基于数字化工厂的白车身焊装前期规划
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·材料·工艺·设备
基于数字化工厂的白车身焊装前期规划 *
宁 宇 1，2 韩英淳 1 李 悦 2 （1.吉 林 大 学 ；2.中 国 第 一 汽 车 集 团 公 司 模 具 制 造 有 限 公 司 ）
【摘要】 以某企业 B 车型主焊线规划为例， 对数字化工厂技术在其白车身焊装线前期规划中的应用进行了阐 述。 介绍了基于数字化工厂的白车身焊装解决方案及前期规划的内容、流程和实施方法。 由于在前期规划中进行了 焊 点 可 达 性 分 析 、机 器 人 仿 真 分 析 和 干 涉 检 查 等 ，因 而 大 大 缩 短 了 各 工 位 夹 具 与 抓 具 的 设 计 时 间 并 提 高 了 准 确 率 ， 显著减少了后期修改工作量。
现 以 工 序 1 机 器 人 MOTOMAN 为 例 介 绍 仿 真 过程。首先将焊钳通过 mount 命令安装到机器人上， 将焊点投影出来并创建 path, 该机器人需要焊接的 焊点全部归属于该路径。 选择一个合适位置作为初 始姿态， 此位置应保证与其它机器人不干涉且不影 响台车运动。 机器人的每个姿态都包括几种不同算 法。 机器人初始姿态包括 OH+j3+j5-、OH+j3+j5+、 OH-j3+j5+、OH-j3+j5-等 4 种算法， 本文采用第 1 种算法，保证管线包向上，这样可避免机器人在运动 中打转。 机器人在焊钳进入车身之前可采用关节运 动，进入车身后则必须采用直线运动，以避免焊钳与 车身相撞。 在各焊点前、后适当加入中间点，以确保 焊接动作顺利进行。
应用 Robocad 软件的前期三维验证焊接工作单 元如图 2 所示。
图 2 三维验证焊接单元示意 三维验证步骤为：将产品数模、机器人及其它资 源按布置图的位置依次摆放， 根据产品的焊点数及 位置从焊钳库中粗选焊钳， 然后调入并安装到机器
人上。 利用 motion 命令对机器人进行逐一焊点操作 示教， 以验证每个焊点的可达性。 根据wk.baidu.com点可达性 验证结果确定各工位焊点分配， 进而指导设计人员 进行焊接夹具、抓具的设计。
2010 年 第 5 期
于三维仿真的顺利进行。 至此， 完成了项目前期粗 规划的数据库。
图 1 焊接工位局部布局示意
3.3 前期三维验证 粗规划后还需进行前期三维验证， 为此应在二
维绘图软件 AUTOCAD 中首先规划出焊装线的二维 布置图，再将其导入 Robocad 软件中作参考，以参考 图为标准将资源库中的资源依次调入进行三维验 证。 在前期规划阶段， 可选用相似产品用的焊接夹 具、抓具作为临时替代物，这样更接近真实效果，以 便在规划过程中更准确地判断和分析布局的合理性 并有效避免各类错误的发生。
在得到厂家所提供的车身零部件的数学模型、 焊点信息、焊装生产线面积及焊装要求后，首先对数 模进行总体分析， 根据零件总成的具体情况及生产 节拍要求确定各零件的上件顺序， 并根据焊点信息 确定焊接顺序，进而确定具体工位数目，与此同时确 定每个工位的焊点数。 在工位数目大体确定后，根 据仿真结果及经验值或生产现场实测出的时间来分 析每个工位是否满足生产节拍， 如机器人的抓件时 间、放件时间、主焊时间、补焊时间、更换时间、夹具 旋转时间及打开和夹紧时间， 以及产品运输和传输 时间等。 若某工位节拍紧张， 可将其焊点调整至其 它节拍相对宽松的工位， 以确保整个焊装生产线的 生产节拍要求。 工位局部布局如图 1 所示。 3.2 应用 Process Designer 的项目规划
4 应用数字化工厂的白车身焊装规划与仿真
应用数字化工厂技术主要完成产品装配顺序仿 真、焊点可达性分析、干涉分析、工位布局分析、时序 分析、焊钳选型与优化、机器人焊接仿真、夹具机构
— 59 —
·材料·工艺·设备
运 动 仿 真 、 三 维 工 厂 布 置 及 人 机 工 程 仿 真 等 [3]任 务 。
主题词：白车身 数字化工厂 焊装线 前期规划 中图分类号：U468.2+3 文献标识码：A 文章编号：1000－3703（2010）05－0058－04
Advanced Planning of BIW Welding based on Digital Factory
Ning Yu1,2, Han Yingchun1, Li Yue2 （1. Jilin University; 2. FAW Mould Manufacturing Co., Ltd） 【Abstract】With the welding line planning of vehicle model B of a company as example, the paper elaborates the application of digital factory technology in BIW welding line advanced planning. The paper introduces BIW welding solution based on digital factory as well as content, flow and implementation of advanced planning. Since welding spot reachability analysis, robot simulation analysis and interference check, etc., are conducted in the advanced planning, therefore the design time of jig and gripper are shortened, accuracy rate is improved, modification work in the later stage is considerably reduced.
a. 在虚拟环境中进行焊装线的前期规划 在虚拟环境中， 应充分利用现有资源对设备的 布局与配置进行分析与优化，以提高设备的柔性、运 行可行性和利用率， 实现现有资源与设备的价值最 大化。 同时还要协调各机器人之间的分工协作，确 定准确的生产节拍，通过定义工序顺序、优化布置焊 点，利用二维和三维方式进行资源配置与布局。 b. 模拟仿真白车身焊装工艺过程 数字化工厂的功能模块能对焊接信息（工位、夹 具、车身零部件、焊点、焊枪及操作者的姿态与位置）
Key words: BIW; Digital factory, Welding line, Advanced planning
1 前言
数字化工厂（Digital Factory，DF）技术是利用计 算机和网络实现产品生命周期中的设计、 制造、装 配、质量控制和检测等功能，可在计算机虚拟环境中 对整个生产过程进行仿真、评估和优化，从而解决由 产品的设计到制造现实的转化过程， 并大大缩短从 设计到生产的转换时间[1]。 目前，国外工业发达国家 已应用数字化工厂技术成功研发了白车身焊装、车 身冲压、 发动机生产线及汽车数字化总装技术的解 决方案。 本文以我国某厂家 B 车型主焊线规划为 例，对数字化工厂在前期规划中的应用进行阐述。
在进行前期粗规划时需先建立项目树形图。 首 先根据项目内容建立产品树，将此项目中所需产品、 焊点导入，并使焊点与产品关联。 然后建立资源树， 在资源树中建立已安排好的各工位， 再将每个工位 的 资 源 导 入 资 源 树 中 。 由 于 Robocad 软 件 能 与 Process Designer 软 件 链 接 ， 因 此 可 在 Process Designer 软件中将树上的资源按二维布局图中的位 置摆放， 从而为以后的三维布局创造便捷条件。 最 后建立工艺树，建立每个工位所有的操作工艺，以利
下面对其中几项关键内容的解决方案进行阐述。
4.1 焊点可达性分析与焊钳的选型优化
在规划初期阶段， 首先应根据工艺要求和生产
节拍将焊点粗分给各工位， 并尽量使同一工位的焊
点位置接近， 以避免或减少过大的焊接动作。 然后
按各工位焊点情况粗定焊钳的类型（C 型或 X 型），
并从焊钳库中粗选出与预期相近的焊钳作为验证焊
钳,此时可利用 Robocad 软件进行验证分析。 验证分
析时需将产品及焊点导入， 将待验证的焊钳装在机
器人上，并用其示教每一个分配给该工位的焊点，从
而确定该型焊钳在该工位对各焊点的可达性。 同时
根据实际情况将各焊点工位进行调整， 使其在每个
工位中完成正常焊接的同时还要满足生产节拍的需
要。 在满足焊点可达性后， 应对焊点路径进行粗仿
2 基于数字化工厂的白车身焊装解决方案
2.1 白车身焊装过程的复杂性 白车身在焊装过程中需要采用 100 多个大型焊
装夹具及 500～800 个定位器，将上百个具有三维自 由曲面的覆盖件和形状异型的骨架类冲压件经近 500 个点焊步骤最终焊装成符合要求的白车身，因 此白车身焊装线在现代轿车生产中是一个涉及材
动惯量（IT）、z 轴力矩（MT）的计算以此类推。 最终确定符合此工位要求的焊钳类型与尺寸规
格。
坏， 所以采用数字化工厂中的机器人仿真技术以改 善这种状况。 在产品及焊点基本确定且焊钳与夹具 设计完成后， 便可在 Robocad 软件中将各种资源导 入，然后利用 motion 面板对机器人在整个焊接过程 中的动作进行仿真。 其内容包括动作初始位置和行 走路径的优化、 对各焊点的焊接及机器人的操作姿 态的调整等，最终达到满足生产节拍、消除干涉及机 器人动作合理顺畅的目的。
真，以确定焊钳规格是否满足整个焊接过程要求，并
根据实际情况对焊钳进行适当修改。 焊钳型式及尺
寸确定后，应根据机器人情况计算其负载，并与其额
定值相对比。
以 MOTOMAN 机器人为例计算其负载，计算所
需参数见图 3，计算式为：
IR= Iax1+Iax2+…+Iaxn
（1）
Iax=[Yg2+（Zg+Os）2W]/1 000 000+Ix
觹 中国第一汽车集团公司重点科技项目（KS09112）。
— 58 —
料、工艺、工装夹具、物料传输与夹持、人机工程及自 动化领域的复杂系统工程。 为此， 一方面为实现车 身轻量化而广泛采用高强度钢板和激光拼焊板，使 得焊装工艺更加复杂； 另一方面要面向不同的车型 混流生产， 需要提高焊装的柔性。 这些都使白车身 焊装线的布局设计和产品设计受到了很多约束。 由 于二维 CAD 只能在平面上布局，无法检验空间上的 干涉，因此其无法胜任白车身焊装线的布局与设计， 必须应用先进的数字化工厂技术来制定解决方案。 2.2 数字化工厂技术解决白车身焊装方案
汽车技术
·材料·工艺·设备 进行建模、模拟分析及优化，生成用于模拟的工作单 元， 管理并分析模拟结果。 可通过工作单元的组合 进行整个焊装生产线的模拟，从而完成工艺规划。
c. 对作业计划、生产调度进行优化 利用数字化工厂的生产管理模块能够仿真分析 生产线（车间）及全厂的生产运行情况，并对作业计 划、生产调度、在线质量检测等进行优化，从而大大 提高生产率及产品质量[2]。
3 基于数字化工厂的焊装线前期规划
运用数字化工厂的规划类软件， 如西门子公司 的 Process Designer 和 Robocad 软 件 进 行 焊 装 线 前 期规划。 其中 Process Designer 软件主要是以库的形 式将项目所包含的有关产品、资源和工艺信息汇总， 以树的方式显示，并能与 Robocad 软件形成链接。在 建树的同时可浏览三维画面，亦可直接布置各资源。 Robocad 软件主要进行焊点可达性分析、干涉检查、 三维仿真、路径优化等。 下面阐述如何应用 Process Designer 和 Robocad 软件对白车身解决方案中的焊 装线进行前期规划。 3.1 焊装线的前期二维布局
（2）
Ix=W/12（Ly2+Lz2）/1 000 000
（3）
MR=W（Xg2+Yg2+Zg2）1/2/1 000
（4）
式中，IR 为 x 轴转动惯量；Iax 为焊钳对 x 轴的 转 动
惯量；Os 为机器人 法 兰 盘 与 第 5 轴 之 间 的 距 离 ；W
为焊钳质量；Ix 为焊钳的转动惯量；MR 为 x 轴力矩。 同理，y 轴转动惯量（IB）、y 轴力矩（MB）、z 轴转
基于数字化工厂的白车身焊装前期规划 *
宁 宇 1，2 韩英淳 1 李 悦 2 （1.吉 林 大 学 ；2.中 国 第 一 汽 车 集 团 公 司 模 具 制 造 有 限 公 司 ）
【摘要】 以某企业 B 车型主焊线规划为例， 对数字化工厂技术在其白车身焊装线前期规划中的应用进行了阐 述。 介绍了基于数字化工厂的白车身焊装解决方案及前期规划的内容、流程和实施方法。 由于在前期规划中进行了 焊 点 可 达 性 分 析 、机 器 人 仿 真 分 析 和 干 涉 检 查 等 ，因 而 大 大 缩 短 了 各 工 位 夹 具 与 抓 具 的 设 计 时 间 并 提 高 了 准 确 率 ， 显著减少了后期修改工作量。
现 以 工 序 1 机 器 人 MOTOMAN 为 例 介 绍 仿 真 过程。首先将焊钳通过 mount 命令安装到机器人上， 将焊点投影出来并创建 path, 该机器人需要焊接的 焊点全部归属于该路径。 选择一个合适位置作为初 始姿态， 此位置应保证与其它机器人不干涉且不影 响台车运动。 机器人的每个姿态都包括几种不同算 法。 机器人初始姿态包括 OH+j3+j5-、OH+j3+j5+、 OH-j3+j5+、OH-j3+j5-等 4 种算法， 本文采用第 1 种算法，保证管线包向上，这样可避免机器人在运动 中打转。 机器人在焊钳进入车身之前可采用关节运 动，进入车身后则必须采用直线运动，以避免焊钳与 车身相撞。 在各焊点前、后适当加入中间点，以确保 焊接动作顺利进行。
应用 Robocad 软件的前期三维验证焊接工作单 元如图 2 所示。
图 2 三维验证焊接单元示意 三维验证步骤为：将产品数模、机器人及其它资 源按布置图的位置依次摆放， 根据产品的焊点数及 位置从焊钳库中粗选焊钳， 然后调入并安装到机器
人上。 利用 motion 命令对机器人进行逐一焊点操作 示教， 以验证每个焊点的可达性。 根据wk.baidu.com点可达性 验证结果确定各工位焊点分配， 进而指导设计人员 进行焊接夹具、抓具的设计。
2010 年 第 5 期
于三维仿真的顺利进行。 至此， 完成了项目前期粗 规划的数据库。
图 1 焊接工位局部布局示意
3.3 前期三维验证 粗规划后还需进行前期三维验证， 为此应在二
维绘图软件 AUTOCAD 中首先规划出焊装线的二维 布置图，再将其导入 Robocad 软件中作参考，以参考 图为标准将资源库中的资源依次调入进行三维验 证。 在前期规划阶段， 可选用相似产品用的焊接夹 具、抓具作为临时替代物，这样更接近真实效果，以 便在规划过程中更准确地判断和分析布局的合理性 并有效避免各类错误的发生。
在得到厂家所提供的车身零部件的数学模型、 焊点信息、焊装生产线面积及焊装要求后，首先对数 模进行总体分析， 根据零件总成的具体情况及生产 节拍要求确定各零件的上件顺序， 并根据焊点信息 确定焊接顺序，进而确定具体工位数目，与此同时确 定每个工位的焊点数。 在工位数目大体确定后，根 据仿真结果及经验值或生产现场实测出的时间来分 析每个工位是否满足生产节拍， 如机器人的抓件时 间、放件时间、主焊时间、补焊时间、更换时间、夹具 旋转时间及打开和夹紧时间， 以及产品运输和传输 时间等。 若某工位节拍紧张， 可将其焊点调整至其 它节拍相对宽松的工位， 以确保整个焊装生产线的 生产节拍要求。 工位局部布局如图 1 所示。 3.2 应用 Process Designer 的项目规划
4 应用数字化工厂的白车身焊装规划与仿真
应用数字化工厂技术主要完成产品装配顺序仿 真、焊点可达性分析、干涉分析、工位布局分析、时序 分析、焊钳选型与优化、机器人焊接仿真、夹具机构
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·材料·工艺·设备
运 动 仿 真 、 三 维 工 厂 布 置 及 人 机 工 程 仿 真 等 [3]任 务 。
主题词：白车身 数字化工厂 焊装线 前期规划 中图分类号：U468.2+3 文献标识码：A 文章编号：1000－3703（2010）05－0058－04
Advanced Planning of BIW Welding based on Digital Factory
Ning Yu1,2, Han Yingchun1, Li Yue2 （1. Jilin University; 2. FAW Mould Manufacturing Co., Ltd） 【Abstract】With the welding line planning of vehicle model B of a company as example, the paper elaborates the application of digital factory technology in BIW welding line advanced planning. The paper introduces BIW welding solution based on digital factory as well as content, flow and implementation of advanced planning. Since welding spot reachability analysis, robot simulation analysis and interference check, etc., are conducted in the advanced planning, therefore the design time of jig and gripper are shortened, accuracy rate is improved, modification work in the later stage is considerably reduced.
a. 在虚拟环境中进行焊装线的前期规划 在虚拟环境中， 应充分利用现有资源对设备的 布局与配置进行分析与优化，以提高设备的柔性、运 行可行性和利用率， 实现现有资源与设备的价值最 大化。 同时还要协调各机器人之间的分工协作，确 定准确的生产节拍，通过定义工序顺序、优化布置焊 点，利用二维和三维方式进行资源配置与布局。 b. 模拟仿真白车身焊装工艺过程 数字化工厂的功能模块能对焊接信息（工位、夹 具、车身零部件、焊点、焊枪及操作者的姿态与位置）
Key words: BIW; Digital factory, Welding line, Advanced planning
1 前言
数字化工厂（Digital Factory，DF）技术是利用计 算机和网络实现产品生命周期中的设计、 制造、装 配、质量控制和检测等功能，可在计算机虚拟环境中 对整个生产过程进行仿真、评估和优化，从而解决由 产品的设计到制造现实的转化过程， 并大大缩短从 设计到生产的转换时间[1]。 目前，国外工业发达国家 已应用数字化工厂技术成功研发了白车身焊装、车 身冲压、 发动机生产线及汽车数字化总装技术的解 决方案。 本文以我国某厂家 B 车型主焊线规划为 例，对数字化工厂在前期规划中的应用进行阐述。
在进行前期粗规划时需先建立项目树形图。 首 先根据项目内容建立产品树，将此项目中所需产品、 焊点导入，并使焊点与产品关联。 然后建立资源树， 在资源树中建立已安排好的各工位， 再将每个工位 的 资 源 导 入 资 源 树 中 。 由 于 Robocad 软 件 能 与 Process Designer 软 件 链 接 ， 因 此 可 在 Process Designer 软件中将树上的资源按二维布局图中的位 置摆放， 从而为以后的三维布局创造便捷条件。 最 后建立工艺树，建立每个工位所有的操作工艺，以利
下面对其中几项关键内容的解决方案进行阐述。
4.1 焊点可达性分析与焊钳的选型优化
在规划初期阶段， 首先应根据工艺要求和生产
节拍将焊点粗分给各工位， 并尽量使同一工位的焊
点位置接近， 以避免或减少过大的焊接动作。 然后
按各工位焊点情况粗定焊钳的类型（C 型或 X 型），
并从焊钳库中粗选出与预期相近的焊钳作为验证焊
钳,此时可利用 Robocad 软件进行验证分析。 验证分
析时需将产品及焊点导入， 将待验证的焊钳装在机
器人上，并用其示教每一个分配给该工位的焊点，从
而确定该型焊钳在该工位对各焊点的可达性。 同时
根据实际情况将各焊点工位进行调整， 使其在每个
工位中完成正常焊接的同时还要满足生产节拍的需
要。 在满足焊点可达性后， 应对焊点路径进行粗仿
2 基于数字化工厂的白车身焊装解决方案
2.1 白车身焊装过程的复杂性 白车身在焊装过程中需要采用 100 多个大型焊
装夹具及 500～800 个定位器，将上百个具有三维自 由曲面的覆盖件和形状异型的骨架类冲压件经近 500 个点焊步骤最终焊装成符合要求的白车身，因 此白车身焊装线在现代轿车生产中是一个涉及材
动惯量（IT）、z 轴力矩（MT）的计算以此类推。 最终确定符合此工位要求的焊钳类型与尺寸规
格。
坏， 所以采用数字化工厂中的机器人仿真技术以改 善这种状况。 在产品及焊点基本确定且焊钳与夹具 设计完成后， 便可在 Robocad 软件中将各种资源导 入，然后利用 motion 面板对机器人在整个焊接过程 中的动作进行仿真。 其内容包括动作初始位置和行 走路径的优化、 对各焊点的焊接及机器人的操作姿 态的调整等，最终达到满足生产节拍、消除干涉及机 器人动作合理顺畅的目的。
真，以确定焊钳规格是否满足整个焊接过程要求，并
根据实际情况对焊钳进行适当修改。 焊钳型式及尺
寸确定后，应根据机器人情况计算其负载，并与其额
定值相对比。
以 MOTOMAN 机器人为例计算其负载，计算所
需参数见图 3，计算式为：
IR= Iax1+Iax2+…+Iaxn
（1）
Iax=[Yg2+（Zg+Os）2W]/1 000 000+Ix
觹 中国第一汽车集团公司重点科技项目（KS09112）。
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料、工艺、工装夹具、物料传输与夹持、人机工程及自 动化领域的复杂系统工程。 为此， 一方面为实现车 身轻量化而广泛采用高强度钢板和激光拼焊板，使 得焊装工艺更加复杂； 另一方面要面向不同的车型 混流生产， 需要提高焊装的柔性。 这些都使白车身 焊装线的布局设计和产品设计受到了很多约束。 由 于二维 CAD 只能在平面上布局，无法检验空间上的 干涉，因此其无法胜任白车身焊装线的布局与设计， 必须应用先进的数字化工厂技术来制定解决方案。 2.2 数字化工厂技术解决白车身焊装方案
汽车技术
·材料·工艺·设备 进行建模、模拟分析及优化，生成用于模拟的工作单 元， 管理并分析模拟结果。 可通过工作单元的组合 进行整个焊装生产线的模拟，从而完成工艺规划。
c. 对作业计划、生产调度进行优化 利用数字化工厂的生产管理模块能够仿真分析 生产线（车间）及全厂的生产运行情况，并对作业计 划、生产调度、在线质量检测等进行优化，从而大大 提高生产率及产品质量[2]。
3 基于数字化工厂的焊装线前期规划
运用数字化工厂的规划类软件， 如西门子公司 的 Process Designer 和 Robocad 软 件 进 行 焊 装 线 前 期规划。 其中 Process Designer 软件主要是以库的形 式将项目所包含的有关产品、资源和工艺信息汇总， 以树的方式显示，并能与 Robocad 软件形成链接。在 建树的同时可浏览三维画面，亦可直接布置各资源。 Robocad 软件主要进行焊点可达性分析、干涉检查、 三维仿真、路径优化等。 下面阐述如何应用 Process Designer 和 Robocad 软件对白车身解决方案中的焊 装线进行前期规划。 3.1 焊装线的前期二维布局
（2）
Ix=W/12（Ly2+Lz2）/1 000 000
（3）
MR=W（Xg2+Yg2+Zg2）1/2/1 000
（4）
式中，IR 为 x 轴转动惯量；Iax 为焊钳对 x 轴的 转 动
惯量；Os 为机器人 法 兰 盘 与 第 5 轴 之 间 的 距 离 ；W
为焊钳质量；Ix 为焊钳的转动惯量；MR 为 x 轴力矩。 同理，y 轴转动惯量（IB）、y 轴力矩（MB）、z 轴转