虛擬仿真技術(shù)在涂裝工藝中的應(yīng)用

隨著計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，虛擬仿真技術(shù)在新車型開發(fā)過程中扮演著越來越重要的作用。由于產(chǎn)品設(shè)計對于涂裝工藝能力和車型產(chǎn)品性能均有較大的影響，因此如果能夠在前期通過虛擬仿真技術(shù)對涂裝能力和過程進行分析，將大幅提高產(chǎn)品性能，減少產(chǎn)品設(shè)計缺陷，減少實車驗證過程中的問題數(shù)量及產(chǎn)品開發(fā)后期的工作量。

涂裝工藝虛擬仿真技術(shù)涵蓋了涂裝全序的工藝虛擬仿真分析，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。本文主要對通過性仿真分析、氣泡仿真分析、烘烤仿真分析、電泳仿真分析、人機工程仿真和噴漆膜厚仿真分析等進行了簡要介紹。

通過性仿真分析

涂裝車間需同時滿足多種車型的的生產(chǎn)要求，即多車型的柔性化生產(chǎn)，盡管涂裝生產(chǎn)線在設(shè)計時是按照柔性化生產(chǎn)設(shè)計的，但由于車型設(shè)計風(fēng)格的不斷發(fā)展、車型款式的不斷更新以及車型熱點的不斷轉(zhuǎn)換，新車型在尺寸、質(zhì)量和定位孔等車身數(shù)據(jù)上的差異越來越大，需要新車型在現(xiàn)有涂裝線投產(chǎn)前進行通過性分析工作。

三維工廠布局軟件能對新車型在涂裝車間的通過性進行全面的分析和評估，是數(shù)字化虛擬工廠設(shè)計、分析和仿真的工具，它能迅速簡便地建立、分析和展示可視化的工廠三維立體模型(見圖1)，使新車型的三維數(shù)模在虛擬工廠中進行非標(biāo)設(shè)備通過性分析和機械化設(shè)備通過性分析。

軟件能模擬白車身在各個室體內(nèi)的運動狀態(tài)并進行動態(tài)分析，分析該車身在通過各個室體時是否存在干涉現(xiàn)象，以確定車身在各個室體的通過性能力。軟件能對滑撬、吊具和臺車輸送設(shè)備等進行模擬裝載分析，分析輸送系統(tǒng)與車身數(shù)模是否干涉、是否滿足安全距離等，以確定車身是否滿足各工位機械化設(shè)備的通過性要求。

氣泡仿真分析

電泳涂裝是將整個白車身浸入在電泳槽中，由于車身設(shè)計結(jié)構(gòu)和設(shè)備的局限性，白車身入槽后腔體內(nèi)的氣體不能完全排凈，電泳后大部分車型都存在電泳氣室的問題。采用RoDip或VarioShuttle等機運系統(tǒng)可以解決氣室問題，但其成本較高，老工廠無法進行實施，因此通過前期仿真發(fā)現(xiàn)積氣位置是較為理想的解決方案。

氣泡仿真軟件能計算出電泳過程中的氣室位置，對電泳過程中的排氣能力進行全面評估。在產(chǎn)品設(shè)計階段，將車身數(shù)模進行網(wǎng)格化劃分，輸入車身的入槽角度、運行軌跡和出槽角度等信息，通過軟件的分析計算，得到各個時間點腔體內(nèi)氣泡的狀態(tài)、整個電泳過程內(nèi)氣泡的流動路徑和存在位置。

通過對氣室位置的精確仿真，可以在產(chǎn)品設(shè)計過程中提前發(fā)現(xiàn)氣室位置(見圖2)，通過在氣室位置開孔或調(diào)節(jié)形面等辦法解決氣室問題，并不斷進行優(yōu)化，避免在項目后期依靠輔具工裝調(diào)節(jié)或設(shè)備的更改解決氣室問題，既縮短了項目的調(diào)試周期，又節(jié)省了設(shè)備變更所產(chǎn)生的費用。

烘烤仿真分析

汽車制造屬于大批量流水線制造，快節(jié)奏的涂裝生產(chǎn)需采用烘干爐進行烘干，烘干的目的是通過加熱使涂裝過程中附著在車身上的涂膜、密封膠等能夠迅速固化，提高生產(chǎn)效率。

在新車型設(shè)計的過程中，涂裝工藝部門往往不能準(zhǔn)確地評估新車型的烘干能力，需要在有試制樣車后，在生產(chǎn)調(diào)試階段依靠爐溫儀測量車身表面在烘干爐中溫度的變化情況，進行驗證工作。這種工作模式驗證時間靠后，驗證周期較長，而且無法準(zhǔn)確了解車身腔體內(nèi)的烘烤溫度變化情況。

烘烤仿真軟件能模擬車身上漆膜和膠黏劑的烘干過程，模擬墻壁上噴管向車身噴射熱空氣的影響，能對新車型烘干能力進行準(zhǔn)確的評估。該軟件需通過網(wǎng)格模塊進行車身網(wǎng)格劃分，輸入車身、密封膠和漆膜熱傳導(dǎo)系數(shù)，設(shè)置烘干爐尺寸和噴頭位置等設(shè)備信息，通過計算模塊進行仿真計算，得到車身任意位置的溫度隨時間變化的關(guān)系(見圖3)。在產(chǎn)品設(shè)計階段，通過對烘烤仿真軟件的應(yīng)用，可以對新車型烘干能力進行全面評估，提前解決了后續(xù)驗證過程中的問題，該仿真軟件同時能對生產(chǎn)線進行優(yōu)化，通過對生產(chǎn)線分析模擬，調(diào)節(jié)加熱空氣噴射角度，提高生產(chǎn)線能量的利用率。

電泳仿真分析

電泳工序是汽車車身涂裝的第一道環(huán)節(jié)，也可以說是整個車身涂裝的基礎(chǔ)，其質(zhì)量的好壞直接影響車身的抗腐蝕性能及漆膜的裝飾效果。

電泳過程中因電磁屏蔽原因，在多層板包合搭接形成的內(nèi)腔里，電泳效果往往不理想，需通過增開電泳孔來提升電泳效果，繼而提升車身的防腐能力。由于車身設(shè)計還需考慮噪聲、強度和振動等性能的要求，電泳孔開孔位置限制較多，電泳能力的評估工作以往主要以個人經(jīng)驗為主并輔以試制糾錯法協(xié)助，所有的開孔方案需在項目后期的實車拆解階段進行驗證，存在驗證周期長、變更費用高的問題。

電泳仿真軟件能計算車身上的電流密度分布、電勢分布和漆膜厚度分布，對新車型電泳能力進行全面評估。電泳仿真軟件采用有限元方法進行計算分析，分為數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、模型前處理、分析計算和結(jié)果后處理四大部分。軟件可以在設(shè)計階段對電泳的可行性進行高精度的定量計算，可以精確地得到產(chǎn)品在不同時刻的電流密度分布、電勢分布和漆膜厚度分布(見圖4)，進而評估電泳的可行性。軟件同時能對開孔方案進行不斷驗證和優(yōu)化，直到得到最優(yōu)的設(shè)計變更方案，為車身電泳能力的提升提供了精確的指導(dǎo)和快速的驗證。

人機工程仿真分析

涂裝密封膠使車身具有良好的水密封性、機械密封性、防銹性和耐久性。電泳無法處理到的鈑金搭接的接縫、易被腐蝕的零件輪廓邊、易積水位置的連接處以及易透氣的連接處等部位需要涂密封膠。

密封膠的操作性評估是涂裝同步工程的重點，以往主要根據(jù)個人經(jīng)驗進行該項評估，部分問題需等到實車驗證階段才能對各種應(yīng)對方案進行驗證，存在驗證周期長、評估不夠全面等問題。

人機工程軟件能對生產(chǎn)線的涂膠情況進行全過程模擬，對密封膠操作進行全面、準(zhǔn)確的評估。人機工程軟件需對生產(chǎn)線進行建模，規(guī)定生產(chǎn)線運動軌跡，定義人體的動作(見圖5)，最終得到人機工程整體評價，判斷涂膠操作的可達性、可視性并進行工時的統(tǒng)計。人機工程軟件能在產(chǎn)品設(shè)計階段對密封膠的操作性進行全面評估，提高了評估的準(zhǔn)確性和全面性，減少了項目后期生產(chǎn)調(diào)試過程中的大部分問題。

機器人離線編程仿真

隨著現(xiàn)代汽車工業(yè)的迅速發(fā)展，汽車型號迅速變化，車身設(shè)計不斷調(diào)整，為適應(yīng)這種頻繁變化的生產(chǎn)要求，涂裝車間的涂膠機器人和噴涂機器人應(yīng)運而生，被大規(guī)模使用。

機器人的作用是控制噴槍，使之在噴涂過程中與噴涂表面保持正確的角度和恒定的距離，為了實現(xiàn)這一任務(wù)，工程師需要給機器人輸入特定的噴槍移動軌跡，定義在整個噴涂過程中機器人的各種動作。以往噴漆機器人軌跡調(diào)試都采用線上(生產(chǎn)線上)示教編程模式，只能在項目后期有實車后才能進行調(diào)試與編程，這種工作形式存在調(diào)試時間靠后且調(diào)試周期較長等問題。

離線編程仿真軟件以車身三維數(shù)模為基礎(chǔ)，能快速地進行機器人工作單元的建立、仿真與驗證，軟件使用圖形化編程、編輯和調(diào)試的機器人系統(tǒng)來創(chuàng)建機器人的運行軌跡(見圖6)。離線編程軟件能在產(chǎn)品設(shè)計過程中進行機器人的軌跡調(diào)試工作，不需要生產(chǎn)線停機配合就可以對機器人的噴涂軌跡進行規(guī)劃和編程，在不影響生產(chǎn)且足夠安全的情況下，能不斷地優(yōu)化現(xiàn)有噴涂軌跡和機器人程序，大幅提前了軌跡調(diào)試時間點，縮短了項目的調(diào)試周期，提高了噴涂質(zhì)量并節(jié)省了大量調(diào)試用車。

噴漆仿真分析

漆膜厚度是衡量自動噴漆效果的重要指標(biāo)之一，漆膜過厚造成噴涂材料的浪費，且漆膜表面容易結(jié)塊脫落，漆膜過薄則不足以遮蓋產(chǎn)品的底漆顏色，無法形成良好的產(chǎn)品外觀，漆膜厚度不均，又會形成不同的漆膜缺陷。

漆膜的厚度與噴漆過程中的很多因素有關(guān)，如噴頭的運動速度、噴頭的流量以及噴頭與車身表面的距離等，所以漆膜厚度的調(diào)試工作復(fù)雜繁瑣同時又是涂裝工藝的重中之重。以往噴漆能力的調(diào)試需要在線上進行，需要消耗大量調(diào)試樣車，調(diào)試后的樣車只能做報廢處理，造成了能源、資源和成本的浪費，這種工作模式調(diào)試時間靠后、影響生產(chǎn)線生產(chǎn)且調(diào)試周期較長。

噴漆膜厚仿真軟件能快速、準(zhǔn)確地模擬出白車身漆層的厚度，對噴漆質(zhì)量、傳輸速率和污染進行準(zhǔn)確的評估。軟件需對生產(chǎn)線進行建模，設(shè)定好機器人噴涂軌跡、工藝參數(shù)和環(huán)境參數(shù)等一系列條件，導(dǎo)入產(chǎn)品數(shù)模，通過仿真計算，就能得到車身漆膜厚度的分布結(jié)果(見圖7)。通過對噴漆仿真軟件的應(yīng)用，在車型設(shè)計階段，與設(shè)計部門協(xié)同工作，提前進行噴漆能力的評估，節(jié)省了大量調(diào)試樣車，并對漆膜均勻覆蓋和噴涂軌跡的優(yōu)化提供了有效的參考。

結(jié)語

涂裝虛擬仿真技術(shù)是現(xiàn)代數(shù)字制造技術(shù)與計算機仿真技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，它的出現(xiàn)給涂裝工藝注入了新的活力。作為產(chǎn)品設(shè)計和產(chǎn)品制造之間的橋梁，在產(chǎn)品設(shè)計階段，通過仿真驗證，工藝部門與設(shè)計部門實現(xiàn)同步工作，參與產(chǎn)品的設(shè)計過程，提出專業(yè)的意見進行產(chǎn)品更改，使設(shè)計到生產(chǎn)制造之間的不確定性降低，使生產(chǎn)制造過程在數(shù)字空間中得以檢驗，減少了項目后期的更改，避免了時間和成本的浪費，縮短了從設(shè)計到生產(chǎn)的轉(zhuǎn)化時間。