近年来，在党中心、国务院的倔强领导下，汽车行业以场景运用为牵引，以模式变革为探索方向，以质量效益提升为目标，加速形成新质生产力，推动智能制造取得长足进步，有效促进了行业高质量发展。为进一步助力汽车智能制造发展，中国汽车工程学会数字化与智能制造事情委员会联合汽车行业国家智能制造示范工厂，总结行业共性需求、技能路线和发展成效，提炼形成汽车行业智能制造范例场景指南,本期范例场景为虚拟条是及工艺验证。
场景概述
1.业务背景
传统的工艺验证与调试是指新车型或新产品在正式量产前对工艺方案和生产线的调试，用于验证工艺方案的设计合理性，验证生产线及装备的量产能力，对调试出的问题进行改进和优化，并再次调试直至知足量产条件。
2.痛点需求
当前汽车企业为抢占市场先机、力争将产品开拓周期压缩至最短，作为量产前的关键环节，工艺验证与调试的传统办法却存在以下弊端：
（1）传统的工艺验证与调试至少须要三轮的实物验证与调试，而且三轮调试是串行，须要将前序的验证结果在后续的验证环节中进行修正完善，周期过长直接影响新车型或新产品投入市场的速率；
（2）每轮调试都须要全新的整车及零部件，造成了本钱和韶光上的摧残浪费蹂躏。
因此亟需采取虚拟调试及工艺验证场景的履行，来缩短新车型或新产品的调试韶光，提高产品竞争力。
3.培植内容
虚拟调试及工艺验证场景是在物理生产线调试之前，把物理环境下的生产线调试过程转移到数字化环境中，使系统工程师或终端用户通过交互式三维可视化查看、调试、仿照仿真系统的运行情形。在没有物理设备或不具备条件的情形下，仿真生产线的运行情形并决策是否须要采纳优化方法，缩短现场调试韶光、降落变动工艺方案的风险。
4.履行步骤
根据生产线繁芜程度，虚拟调试场景运用在零部件企业时，项目周期约为1-3个月；虚拟调试场景运用在整车企业时，项目周期约4-6个月。
虚拟调试场景履行方案包含前期准备、系统工程、跨学科同步工程、调试等四个步骤，紧张步骤如图1所示。
图1 虚拟调试履行步骤
（1）前期准备阶段：制订项目策略、建立履行军队及组织构造、确定项目履行范围和目标、制订总体项目操持、制订跨学科协同标准文档等事情。
（2）系统工程阶段：生产线设备功能、生产流程等需求剖析，列出详细的需求方案文档。
（3）跨学科同步工程阶段：此阶段机器、电气、自动化等部门项目组成员在项目标准辅导下协同事情。机器工程师进行生产线设计与布局、运动机构定义、基于时序和基于事宜进行仿真验证等事情。电气/自动化工程师进行生产线逻辑掌握编程、HMI设计、I/O旗子暗记、OPC通讯等事情。机器人仿真工程师进行机器人定义、机器人运动路径方案、机器人离线（OLP）、机器人旗子暗记设置等事情。
（4）调试阶段：在数字化环境中将真实物理设备更换为虚拟资源进行仿真验证，完成物理与虚拟映射的调试。
5.履行根本
虚拟调试技能是把物理环境下的调试过程转移到数字环境中，须要具备以下根本：
（1）软件根本：首先须要相应的工艺仿真、产线/工厂仿真工具的支持，同时须要工艺方案、工艺设计、工艺管理工具和PLM管理平台等的支撑。
（2）数据根本：须要具有设备功能需求、生产线功能需求等方案文档，生产设备、工装夹具、机器人、传送带、传感器等生产制造干系设备的三维数据，机器人程序、PLC程序、HMI掌握程序等逻辑掌握程序，生产工艺流程、物料流等工艺数据，OPC通讯、工业以太网现场总线等通讯数据。
（3）硬件根本：虚拟调试及工艺验证场景的核心是利用数字化的环境进行工艺仿真与验证，对硬件的需求较弱，具备基本的打算机事情站或者是分布式网络打算资源即可。
范例培植路径：武汉智装院实践案例
二二
武汉智能装备工业技能研究院有限公司是由武汉市公民政府和华中科技大学共同发起设立的高新技能企业。公司作为产学人才互换碰撞平台、技能成果转化经纪机构、创新创业技能供给基地、熟化研发能力做事载体，为高校、企业和政府供应中试熟化、转化孵化、培训实训、方案咨询等赋能做事。经营范围包括高端关键装备、半导体、电子设备、测试仪器、机器人、物料自动化系统、生产和发卖等。
1.企业面临的痛点问题
（1）生产线设计方面：自动化生产线包含机器人、工装夹具、运送设备、PLC、变频器等现场硬件。传统的二维布局或三维布局，很难对生产线中设备的动态干涉、PLC掌握逻辑、机器人程序、生产节拍等进行验证。
（2）生产工艺方面：传统工艺设计依赖职员履历，无法在设计阶段进行工艺方案验证，至少在试生产阶段才能创造工艺设计问题，造成返工返修本钱摧残浪费蹂躏。
（3）生产线安装调试方面：自动化生产线安装调试是机器、电气、自动化多学科多专业的协同事情。没有经由虚拟调试直接进入现场安装调试须要周期长、本钱高。
2.场景培植总体框架
虚拟调试环境分为软件在环（SIL）和硬件在环（HIL）两种办法。一样平常软件在环作为第一个阶段虚拟调试，该阶段只需一台高性能打算机，全部采取软件实现，不需PLC等干系硬件，也不受硬件的品牌和型号所限定。硬件在环作为第二个阶段拟调试，加入PLC、HMI等干系硬件，通过OPC等通讯协议组成虚拟调试系统。受加入虚拟调试系统中PLC、HMI等干系硬件的品牌和型号所限定，因此须要干系品牌PLC的编程和仿真软件合营。
图2 软件在环与硬件在环
3.软硬件办理方案
软件方面：本项目虚拟调试采纳如图2所示的软件在环虚拟调试方案。详细来说，运用博图TIA创建生产线逻辑掌握程序和HMI界面；运用SIMIT软件进行Simulation Unit组态和仿真耦合；运用PLCSIM Advanced创建虚拟PLC实现程序逻辑掌握仿真；运用Process Simulate软件实现全体生产线的工艺仿真，虚拟调试系统如图3所示：
图3 虚拟调试架构图
硬件方面：虚拟调试及工艺验证场景履行所需硬件设备及系统包括：
（1）仿真图形事情站：用于虚拟调试3D场景运行和配置，具备较强图形处理能力，至少可支撑一套PLC工位的流畅运行，画面无延迟和顿卡。
（2）PLC编程打算机：PLC掌握逻辑编写和调试，HMI画面制作。
（3）Simulation Unit 模块：用于仿照PLC硬件组态内的各硬件设备。
（4）HMI触摸屏：人机交互界面，画面需符合项目HMI画面制作哀求。
4.业务流程
以汽车前舱总成焊接生产线的虚拟调试及工艺验证为例，虚拟调试及工艺验证流程如图4所示：
（1）数据输入
1）离线仿真数据：虚拟调试利用机器人离线状态数据，工位内零件显斧正常、总成/分总成定义在同一车身坐标系内，工位内设备数模无缺失落、设备机构和POSE定义按照企业规范完成，工位内无冗余数据。
2）电气数据：在虚拟调试开始前电气及设计职员须要供应工位IO符号列表（包含该PLC内所有夹具、机器人和中转台等设备）、EPLAN图纸、工位仿照组态、工艺设计数据（包括工艺流程，夹具气路图和传感器分布）等数据。
图4 虚拟调试流程
（2）数据环境搭建
1）机器人配置：在仿真软件PS环境中，编辑机器人旗子暗记、添加机器人离线编程指令等，完成机器人与其他设备之间的交互旗子暗记配置。机器人逻辑块（Logic Block，LB）及主程序建立，根据机器人品牌从企业标准库中调用相应的逻辑块。
2）传感器创建：根据工装或设备的构造及掌握事理，在仿真模型的相应位置创建三维实体（传感器），并授予传感器检测工具、检测范围等相应参数。
3）创建逻辑块(LB)：在仿真软件PS中添加输入、输出和运算公式等，创建逻辑块，给虚拟模型授予逻辑，在仿真时，逻辑块会根据PLC的输出旗子暗记，依据运算公式进行参数打算，实行相应的仿真动作，并给PLC反馈旗子暗记。夹具机构定义的参数中写入精确的极限位置，夹具的姿态要根据虚拟调试标准规范进行定义，同时在内部变量参数（Parameters）和驱动功能(Actions)内也要相应的添加内部逻辑处理。
4）物料流创建：物料流表示生产过程中物料的流向，根据工艺和仿真须要，在操作之间添加物料流向。虚拟调试过程中零件激活并进入工位后，会按照物料流的走向在工位内运行，只有当物料流完成后零件才会流出工位。
（3）联调测试
1）虚拟调试工位内的安全旗子暗记须要进行测试，由PLC监控安全旗子暗记状态，PS内逼迫关闭或打开安全旗子暗记，不雅观察地址是否精确。
2）虚拟调试平台内的传感器状态必须精确，地址与EPLAN同等。
3）PLC通过HMI或PLC程序手动掌握工位各设备，不雅观察其动作是否精确，设备的反馈旗子暗记变革是否正常。转台，BUFFER，滚床等分外设备须要进行速率和方向切换功能测试。
4）虚拟调试平台切换至自动模式后，完备由PLC进行掌握，完玉成部工位的自动生产、空运行等。
5）工位内做事程序，电极帽改换程序，焊枪修磨程序在自动环境下可以被PLC精确调用。
6）虚拟调试职员应按照企业哀求的虚拟调试检讨清单内容对工位进行检讨。
（4）输出物
虚拟调试完成后需提交完全的输出物，包括调试完毕的仿真数据和SPSS文件、包含了精确参数以及逻辑旗子暗记的机器人离线程序、经由测试后的 PLC 离线程序（其逻辑掌握部分已达到完成状态）、工艺时序文件/Eplan/图纸、针对虚拟调试工位的工艺先容及工位内各项功能的操作解释、经检讨/验收后的会签清单等数据和文档。
5.履行成效
通过虚拟调试技能的运用，在汽车前舱总成焊接生产线物理工具（如设备、生产线）之前就在虚拟环境中进行设计、验证、优化、仿真、测试、掩护与预测等运用，相对传统的工艺调试与验证环节，得到如下收益：
（1）通过项目前期的虚拟调试，创造该项目在前期工艺流程方案设计中潜在的一些问题，进而推进工艺流程优化与改进，减少50%以上的现场调试韶光。
（2）将繁芜的现场安装与调试集成于数字化仿照系统中，将项目周期缩短了20%-30%，终极实现高效的柔性生产，提高企业核心竞争力。
