虛擬仿真技術(shù)在涂裝工藝中的應(yīng)用

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，虛擬仿真技術(shù)在新車型開(kāi)發(fā)過(guò)程中扮演著越來(lái)越重要的作用。由于產(chǎn)品設(shè)計(jì)對(duì)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(guò)虛擬仿真技術(shù)對(duì)涂裝能力和過(guò)程進(jìn)行分析，將大幅提高產(chǎn)品性能，減少產(chǎn)品設(shè)計(jì)缺陷，減少實(shí)車驗(yàn)證過(guò)程中的問(wèn)題數(shù)量及產(chǎn)品開(kāi)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(jì)算機(jī)虛擬環(huán)境中對(duì)整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中進(jìn)行仿真、評(píng)估和優(yōu)化。本文主要對(duì)通過(guò)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(jī)工程仿真和噴漆膜厚仿真分析等進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹。

通過(guò)性仿真分析

涂裝車間需同時(shí)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(jì)時(shí)是按照柔性化生產(chǎn)設(shè)計(jì)的，但由于車型設(shè)計(jì)風(fēng)格的不斷發(fā)展、車型款式的不斷更新以及車型熱點(diǎn)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(lái)越大，需要新車型在現(xiàn)有涂裝線投產(chǎn)前進(jìn)行通過(guò)性分析工作。

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

軟件能模擬白車身在各個(gè)室體內(nèi)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)并進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析，分析該車身在通過(guò)各個(gè)室體時(shí)是否存在干涉現(xiàn)象，以確定車身在各個(gè)室體的通過(guò)性能力。軟件能對(duì)滑撬、吊具和臺(tái)車輸送設(shè)備等進(jìn)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(jī)械化設(shè)備的通過(guò)性要求。

氣泡仿真分析

電泳涂裝是將整個(gè)白車身浸入在電泳槽中，由于車身設(shè)計(jì)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(wèn)題。采用RoDip或VarioShuttle等機(jī)運(yùn)系統(tǒng)可以解決氣室問(wèn)題，但其成本較高，老工廠無(wú)法進(jìn)行實(shí)施，因此通過(guò)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(jì)算出電泳過(guò)程中的氣室位置，對(duì)電泳過(guò)程中的排氣能力進(jìn)行全面評(píng)估。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段，將車身數(shù)模進(jìn)行網(wǎng)格化劃分，輸入車身的入槽角度、運(yùn)行軌跡和出槽角度等信息，通過(guò)軟件的分析計(jì)算，得到各個(gè)時(shí)間點(diǎn)腔體內(nèi)氣泡的狀態(tài)、整個(gè)電泳過(guò)程內(nèi)氣泡的流動(dòng)路徑和存在位置。

通過(guò)對(duì)氣室位置的精確仿真，可以在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中提前發(fā)現(xiàn)氣室位置(見(jiàn)圖2)，通過(guò)在氣室位置開(kāi)孔或調(diào)節(jié)形面等辦法解決氣室問(wèn)題，并不斷進(jìn)行優(yōu)化，避免在項(xiàng)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(wèn)題，既縮短了項(xiàng)目的調(diào)試周期，又節(jié)省了設(shè)備變更所產(chǎn)生的費(fèi)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(jìn)行烘干，烘干的目的是通過(guò)加熱使涂裝過(guò)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(jì)的過(guò)程中，涂裝工藝部門往往不能準(zhǔn)確地評(píng)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(cè)量車身表面在烘干爐中溫度的變化情況，進(jìn)行驗(yàn)證工作。這種工作模式驗(yàn)證時(shí)間靠后，驗(yàn)證周期較長(zhǎng)，而且無(wú)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(guò)程，模擬墻壁上噴管向車身噴射熱空氣的影響，能對(duì)新車型烘干能力進(jìn)行準(zhǔn)確的評(píng)估。該軟件需通過(guò)網(wǎng)格模塊進(jìn)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(guò)計(jì)算模塊進(jìn)行仿真計(jì)算，得到車身任意位置的溫度隨時(shí)間變化的關(guān)系(見(jiàn)圖3)。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段，通過(guò)對(duì)烘烤仿真軟件的應(yīng)用，可以對(duì)新車型烘干能力進(jìn)行全面評(píng)估，提前解決了后續(xù)驗(yàn)證過(guò)程中的問(wèn)題，該仿真軟件同時(shí)能對(duì)生產(chǎn)線進(jìn)行優(yōu)化，通過(guò)對(duì)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(shuō)是整個(gè)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(guò)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(guò)增開(kāi)電泳孔來(lái)提升電泳效果，繼而提升車身的防腐能力。由于車身設(shè)計(jì)還需考慮噪聲、強(qiáng)度和振動(dòng)等性能的要求，電泳孔開(kāi)孔位置限制較多，電泳能力的評(píng)估工作以往主要以個(gè)人經(jīng)驗(yàn)為主并輔以試制糾錯(cuò)法協(xié)助，所有的開(kāi)孔方案需在項(xiàng)目后期的實(shí)車拆解階段進(jìn)行驗(yàn)證，存在驗(yàn)證周期長(zhǎng)、變更費(fèi)用高的問(wèn)題。

電泳仿真軟件能計(jì)算車身上的電流密度分布、電勢(shì)分布和漆膜厚度分布，對(duì)新車型電泳能力進(jìn)行全面評(píng)估。電泳仿真軟件采用有限元方法進(jìn)行計(jì)算分析，分為數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、模型前處理、分析計(jì)算和結(jié)果后處理四大部分。軟件可以在設(shè)計(jì)階段對(duì)電泳的可行性進(jìn)行高精度的定量計(jì)算，可以精確地得到產(chǎn)品在不同時(shí)刻的電流密度分布、電勢(shì)分布和漆膜厚度分布(見(jiàn)圖4)，進(jìn)而評(píng)估電泳的可行性。軟件同時(shí)能對(duì)開(kāi)孔方案進(jìn)行不斷驗(yàn)證和優(yōu)化，直到得到最優(yōu)的設(shè)計(jì)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(yàn)證。

人機(jī)工程仿真分析

涂裝密封膠使車身具有良好的水密封性、機(jī)械密封性、防銹性和耐久性。電泳無(wú)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(píng)估是涂裝同步工程的重點(diǎn)，以往主要根據(jù)個(gè)人經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行該項(xiàng)評(píng)估，部分問(wèn)題需等到實(shí)車驗(yàn)證階段才能對(duì)各種應(yīng)對(duì)方案進(jìn)行驗(yàn)證，存在驗(yàn)證周期長(zhǎng)、評(píng)估不夠全面等問(wèn)題。

人機(jī)工程軟件能對(duì)生產(chǎn)線的涂膠情況進(jìn)行全過(guò)程模擬，對(duì)密封膠操作進(jìn)行全面、準(zhǔn)確的評(píng)估。人機(jī)工程軟件需對(duì)生產(chǎn)線進(jìn)行建模，規(guī)定生產(chǎn)線運(yùn)動(dòng)軌跡，定義人體的動(dòng)作(見(jiàn)圖5)，最終得到人機(jī)工程整體評(píng)價(jià)，判斷涂膠操作的可達(dá)性、可視性并進(jìn)行工時(shí)的統(tǒng)計(jì)。人機(jī)工程軟件能在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段對(duì)密封膠的操作性進(jìn)行全面評(píng)估，提高了評(píng)估的準(zhǔn)確性和全面性，減少了項(xiàng)目后期生產(chǎn)調(diào)試過(guò)程中的大部分問(wèn)題。

機(jī)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(hào)迅速變化，車身設(shè)計(jì)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(jī)器人和噴涂機(jī)器人應(yīng)運(yùn)而生，被大規(guī)模使用。

機(jī)器人的作用是控制噴槍，使之在噴涂過(guò)程中與噴涂表面保持正確的角度和恒定的距離，為了實(shí)現(xiàn)這一任務(wù)，工程師需要給機(jī)器人輸入特定的噴槍移動(dòng)軌跡，定義在整個(gè)噴涂過(guò)程中機(jī)器人的各種動(dòng)作。以往噴漆機(jī)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(xiàng)目后期有實(shí)車后才能進(jìn)行調(diào)試與編程，這種工作形式存在調(diào)試時(shí)間靠后且調(diào)試周期較長(zhǎng)等問(wèn)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(jìn)行機(jī)器人工作單元的建立、仿真與驗(yàn)證，軟件使用圖形化編程、編輯和調(diào)試的機(jī)器人系統(tǒng)來(lái)創(chuàng)建機(jī)器人的運(yùn)行軌跡(見(jiàn)圖6)。離線編程軟件能在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中進(jìn)行機(jī)器人的軌跡調(diào)試工作，不需要生產(chǎn)線停機(jī)配合就可以對(duì)機(jī)器人的噴涂軌跡進(jìn)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(jī)器人程序，大幅提前了軌跡調(diào)試時(shí)間點(diǎn)，縮短了項(xiàng)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(dòng)噴漆效果的重要指標(biāo)之一，漆膜過(guò)厚造成噴涂材料的浪費(fèi)，且漆膜表面容易結(jié)塊脫落，漆膜過(guò)薄則不足以遮蓋產(chǎn)品的底漆顏色，無(wú)法形成良好的產(chǎn)品外觀，漆膜厚度不均，又會(huì)形成不同的漆膜缺陷。

漆膜的厚度與噴漆過(guò)程中的很多因素有關(guān)，如噴頭的運(yùn)動(dòng)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(shí)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(jìn)行，需要消耗大量調(diào)試樣車，調(diào)試后的樣車只能做報(bào)廢處理，造成了能源、資源和成本的浪費(fèi)，這種工作模式調(diào)試時(shí)間靠后、影響生產(chǎn)線生產(chǎn)且調(diào)試周期較長(zhǎng)。

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(duì)噴漆質(zhì)量、傳輸速率和污染進(jìn)行準(zhǔn)確的評(píng)估。軟件需對(duì)生產(chǎn)線進(jìn)行建模，設(shè)定好機(jī)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(guò)仿真計(jì)算，就能得到車身漆膜厚度的分布結(jié)果(見(jiàn)圖7)。通過(guò)對(duì)噴漆仿真軟件的應(yīng)用，在車型設(shè)計(jì)階段，與設(shè)計(jì)部門協(xié)同工作，提前進(jìn)行噴漆能力的評(píng)估，節(jié)省了大量調(diào)試樣車，并對(duì)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(yǔ)

涂裝虛擬仿真技術(shù)是現(xiàn)代數(shù)字制造技術(shù)與計(jì)算機(jī)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(jì)和產(chǎn)品制造之間的橋梁，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段，通過(guò)仿真驗(yàn)證，工藝部門與設(shè)計(jì)部門實(shí)現(xiàn)同步工作，參與產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過(guò)程，提出專業(yè)的意見(jiàn)進(jìn)行產(chǎn)品更改，使設(shè)計(jì)到生產(chǎn)制造之間的不確定性降低，使生產(chǎn)制造過(guò)程在數(shù)字空間中得以檢驗(yàn)，減少了項(xiàng)目后期的更改，避免了時(shí)間和成本的浪費(fèi)，縮短了從設(shè)計(jì)到生產(chǎn)的轉(zhuǎn)化時(shí)間。