基于Tecnomatix的汽车焊接数字化工艺设计过程

唐凤霞，刘 俊，范锐强，黎 亮

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基于Tecnomatix的汽车焊接数字化工艺设计过程

唐凤霞，刘 俊，范锐强，黎 亮

（重庆小康工业集团股份有限公司，重庆市 400000）

为了解决产品设计和产品制造之间的鸿沟，降低设计到生产制造之间的不确定性，采用Tecnomatix数字化工艺设计方法，以某车型下车体为例，从仿真前提环境建设、三维规划方案设计和虚拟仿真三个方面进行研究及论述，利用此方法实现了在产品设计阶段，焊装工艺设计同步开展三维规划设计和虚拟仿真验证工作，从而可于设计阶段有效规避问题发生，减少开发周期和变更成本。

数字化；虚拟仿真；三维规划设计；Tecnomatix

1 引言

随着汽车市场竞争的日益激烈，产品开发过程越来越复杂，对于产品开发周期要求越来越高[2]，传统工艺设计模式以个人经验为主，工艺设计及评审主要以二维静态形式展开，不能够为设计师直观准确地展现问题，工程设计阶段缺少统一仿真平台和标准，仿真过程可控度较差，工艺验证主要为物理验证模式，周期长，成本高，现场试制过程中，干涉等问题多，难以支撑汽车行业高效率、高质量和低成本的需求。Tecnomatix是一套全面的数字化解决方案组合，基于该平台能有效解决传统开发生产过程中存在的痛点。 Process Designer（以下简称“PD”）与Process simulate（以下简称“PS”）是Tecnomatix平台中重要的两个模块[4]，焊装工艺为汽车制造过程中的核心环节，本文将基于某车型下车体生产线介绍焊装数字化工艺设计与仿真验证过程。

2 设计前提

2.1 白车身数字化工艺设计流程

白车身数字化工艺设计流程如图1所示。

2.2 Sysroot结构

Tecnomatix一般有3层数据结构，即Client、eMServer和Oracle。Oracle数据库存储项目的所有对象节点及其关联关系，Sysroot下主要存储于eM database中的节点相关的所有外部文件[2]，主要包括产品和资源的3D、文档和AutoCAD文件等，如图2所示。

图1 白车身数字化工艺设计流程

图2 Sysroot存储结构

2.3 项目模板

在系统中，搭建规划及知识资源库结构，主机厂及供应商基于该结构进行设计及仿真数据存放。项目资源库中存放设备资源、典型工艺等，产品文件夹中存放产品数模，制造特征库用于存放产品的制造特征，如点焊、弧焊和涂胶等制造信息，车型变量库中用于存放车型变量，用于多车型共用线体区分，项目规划文件夹中存放项目规划相关文件，在该节点下创建车型节点，车型节点下分别创建车型规划仿真节点、 Layout 节点以及技术人员进行规划仿真的 Module 节点，临时文件夹存放粗规划设计时的临时相关文件，供应商规划文件存放承包方在规划设计仿真时的临时相关文件，如图3所示。

图3 Sysroot存储结构

2.4 数据库搭建

建立资源分类库主要分为制造特征数据库、产品数据库、制造资源库和经典工艺库，资源的添加、变更和发布等通过资源库管理员进行统一管理，能够确保资源的准确性、唯一性。数据资源需按要求填写属性，设计工程师可根据属性特征实现资源的快速查询、调用。

2.5 数据转换与导入

白车身规划仿真用到的数据主要为产品数据、制造特征数据（点焊、弧焊、涂胶、螺接和铆接等制造特征）、制造资源数据和二维布局图[3]。将其他格式的产品、制造资源数据和二维布局图转换为Tecnomatix可识别JT文件，将该JT文件放于对应名称的cojt文件夹中，并放置于Sysroot目录下，在Process Desgner中运行命令Tools→ Administrative Tools→Create Engineering Libraries 命令，选择该资源对应的类型导入资源数据。

焊点需从产品数据中手工导出中间文件，中间文件为.CSV格式，在系统中运行File→Import→Import eBOPfrom File，找到.CSV 文件完成焊点导入。

连续制造特征如弧焊、涂胶等，需在Catia中做出特征线，为了保证转换数据后所有的特征线都是分开独立的，在转换数据之前对特征线进行分拆，另存为多个Catia文件，将转换后的连续性制造特征cojt文件放在系统根目录的对应文件分类中。回到PD软件在特征资源库上单击右键，新建连续性制造特征，然后在新建的连续性制造上单击右键选择属性，连续性制造特征属性窗口打开后切换到Physical选项卡，在3D File处选择连续性制造特征的co文件（系统根目录中），关闭属性窗口，连续性制造特征便创建 完成。

3 PD工艺设计

在PD中，基于生产节拍、自动化程度及生产方式等指导性文件，能够快速将产品信息与产品制造特征、制造资源和制造工艺关联在一起，创建工艺过程模型及制造信息模型，实现对白车身焊接过程中的工艺过程规划及生产信息管理，详细描述了焊接工艺过程实现的工艺顺序、资源设备及焊接特征分配情况、物流流向和作业方法等，并最终于虚拟环境中建立 完成产线三维模型建立，支持仿真验证，如图4所示。

在tecnomatix中，焊点与产品数据分开导入系统中，导入后需对产品和焊点进行关联，并建立联系。规划人员可Lode需要关联的焊点与产品，运行命令Applications—Weld—Automatic Parts Assignment, 完成关联。

采用操作数及资源树双胞胎结构节点，创建产线PrLine及工位PrStation结构，并通过运行命令Tools→Synchronize Process Objects将双胞胎结构中生产线或工位按要求进行同步命名。

图4 PD三维规划步骤

由于BOM表定义的产品结构不一定适用于项目规划前提，因此规划员需要分析产品的零件结构，按照规划前提定义车身零件的上件/焊接顺序，使其既满足BOM表的零件结构定义，又满足实际的工艺规划方案中的节拍等需求。如节拍能满足要求，可将两个或两个以上设计总成归并到同一个工艺总成（夹具）中进行焊接；如节拍不能满足要求，可将一个设计总成分解至两个或两个以上工艺总成（夹具）中进行焊接。确定零件上件顺序后，选择相应工位→右击→New→ Compound Operation，修改操作名称。将要上的零件拖拽到这个操作上，完成零部件上件定义。

完成工位的上件操作后，需建立相应的焊接操作和输送操作，完成整个工位工艺操作的定义。原则上需优先从经典操作工艺库中拖拽，如果在经典操作工艺库中找不到合适的操作，则创建新的操作。单击需要创建操作的工位→右击→New→对应操作节点类型及数量即可完成。创建完成后，按要求规范进行命名及属性的填写。

车身每个总成上都要完成许多焊点，在编制焊点布局图时必须对焊点进行分组，即将1把焊钳在1个工作节拍内完成的焊点分为1个焊点组，焊点分组时需权衡工位节拍、焊接强度及可达性，相同设备焊接焊点尽量分配在相同工位以减少投资；在制造特征库中找到待分配的焊点，将其拖拽到指定的焊接操作上，完成焊点分配[3]。

生产工位内的操作工艺定义完成后，在Pert图中确定工艺操作的顺序，制定操作工艺流程。Pert图同时显示了与工艺操作相关联的工艺信息，包括与资源、零件和MFG信息的关联关系，如图5所示。

图5 某车型下车体组焊工位PERT图

新建的工艺操作，由于其没有MTM标准代码，因此操作时间需要规划员根据经验进行预估。选择新建操作节点→鼠标右键→“Properties”打开属性窗口→选择“Time”标签→在“AllocatedTime”栏填入预估的操作时间。

用GANTT图对工艺规划中的工位工作量进行平衡分析，以显示资源及操作在工艺周期间的分配情况，如图6所示。

图6 某车型下车体组焊工位GANTT图

焊点分组及工艺流程规划工作完成后即可进行焊钳选型，确定焊钳的最小数量，然后根据工件的形状及尺寸确定焊钳的形式（X形、C形）、喉深、开档、行程和电极形状，在标准库中选取合适的设备。使用Process Simulate软件中的“Gun Search”命令，对焊点的焊接可达性进行分析，并进行焊枪筛选确定。

工艺流程及设备选型完成后，即可进行三维布局规划，所谓的三维布局规划是指在选定的设施区域内，合理安排组织内部生产作业单元、辅助设施的相对位置和面积及设备的布置，并将对应的三维数模布置于相应位置[3]，使之构成一个符合企业生产经营要求的有机整体，如图7所示。

图7 某车型下车体生产线三维模型

4 PS仿真验证

在工艺规划及三维布局完成后，可以在PS里面对制造过程进行虚拟验证。通过在同一环境中，模拟装配过程、人工操作、设备运动轨迹、焊接可达性和工艺顺序等，帮助工程师在设计初期发现问题并及时更正，以下主要介绍PS的典型应用——机器人点焊仿真。

运行RobcadStudy打开仿真文件，将焊点投影到零件表面。选择分配到焊接操作上的焊点，单击Weld→Spot→ Project Weld Points命令，将焊点正确投影，如图8所示。

图8 机器人点焊仿真过程

焊点投影完成后，进一步定义该焊接操作的机器人，完成机器人的定位以及其底座高度的确定。首先进行工具安装，先选择机器人，再在菜单栏选择Kinematics→Mount Tool，打开工具装配对话框窗口→在工具装配对话框中选择工具和工具安装坐标系，以及机器人及其安装坐标系→选择好工具的Toolframe后，单击工具坐标系旁的“Create Frame of Reference”按钮，在出现的“Position”窗口中输入工具装配时与机器人TCPF的偏移量，单击”OK”完成工具坐标系的设置→单击“Apply”确认，完成机器人上工具的装配，如果机器人与工具间有连接法兰或者Toolchanger，需要在工具装配时将工具装配到正确的位置。

工具安装完成后，可定义焊接操作的机器人及焊枪，选择焊接操作→鼠标右键→“Operation Properties”命令，打开焊接操作的属性窗口→在“Process”标签中，选择Robot信息栏→在对象树窗口选择机器人资源节点，此时装配到机器人上的焊枪将会自动添加到Gun信息栏→单击“确定”完成焊接操作的焊枪定义。

调整机器人位置，焊点可能还是不可达，在Process Simulate中，还可以使用“Smart Place”命令对机器人进行智能定位，单击下拉菜单Kinematics下的“Smart Place”命令，打开“Smart Place”窗口→将机器人和焊接操作添加到窗口相应信息栏中→在窗口的Search Area区域，设定机器人智能定位的查找范围和位置点数→单击“Start”按钮，开始对查找范围内所有机器人位置点的焊接可达性进行分析，并在“Search Results”区域显示分析结果→选择某一位置点，单击“Place”命令将机器人直接定位至该位置，红色为不可达的范围，蓝色为可达的范围。查看机器人焊接姿态，修改机器人焊接方向，完成焊点的无干涉焊接调整，如图9所示。

图9 机器人智能工具

焊接操作状态调整好之后，添加中间路径，形成一条完整的焊接路径，进行布局及干涉等验证，在下车体开发过程中利用仿真发现图10，在布局中，上件台与立柱干涉，需调整；图11中焊接过程中电动机与零件干涉，需调整焊枪结构。

图10 布局合理性验证图

图11 干涉性验证

除了上述的焊接操作，在仿真过程中还会用到一些其他的操作，如 Device Operations对有机构的设备进行状态切换定义，Object Flow Operation对物流路径进行定义，Pick and Place Operation对抓放件进行定义，当生产过程中涉及的所有路径及状态切换动作都完成定义后，把它们按照Pert图中的工艺顺序连续执行，就完成一个完整的仿真Sequence of Operations (SOP) 。

5 结语

[1] 葛怀林，李二铁．Tecnomatix在汽车焊装工艺规划设计中的应用研究[J]．汽车与配件，2011(5)：37．

[2] 朱杰．Tecnomatix在汽车焊装领域的应用及思考[J]．电焊机，2013，43(2)：16-19．

[3] 常辉娟．基于Tecnomatix软件的白车身工艺规划与仿真验证[J]．科技与创新，2015（8）：94-95．

[4] 姜海涛．Tecnomatix在重卡焊接工艺设计中的应用[J]．汽车制造业，2011(9)：39-40．