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1、MDM及Tecnomatix系统在车身工艺开发中的应用摘要本文主要阐述了在车身新产品开发过程中如何进行同步工程及数字化工艺开发工作。并通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、快速响应市场变化等方面的重要意义。关键词车身工艺开发,主数据模型,工艺模型、同步工程、电子工艺卡片MDM and Tecnomatix System Applied for BIW Process DevelopmentAbstract: The Paper introduces the key steps of how to implement simultaneous engineering
2、 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,
3、Master Data Model, Process Model, Simultaneous Engineering, eBOP (electronic Bill Of Process)1前言随着汽车行业国内外市场竞争的日益加剧，中国国内的汽车制造企业在不断提高自身新产品的整车研发能力，推出新产品的速度和质量是企业占领市场先机的重要保证。在这方面上海通用汽车一直处在国内市场的领先地位。能做到这一点，除了靠先进的市场策划及产品研发能力保证外，在整车车身制造工程方面上海通用汽车也建立了一套从前期产品同步工程到工艺规划、工装设计、制造直至现场生产管理的完整、高效的流程体系及与之相对应的数字化制造系统
4、。本文将详细论述在车身新产品项目中如何建立这一系统以及其中的关键技术环节。2全数字化车身工艺开发系统新车型的开发可分为车身产品设计、生产线工艺规划、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承担的从生产线规划到调试的生产线准备工作的质量、成本、周期将直接影响新车型上市时间及企业所获得的利润。如何在获得产品信息后快速、合理地给出最佳制造方案，并将该方案逐步细化实施，保证新产品如期上市是制造工程所面临的首要技术挑战。借助同步工程对产品开发的早期介入及全数字化的工艺开发平台使得上海通用汽车在全新平台的整车车身项目中制造准备周期及生产线成本大幅下降。这一系统的组成主
5、要包括产品模型（Product）、主数据模型（Master Data Model）、工艺模型（Process Model）、资源模型（Resource Model）及基于网页的电子化工艺卡片（eBOP- electronic Bill Of Process）五个部分。与之相关的软件平台为Siemens公司的UGnx5, TcAE及Tecnomatix，各系统之间的相互关系如图1所示。图1 全数字化车身工艺开发系统3面向制造工艺的车身主数据模型（Master Data Model）一辆整车的白车身是由上百个冲压件经过30004000个左右的电阻焊点的焊接过程以及涂胶、冲铆、螺接、弧焊、甚至激光焊
6、等多种工艺过程制造而成的。产品工程师在设计新车型的过程中往往主要根据市场造型及性能的需要设计出车身各个零部件，但是产品设计方案的可制造性好坏直接影响今后的产品质量及制造成本。通过同步工程的实施，建立车身主数据模型（MDM），制造工程师可以在项目早期介入对产品可制造性的虚拟评估，对产品设计提出改进意见。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的产品数学模型按照制造工艺的流程和特征重新搭建为一个新的数据模型单元，用以进行虚拟评估（图2）。图2 车身前围总成的主数据模型（MDM）一个完整的白车身产品模型可以根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、
7、总拼、门盖等若干主数据模型（MDM）。每一个总成的MDM模型包括制造这个总成所需要的零件产品模型（PRD）（包括胶等）以及焊点数据模型（WLD）（包括弧焊、铆接等）、零件定位基准模型（DTM）两种表达制造特征的工艺模型（图3）。通过建立这样一个集成化的主数据模型（MDM），制造工程师可以在虚拟环境中分析出产品设计的问题，并提出改进的方案。MDM模型的建立可以通过UGnx软件中专门根据通用的需求二次开发而成的MDM功能插件（MDM Toolbar）来实现。图3 主数据模型的结构通过这样的MDM模型我们可以分析出产品及制造过程中的以下几类问题：（1）零件上料次序。由于实际操作工上料的人机工程问题或
8、者从零件定位精度的角度考虑，零件间的相互搭接必须按照一定的次序，如果产品设计者没有考虑到这一点，将给后期的制造带来很大麻烦。通过分析模型中零件与零件的相互关系，制造工程师可以给出最佳的装配顺序。（2）定位基准的优化。以往的制造工程师在产品冻结后才开始设计工装夹具的定位基准，等在制造中发现问题再去改进产品设计已经晚了，需要花费一定的成本。在建立主数据模型的过程中制造工程师可以将头脑中构思的工装夹具定位基准直接布置在零件的几何特征上，基准与零件之间，基准与焊点之间的相互关系一目了然。通过分析制造工程师对零件上的基准位置、定位孔的开孔方向，大小能够给出最合理的建议。另外对于共线生产或回用现有生产设备
9、的新产品设计，制造工程师可以将现有设备的定位基准位置准确地描述于新产品零件数模上，可以建议产品设计工程师在零件上保持这些基准特征以最大限度地节约后期生产线改造的成本。（3）焊点分布的位置。产品工程师前期会根据CAE强度分析结果给出初始的焊点位置数学模型。这些焊点位置是否合理，需要制造工程师根据制造经验及制造标准来判断。在UGnx软件环境中我们可以预先设定一些焊点检查标准，如：焊点间的最小距离不得小于20mm，焊点到零件边缘的最小距离不小于7mm，焊点连接的两个零件之间的最大间隙不能大于6mm，1个焊点连接位置的零件最多不能超过3层等。标准设定好以后，可以运行MDM插件的焊点检查功能。几秒钟的运
10、算后，软件可以自动将不符合规则的焊点标示为红色，符合标准的焊点标示为绿色。对于问题焊点，制造工程师会与产品工程师一起，逐个给出优化的方案。除了焊点与零件之间的相互检查，由于MDM模型是包含了零件、焊点、基准三方面信息的一个集成模型，制造工程师也很容易发现与基准位置发生干涉的焊点。这些焊点在制造过程中由于与工装基准位置干涉或距离过近会导致零件夹紧后焊枪与工装碰撞，无法完成焊接。对于这些焊点及基准的布置，制造工程师也会经过分析给出最佳的改进建议。总之，项目前期通过建立MDM模型对新车型产品设计进行虚拟评估，大大降低了项目后期产品更改的费用，并节省了项目时间。4Tecnomatix系统支持下的数字化
11、车身工艺模型开发过程传统工艺开发大多采用二维的作业方式，制造工程师借助AutoCAD，Excel等工具进行生产线平面布置图、产品工艺流程图、工装基准截面图、焊点分配图、操作工时分析图等工艺内容的开发。传统方法的缺点是编制各种工艺文档的工作量大，耗时，费力；文档种类和数量繁多，不便于归档保存，一套完整的整车车身工艺文件打印出来的话可以堆满整整一个文件柜；更改过程难以控制，各种文件的更改一致性差，由于产品设计的更改或工艺的优化，在工艺开发过程中常常会有变更的情况出现，上述各种工艺文件的更改难以保持同步，可能会有遗漏或相互矛盾的情况发生。为了解决上述困难，提高效率，上海通用汽车从2006年开始逐步引
12、入了源于以色列Tecnomatix公司的数字化集成工艺开发、过程仿真系统。历经三年的学习和摸索，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的3D布局和整个工艺过程的数据模型。这一系统的应用，使得工程师更直观、更快捷地直接通过对零件模型、焊点模型、基准模型的选择、拖动、编辑等简单操作就能够完成复杂的工艺开发工作（使用Process Designer模块），并且还可以进一步通过同一数据库系统下的仿真功能（使用Process Simulate模块），直接评估工艺结果的可行性。应用Tecnomatix系统进行工艺开发的主要步骤及流程（图4）包括：图4 全数字化工艺开发流程图（1）数据导入。开发
13、工艺模型的数据源头是前期同步工程过程中建立的MDM模型。MDM是通过UGnx软件建立于TcAE数据库中的数学模型，在进行工艺开发时，首先需要利用Tecnomatix系统中的CADlink模块将数据导入到Tecnomatix系统本身的数据库中。接下来整个工艺开发过程及结果输出都将在这个数据库中完成。（2）建立生产线工位布局。工艺布局可以在AutoCAD软件中创建然后导入到Tecnomatix系统中转化为3D，也可以通过Tecnomatix系统直接进行3D立体布局。在这个环节中，除了进行图形化工位布局，工程师在软件中还需要通过Process Designer模块中的其它窗口进行生产线结构自顶向下的
14、文字描述型定义。包括整条线：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；以及生产工位：如前围010工位、前地板020工位等（如图5）。图5 Process Designer中的生产线结构在这种定义中每个工位即是一个节点，在数据库中可以与该工位中需要完成的装配零件、焊点、定位基准、资源（包括工装、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的生产状况。生产线工位布局还需要符合项目的生产纲领、投资预算等的相关制造策略的要求及厂房面积等条件。（3）零件分配。根据前期同步工程分析得到
15、的最优装配顺序，将零部件逐级分配到每个工位中去，在数据库中创建零件产品信息与工位之间的联系。同时也可以在软件其他窗口中创建一棵完整的车身零件装配关系树，作为在网页中输出零件装配流程图的数据源。（4）工艺分配。零件装配流程建立后，对于与零件几何相关的对应焊点、基准等制造工艺特征也可以随零件一起分配到相应的工位中去。焊点信息除了可以分配到工位以外，还可以在同一工位中进一步细化分配到特定的操作工/机器人、特定的焊枪等更小的结构单元。对于分配到同一把焊枪中的多个焊点，工程师还可以定义焊接操作顺序。（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的
16、可行性及最优解。工程师可以在Tecnomatix系统中建立资源库，存储常用或标准设备的3D模型（如常用型号的机器人、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的设备模型，并利用软件中的仿真模块（Process Simulate）定义设备的相互运动关系（如机器人轨迹、焊枪打开闭合等）可以快速得到工艺仿真结果。通过工艺仿真可以计算完成一个工作循环的操作工时、分析设备运动中的轨迹干涉、确定机器人的最佳位置、高度等。通过仿真分析，工程师可以对初始工艺方案进行优化，给出最佳方案（如图6）。图6 工艺仿真模型（6）生成电子工艺卡片。在Tecnomatix系统中建立完整的工艺模型后，软件中的eBOP功能还支持将工艺开发结果输出为各种格式的网页报告（如图7）。车间管理人员或生产操作人员可以通过登陆网页的形式浏览、下载或打印形式多样的电子工艺卡片（包括工艺流程图、焊点顺序及焊接参数表、
