隨著汽車行業(yè)的迅速發(fā)展，新產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)，產(chǎn)品的市場壽命日益縮短，更新?lián)Q代加速，諸多因素威脅著汽車主機廠的生存環(huán)境。因而汽車企業(yè)根據(jù)市場需求做出快速反應(yīng)和決策，推出新的產(chǎn)品，有效地縮短產(chǎn)品的生命周期是提高企業(yè)競爭力的必要手段。
那么如何才能做到有效地縮短產(chǎn)品的生命周期呢?本文主要針對汽車總裝工藝規(guī)劃方面，說明了如何使用數(shù)字化制造技術(shù)提高工藝規(guī)劃水平、縮短新產(chǎn)品開發(fā)周期，新工廠布局、工藝驗證及設(shè)備選型與驗證的時間。
近些年，隨著國內(nèi)自主品牌的崛起，國內(nèi)制造水平的提升，許多主機廠都已經(jīng)轉(zhuǎn)換為自主研發(fā)、自主生產(chǎn)的公司策略，一定程度上得到了市場的認可。但產(chǎn)品的開發(fā)成本以及質(zhì)量都面臨著巨大的問題。原因是傳統(tǒng)的制造模式已經(jīng)不符合的先進生產(chǎn)技術(shù)的要求。
傳統(tǒng)的制造模式是將設(shè)計與制造分開，設(shè)計實現(xiàn)的是功能的描述，而制造實現(xiàn)的是設(shè)計的物化，兩者之間缺乏集成。為了完成設(shè)計的意圖，往往對生產(chǎn)制造要求很高或者生產(chǎn)無法滿足設(shè)計要求。與此同時，隨著計算機和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，使得基于多媒體計算機系統(tǒng)和通信網(wǎng)絡(luò)的數(shù)字制造技術(shù)為現(xiàn)代制造系統(tǒng)的并行作業(yè)、分布式運行、虛擬寫作、遠程操作與監(jiān)視等提供了可能�；谶@樣的原因和條件，數(shù)字化工廠(Digital Factory，DF)技術(shù)在信息時代的制造業(yè)中應(yīng)運而生。
數(shù)字化工廠技術(shù)是數(shù)字制造中關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，數(shù)字化工廠技術(shù)主要解決產(chǎn)品設(shè)計和產(chǎn)品制造之間的“鴻溝”，從而實現(xiàn)工廠、車間和生產(chǎn)線以及產(chǎn)品從設(shè)計到制造實現(xiàn)的轉(zhuǎn)化工程，使設(shè)計到生產(chǎn)制造之間的不確定性降低，在數(shù)字空間中將生產(chǎn)制造過程進行壓縮和提前，使生產(chǎn)制造過程在數(shù)字空間中得以檢驗，從而提高系統(tǒng)的成功率和可靠性，縮短從設(shè)計到生產(chǎn)地轉(zhuǎn)化時間。為此，數(shù)字化工廠可定義為：以產(chǎn)品全生命周期的相關(guān)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，根據(jù)虛擬制造的原理，在計算機虛擬環(huán)境中，對整個生產(chǎn)過程中進行仿真、評估和優(yōu)化，進一步可以擴展到整個產(chǎn)品生命周期的新型生產(chǎn)組織方式。
那么究竟數(shù)字化工廠是如何運行的呢?
數(shù)字化工廠主要是將整個生產(chǎn)的信息總結(jié)為三類對象。這三類對象分別為：產(chǎn)品、工藝及資源。詳細地講，產(chǎn)品主要是指汽車的零件信息，其中包含車身件、裝配件及標準件。工藝是指描述如何安裝零件的方法，以及零件安裝的后質(zhì)量特性，一般汽車廠都會以工藝卡的形式體現(xiàn)整個裝配的工藝。資源是指為生產(chǎn)提供的全部的設(shè)備以及人員，就拿一個普通的工位舉例，可能包含擰緊槍、輸送設(shè)備、物料箱、工裝夾具以及操作者等。那么數(shù)字化工廠技術(shù)的主旨實際上就是將產(chǎn)品、工藝及資源三者有機地結(jié)合起來，在3D技術(shù)、模擬技術(shù)的渲染條件下，直觀地觀察每個工位所包含的全部信息。這樣可以使工藝規(guī)劃人員很容易地發(fā)現(xiàn)設(shè)計的問題所在，可以及時地反饋到設(shè)計部門，然后再做相應(yīng)的調(diào)整，將制造成本降低到最小。
下面筆者就按步驟分析數(shù)字化工廠的工作內(nèi)容。數(shù)字化工廠技術(shù)在裝配工 藝的運用實際上包含以下幾個階段：(1)產(chǎn)品的輸入及管理;(2)工藝的建立;(3) 資源的建立;(4)產(chǎn)品、工藝、資源的關(guān)系搭建。
產(chǎn)品的輸入及管理
在設(shè)計第一次與工藝在新產(chǎn)品的交流中，實際上有如下幾種交付資料：一 是產(chǎn)品零件的明細表，我們稱之為BOM(Bill of Materials)表，主要的內(nèi)容是汽車零件的清單;二是產(chǎn)品的3D數(shù)據(jù)， 這些數(shù)據(jù)都是以車身坐標系下體現(xiàn)的，而且BOM表上的零件清單與產(chǎn)品的3D數(shù)據(jù)應(yīng)該是一一對應(yīng)的;三是整車的產(chǎn)品質(zhì)量特性，主要描述產(chǎn)品在安裝完成后的質(zhì)量標準。在從研發(fā)部門接收到這三方面資料后，就可以將產(chǎn)品數(shù)據(jù)導(dǎo)入到數(shù)字化工廠的軟件中，導(dǎo)入軟件后，將獲得一個產(chǎn)品庫和一個產(chǎn)品樹，產(chǎn)品庫包含了汽車上所有的零件(包括車身)，它的表現(xiàn)形式是零件的ID與零件的3D數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)，并且自動生成零件的預(yù)覽圖，方便查找。產(chǎn)品樹來源于產(chǎn)品庫，它反映著產(chǎn)品設(shè)計的最新狀態(tài)，并且保持著BOM中產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)關(guān)系，也就是層次關(guān)系。
目前在產(chǎn)品導(dǎo)入的階段中，導(dǎo)入零件主要有兩種形式，這主要取決于研發(fā)部門的管理方法。
第一種就是類似于Teamcenter的管理形式，在Teamcenter中，產(chǎn)品的ID已經(jīng)與3D結(jié)構(gòu)相互關(guān)聯(lián)，數(shù)字化工廠軟件擁有直接讀取Teamcenter信息的接口，通過這種方式直接將產(chǎn)品數(shù)據(jù)導(dǎo)入。這種方法在數(shù)據(jù)的版本管理以及與研發(fā)設(shè)計進度同步方面都相當?shù)厝菀缀头奖恪?span lang="EN-US">
應(yīng)該說這樣方法是比較科學(xué)也是比較方便的。但是，由于一些公司還沒有搭建這樣設(shè)計信息平臺。那么只能按照第二種方法，對軟件進行二次開發(fā)，使得產(chǎn)品的BOM與3D數(shù)據(jù)進行關(guān)聯(lián)，然后再將其導(dǎo)入。這種方法只能夠?qū)朐O(shè)計階段中的一個版本。對于產(chǎn)品數(shù)據(jù)后續(xù)的版本維護只能靠人為完成，那樣在操作中難免會產(chǎn)生錯誤，影響項目的工作質(zhì)量。
實際上，目前很少公司能夠達到協(xié)同的設(shè)計及制造環(huán)境。所謂協(xié)同的開發(fā)環(huán)境應(yīng)該是，整個產(chǎn)品開發(fā)團隊在同一個平臺內(nèi)完成設(shè)計的各個階段，每個零件在完成一個階段的設(shè)計后分別建立新的版本號，這樣會使得項目組所有的人都能夠觀察到每個人的工作進度，以及對自己設(shè)計范圍的影響。同樣，生產(chǎn)部門也可以將這個平臺與自己的數(shù)字化工廠做出接口，實時地觀察及跟進項目的進度，對與生產(chǎn)制造成本關(guān)系較大的設(shè)計問題給予及時的反饋，縮短產(chǎn)品實體驗證的時間，做到真正意義上研發(fā)部門與工藝部門的同步工程(SE，Simultaneous Engineering)。
另外，數(shù)字化工廠中所需要的產(chǎn)品數(shù)據(jù)都還要進行轉(zhuǎn)換。由于設(shè)計部門完成的3D文件包含信息過多，導(dǎo)致在打開多個文件時，對計算機的要求很高，而生產(chǎn)工程師實際上更多關(guān)心的是產(chǎn)品的安裝結(jié)構(gòu)及在整車中的位置。所以為了更好更輕便地瀏覽3D圖樣，對產(chǎn)品的數(shù)據(jù)都要進行輕量化處理。目前，國際上數(shù)字化工廠軟件應(yīng)用得較為廣泛的是西門子公司的Tecnomitix及達索公司Delmia，Tecnomitix公司是將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為JT文件，而Delmia轉(zhuǎn)化的格式為CGR。轉(zhuǎn)化后的數(shù)據(jù)減少了很多沉贅的數(shù)據(jù)信息，對計算機的內(nèi)存及顯卡的要求都大大的降低。
二、工藝的建立
在工藝規(guī)劃的工作中，主要有三個任務(wù)：(1)根據(jù)質(zhì)量特性文件，分析每個零件的安裝方法 (2)工時分析，計算安裝零件時，每個工步的安裝工時 (3)工藝流程規(guī)劃，對每個單步操作進行安裝順序分析，并分配到每個工位。
分析安裝方法
在分析零件的安裝方法時，數(shù)字化工廠可對零件的安裝進行仿真，方法是給出零件的安裝路徑，然后根據(jù)路徑進行仿真，仿真過程中使用干涉驗證的方法檢查裝配方法是否合理，最后會給出檢測的報告。一般來講，零件的安裝方法都會以工藝卡片的文件形式來體現(xiàn)。在數(shù)字化工廠軟件中，并沒有對工藝卡片等進行集成，原因是考慮到每個主機廠的工藝卡片的內(nèi)容和排版形式都不同。所以如果要完成與工藝文件的集成，一般來講都需要對軟件進行二次開發(fā)，也就是對軟件進行客戶化處理。要使軟件更好地應(yīng)用到實際工作中，一些客戶化的定制是十分必要的。同時，數(shù)字化工廠支持e-Bop的功能，也就是以工藝部門為服務(wù)器，以生產(chǎn)車間、質(zhì)量等相關(guān)部門為客戶端，工藝部門直接在軟件中發(fā)布新產(chǎn)品或者新版本的工藝文件，車間直接通過訪問服務(wù)器了解文件的更改情況。使用這種方式代替原有的工藝文件打印后下發(fā)的模式，可以節(jié)約成本，而且更便于的管理。
工時分析
工時分析主要是對零件的安裝時間進行仿真計算。汽車的裝配主要是人的操作，所以工時主要是計算操作者對每個零件的工作時間。數(shù)字化工廠技術(shù)的工時分析是以MTM(Methods of Time Measurement)國際標準工時計算法則為核心基礎(chǔ)進行計算。MTM的計算方法是將工作或工作單元分解成基本動作。分解的動作主要包括：移動、放下、定向、裝配、使用、拆卸和精神準備等動作要素，每個要素有多個值，通過調(diào)節(jié)因素，以便選擇合適的表格值。調(diào)節(jié)因素包括：重量、距離、物體尺寸，以及動作的難度等。然后合計動作的標準時間，得出工作的正常時間，最后在正常時間上加上寬放時間，得出標準工作時間。不過由于這種工時的計算方法比較繁瑣，比較不適宜在工作中使用，一般來講，每個汽車主機廠都該應(yīng)根據(jù)自己公司的工作實際情況，制訂一套工時的計算方法，用來簡化計算工時的工作量。同樣，數(shù)字化工廠軟件可以將每個公司自己的工時計算方法與軟件結(jié)合起來，這也屬于對軟件的客戶化處理。另外，數(shù)字化工廠軟件中會有一個工藝庫的概念，主要是儲存一些比較典型的安裝樣板。如，在現(xiàn)實生產(chǎn)中，安裝一個需要使用四個螺栓緊固的零件，它的工時為20秒。那么把這個工藝過程加入到工藝庫中，待有同樣的案例出現(xiàn)時，可以直接使用這個時間標準。
工藝流程分析
數(shù)字化工廠軟件具有自動線平衡的功能，自動線線平衡功能主要是根據(jù)之前對安裝零件的分析，利用pert圖搭接安裝的先后關(guān)系，將所有的操作平均分配到生產(chǎn)線，對于一些不涉及到裝配順序的零件，用來平衡時間關(guān)系，系統(tǒng)計算完成后，觀察每個工位的裝配工作，然后再將 操作分配到人。
三、資源的建立
資源的建立是組建數(shù)字化工廠過程中工作量最大的部分。由于是使用3D仿真技術(shù)，那么對于所有的設(shè)備都必須有3D的模型。在完成模型的建立后，就需要將所有的設(shè)備按照圖紙進行布局。
規(guī)劃員可以將規(guī)劃圖紙導(dǎo)入系統(tǒng)，將平面布置圖作為背景，將資源中包含的設(shè)備、人員、工具、工裝、夾具、鋼結(jié)構(gòu)和物料箱等相關(guān)資源布置到工廠相應(yīng)的位置。并且數(shù)字化工廠技術(shù)支持協(xié)同工作，每個工程師可以負責(zé)完成自己的生產(chǎn)區(qū)域的布局，最后再將所有的資源匯總。
目前在工業(yè)技術(shù)先進國家，3D技術(shù)基本已經(jīng)成熟，設(shè)備供應(yīng)商基本都有能力提供3D圖樣。國內(nèi)的大多數(shù)設(shè)備供應(yīng)商廠家對這方面的能力還不夠成熟，但有很多公司已經(jīng)認識到3D圖樣的重要性，隨著工業(yè)水平的發(fā)展，相信在這方面的能力都會有很大的提升。
完成了產(chǎn)品的輸入、工藝的安排和資源的布局，那么下一步就是將工藝、產(chǎn)品與資源整合在一起。以工藝為核心，將產(chǎn)品和資源附在工藝上，做出生產(chǎn)線的裝配樹，從而進行裝配仿真模擬。在這一過程中，主要工作內(nèi)容包括裝配順序的規(guī)劃驗證、裝配運動驗證、干涉檢查和裝配工程仿真。裝配仿真模擬能夠清晰地看到每個工位做什么工作、涉及到什么產(chǎn)品，以及使用什么樣的資源。應(yīng)該說，能夠直觀地觀察到整個工廠的情況，大大地幫助規(guī)劃人員對模擬現(xiàn)場的分析從而做出更好的調(diào)整。
當所有的調(diào)整都結(jié)束后，數(shù)字化工廠軟件輸出整個工廠的工藝概況表。概況表的信息以工段和工位為單元，涵蓋了產(chǎn)品、工藝和資源全部信息。
四、人機工程
