基于Tecnomatix的汽車焊接數字化工藝設計過程

唐鳳霞，劉 俊，范銳強，黎 亮

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基于Tecnomatix的汽車焊接數字化工藝設計過程

唐鳳霞，劉 俊，范銳強，黎 亮

（重慶小康工業集團股份有限公司，重慶市 400000）

為了解決產品設計和產品制造之間的鴻溝，降低設計到生產制造之間的不確定性，采用Tecnomatix數字化工藝設計方法，以某車型下車體為例，從仿真前提環境建設、三維規劃方案設計和虛擬仿真三個方面進行研究及論述，利用此方法實現了在產品設計階段，焊裝工藝設計同步開展三維規劃設計和虛擬仿真驗證工作，從而可于設計階段有效規避問題發生，減少開發周期和變更成本。

數字化；虛擬仿真；三維規劃設計；Tecnomatix

1 引言

隨著汽車市場競爭的日益激烈，產品開發過程越來越復雜，對于產品開發周期要求越來越高[2]，傳統工藝設計模式以個人經驗為主，工藝設計及評審主要以二維靜態形式展開，不能夠為設計師直觀準確地展現問題，工程設計階段缺少統一仿真平臺和標準，仿真過程可控度較差，工藝驗證主要為物理驗證模式，周期長，成本高，現場試制過程中，干涉等問題多，難以支撐汽車行業高效率、高質量和低成本的需求。Tecnomatix是一套全面的數字化解決方案組合，基于該平臺能有效解決傳統開發生產過程中存在的痛點。 Process Designer（以下簡稱“PD”）與Process simulate（以下簡稱“PS”）是Tecnomatix平臺中重要的兩個模塊[4]，焊裝工藝為汽車制造過程中的核心環節，本文將基于某車型下車體生產線介紹焊裝數字化工藝設計與仿真驗證過程。

2 設計前提

2.1 白車身數字化工藝設計流程

白車身數字化工藝設計流程如圖1所示。

2.2 Sysroot結構

Tecnomatix一般有3層數據結構，即Client、eMServer和Oracle。Oracle數據庫存儲項目的所有對象節點及其關聯關系，Sysroot下主要存儲于eM database中的節點相關的所有外部文件[2]，主要包括產品和資源的3D、文檔和AutoCAD文件等，如圖2所示。

圖1 白車身數字化工藝設計流程

圖2 Sysroot存儲結構

2.3 項目模板

在系統中，搭建規劃及知識資源庫結構，主機廠及供應商基于該結構進行設計及仿真數據存放。項目資源庫中存放設備資源、典型工藝等，產品文件夾中存放產品數模，制造特征庫用于存放產品的制造特征，如點焊、弧焊和涂膠等制造信息，車型變量庫中用于存放車型變量，用于多車型共用線體區分，項目規劃文件夾中存放項目規劃相關文件，在該節點下創建車型節點，車型節點下分別創建車型規劃仿真節點、 Layout 節點以及技術人員進行規劃仿真的 Module 節點，臨時文件夾存放粗規劃設計時的臨時相關文件，供應商規劃文件存放承包方在規劃設計仿真時的臨時相關文件，如圖3所示。

圖3 Sysroot存儲結構

2.4 數據庫搭建

建立資源分類庫主要分為制造特征數據庫、產品數據庫、制造資源庫和經典工藝庫，資源的添加、變更和發布等通過資源庫管理員進行統一管理，能夠確保資源的準確性、唯一性。數據資源需按要求填寫屬性，設計工程師可根據屬性特征實現資源的快速查詢、調用。

2.5 數據轉換與導入

白車身規劃仿真用到的數據主要為產品數據、制造特征數據（點焊、弧焊、涂膠、螺接和鉚接等制造特征）、制造資源數據和二維布局圖[3]。將其他格式的產品、制造資源數據和二維布局圖轉換為Tecnomatix可識別JT文件，將該JT文件放于對應名稱的cojt文件夾中，并放置于Sysroot目錄下，在Process Desgner中運行命令Tools→ Administrative Tools→Create Engineering Libraries 命令，選擇該資源對應的類型導入資源數據。

焊點需從產品數據中手工導出中間文件，中間文件為.CSV格式，在系統中運行File→Import→Import eBOPfrom File，找到.CSV 文件完成焊點導入。

連續制造特征如弧焊、涂膠等，需在Catia中做出特征線，為了保證轉換數據后所有的特征線都是分開獨立的，在轉換數據之前對特征線進行分拆，另存為多個Catia文件，將轉換后的連續性制造特征cojt文件放在系統根目錄的對應文件分類中。回到PD軟件在特征資源庫上單擊右鍵，新建連續性制造特征，然后在新建的連續性制造上單擊右鍵選擇屬性，連續性制造特征屬性窗口打開后切換到Physical選項卡，在3D File處選擇連續性制造特征的co文件（系統根目錄中），關閉屬性窗口，連續性制造特征便創建 完成。

3 PD工藝設計

在PD中，基于生產節拍、自動化程度及生產方式等指導性文件，能夠快速將產品信息與產品制造特征、制造資源和制造工藝關聯在一起，創建工藝過程模型及制造信息模型，實現對白車身焊接過程中的工藝過程規劃及生產信息管理，詳細描述了焊接工藝過程實現的工藝順序、資源設備及焊接特征分配情況、物流流向和作業方法等，并最終于虛擬環境中建立 完成產線三維模型建立，支持仿真驗證，如圖4所示。

在tecnomatix中，焊點與產品數據分開導入系統中，導入后需對產品和焊點進行關聯，并建立聯系。規劃人員可Lode需要關聯的焊點與產品，運行命令Applications—Weld—Automatic Parts Assignment, 完成關聯。

采用操作數及資源樹雙胞胎結構節點，創建產線PrLine及工位PrStation結構，并通過運行命令Tools→Synchronize Process Objects將雙胞胎結構中生產線或工位按要求進行同步命名。

圖4 PD三維規劃步驟

由于BOM表定義的產品結構不一定適用于項目規劃前提，因此規劃員需要分析產品的零件結構，按照規劃前提定義車身零件的上件/焊接順序，使其既滿足BOM表的零件結構定義，又滿足實際的工藝規劃方案中的節拍等需求。如節拍能滿足要求，可將兩個或兩個以上設計總成歸并到同一個工藝總成（夾具）中進行焊接；如節拍不能滿足要求，可將一個設計總成分解至兩個或兩個以上工藝總成（夾具）中進行焊接。確定零件上件順序后，選擇相應工位→右擊→New→ Compound Operation，修改操作名稱。將要上的零件拖拽到這個操作上，完成零部件上件定義。

完成工位的上件操作后，需建立相應的焊接操作和輸送操作，完成整個工位工藝操作的定義。原則上需優先從經典操作工藝庫中拖拽，如果在經典操作工藝庫中找不到合適的操作，則創建新的操作。單擊需要創建操作的工位→右擊→New→對應操作節點類型及數量即可完成。創建完成后，按要求規范進行命名及屬性的填寫。

車身每個總成上都要完成許多焊點，在編制焊點布局圖時必須對焊點進行分組，即將1把焊鉗在1個工作節拍內完成的焊點分為1個焊點組，焊點分組時需權衡工位節拍、焊接強度及可達性，相同設備焊接焊點盡量分配在相同工位以減少投資；在制造特征庫中找到待分配的焊點，將其拖拽到指定的焊接操作上，完成焊點分配[3]。

生產工位內的操作工藝定義完成后，在Pert圖中確定工藝操作的順序，制定操作工藝流程。Pert圖同時顯示了與工藝操作相關聯的工藝信息，包括與資源、零件和MFG信息的關聯關系，如圖5所示。

圖5 某車型下車體組焊工位PERT圖

新建的工藝操作，由于其沒有MTM標準代碼，因此操作時間需要規劃員根據經驗進行預估。選擇新建操作節點→鼠標右鍵→“Properties”打開屬性窗口→選擇“Time”標簽→在“AllocatedTime”欄填入預估的操作時間。

用GANTT圖對工藝規劃中的工位工作量進行平衡分析，以顯示資源及操作在工藝周期間的分配情況，如圖6所示。

圖6 某車型下車體組焊工位GANTT圖

焊點分組及工藝流程規劃工作完成后即可進行焊鉗選型，確定焊鉗的最小數量，然后根據工件的形狀及尺寸確定焊鉗的形式（X形、C形）、喉深、開檔、行程和電極形狀，在標準庫中選取合適的設備。使用Process Simulate軟件中的“Gun Search”命令，對焊點的焊接可達性進行分析，并進行焊槍篩選確定。

工藝流程及設備選型完成后，即可進行三維布局規劃，所謂的三維布局規劃是指在選定的設施區域內，合理安排組織內部生產作業單元、輔助設施的相對位置和面積及設備的布置，并將對應的三維數模布置于相應位置[3]，使之構成一個符合企業生產經營要求的有機整體，如圖7所示。

圖7 某車型下車體生產線三維模型

4 PS仿真驗證

在工藝規劃及三維布局完成后，可以在PS里面對制造過程進行虛擬驗證。通過在同一環境中，模擬裝配過程、人工操作、設備運動軌跡、焊接可達性和工藝順序等，幫助工程師在設計初期發現問題并及時更正，以下主要介紹PS的典型應用——機器人點焊仿真。

運行RobcadStudy打開仿真文件，將焊點投影到零件表面。選擇分配到焊接操作上的焊點，單擊Weld→Spot→ Project Weld Points命令，將焊點正確投影，如圖8所示。

圖8 機器人點焊仿真過程

焊點投影完成后，進一步定義該焊接操作的機器人，完成機器人的定位以及其底座高度的確定。首先進行工具安裝，先選擇機器人，再在菜單欄選擇Kinematics→Mount Tool，打開工具裝配對話框窗口→在工具裝配對話框中選擇工具和工具安裝坐標系，以及機器人及其安裝坐標系→選擇好工具的Toolframe后，單擊工具坐標系旁的“Create Frame of Reference”按鈕，在出現的“Position”窗口中輸入工具裝配時與機器人TCPF的偏移量，單擊”OK”完成工具坐標系的設置→單擊“Apply”確認，完成機器人上工具的裝配，如果機器人與工具間有連接法蘭或者Toolchanger，需要在工具裝配時將工具裝配到正確的位置。

工具安裝完成后，可定義焊接操作的機器人及焊槍，選擇焊接操作→鼠標右鍵→“Operation Properties”命令，打開焊接操作的屬性窗口→在“Process”標簽中，選擇Robot信息欄→在對象樹窗口選擇機器人資源節點，此時裝配到機器人上的焊槍將會自動添加到Gun信息欄→單擊“確定”完成焊接操作的焊槍定義。

調整機器人位置，焊點可能還是不可達，在Process Simulate中，還可以使用“Smart Place”命令對機器人進行智能定位，單擊下拉菜單Kinematics下的“Smart Place”命令，打開“Smart Place”窗口→將機器人和焊接操作添加到窗口相應信息欄中→在窗口的Search Area區域，設定機器人智能定位的查找范圍和位置點數→單擊“Start”按鈕，開始對查找范圍內所有機器人位置點的焊接可達性進行分析，并在“Search Results”區域顯示分析結果→選擇某一位置點，單擊“Place”命令將機器人直接定位至該位置，紅色為不可達的范圍，藍色為可達的范圍。查看機器人焊接姿態，修改機器人焊接方向，完成焊點的無干涉焊接調整，如圖9所示。

圖9 機器人智能工具

焊接操作狀態調整好之后，添加中間路徑，形成一條完整的焊接路徑，進行布局及干涉等驗證，在下車體開發過程中利用仿真發現圖10，在布局中，上件臺與立柱干涉，需調整；圖11中焊接過程中電動機與零件干涉，需調整焊槍結構。

圖10 布局合理性驗證圖

圖11 干涉性驗證

除了上述的焊接操作，在仿真過程中還會用到一些其他的操作，如 Device Operations對有機構的設備進行狀態切換定義，Object Flow Operation對物流路徑進行定義，Pick and Place Operation對抓放件進行定義，當生產過程中涉及的所有路徑及狀態切換動作都完成定義后，把它們按照Pert圖中的工藝順序連續執行，就完成一個完整的仿真Sequence of Operations (SOP) 。

5 結語

[1] 葛懷林，李二鐵．Tecnomatix在汽車焊裝工藝規劃設計中的應用研究[J]．汽車與配件，2011(5)：37．

[2] 朱杰．Tecnomatix在汽車焊裝領域的應用及思考[J]．電焊機，2013，43(2)：16-19．

[3] 常輝娟．基于Tecnomatix軟件的白車身工藝規劃與仿真驗證[J]．科技與創新，2015（8）：94-95．

[4] 姜海濤．Tecnomatix在重卡焊接工藝設計中的應用[J]．汽車制造業，2011(9)：39-40．