1汽车涂装车间的数字化虚拟工厂建设与应用 - 图文

汽车涂装车间的数字化虚拟工厂建设与应用

摘要

为了确保在当今汽车市场中的竞争力，汽车厂生产制造过程中的不同部分的协调合作越来越被强调。通过应用数字化虚拟生产，将不同的工程活动，例如，设计评估，过程和材料规划，产品流分析和环境影响分析，结合到一个单独集成模型中运行，这就是数字化虚拟工厂。在本文中，我们为汽车公司涂装车间提出了一个过程化，合理化的可预期效果。所以，我们为汽车公司涂装车间构建了一个数字化虚拟工厂。通过在制造工程中应用数字化虚拟工厂，证明在许多制造工程经营规划和新产品开发过程中，这个数字化虚拟工厂对完成时间和资金花费的节约十分有益。

引言

近年来，制造业面临极大的压力，他们运用一种透明可视化产品质量控制在产品开发，生产准备，规划，运营和资源利用方面迫切地提高快速性和高效性。为了满足世界各地不同区域客户的需求变化，产品开发和生产所需时间和资金必须被减少到极限程度。因此，大部分制造公司需要一个新的能够同时实现竞争力和快速生产的产品范例。 数字化虚拟制造是一种集成的计算机模型，它代表了物理的方面，逻辑模式和实际制造系统行为。为创造，评估和监控基于3-D CAD，仿真，数据库和电脑网络的分布式机敏制造提供制造工程内容和解决方案。通常地，数字虚拟制造能够校准并优化制造工程中的许多决定，计划和操作，例如产品设计，设备、夹具和定位装置的设计，过程规划，工厂布局设计，产品和材料流分析，还有各种设备的OLP（离线编程）。最终，它都能在产品开发和生产中节省时间和开支。 一般的电机企业计划将虚拟生产技术作为数学基础的制造编程而应用于他们的生产系统中是开始于1990年。这就意味着，每个工程师在制造技术原型前，迫切地需要通过使用基于数学的模型来实现制造集成系统创造，核实，设计和操作。特别地，许多报道研究了在汽车工厂应用虚拟制造技术的效果，例如，一个整体事务过程的数字虚拟制造的应用调度和策略分析。 使用虚拟制造技术，许多制造中的活动能够被集成，并且在一个系统中实现，因此，制造开支和市场周期能被减少，生产效率可以得到让人侧目的提高。根据现今的虚拟制造报告，航空业夹具和固定件制造时间和开支减少超过75%，机械工厂中的模具设计误差减少大约50%，并且在汽车工业中总的生产线开发时间减少超过20%。图1展示了一个虚拟制造的结构和概念

现场车间模型 虚拟世界 生产模型 工程活动 生产模型 现场车间生产模型 现实世界 过程模型 现场车间资源模型 现场车间目标管理 对照和模型确认 车间楼层监控 过程模型 现场车 间过程模型 资源模型 现场车间资源模型 现场车间环境 图1 虚拟化制造工厂的概念和结构

在本研究中，我们为涂装车间提出了系统有效的数字虚拟工厂的构建方法。并且基于此方法，我们构建了一个复杂汽车涂装车间数字虚拟工厂。研究一个现实汽车厂案例，呈现出虚拟制造工厂的效果。本文致力于通过分析制造工厂过程，更系统有效地建立一个汽车公司涂装车间的数字虚拟工厂。

数字虚拟工厂

虚拟工厂是一个由工厂中的多种模型组成的集成计算机模型，它们包括生产，机器和过程，为工厂制造工作中应用虚拟产品技术提供虚拟生产视角和严苛的环境条件。虚拟工厂也包括了通过模型的应用范围，细节水平范畴和相关信息变动的过程分类。 利用虚拟工厂可以做很多的工作，比如，机械，工具设计，过程和进度的规划，工厂层次结构和房间的设计，后勤的确定以及分配存储区域，产品机械的离线编程执行，程序和方法的综合决策，工作人员教育，错误任务的阻止和提高，冲突检查等等，并且能够减少产品的时间和开支。虚拟工厂不仅能够用作实际工厂的虚拟模型，也可以作为系统审计和控制，决策制定的控制中心。 数字虚拟工厂是一个贯穿产品所有领域应用的集成环境。一旦虚拟车间建立和利用，在管理过程中可能使产品快速检验通过，并且产品开发领域的新思路开发可能会产生。通过生产虚拟原型，对产品有效性和舒适性的评估，使产品的形象化，性能分析，虚拟检测在产品设计领域成为可能。在产品制造领域，制造实用工具的规格决策，过程的最优化和实用工具安排，生产力的提高，开支的减少都成为可能。

汽车涂装车间和工作流程分析

从计划到开始生产，开发一个新车需要很多工程活动。图2给出了普通汽车开发流程。开发过程包括，规划，平台开发，样式选择，模型图纸，模型建立，产品图纸，试验或车赛的产品过程评估，产品试驾，批量生产。不同的工程活动在每个进程中同时执行。

一．涂装车间的制造工厂进程分析

在涂装车间的实例中，一个典型的涂装车间是由数个喷涂进程组成。大致上，那些过程包括电镀喷涂，密封，主色喷涂，检查，喷漆操作。涂装车间过程有这么多要求无需站点停车而能够执行的操作。因此，物料处理装置（几乎所有情况下都是输送）的容量和可靠性是一个涂装车间最重要的。图3 展示了典型的汽车喷涂车间制造工厂进程。

本文涂装车间的布局由三层组成：下层，基层和顶层。下层喷涂，基层喷涂，和顶层喷涂过程分别在每一层进行。喷涂车间有漆料存储间（CBS）和喷涂主体存储间（PBS）作为存储区。它们是进程中的一种缓冲。特别是PBS区域是主体喷涂转向最终集合线的一个临时存放区。

规划 预处理 平台开发 电镀沉积 样式 密封和底漆 模型图纸 中涂喷漆 模型建立 面漆喷涂 产品图纸 检测校验 图3. 典型的汽车涂装车间制造工厂过程 产品和过程评估 产品试驾 量产 图2. 汽车公司普通产品开发过程

本文涂装车间工业化制造过程主要由5部分组成：预处理，电泳，密封和底漆，中涂喷漆和面漆喷漆。预处理阶段的目标是消除车体污染物以增加喷涂质量。并且电泳是在车体运用电镀的第一步。密封和底漆是粘住钢片接缝或者边缘，防止汽车在移动时的损坏。下一个过程是中涂，这是提高电镀质量的第二步喷涂。面漆是第三步，为汽车最终着色。最后在汽车涂装车间执行检查和校验。

在这个过程中，要求多种机器和设备，比如机器人，空中和地面输送。由于涂装车间连续性和自动化过程要求，机器人和车体输送布局更重要。但是人工操

作也和自动化生产线同时在车间的以下工位并存，检查和密封，底漆间，罩光打磨，打蜡，点修补，重点修补。因为这些过程很难运用机器人或者其他机器设备，所以仍然采用人工。图4展示了一个汽车涂装车间的生产流程。

基于这些工作流程分析，我们为数字虚拟制造工厂分析区域和工程活动。表1给出了涂装车间数字虚拟制造工厂的区域，效果和所需数据。

预处理 WBS 强冷缓冲和烘干 底漆烘干 密封 前处理烘干

前处理打磨强冷

面漆烘干

CRS PBS 图4. 汽车涂装车间生产流程

表1

涂装车间数字虚拟制造工厂应用 区域 效果 数据 Eval.drawings P/PR/R 涂装的设计和操作 Eval.Equipments for MH P/R 虚拟工程，过程确认 Eval.interferences P/R 涂装的设计和操作 Eval.quality of painting P/PR/R 控制质量检测 Design and eval. of P/PR/R 虚拟工程， hanger/skid 过程确认 Eval.jigs/fixures P/PR/R 虚拟工程，过程确认 Eval.layout of operators P/R 过程确认 Eval.equipments P/R 涂装设计和操作 Training operators P/PR/R 产品，过程，资源虚拟化 *P：产品，PR：过程，R：资源 涂装车间数字虚拟工厂的构建

一．数字虚拟工厂程序

为了构建一个数字虚拟工厂，必须建立3D CAD和仿真模型。两种建模工作都需要考虑时间，资金和效果。所以，有效的测量，几何建模，基于CAD的知识，仿真和模型再利用，这些技术开发是必要的。另外，系统规划，细节范畴决策和模型维护也同样很重要。因为构建一个数字虚拟工厂花费很多时间和资金，首先必须明确目标，建立一个详细的，高效利用的计划。我们认为细节水平和模型抽象依赖于数字虚拟工厂建立的目标和视角。在应用数字虚拟工厂之后，需要分析和确认结果产生的效果。在实践领域应用这些技术的一步步策略非常重要。图5展示一般的数字虚拟工厂建立步骤。

规划

分析工厂目标

3D CAD 仿真 模型 模型 数字虚拟工厂构建

验证和校正

应用

效果分析和扩展 图5. 构建数字虚拟工厂一般步骤

二.数字虚拟工厂目标 在汽车涂装车间的实例中，有很多机器人，夹紧和固定装置。更甚的是，喷涂过程是在喷漆间进行的，这里面都是密封的区域，并且有很多有害物质，比如油漆，稀释剂等等。因此，评估现实工作环境的机器设备并不容易。由于喷期间的有害和密封的工作环境，就要求数字虚拟工厂来评估多样的工程活动。汽车公司数字虚拟工厂的目标罗列如下：

? 构建规划和新车型开发的车间经营 ? 在早期设计阶段的设计数据评估

? 评估新机器设备，特别是夹紧固定装置，产品，设施和机器人之间的干

扰检查

? 当新车生产时，评估新的产品流程

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