1汽车涂装车间的数字化虚拟工厂建设与应用.docx

1、1汽车涂装车间的数字化虚拟工厂建设与应用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

2、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，

3、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

4、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

5、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。禾I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

6、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

7、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。图2.汽车公司普通产品开发过程本文

8、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， 检查和密圭寸，底漆间，罩光打 磨，打蜡，点修补，重点修补。因为

9、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。WBS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.draw ings涂装的设计和操作P/PR/REval.Equipme nts for MH虚拟工程，过程确认P/REval.i nterfere nces涂装的设计和操作P/REval.quality of pain ti ng控制质量检测P/PR/RDesig n and eval. of

10、 hang er/skid虚拟工程， 过程确认P/PR/REval.jigs/fixures虚拟工程，过程确认P/PR/REval.layout of operators过程确认P/REval.equipme nts涂装设计和操作P/RTraining operators产品，过程，资源虚拟化P/PR/RP:产品，PR:过程，R资源涂装车间数字虚拟工厂的构建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

11、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。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

12、，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，评估新的产品流程三.涂装车间数字虚拟工厂构建在现实汽车涂装车间，喷涂过程是由很多细节的处理过程构成的。 这些过程是在喷漆间用化学材料进行的。这些过程通过输送，悬挂或者 运送等方式连续执行，所以，喷涂过程生产线是汽车生产线中最长的一 条。在喷涂车间，运送、悬挂的尺寸和输送的位置，喷漆间的尺寸很重 要。在本研究中，我们用推荐的构建方法，目标和考虑来执行涂装车间 数字虚拟工厂的构建

13、。图6到图9展示了汽车涂装车间数字虚拟工厂的 建立。本文中图6说明了涂装车间数字虚拟工厂的构建，PBS（涂装主体 存储区）如图7所示。图6.涂装车间数字虚拟工厂图7.涂装主体存储区域（PBS图8中给出了涂装车间流水线中的车身运输空中和滑撬输送示例由喷漆间和滑撬输送组成的预处理流水线如图 9所示。图8空中和滑撬输送图9.密封和底漆应用结果我们管理机器和设备的分布，比如输送链，喷漆间，然后是设施干扰检查， 运用先进构建的数字虚拟工厂的集成 3维CAD模型，评估汽车设计数据，包括 机器人，建设部分和设施。图10展示了一个应用涂装数字虚拟车间建模的例子，进行涂装车间的人工工作站的区域分析，例如检测，重

14、点修补等。图10.涂装车间工作站评估图11.预处理线的喷漆间和输送链干扰检查图12.中涂喷漆间和输送链干扰检查车体/喷漆间，输送链/设施间的合理干扰检查如图11和图12所示。图13 和图14是涂装设备的设计和进程改变图。所以在虚拟环境下的涂装设施管理和 尺寸评估很合理。图13.滑撬设计更改图14.滑撬输送分布更改结论本文提出了系统的方法，思路和预期，作为在新车型开发的涂装车间的工程活动中应用数字虚拟技术的核心基础。通过将系统的和有效的方法应用到 3D模型，更系统和有效的执行了涂装数字虚拟工厂的构建。我们能够使用涂装车间数 字工厂评估车间布局和流程。更进一步地，我们在数字虚拟制造工厂的基础上， 更有效的在实际现场执行多种工程活动。通过使用数字虚拟制造工厂技术的连续 确认，在汽车公司中，新汽车开发过程的许多制造工厂准备时间和资金的节约被 增强。关于整个新车开发过程，基于提出的数字虚拟制造工厂的方法逻辑需要更 深入的拓展研究。鸣谢本研究获得the Brain Korea 21支持，韩国研究基金会赞助。感谢他们