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MDM及Tecnomatix系统在车身工艺开发中应用

[摘要]本文关键叙述了在车身新产品开发过程中怎样进行同时工程及数字化工艺开发工作。并经过应用实例说明引入数字化工艺开发系统在缩短产品开发周期、减低成本、快速响应市场改变等方面关键意义。
[关键词]车身工艺开发,主数据模型,工艺模型、同时工程、电子工艺卡片
MDM and Tecnomatix System Applied for BIW Process Development

Abstract: The Paper introduces the key steps of how to implement simultaneous engineering and process development in digital manufacturing system such as TcAE and Tecnomatix system. By the real application cases, the paper explains how the benefits of this system as project time reduction, cost reduction and quickly response to the market change, etc.
Key words: BIW process development, Master Data Model, Process Model, Simultaneous Engineering, eBOP (electronic Bill Of Process)
1．序言
伴随汽车行业中国外市场竞争日益加剧，中国中国汽车制造企业在不停提升本身新产品整车研发能力，推出新产品速度和质量是企业占领市场先机关键确保。在这方面上海通用汽车一直处于中国市场领先地位。能做到这一点，除了靠优异市场策划及产品研发能力确保外，在整车车身制造工程方面上海通用汽车也建立了一套以前期产品同时工程到工艺计划、工装设计、制造直至现场生产管理完整、高效步骤体系及和之相对应数字化制造系统。本文将具体叙述在车身新产品项目中怎样建立这一系统和其中关键技术步骤。
2．全数字化车身工艺开发系统
新车型开发可分为车身产品设计、生产线工艺计划、工装夹具设计、设备制造、安装、调试及新产品生产制造五大部分。其中车身制造工程所负担从生产线计划到调试生产线准备工作质量、成本、周期将直接影响新车型上市时间及企业所取得利润。怎样在取得产品信息后快速、合理地给出最好制造方案，并将该方案逐步细化实施，确保新产品准期上市是制造工程所面临首要技术挑战。借助同时工程对产品开发早期介入及全数字化工艺开发平台使得上海通用汽车在全新平台整车车身项目中制造准备周期及生产线成本大幅下降。这一系统组成关键包含产品模型（Product）、主数据模型（Master Data Model）、工艺模型（Process Model）、资源模型（Resource Model）及基于网页电子化工艺卡片（eBOP- electronic Bill Of Process）五个部分。和之相关软件平台为Siemens企业UGnx5, TcAE及Tecnomatix，各系统之间相互关系图1所表示。

图1 全数字化车身工艺开发系统

3．面向制造工艺车身主数据模型（Master Data Model）
一辆整车白车身是由上百个冲压件经过3000~4000个左右电阻焊点焊接过程和涂胶、冲铆、螺接、弧焊、甚至激光焊等多个工艺过程制造而成。产品工程师在设计新车型过程中往往关键依据市场造型及性能需要设计出车身各个零部件，不过产品设计方案可制造性好坏直接影响以后产品质量及制造成本。经过同时工程实施，建立车身主数据模型（MDM），制造工程师能够在项目早期介入对产品可制造性虚拟评定，对产品设计提出改善意见。主数据模型（MDM）就是制造工程师将TcAE系统中产品设计工程师发放产品数学模型根据制造工艺步骤和特征重新搭建为一个新数据模型单元，用以进行虚拟评定（图2）。

图2 车身前围总成主数据模型（MDM）
一个完整白车身产品模型能够依据车身工艺特点建立成前围、前地板、后地板、底板总成、侧围、车顶、总拼、门盖等若干主数据模型（MDM）。每一个总成MDM模型包含制造这个总成所需要零件产品模型（PRD）（包含胶等）和焊点数据模型（WLD）（包含弧焊、铆接等）、零件定位基准模型（DTM）两种表示制造特征工艺模型（图3）。经过建立这么一个集成化主数据模型（MDM），制造工程师能够在虚拟环境中分析出产品设计问题，并提出改善方案。MDM模型建立能够经过UGnx软件中专门依据通用需求二次开发而成MDM功效插件（MDM Toolbar）来实现。

图3 主数据模型结构
经过这么MDM模型我们能够分析出产品及制造过程中以下几类问题：
（1）零件上料次序。因为实际操作工上料人机工程问题或从零件定位精度角度考虑，零件间相互搭接必需根据一定次序，假如产品设计者没有考虑到这一点，将给后期制造带来很大麻烦。经过分析模型中零件和零件相互关系，制造工程师能够给出最好装配次序。
（2）定位基准优化。以往制造工程师在产品冻结后才开始设计工装夹具定位基准，等在制造中发觉问题再去改善产品设计已经晚了，需要花费一定成本。在建立主数据模型过程中制造工程师能够将头脑中构思工装夹具定位基准直接部署在零件几何特征上，基准和零件之间，基准和焊点之间相互关系一目了然。经过分析制造工程师对零件上基准位置、定位孔开孔方向，大小能够给出最合理提议。另外对于共线生产或回用现有生产设备新产品设计，制造工程师能够将现有设备定位基准位置正确地描述于新产品零件数模上，能够提议产品设计工程师在零件上保持这些基准特征以最大程度地节省后期生产线改造成本。
（3）焊点分布位置。产品工程师前期会依据CAE强度分析结果给出初始焊点位置数学模型。这些焊点位置是否合理，需要制造工程师依据制造经验及制造标准来判定。在UGnx软件环境中我们能够预先设定部分焊点检验标准，如：焊点间最小距离不得小于20mm，焊点到零件边缘最小距离大于7mm，焊点连接两个零件之间最大间隙不能大于6mm，1个焊点连接位置零件最多不能超出3层等。标准设定好以后，能够运行MDM插件焊点检验功效。几秒钟运算后，软件能够自动将不符合规则焊点标示为红色，符合标准焊点标示为绿色。对于问题焊点，制造工程师会和产品工程师一起，逐一给出优化方案。除了焊点和零件之间相互检验，因为MDM模型是包含了零件、焊点、基准三方面信息一个集成模型，制造工程师也很轻易发觉和基准位置发生干涉焊点。这些焊点在制造过程中因为和工装基准位置干涉或距离过近会造成零件夹紧后焊枪和工装碰撞，无法完成焊接。对于这些焊点及基准部署，制造工程师也会经过分析给出最好改善提议。
总而言之，项现在期经过建立MDM模型对新车型产品设计进行虚拟评定，大大降低了项目后期产品更改费用，并节省了项目时间。
4．Tecnomatix系统支持下数字化车身工艺模型开发过程
传统工艺开发大多采取二维作业方法，制造工程师借助AutoCAD，Excel等工具进行生产线平面部署图、产品工艺步骤图、工装基准截面图、焊点分配图、操作工时分析图等工艺内容开发。传统方法缺点是编制多种工艺文档工作量大，耗时，费力；文档种类和数量繁多，不便于归档保留，一套完整整车车身工艺文件打印出来话能够堆满整整一个文件柜；更改过程难以控制，多种文件更改一致性差，因为产品设计更改或工艺优化，在工艺开发过程中常常会有变更情况出现，上述多种工艺文件更改难以保持同时，可能会有遗漏或相互矛盾情况发生。
为了处理上述困难，提升效率，上海通用汽车从开始逐步引入了源于以色列Tecnomatix企业数字化集成工艺开发、过程仿真系统。历经三年学习和探索，制造工程师已经能够完成一个全数字化新产品车身生产线3D布局和整个工艺过程数据模型。这一系统应用，使得工程师更直观、愈加快捷地直接经过对零件模型、焊点模型、基准模型选择、拖动、编辑等简单操作就能够完成复杂工艺开发工作（使用Process Designer模块），而且还能够深入经过同一数据库系统下仿真功效（使用Process Simulate模块），直接评定工艺结果可行性。
应用Tecnomatix系统进行工艺开发关键步骤及步骤（图4）包含：

图4 全数字化工艺开发步骤图
（1）数据导入。开发工艺模型数据源头是前期同时工程过程中建立MDM模型。MDM是经过UGnx软件建立于TcAE数据库中数学模型，在进行工艺开发时，首先需要利用Tecnomatix系统中CADlink模块将数据导入到Tecnomatix系统本身数据库中。接下来整个工艺开发过程及结果输出全部将在这个数据库中完成。
（2）建立生产线工位布局。工艺布局能够在AutoCAD软件中创建然后导入到Tecnomatix系统中转化为3D，也能够经过Tecnomatix系统直接进行3D立体布局。在这个步骤中，除了进行图形化工位布局，工程师在软件中还需要经过Process Designer模块中其它窗口进行生产线结构自顶向下文字描述型定义。包含整条线：如底板线、总拼线、补焊线、门盖装配线等；生产区域：如前围区域、前地板区域、后地板区域、侧围区域、车顶区域、门盖区域等；和生产工位：如前围010工位、前地板020工位等（图5）。

图5 Process Designer中生产线结构
在这种定义中每个工位即是一个节点，在数据库中能够和该工位中需要完成装配零件、焊点、定位基准、资源（包含工装、焊枪、机器人等设备）等数学模型相互关联，集成在一起，从而在虚拟软件环境中真实地模拟实际发生生产情况。生产线工位布局还需要符合项目标生产纲领、投资预算等相关制造策略要求及厂房面积等条件。
（3）零件分配。依据前期同时工程分析得到最优装配次序，将零部件逐层分配到每个工位中去，在数据库中创建零件产品信息和工位之间联络。同时也能够在软件其它窗口中创建一棵完整车身零件装配关系树，作为在网页中输出零件装配步骤图数据源。
（4）工艺分配。零件装配步骤建立后，对于和零件几何相关对应焊点、基准等制造工艺特征也能够随零件一起分配到对应工位中去。焊点信息除了能够分配到工位以外，还能够在同一工位中深入细化分配到特定操作工/机器人、特定焊枪等更小结构单元。对于分配到同一把焊枪中多个焊点，工程师还能够定义焊接操作次序。
（5）调用/导入资源模型，进行工艺仿真分析。将工艺内容分配到每一个工位后，接下来我们需要分析评价工艺方案可行性及最优解。工程师能够在Tecnomatix系统中建立资源库，存放常见或标准设备3D模型（如常见型号机器人、机器人焊枪、手工焊枪、工装平台、气缸等）。在工位中直接调用资源库中设备模型，并利用软件中仿真模块（Process Simulate）定义设备相互运动关系（如机器人轨迹、焊枪打开闭合等）能够快速得到工艺仿真结果。经过工艺仿真能够计算完成一个工作循环操作工时、分析设备运动中轨迹干涉、确定机器人最好位置、高度等。经过仿真分析，工程师能够对初始工艺方案进行优化，给出最好方案（图6）。

图6 工艺仿真模型
（6）生成电子工艺卡片。在Tecnomatix系统中建立完整工艺模型后，软件中eBOP功效还支持将工艺开发结果输出为多种格式网页汇报（图7）。车间管理人员或生产操作人员能够经过登陆网页形式浏览、下载或打印形式多样电子工艺卡片（包含工艺步骤图、焊点次序及焊接参数表、基准控制方向表等），直接用于指导现场生产。

图7 公布于网页电子工艺卡片
（7）版本公布及数据变更管理。MDM模型及工艺开发模型全部能够进行数据公布，冻结并统计下某个状态数据版本。当产品设计源头数据发生更改或进行工艺优化后，工程师能够经过公布新版原来进行数据变更管理，统计变更历史过程。同时，因为工艺开发全过程全部在Tecnomatix系统中同一个数据库内完成，一个数据发生改变后和其相关联其它数据能够自动变更或自动提醒工程师进行人工修改。这个功效能够使工艺开发快速响应产品设计更改并能够确保多种工艺开发数据一致性，大大节省了时间及成本。
5．项目应用结果及经验总结
经过Tecnomatix系统应用，正确地进行前期工艺计划和技术方案仿真，10月上海通用汽车在承包商帮助下只用了短短3个星期就成功完成了一条4个平台，6种车型共线生产20个工位整车补焊线改造。该生产线改造前全部为人工工位，改造后变为包含24台焊接机器人自动化和人工混合生产线。~，在上海通用汽车自主开发新产品项目中，我们也借助MDM及Tecnomatix系统完成了产品设计前期同时工程及整车工艺开发工作，为确保新产品准期上市打下了基础。
实践证实，同时工程、数字化工艺开发及数据管理成功实施，有以下意义：
（1） 节省项目开发周期及成本。
（2） 优化设计、均衡节拍、提升生产效率。
（3） 在工艺设计中快速响应产品设计变更。
（4） 有利于知识沉淀及经验传输，提升教授知识重用效率。
（5） 经过项目锻炼，快速提升工艺开发工程师业务能力。
我们期待上海通用汽车凭借优异工艺开发能力，能够在未来猛烈市场竞争中继续保持领先地位。同时，也期望中国其它汽车生产企业能够经过本文经验分享得到提醒，在车身工艺开发领域有所突破。
参考文件：
[1] 李险峰.面向数字化制造领域软件处理方案[J].汽车制造业，，（22）：70-72