机器人的离线编程的要求，即通过计算机模拟生成的机器人工作路径和信号等程序，直接传输的现场真实机器人中。 图10 一汽轿车M2线的2D局部和ROBCAD环境的布局方案2008年，主要应用于一工厂焊装车间的M1和M2两条主焊线的焊点分配和Robcad的离线编程中，缩短了停线改造的时间，降低了改造风险。2009年，主要应用于二工厂的工艺布局规划和机械化传输工艺方案的论证。下面将具体介绍。6、一汽轿车的应用案例6.1白车身主拼线的工艺设计的应用白车身焊装工艺设计中焊点分配和工艺布局将直接影响到生产线的投资和柔性，合理焊点分配方案，可以提高焊接质量，减少焊接设备数量和节拍，自动工位的布局合理性可影响生产线空间面积和净高，物流方案和物流设备。数字化工厂在这方面展示了绝对的优势，焊点分配和工艺布局时，可以对焊点的可焊接性进行可行性分析，尽量减少换焊枪的要求，在不同的方案中可以反复的对比和优化，选择足够而不过分多余的技术要求，来完成汽车的整个制造过程；有利于焊点的管理，减少漏焊和重焊的缺陷工艺现象，有利于提高焊枪选择的准确性，焊枪本体的小型化，有利于工艺布局的最优化，不仅提高了面积的使用率和减少物流的投资，同时具有形象生动的三维生产线场景。图11 “数字化工厂”描述焊点和制造工艺的方案利用M2主焊线4SD总拼夹具改造成A501主夹具方案论证项目背景：焊装车间有两条主焊线，都可以生产M6-4SD车型，随着J61车型的引入，M6系列产品产量降低，这样只要一条主焊线就可以满足M6-4SD的生产。那么有一套主夹具就要闲置，所以我们思考：是否可以把原夹具改造成A501的主夹具。实施过程：首先A501和M6-4SD的车身在产品的定位基准上非常相似，因为夹具设计的前提主要取决于产品的定位基准。有了这个前提，夹具改造的可能性大大提高。其次，我们利用数字化工厂软件对主夹具以及A501白车身进行了模拟。下面对M2线主夹具改造方案具体说明：方案概算(万元)优选次序新 增2002改 造501项目效果：通过模拟仿真共分析了110个断面，经过论证原夹具可以改造成A501车型的主夹具，此项工作降低工艺投资150万，减少投产停线改造时间2周。6.2 M2线改造的应用分析数字化工厂具备了强大的虚拟仿真功能，可以实现与现实中完全一致的虚拟环境的动态制造过程，并具有强大的分析和优化功能，如工艺顺序、焊接顺序、焊接方向、焊接路径，自动工位的机器人布局和干涉区等。通过虚拟仿真，可以大大降低工艺缺陷，以及通过离线编程将程序下载到现场机器人，减少现场调试时间和样车的使用数量，此部分已在国内的多家汽车厂获得了验证，如下图（图十二）虚拟仿真的软件环境：虚拟仿真线平衡图12 自动线工位线平衡分析a.离线编程过程介绍精 确 布 局模 型 准 备焊点焊枪规划路径及参数SOP 操作顺序图逆 向 及 标 定下 载 及 示 教b.离线编程在M2主焊线改造中的经济效益对比项目承担者停线时间车型机器人数ROBOT工位OLP投资自主能力项目控制力J61日方1.26-2.17共23天4287361万人民币依赖较弱A501中方2.1-2.18共18天328799万人民币增强增强一汽轿车应用“数字化工厂” 的ROBCAD模块机器人规划仿真以及离线编程(olp)模块后在以下方面取得了显著效益：实现完整的虚拟制造环境，生产线2D/3D布局图；在ROBCAD中设计生产线工艺规划方案，减少工艺规划的工作量；检验新车型的工艺方案通过性，提高工艺规划效率、质量；避免现场碰撞的发生； 论证并确定了生产线的改造方案，如主拼夹具改造，节约了大量改造费用及大量的停产改造时间； 优化生产线工艺，平衡生产线；减少生产线规划时间，缩短生产准备时间；实现现场机器人的离线编程；3）M6_4SD侧围加强线改造成与A501共线生产的工艺方案论证项目背景：M6-4SD侧围加强板线是一条机器人自动凸焊及补焊线，该线设计纲领是6.5万量/年，由于J61车型的引入，M6系列规划产量降至4万量/年，所以原生产线的设备负荷有闲置，为了充分利用原设备的闲置产能，我们计划实现A501与M6-4SD混线生产。瓶颈问题：A501的侧围加强板总成产品结构与M6类似，这是可混流生产的前提。但是，现场的空间是否能够布置新的工装？物流是否通畅？工人操作是否便利？实施过程：我们利用该软件对现场的工装、设备进行建模，建立3D模型，通过模拟，进行充分论证，最后证明现场可以布置，物流通常，人员操作便利。最终可实现混流生产，大大降低工艺投资。6.3 二工厂焊装车间工艺平面布局规划二厂焊装车间生产纲领为20万辆份/年。规划在该焊装车间内可以实现三个车型平台即B131平台、A130平台、X平台，四种以上车型，即：B131、A130（包括4SD和5HB）、X车型、Y车型的随机连续式生产。本次工艺方案对以下区域进行物流模拟仿真验证：（1）车身焊接总成柔性焊接装配线，以下简称主焊线；（2）车身下部焊接总成柔性焊接装配线，以下简称车身下部线；（3）左/右侧围总成柔性焊接装配线，以下简称侧围线；（4）顶盖总成柔性焊接装配线，以下简称顶盖线；（5）机械化部分传输存储验证；（6）各物流存储区域到各条生产线区域的物流运输及上件方式验证； 以下为侧围地板线仿真分析结果：1 车身侧围线仿真报告车身侧围线2维图（第二版方案）：车身侧围线存在问题汇总：01 A处（侧围内板后段）存储区域面积比较小，建议按照生产顺序上件。02 B处（侧围外板）每20分左右进入一辆叉车，每40分左右需人力推入一辆零件器具（由于空间不足人工推工位器具到指定位置往返需80秒左右），建议将靠近中间部分的侧围外板的上件位置与其机器人的位置互换，这样B处（侧围外板）在均衡生产的时候每50分左右进入一部叉车，C处（侧围外板）每6分左右进入一部叉车，其余车辆应尽量减少通过中央通道的次数，以保证C处（侧围外板）叉车的运转安全。03 D处（侧围内板前段）工艺未完善，现需要上件种类为2，车型为4，共计8个零件布局的时候需注意空间的使用。04 E处（侧围加强板）人员上件行走距离在某种生产比例时过长（仅生产需行走距离最远两侧车型时），人员的工作强度达到80%。05 更改后方案如下DEAAABC2 车身地板线仿真报告地板手工线初版规划方案：DAB初版本工艺规划方案后地板区域全部在A区（地板主焊上件缓存区），经仿真发现A区（后地板缓存区）B区（前地板缓存区）人工上件区域离地板主焊线上件工位（D区）距离太远，工人上件劳动强度大（工作负荷约98%），该方案须变更工艺布局。地板手工线变更后的规划方案：DBA更改后的工艺方案如上所示，A区B区分别为前后地板缓存区域，经仿真A区B区人工拖动工位器具到D区地板主焊上件工位，工人工作负荷量较适中（均衡生产时在50%到70%，极限情况下在70%-85%。）车身地线存在问题汇总：01 均衡生产时A处（前后地板）上件人员（前后地板各有一个专职上件人员）3个平台生产时工人极限工作量为70%-85%，如有必要建议可适当增加人员。02 B处（地板门槛）上件应按照箭头指示路线上件，以防止阻碍A处（前后地板）人员上件。03 地板线的滑橇数量为15时，使用率为78.3%；滑橇数量为14时，使用率为83.76%；滑橇数量为13时，使用率为90.3%；滑橇数量为12时，使用率为97.64%。04 为保证生产节拍为1分钟，每种车型的生产比例均应低于总产量的50%；05 地板分焊送往地板主焊缓存区域处当均衡生产，送件人数为4人时（1人在后地板，另外3人在前地板），人员工作强度达到近70%（每2分钟必须往返一次，有时还会有单取或单送情况），并且后地板处应为转运车辆送货（距离为60-80米，人员行走速度不够），均衡生产峰值时将占用3辆转运车辆，而车辆承装量最大是2，单一或某两种车型生产时，1部车即能满足地板主线生产需求，车辆利用率不高。同时由于车辆人员往来频繁，使得地板分焊送往地板主焊的道路占用时间过长，不宜与其余上件（地板分焊上件）车辆公用一条路，建议部分繁忙道路专路专用。7、一汽轿车“数字化工厂”的应用的成功经验模式以汽车研发项目为契机，有的放矢导入“数字化工厂”规划项目，这样做目的性强，效果显著，便于整个数字化系统的逐步实施推进；建立相应的组织机构及相应职责，“数字化工厂”项目团队在组织结构上得到承认，确保资源配置，项目的推进才有保障，日后的运作才能持续有效。据此理念，我们成立了相应的“数字化工厂”团队，与其他项目组一起工作，在仿真、验证产品及工艺方案等给与技术支持；持续实施，“ 数字化工厂”系统是一个制造过程管理的的数字化平台，它可以管理整个制造过程，大量的系统集成、资源库积累、工艺知识库完善等得以保证“数字化工厂”系统的完整，所以“数字化工厂”系统的实施应该是持续的，从而保证系统得以维持和发