中國(guó)新型涂料網(wǎng)訊：
1 前言
1 前言
當(dāng)前，全球化、網(wǎng)絡(luò)化和虛擬化已經(jīng)成為制造業(yè)發(fā)展的重要特征。對(duì)于汽車行業(yè)來說，汽車設(shè)計(jì)虛擬技術(shù)是汽車行業(yè)較早實(shí)施的虛擬技術(shù)，也是汽車行業(yè)虛擬技術(shù)最成熟的領(lǐng)域。其將汽車設(shè)計(jì)的數(shù)字化模型在計(jì)算機(jī)中以直觀的方式顯示出來，使工程師能從1：1的仿真數(shù)字化模型中得到豐富準(zhǔn)確的信息，從而實(shí)現(xiàn)人與計(jì)算機(jī)之間無縫連接。現(xiàn)在，大部分的汽車企業(yè)已實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，充分利用分布在世界各地的各種資源，協(xié)同進(jìn)行互動(dòng)性的產(chǎn)品設(shè)計(jì)，這樣，工程師就可以直接根據(jù)虛擬模型做出快速準(zhǔn)確的判斷，而不必花費(fèi)更多的人力、物力去制作大量的物理模型，并省卻許多原來必不可少的實(shí)物驗(yàn)證工作。
在整車制造過程中的制模、沖壓、焊接、總裝、人機(jī)工程分析等各個(gè)環(huán)節(jié)中的計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)也已廣泛運(yùn)用，使汽車制造置于計(jì)算機(jī)技術(shù)所構(gòu)造的嚴(yán)格數(shù)據(jù)環(huán)境中。
對(duì)于汽車涂裝來說，其工藝相對(duì)穩(wěn)定，一般不受車型產(chǎn)品設(shè)計(jì)的變更而改變，所以相對(duì)于其他制造車間來說，其虛擬仿真技術(shù)的使用率略微偏低。但是由于產(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(duì)涂裝能力、過程進(jìn)行分析，將大幅提高產(chǎn)品性能，減少產(chǎn)品設(shè)計(jì)缺陷和產(chǎn)品實(shí)車驗(yàn)證過程中的問題數(shù)量。
本文針對(duì)我公司車身內(nèi)、外表面電泳膜厚虛擬分析、前處理電泳排水排氣能力分析、涂裝機(jī)器人涂膠噴漆可達(dá)性和涂裝烘房烘烤能力等相關(guān)虛擬技術(shù)進(jìn)行了簡(jiǎn)要闡述。
2 涂裝相關(guān)虛擬技術(shù)介紹
在產(chǎn)品設(shè)計(jì)前期階段，虛擬評(píng)估是新產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段同步工程的主要工作內(nèi)容，涂裝工程師也需要對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)的分析，以盡量識(shí)別產(chǎn)品設(shè)計(jì)影響涂裝效果的問題，并在前期將這些缺陷在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中修改掉。
在我公司引入虛擬評(píng)估軟件前，主要根據(jù)制造需求MR文件和工程師的經(jīng)驗(yàn)來進(jìn)行分析，如涂膠可達(dá)性、內(nèi)表面電泳膜厚、前處理電泳時(shí)產(chǎn)品的排氣、排水問題等。這些評(píng)估隨著工程師的經(jīng)驗(yàn)?zāi)芰Φ牟煌煌�，極易出現(xiàn)疏漏，也無法對(duì)一些性能做出定量分析，還需要在實(shí)車造車時(shí)進(jìn)行驗(yàn)證，這就造成問題識(shí)別和解決滯后，增加產(chǎn)品設(shè)計(jì)更改成本。
2.1電泳膜厚仿真
在未引入電泳膜厚仿真軟件前，每次虛擬評(píng)估時(shí)，只能根據(jù)經(jīng)驗(yàn)評(píng)估哪些空腔區(qū)域可能會(huì)有電泳膜厚差的問題，無定量的數(shù)據(jù)分析。具體的驗(yàn)證只能在實(shí)車驗(yàn)證階段，拆車以確定內(nèi)表面的具體膜厚。由于實(shí)車造車階段大部分的零件已設(shè)計(jì)定型，此時(shí)對(duì)車身進(jìn)行修改時(shí)，車身相配套的其他內(nèi)外飾、電子等零件的改動(dòng)量比較大，車身零件、內(nèi)外飾零件、磨具等的改動(dòng)成本較高、周期較長(zhǎng)。
我公司根據(jù)通用北美的使用經(jīng)驗(yàn)，在去年引進(jìn)了EDDL電泳仿真軟件對(duì)電泳膜厚進(jìn)行仿真分析。該軟件電泳仿真利用有限元技術(shù)建立電泳模型，通過電化學(xué)方程來模擬電泳過程，在計(jì)算機(jī)上對(duì)電泳過程進(jìn)行模擬，然后輸出車身鈑金電泳膜厚分析結(jié)果。
電泳最基本的物理原理為帶電荷的涂料粒子與它所帶電荷相反的電極相吸。采用直流電源，金屬工件浸于電泳漆液中通電后，陽離子涂料粒子向陰極工件移動(dòng)，繼而沉積在工件上，在工件表面形成均勻連續(xù)的涂膜。
2.1.1仿真前準(zhǔn)備工作
由于模擬仿真需要模擬現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際狀態(tài)，所以在開始實(shí)施前需要收集新車型目標(biāo)工廠電泳系統(tǒng)的相關(guān)信息，主要包括：
a）電泳槽泳透力盒測(cè)試數(shù)據(jù)，即使用泳透力盒測(cè)出目標(biāo)工廠的泳透力數(shù)據(jù)，其所有數(shù)據(jù)為電泳槽性能的重要參數(shù)：
b）電泳槽在線電壓數(shù)據(jù)：通過使用電泳電壓記錄儀隨車記錄車身在電泳過程中門、頂棚、門檻版、車底等位置的實(shí)際在線電壓數(shù)值，通過該數(shù)據(jù)，可以了解電泳過程中，電場(chǎng)強(qiáng)度從陽極管發(fā)出后到車身表面的損失率和實(shí)際能力。
c）當(dāng)前量產(chǎn)車外表面電泳膜厚：通過測(cè)量當(dāng)前在線量產(chǎn)車的實(shí)際電泳厚度，以校準(zhǔn)、標(biāo)定電泳槽液參數(shù)。
d）其他電泳槽相關(guān)信息：前處理類型（磷化或薄膜）、是否有頂部底部陽極、陽極類型（管式、板式、C型）及數(shù)量、電泳溫度、槽液電導(dǎo)率、陽極液電導(dǎo)率、槽液PH、槽體線速度、電泳槽各段電壓設(shè)定值、槽體尺寸、槽體陽極排布位置等相關(guān)信息。
2.2.1仿真實(shí)施過程
仿真操作過程主要分為下邊幾個(gè)階段：數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、模型前處理，分析計(jì)算，結(jié)果后處理、仿真結(jié)果評(píng)價(jià)。
a）車身數(shù)模文件網(wǎng)格化處理：與大部分的仿真軟件操作一致，車身的仿真也需要首先對(duì)所有車身零件做網(wǎng)格化（即有限元）拉伸處理，以便于利用解偏微分方程的方法進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算，該步驟依靠HyperMesh軟件。由于網(wǎng)格化處理費(fèi)時(shí)費(fèi)力，費(fèi)時(shí)較多，因此在處理前要先篩選有用的零件，將不需要的零件全部刪除，盡量減少不必要的工作量。
b）VolumeMesh和槽體、車身模塊合并：根據(jù)前期準(zhǔn)備的泳透力盒等數(shù)據(jù)作出電泳槽體的Mesh網(wǎng)格模型；再將車身模型數(shù)據(jù)和槽體數(shù)據(jù)通過DEM軟件合并為整體的仿真模型；然后通過ICFM-DFM軟件對(duì)模型進(jìn)行檢查確認(rèn)并修復(fù)缺陷。
由于車身的左右側(cè)基本一致，因此在建模時(shí)只需選擇單側(cè)實(shí)施即可；電泳時(shí)車門是需要開啟一定角度的，所以在建模時(shí)也需要根據(jù)實(shí)際情況開啟一定角度；
c）仿真計(jì)算：將前序的模型和各項(xiàng)相關(guān)文件倒入EDDL系統(tǒng)，再設(shè)置槽液的相關(guān)參數(shù)，啟動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)運(yùn)算、計(jì)算周期約為2-3周。運(yùn)算結(jié)束后，可以使用Hyperviewer對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行確認(rèn)。
其中槽液的仿真參數(shù)根據(jù)前期收集數(shù)據(jù)計(jì)算、校準(zhǔn)而來，且車身尺寸對(duì)仿真模型有一定的影響，因此我們將參數(shù)設(shè)置了大小兩種車型來分析。
數(shù)據(jù)分析、驗(yàn)證：
通過實(shí)車拆車和虛擬仿真對(duì)比，可以看出仿真與實(shí)車基本吻合，但是厚度方面有一定偏差。經(jīng)過數(shù)據(jù)分析，基本可以判斷當(dāng)虛擬仿真時(shí)膜厚大于5um的區(qū)域，其實(shí)際膜厚基本能夠達(dá)到不低于10um的要求。針對(duì)電泳不良位置，可以通過增加開孔、調(diào)整鈑金結(jié)構(gòu)等措施，在Mesh數(shù)模上調(diào)整，并進(jìn)行反復(fù)驗(yàn)證。
2.2電泳排水、排氣仿真
車身在涂裝車間雙擺桿和C型鉤等電泳系統(tǒng)通過前處理、電泳時(shí)其中，由于車身擺動(dòng)幅度較小，容易造成部分腔體區(qū)域會(huì)出現(xiàn)空氣無法排掉、液體無法排出，從而造成空腔內(nèi)部積氣、積水和金屬裸漏、電泳漆膜厚不達(dá)標(biāo)等問題。在采用RoDip或VarioShuttle等機(jī)運(yùn)系統(tǒng)可以解決，但是其成本較高，老工廠無法進(jìn)行實(shí)施，因此通過前期電泳仿真發(fā)現(xiàn)積氣、積液的地方為比較可行的方案。
該軟件主要通過模擬電泳槽液和車身通過時(shí)的狀態(tài)以確定新車型排水、排氣狀態(tài)。其首先也需要將車身數(shù)模做網(wǎng)格化劃分，然后輸入機(jī)運(yùn)線的入槽角度、駝峰角度、出槽角度等信息（如下圖），通過ALSIM軟件模擬出積水、積氣位置和量的信息。
仿真結(jié)果（后蓋排氣）：
排水結(jié)果與排氣結(jié)果類似，可以直觀的了解積水的量和位置，同時(shí)可以通過軟件增加孔或改動(dòng)擺動(dòng)角度以驗(yàn)證排水、排氣效果。
2.3涂膠、噴漆可達(dá)性模擬
涂膠可達(dá)性主要依靠涂膠槍頭模型，將其調(diào)入車身數(shù)模中，再根據(jù)涂裝時(shí)槍頭狀態(tài)和車身。
2.3.1通用型涂膠可達(dá)性模型
該模型為通用型數(shù)模，通過該模型可以初步評(píng)估涂膠可達(dá)性、人機(jī)問題等，主要為手工涂膠分析使用。
在使用時(shí)將其前部尖端放在涂膠要求密封的焊縫位置，該模型其他位置若不會(huì)與車身其他任何零件干涉，即表示涂膠可達(dá)性是綠色、可實(shí)施的；如果出現(xiàn)與其他零件干涉情況（如上右圖），則表示該處涂膠不可達(dá)，有干涉問題。
2.3.2密封膠槍頭模型
密封膠槍頭即現(xiàn)在使用的各個(gè)機(jī)器人涂膠的槍頭數(shù)模模型，根據(jù)現(xiàn)在使用的涂膠機(jī)器人涂膠槍種類，包括車身內(nèi)表面InteriorSealing密封槍頭、車底UBCPVC噴涂槍頭、車底密封膠UBS涂膠槍頭、液體可噴涂隔音降噪材料LASD涂膠槍頭等。
在一些空間受限或高密封可達(dá)性風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域，可以將涂膠槍頭調(diào)入整車數(shù)模，根據(jù)涂膠時(shí)槍頭的槍距和姿態(tài)調(diào)整涂膠槍頭的位置，以檢測(cè)該位置涂膠的可達(dá)性。多功能槍頭即可以對(duì)涂膠進(jìn)行檢查，也可以對(duì)車底、輪罩等噴涂UBCPVC膠的區(qū)域進(jìn)行檢查、確認(rèn)。
2.3.3油漆噴槍槍頭模型
由于油漆噴涂主要是在車身的可視面，所以其大部分區(qū)域均為可視區(qū)域，一般不會(huì)存在噴涂可達(dá)性問題。但是車身內(nèi)表面或者一些特殊造型區(qū)域（如頂槽、MPV車型的導(dǎo)軌槽等）在油漆噴涂時(shí)仍然還是會(huì)有可達(dá)性問題出現(xiàn)，從而造成油漆漆薄、色差等外觀缺陷。
該模型與涂膠可達(dá)性基礎(chǔ)模型基本一致，也是在使用時(shí)將其前部尖端放在凹槽底部表面或需要噴涂的零件表面，若該模型其他位置不與車身其他任何零件干涉，即表示該位置噴漆可達(dá)性是綠色可實(shí)施的；如果該模型有部分位置與其他零件存在干涉情況，則表示該位置噴漆不可達(dá)，存在油漆外觀缺陷。
2.3.4機(jī)器人站模型
上述槍頭模型是日常使用中最常用的模型，其操作簡(jiǎn)單、省時(shí)省力，可以完成日常大部分的模擬工作。但是在實(shí)際評(píng)估時(shí)發(fā)現(xiàn)，有一些區(qū)域單純依靠槍頭評(píng)估是無法完全達(dá)到實(shí)際狀態(tài)的，主要是因?yàn)椴僮鲿?huì)受到機(jī)器人工位尺寸、機(jī)器人類型、手臂軸關(guān)節(jié)等的移動(dòng)限制，造成部分區(qū)域施工不可達(dá)，因此，我們建立了機(jī)器人工位的實(shí)體模型。
在建立工位模型時(shí)，需要建立一個(gè)完全現(xiàn)場(chǎng)化的虛擬環(huán)境，需要將現(xiàn)場(chǎng)的工位布置、機(jī)器人站、工裝夾具撐桿、機(jī)運(yùn)線、雪橇吊架、輔助設(shè)備等工位實(shí)體信息全部數(shù)字化，具體如下圖。
在虛擬仿真時(shí)，將車身數(shù)模加載入工位模型，準(zhǔn)確固定于雪橇、吊架的實(shí)際支撐點(diǎn)位置，使其與現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)完全一致。然后再根據(jù)工藝文件的要求，對(duì)需要施工的工位進(jìn)行離線虛擬編程模擬，從而確認(rèn)其施工可行性。
2.3.5烘房烘烤能力仿真
油漆烘房的烘烤模擬需要在前期測(cè)量車身所有零件的熱傳導(dǎo)系數(shù)（鈑金、車身膠等）、烘房的設(shè)計(jì)圖紙、烘房噴管位置等數(shù)據(jù)來搭建仿真模型，然后用在線車來測(cè)量烘房的實(shí)際烘烤溫度來校準(zhǔn)模型。
其模擬方法與電泳仿真相似，通過有限元的方法，確認(rèn)車身每個(gè)位置的溫度；同時(shí)根據(jù)鈑金、密封膠等材料的熱脹系數(shù)、楊氏模量、泊松比等材料參數(shù)，也可以對(duì)一些易變形零件（四門、兩蓋等）進(jìn)行加熱形變量的分析，以支持改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)強(qiáng)度。該仿真在我公司暫未實(shí)施，后期將研究實(shí)施。
3 虛擬仿真注意事項(xiàng)
電泳仿真和排水排氣仿真由于需要進(jìn)行數(shù)模的網(wǎng)格化處理，且需要用偏微分計(jì)算數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)處理量非常大，計(jì)算比較耗時(shí)、周期長(zhǎng)，對(duì)電腦的硬件要求也很高。而整車的左右側(cè)基本對(duì)稱，因此在模擬時(shí)，我們只需要選取車身數(shù)模的一半進(jìn)行分析，同時(shí)選取車身相關(guān)的鈑金零件，與鈑金不相關(guān)的車身膠（車身膠對(duì)電泳仿真的影響很小，可以忽略不計(jì)）、焊點(diǎn)、總裝零件等全部刪除，避免不必要的數(shù)據(jù)計(jì)算量。
虛擬仿真（如機(jī)器人工位實(shí)體仿真）雖然能夠完全模擬現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)，但是受制于制造公差等因素影響，部分結(jié)果不能完全做到100%精確，仍會(huì)出現(xiàn)不可達(dá)等風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域，這些風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域在后期時(shí)仍需要結(jié)合實(shí)際狀態(tài)進(jìn)行分析；另外，工位實(shí)體模型雖然比單純的槍頭要精確，但是其需要在該工位所有相關(guān)設(shè)施都需要有數(shù)模支持，占用的資源較多、對(duì)仿真機(jī)器硬件要求較高、仿真的周期也較長(zhǎng)，在前期階段完全實(shí)施的話工作量太大，沒有可實(shí)施性。因此，在仿真時(shí)需要與槍頭模型結(jié)合進(jìn)行，單純依靠槍頭模型不能完全分析出結(jié)果的，再進(jìn)行實(shí)體模型的模擬才是最優(yōu)的選擇。
4 結(jié)論
虛擬仿真能夠在項(xiàng)目前期階段模擬涂裝制造時(shí)的各種狀態(tài)，能夠充分發(fā)現(xiàn)影響制造的問題，減少人為原因造成的缺陷遺漏，節(jié)約大量的人力、物力資源，大幅提高產(chǎn)品試制階段制造質(zhì)量。
雖然虛擬仿真不能完全代替實(shí)車驗(yàn)證，但是通過虛擬仿真和實(shí)車驗(yàn)證的結(jié)合，通過后續(xù)軟件和模擬環(huán)境的改善，可以使模擬結(jié)果越來越真實(shí)，與實(shí)際狀態(tài)越來越接近。
