DELMIA系统在白车身焊装数字化工厂中的应用

作者:上海汽车商用车有限公司 姜雪艳 徐贵峰 点击数:1350 发布时间:2018-08-22
上海汽车商用车有限公司 姜雪艳 徐贵峰
DELMIA系统在白车身焊装数字化工厂中的应用

同步工程、工艺规划等是白车身生产准备中重要且不可或缺的工作,在其中利用DELMIA系统可以提高工作效率、缩短开发周期并提升工艺质量。本文以某车型的车身车间总拼线为例,对DELMIA系统在白车身焊接领域的应用进行了详细的阐述。根据白车身的焊接工艺规划流程和装配制造过程,应用DELMIA系统的实施流程如图1所示。

图1  应用DELMIA系统的实施流程

 

DELMIA系统

目前,中国汽车企业制造工艺的规划主要是依靠工程师的个人经验和积累,这在一定程度上提高了对工程师的要求,降低了工艺规划的质量,同时增加了产品的开发周期,提高了开发成本。仿真软件的应用能在一定程度上解决工程师规划能力和经验不足的问题。DELMIA系统是法国达索公司出品的具有较强模拟仿真功能的三维设计软件,其应用涵盖了汽车、航天、航空和船舶等几乎所有机械产品的数字化制造。该系统分为3个部分:DELMIA E5(DPE)、DELMIA V5(DPM)和DELMIA D5(QUEST),这3个相对独立的部分可以通过PPR(Process、Product和Resource)Hub连接到一起。常规操作是通过E5进行工艺规划、资源规划和数据库的创建,通过V5和D5进行资源布局和工艺仿真,通过PPR Hub进行三者之间的数据传输。

1.DELMIA系统在白车身焊接中的应用

同步工程、工艺规划是白车身生产准备的重要且不可或缺的工作,正是在这些方面可利用DELMIA系统来提高工作效率、缩短开发周期和提升工艺质量。

通过引入DELMIA系统,充分利用电脑仿真技术,可尽早发现问题、研究改进方案,例如:通过白车身各个总成零件在工装夹具上的仿真,验证可装配性;通过焊接设备对白车身焊点的仿真,验证可焊性;通过每道工序的工时分析,对生产线节拍进行分析、优化线平衡;通过对三维工厂的资源布局、人机工程分析,优化人力、物流场地等资源;通过数据库技术,完整保留企业的历史数据和经验,为新产品提供可靠的依据;通过变更识别等数据接口,优化工作流程,提升与产品设计部门的同步协调能力;自动导出生产需要的规范的各种工艺文档。

2.DELMIA系统的优势

通过DELMIA仿真验证,可以把大量需要在现场调试的工作放到软件中完成,这样可以减少返工几率、降低成本并缩短产品投放时间;通过装配性、可焊性、车身通过性分析以及线平衡优化,优化平面布置和工艺流程,提高工艺规划质量,提高制造BOM的准确性;提供一个与产品设计同步工程的平台,可以及早发现设计中的缺陷,更有针对性地提升设计质量,对设计规范提出要求;通过系统自动生成的各种工艺文档,可直接指导现场生产,而且标准化程度很高,能够避免人为出现的错误。

 

初步工艺规划

初步工艺规划主要包括产品数据和焊点的导入、装配规划,在装配规划过程中可以进行焊点可焊性分析,进行焊枪初步选型;还可进行夹具夹头的定位设计,这部分内容主要是夹具供应商来做,一般的汽车主机厂都不会涉及。

1.产品数据、焊点导入

通过D5中的产品导出命令将整个产品结构导出,导出的产品会自动生成轻量化数据,然后通过E5将轻量化数据导入到软件系统中,系统会将整个结构树还原。生成轻量化数据的优势在于:第一,工艺工程师不会误修改产品数模;第二,会大大减少所占内存,降低对计算机硬件的要求,提高工作效率。产品导入完成后,通过E5模块将BOM导入到系统中,如图2所示,BOM中的属性信息会自动填写到程序中,尤其是配置信息,在打开项目的时候,就可以很方便快捷地通过过滤器筛选出不同配置的车型。导入BOM的过程也是一个自动检查的过程,系统会自动对产品数据和BOM进行比对,找出差异点并用颜色进行标记以此来保证两者的一致性。同时,我们都知道产品经常会发布设变通知单进行设计变更,系统可以很方便地导入设变以后的数模,并且对不同版本的数模进行比对,就可以清晰地看出设变前后的区别。

图2  导入属性信息

焊点导入的操作比较简单,大量的工作都是由系统自动完成。导入的焊点会自动与零件关联,并且生成焊点的EXCEL文件,自动编号,得出每个总成的焊点总数量,如图3所示,编号规则可以根据用户需要进行二次开发。同时,在生成EXCEL文件的过程中,自动检查有问题的焊点,还会反映出部分产品数据的问题。比如说,在生成的EXCEL文件中发现有变红的部分,通过分析,发现是焊点所涉及的钣金件层数的问题,进一步分析发现是车身数模有问题,数据中漏件或者零件没有装配到位等原因。

2.装配规划

装配规划主要是通过连线来定义产品的装配顺序,同时把焊点分配到每条生产线上,即定义白车身的工艺流程。定义之后的工艺流程清晰明了,便于后期对其调整和优化。装配规划完成后,DELMIA结构树上会显示每条生产线的输入,同时自动生成每条生产线的输出。

3.焊枪初步选型

焊枪初步选型主要是在没有工装的基础上进行初步的焊点可焊性分析,如图4所示,从而缩小可选焊枪范围,进行初步的焊枪选型。焊点可焊性分析主要包括焊枪自动分析和手动分析。焊枪模拟分析对主机厂来说有很重要的作用,可以做焊枪选型以及供应商的焊枪验收

在焊枪自动分析过程中,可以一次性对多把焊枪、多个焊点进行批量分析,并能够用直观的饼图显示计算结果,如图5所示。分析的结果还可作为后续焊点分配的依据,从而完成焊枪的初步选型。在早期的同步工程阶段就进行焊点可焊性分析的话,就可以把制造可行性较差的焊点及时的反馈到产品设计部门进行调整。

在焊枪自动分析过程中,可能存在某个区域大部分焊点都可以用一把焊枪来打,只有个别焊点存在干涉的现象,这时就可以进行焊枪手动分析。在焊枪倾斜角度允许的范围内调整焊枪角度,避免干涉,从而达到焊枪通用的目的。

当然,在焊枪模拟之前,要对焊枪进行简单的处理,通过D5中的模块对焊枪进行DMU仿真,使焊枪能够达到闭合、半开和全开等几个状态,这样才可以进行自动分析。

4.夹头定位设计

利用焊枪模拟的结果,可以进行焊枪设计和夹头定位设计,如图6所示。虽然目前大部分主机厂不会涉及这部分工作,而是外包给工装供应商去做,但是这个模块可以帮助我们更加了解焊枪,在看到焊点和零件结构的时候就可以想象出大概可以用什么形状的焊枪来焊接,这对还不具备丰富工艺经验的工程师来说尤为有利。

 

生产线规划及资源布局

生产线规划及资源布局主要包括生产线规划、工位规划和任务定义、工时分析和线平衡、生产线资源布局、焊枪再次选型以及资源利用率分析和优化。工位和工序的规划不可能是一次性完成的,需要不断改善和优化,尤其是在线平衡调整之后。目前来说这部分内容是一个反复调整、不断优化的过程,比较繁琐复杂,DELMIA系统可以做的就是尽量简化过程,使其更直观,从而节省大量的时间甚至是成本。

1.生产线规划

根据规划好的工艺流程建立与之对应的生产线,生产线上会自动分配输入的零件和要处理的焊点,并生成输出的焊接总成。

2.工位规划,任务定义

工位规划是在生产线下创建工位,把零件和焊点从生产线分配到每个工位。任务定义主要是定义每个工位的工序,通过连线体现其逻辑顺序。不同的工序有不同的图标,这样会使整个操作过程更清晰直观。

3.工时分析、线平衡

工时分析对主机厂来说是很重要的工作内容,较好的线平衡可以极大地提高工作效率和资源利用率。工时分析是通过工时卡完成的,工时卡是软件供应商针对用户需求进行的二次开发。在工时卡中选择具体的操作步骤,即任务定义中的工序步骤的细化,系统会自动生成每个操作步骤的时间,如图7所示,这个时间是根据主机厂的生产节拍定义的。最后系统就会自动生成工位的总时间,并以Gantt图的形式体现出来,如图8所示。通过图8,可以清楚地看到每个工位具体的作业步骤和操作顺序,以及每一个步骤的起始时间、循环时间和结束时间。

图7   标准动作时间计算表

每个工位的工时分析做完之后,就可以进行一条生产线的线平衡分析,即根据工时分析的结果,调整每个工位的作业内容,来优化线平衡。对车身工艺来说,最主要的就是调整上件顺序和焊点的分配。

4.生产线资源布局

生产线资源布局即调入资源,按照平面布置图进行整体布局。首先要对所有资源(如夹具、焊枪和机器人等)进行整理和简单的处理,比如对资源的数据进行轻量化处理、建立夹具和机器人的Home Position等。简而言之,就是把整个车型的生产线按照其实际位置以三维数模的形式体现出来,如图9所示。

图9  以三维数模体现整个车型的生产线

5.焊枪再次选型

资源布局完成后,再次进行焊点可焊性分析以及焊枪选型。此次分析要把工装夹具、人机工程等考虑进去。首先把车身数据放到夹具上,然后使用初步选择的焊枪进行模拟,避免焊枪与所有资源的干涉,缩小焊枪选择范围,最后确定每个工位所使用的焊枪。如果发现焊接可操作性和人机工程较差的焊点,就要对焊枪、焊点进行调整,或者把焊点调整到别的容易焊接的工位。然后再次对工位和工序规划进行优化。同时,在分析的过程中还可以验证夹具的合理性。

6.资源利用率分析和优化

做完工时分析和资源布局之后,即可进行资源利用率的分析和优化。如图10所示,系统可以自动计算出每个资源的效用值,同时能够很直观地显示出资源的冲突,从而平衡资源的分配,提高资源利用率,降低成本。

图10  资源利用率的分析和优化

 

资源仿真与验证

资源仿真与验证主要包括焊接路经验证与优化以及人机工程分析,即进行机器人仿真或人工仿真。机器人仿真的操作相对简单一些,因为机器人本身就做好了各个自由度的动作范围;而人工仿真操作性的难度相对大一些。

1.焊接路径验证与优化

资源仿真主要是根据规划,让所有的资源按照预想运动起来,操作人员上件、夹具夹紧和机器人焊接等,都可以将真实的动作状况模拟出来,如图11所示。在资源仿真的过程中,通过优化资源布置,可以减少操作人员在作业过程中的行走距离,避免工人在作业过程中相互影响等。

资源仿真在产品输送、吊具运动的干涉分析检查方面的应用较多。尤其是在线体改造的时候,可以通过简单的通过性干涉检查,在系统中直观地看出改造车型是否可以顺利地通过生产线以及输送线,如图12所示。

2.人机工程分析

系统可以自动分析人的可视范围以及舒适度。比如说某个操作员工在涂胶的时候,离涂胶位置比较远,需要踮起脚尖才够得到,那么系统会经过分析确认他的舒适情况,并将可能会感到不适的部位变成红色,如图13所示。工程师就可以据此来调整工位的任务,从而降低操作人员的疲劳度,提高其工作效率。

 

其他

1.工艺文档输出

工艺文件主要是为了指导现场进行生产,但是工艺文件的编制非常耗时而且容易出现很多人为的错误,比如零件号写错、焊点遗漏等。DELMIA软件供应商可以根据主机厂的要求,对所有需要输出的工艺文件进行二次开发,通过二次开发程序,给予系统一定的输入,就可以自动输出标准化程度很高、人为错误很少的工艺文件,从而更好地指导生产,如图14所示。

2.反馈设计部门以及夹具供应商

利用DELMIA软件,工艺工程师在进行工艺规划的过程中,可以很直观地发现产品设计问题,从而在项目前期及时地反馈设计部门,这样能更容易地开展同步工程工作,真正做到工艺引导设计。

同时,还可以利用软件模拟出来的结果与焊枪供应商和夹具供应商进行交流,尤其是在做验收的时候,可以很直观地去发现供应商的问题,从而及时地解决问题,而不是等到焊枪和夹具都安装完成后,在调试过程中才发现问题。

3.定制与二次开发

DELMIA供应商会在完成基本需求的基础上,充分考虑系统的扩展性与集成性,根据用户的特别需求继续进行相应的定制开发,并在此基础上与其他工程软件进行集成。

对于白车身焊接工艺来说,一般需要进行的二次开发主要包括:工艺元素集(PTS)定制、焊点导入及其编号生成接口、工时卡定制以及各种工艺文件输出接口;针对集成性,主要是实现DELMIA与上流的产品数据系统(PDM)、与下流的现场工艺文件系统的连接,在DELMIA应用的基础上,充分考虑整体的IT架构,实现数据的连贯性和完整性。

 

结语

DELMIA作为一个数字化的软件系统,具有非常强大的功能,在汽车焊接中的应用也只是其冰山一角,它为白车身焊接工艺提供了一个很好的同步工程和工艺规划的平台,值得进行深入的研究和广泛的应用。