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1、4汽车行业数字化制造的需求分析汽车的制造工艺按照类型划分为冲压、白车身焊接、喷涂、总装、动力总成(发动机)以及其它零配件的制造/装配。其中，白车身焊接、总装和动力总成工艺是最复杂的三种类型，下面对这三种工艺的特点及数字化制造需求进行分析。1）白车身工艺的特点及数字化制造需求白车身制造的基本过程就是采用机器人(或者手动加机械手辅助)的手段，传输、抓取、夹持离散的钣金和冲压件并将其焊接成复杂的白车身结构。白车身焊装过程的操作工序繁多，工艺内容复杂，它是汽车制造企业最为关心的工艺领域之一，据统计，一个轿车的白车身在焊装过程中要经历30005000 个点焊步骤，用到100 多个大型夹具，500800
2、个定位器，许多工艺信息都和零部件的三维几何特性密切相关，这给车身焊装工艺参数选择、工艺流程规划、车身焊装的质量控制甚至车身设计都带来很多挑战。如何管理好数以千计的焊点，保证无漏焊、重焊，是白车身工艺规划的难点。总体来说，白车身工艺的特点和发展趋势如下：(1) 工艺越来越复杂和先进。为了实现汽车轻量化，更多类型的材料被应用到白车身制造中来，这无疑增加了焊接工艺的难度；减少焊点数量并广泛使用先进的激光焊接技术正成为车身焊接技术的发展方向。(2) 制造过程属于高度资本密集类型，在夹具以及传输、夹持零件所需的自动化设备，进行焊接作业的机械手，验证质量所需的测量/测试设备等领域投资庞大。(3) 大量使用
3、机器人和自动化技术。为了保证焊装工艺的节拍和白车身的整体质量，国外已经实现白车身焊接工作量的90以上由机器人完成，机器人的控制、自动化和编程过程相当复杂。(4) 对产品设计和工艺规划的质量要求很高。为了保证高可靠性，要求超过95的实际制造过程被模拟和仿真，并要求精确的设备设计、模拟和精确的生产节拍，从而缩短调试与试运行时间。(5) 为了追求现有资本设备的价值最大化，白车身混线生产的要求日趋明显，对标准化和柔性的要求更高。这要求实现模块化和标准化的焊接工位、标准化驱动柔性制造、采用新的工具和手段增加制造柔性、机器人之间的分工协作和共享轿车平台。然而多年以来，在白车身焊装线领域，国内绝大多数整车厂
4、还处在一个很低的技术水平上，无论是项目招标还是具体项目实施，相关数据多数还停留在AutoCAD 图纸状态，焊装工艺工程师最为主要的工作内容就是Excel 填表和截图，工程师难有时间去考虑制造工艺本身的问题，如节拍平衡、生产线布置以及工位仿真等。目前，白车身制造过程中存在的问题包括：工艺设计数据和手段依然停留在二维年代；缺乏有效管理焊点信息的手段，缺乏统一的数据管理平台，缺乏精确的焊接过程分析手段，缺乏更为直观、精确的工厂布局和仿真手段，缺乏精确的物流过程分析手段，缺乏更有竞争力的招标投标技术手段。这些问题是汽车制造商在白车身工艺和制造过程中积极采用数字化制造技术的主要原因。一般来说，一套支持白
5、车身工艺的数字化制造解决方案应具备以下功能特点：(1) 是一套支持白车身工艺“概念规划粗规划详细规划生产运行管理”的完整解决方案，具有统一的工作平台和数据管理层；支持生产区域的工艺规划和模拟；采用先进的三维图形引擎；支持白车身工艺的特殊功能，如焊点布置、生产线的模拟、机器人模拟等。(2) 对白车身工艺规划的支持。获得产品数据和三维装配信息，定义工序顺序，优化布置焊点，用二维和三维的方式进行资源配置和布局，对变更进行管理，进行投资成本评估，并最终生成工艺卡和相关文件资料。(3) 对白车身工艺仿真的支持。对白车身焊装信息即工位、夹具、车身零部件、焊点、焊枪和操作者进行建模，生成用于模拟的工作单元，
6、管理并分析模拟结果，通过工作单元的组合来进行生产线模拟。2）总装工艺的特点及数字化制造需求汽车总装的基本过程就是采用手动(或者手动加机械手辅助)的手段，按次序将零部件装配到移动的车身上，最终生成汽车的成品。在过去的十几年中，随着汽车产品型号的急剧增加，产品配置越来越复杂，总装的混流生产变得非常普遍，总装生产线成为汽车制造商在规划设计过程中最费时间的部分。总体来说，总装工艺和制造的特点及发展趋势如下：(1) 制造过程属于高度劳动力密集类型，存在若干优化目标：a) 优化劳动力价值，充分利用在线作业时间；b) 平衡整个生产线，使产出最大化；c) 满足人机工程和要求，实现安全生产；d) 满足物流的需求
7、，实现准时制造。要实现制造过程中效率和质量的最大化，就必须对各个工序进行非常详细的理解和定义，即进行详细的工艺规划。(2) 汽车产品复杂，装配任务的数量巨大，多个品种混流生产，在投产前验证和优化装配工艺规划以及在投产后对生产过程进行高效的管理都变得至关重要。以上海大众为例，它计划在三年内引进7 到12 种新车型，并进行柔性混线制造，产量提高到每天2500 辆，因此，规划部门的压力也越来越大，它们必须不断提高规划能力，提高规划的质量和效率。(3) 总装混流生产线由相对确定和静态的特性向不确定和动态的特性转变。在大规模定制环境下，生产的对象需要根据客户需求的变化而在一定范围内变化，有时产品对象会超
8、出生产线设计时预定的能力，因此生产线应具备动态调整的能力，通过快速调整工位、物料传输系统、以及工装夹具等来适应新产品类型的插入。(4) 提高工艺规划的“共用性”，在全球范围内创建和重复使用最佳的工艺规划实践。体现为：a) 各个车型间共享制造规划信息，提高复用比例，减少重复工作；b) 在分布于全球的各个工厂(这些工厂可能进行相同的总装工作)间共享制造规划信息。目前，国内大多数整车厂还不具备从容应对这些挑战的能力，在这些企业中，汽车装配工艺一般由工艺规划人员先进行经验性、类比性的手工设计，然后根据样车装配试验情况和生产现场实际情况进行适当调整后完成。这种做法工作量巨大，耗时长，工艺规划的质量无法保
9、证，在装配任务规划、生产线平衡等方面难以达到较理想的优化效果，最为严重的问题是，由于制造过程的柔性和复杂性，在调试与试运行过程中往往会有很多问题，而随后在日常生产中又会因为设计和工艺变更而引发很多新问题，这些问题的频繁出现不但加长了总装生产线从规划到投产以及从投产到量产的周期，而且大大增加了成本。因此，必须广泛使用虚拟技术，在计算机上实现装配工艺规划和验证，从而及时发现并修正问题，减少实际投产后的变更。一般来说，一套支持总装工艺的数字化制造解决方案应包含以下功能：(1) 数字化预装配(DPA: Digital Pre-Assembly)。对于一部新车来说，一般需要做20,000次DPA。在初步
10、工艺规划阶段，每一个DPA 都要在三维虚拟环境下经过数次仿真测试以确保毫无差错，这样就降低了在车间生产中发生问题的概率。DPA 的任务包括可装配性检验、动态装配截面检验、装配路径分析、动态装配干涉检查、工装卡具检验等等。DPA 分析的目的是从装配的角度来验证产品设计，通过仿真，在设计阶段就可发现装配过程中可能存在的装配顺序与装配干涉问题，从而降低设计风险、提高设计和规划的成功率。(2) 数字化工艺规划(DPP: Digital Process Planning)。a) 定义变型产品；b) 对每个工位的操作进行定义，确定工位内的操作顺序，在一个工具模块中对整个生产工艺进行优化整合，并建立能进行工
11、时计算、成本分析、文件管理和变更产品管理的模型；c) 对装配线上所有工具和夹具进行定义，这涉及到车间内使用的全部资源，例如夹具、滑轨、起重设备、辅助设备等；d) 对各个工位的详细操作进行定义，在流程上得到每个工位进行各种处理所需的准确时间，以此为依据平衡并优化装配线；e) 对分配的操作进行分析，比如判断在汽车的这一侧操作是否有限制，是否在另一侧操作更合适等等。(3) 数字化工艺规划验证(DPV: Digital Planning Validation)。对整个工作区域进行三维仿真和工位优化布局，验证工位之间没有互相的干涉，生产线的布局设计能够保证逻辑上和连续的工作；进行生产线动态仿真，进行生产
12、能力的评估、瓶颈检查和生产资源利用率的评价；向管理人员和车间人员提供当前做出的工艺计划并听取反馈意见。(4) 生产管理和供应商协同。高效的生产管理要充分利用制造执行系统(MES)、实时流程和控制(SCADA/HMI)以及流程规划的功能；供应商协同的目标则是为了确保零配件的质量，并实现准时生产。3）动力总成工艺的特点及数字化制造需求发动机是汽车的关键部件，它的制造工艺非常的复杂。发动机制造工厂都包含缸体、缸盖、曲轴等的机械加工生产线，发动机的装配线，以及发动机检测线和设备。发动机的制造质量直接影响着汽车产品的性能水平和可靠性。随着发动机趋于轻量化、结构简单化、性能优质化，发动机制造技术和工艺发生
13、了很大的变化，高速、高效、柔性是制造工艺当前的主要特点。为了应对这些挑战，除了采用先进的制造技术和制造设备以外，进行数字化工艺规划和仿真验证也是提高动力总成工艺水平的重要途径。数字化工艺规划的基本需求是：(1) 加工工艺规划。a) 识别发动机设计模型的加工特征，进行基于知识的工序选择、工装设计和多轴方案规划；b) 自动生成加工过程的NC 代码，并提高NC 程序的质量和性能；c) 确定机加工生产线，进行工序分配和生产线平衡。(2) 装配工艺规划。发动机装配生产系统由各部件装配、总成装配和与此对应过程的各种检测和控制组成，如气缸盖装配、活塞连杆总成装配、主轴瓦检测、曲轴转动和轴向间隙检查、扭矩检测
14、、密封检测、冷态检测等。整个装配生产系统的完备性和先进性主要取决于装配流水线中各关键工位(控制点)的控制，这些关键工位对于最终所生产出来的发动机的质量是至关重要的。因此装配工艺规划必须能对关键工位的操作步骤进行分析和优化，管理装配偏差，改进质量。数字化工艺仿真的基本需求是：(1) 建立发动机生产车间的仿真模型。a) 建立实体模型：发动机机加、装配、试验、仓储等工艺布局的三维模型；b) 建立工艺流程仿真模型：装配、机加工工艺流程、试验工艺流程、辅助生产工艺流程、物料搬运过程等数据模型。(2) 通过仿真生成发动机生产线的工艺布局优化方案并进行数据分析。a) 分析生产线空间利用率；b) 为不同的业务
15、决策模拟运行过程(以最终纲领为依据)，分析生产线的负荷平衡问题，提高各种设备利用率，提高生产线的效率；c) 确保系统在动态运行时不会因为布局本身的不周而发生阻塞和干涉。(3) 通过仿真生成发动机车间量产后的物流分析及物料配送计划。a) 统计相关数据求出物流量和各种路径的物流强度等，提出方案减轻物流量大的路径或单元的压力，达到运输路线的最优化；b) 输出物料配送计划，通过人工修正和补充提出合理的配送计划；c) 建立物料库存的动态仿真模型，动态模拟库存状态，提出方案减少库存投资和确定合理的库存量。(4) 通过仿真生成发动机车间生产、物流成本分析报告。输出生产成本，计算物流成本在生产成本中的比重，提出报告并分析原因。3数字化制造的内涵及其在汽车行业中的发展现状1）数字化制造的内涵CIMdata 将“数字化制造”定义为：一套支持设计和制造工程团队之间进行协同工艺规划的解决方案，它采用最切实可行的流程，允许访问包括工具和制造流程设计在内的完整的数字化产品定义，它由一系列支持工具设计、制造流程设计、可视化、仿真和其它优化制造过程所必须的分析活动的工具集组成。更广义的“数字化制造”概念是指将数字技术应用于产品的工艺规划和实际的制造过程中，通过信息建模、仿真分析和信息处理来改进制造工艺，提高制造效率和产品质量，降低制造成本所涉及的一系列活动的总称。
