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1 前言
1 前言
當前，全球化、網絡化和虛擬化已經成為制造業(yè)發(fā)展的重要特征。對于汽車行業(yè)來說，汽車設計虛擬技術是汽車行業(yè)較早實施的虛擬技術，也是汽車行業(yè)虛擬技術最成熟的領域。其將汽車設計的數(shù)字化模型在計算機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確的信息，從而實現(xiàn)人與計算機之間無縫連接�，F(xiàn)在，大部分的汽車企業(yè)已實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，在網絡環(huán)境中，充分利用分布在世界各地的各種資源，協(xié)同進行互動性的產品設計，這樣，工程師就可以直接根據虛擬模型做出快速準確的判斷，而不必花費更多的人力、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物驗證工作。
在整車制造過程中的制模、沖壓、焊接、總裝、人機工程分析等各個環(huán)節(jié)中的計算機模擬技術也已廣泛運用，使汽車制造置于計算機技術所構造的嚴格數(shù)據環(huán)境中。
對于汽車涂裝來說，其工藝相對穩(wěn)定，一般不受車型產品設計的變更而改變，所以相對于其他制造車間來說，其虛擬仿真技術的使用率略微偏低。但是由于產品設計對于涂裝工藝能力和車型產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對涂裝能力、過程進行分析，將大幅提高產品性能，減少產品設計缺陷和產品實車驗證過程中的問題數(shù)量。
本文針對我公司車身內、外表面電泳膜厚虛擬分析、前處理電泳排水排氣能力分析、涂裝機器人涂膠噴漆可達性和涂裝烘房烘烤能力等相關虛擬技術進行了簡要闡述。
2 涂裝相關虛擬技術介紹
在產品設計前期階段，虛擬評估是新產品設計階段同步工程的主要工作內容，涂裝工程師也需要對產品設計進行詳細的分析，以盡量識別產品設計影響涂裝效果的問題，并在前期將這些缺陷在產品設計中修改掉。
在我公司引入虛擬評估軟件前，主要根據制造需求MR文件和工程師的經驗來進行分析，如涂膠可達性、內表面電泳膜厚、前處理電泳時產品的排氣、排水問題等。這些評估隨著工程師的經驗能力的不同而不同，極易出現(xiàn)疏漏，也無法對一些性能做出定量分析，還需要在實車造車時進行驗證，這就造成問題識別和解決滯后，增加產品設計更改成本。
2.1電泳膜厚仿真
在未引入電泳膜厚仿真軟件前，每次虛擬評估時，只能根據經驗評估哪些空腔區(qū)域可能會有電泳膜厚差的問題，無定量的數(shù)據分析。具體的驗證只能在實車驗證階段，拆車以確定內表面的具體膜厚。由于實車造車階段大部分的零件已設計定型，此時對車身進行修改時，車身相配套的其他內外飾、電子等零件的改動量比較大，車身零件、內外飾零件、磨具等的改動成本較高、周期較長。
我公司根據通用北美的使用經驗，在去年引進了EDDL電泳仿真軟件對電泳膜厚進行仿真分析。該軟件電泳仿真利用有限元技術建立電泳模型，通過電化學方程來模擬電泳過程，在計算機上對電泳過程進行模擬，然后輸出車身鈑金電泳膜厚分析結果。
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，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仿真前準備工作
由于模擬仿真需要模擬現(xiàn)場的實際狀態(tài)，所以在開始實施前需要收集新車型目標工廠電泳系統(tǒng)的相關信息，主要包括：
a）電泳槽泳透力盒測試數(shù)據，即使用泳透力盒測出目標工廠的泳透力數(shù)據，其所有數(shù)據為電泳槽性能的重要參數(shù)：
b）電泳槽在線電壓數(shù)據：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、車底等位置的實際在線電壓數(shù)值，通過該數(shù)據，可以了解電泳過程中，電場強度從陽極管發(fā)出后到車身表面的損失率和實際能力。
c）當前量產車外表面電泳膜厚：通過測量當前在線量產車的實際電泳厚度，以校準、標定電泳槽液參數(shù)。
d）其他電泳槽相關信息：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、槽液電導率、陽極液電導率、槽液PH、槽體線速度、電泳槽各段電壓設定值、槽體尺寸、槽體陽極排布位置等相關信息。
2.2.1仿真實施過程
仿真操作過程主要分為下邊幾個階段：數(shù)據準備、模型前處理，分析計算，結果后處理、仿真結果評價。
a）車身數(shù)模文件網格化處理：與大部分的仿真軟件操作一致，車身的仿真也需要首先對所有車身零件做網格化（即有限元）拉伸處理，以便于利用解偏微分方程的方法進行數(shù)據計算，該步驟依靠HyperMesh軟件。由于網格化處理費時費力，費時較多，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：根據前期準備的泳透力盒等數(shù)據作出電泳槽體的Mesh網格模型；再將車身模型數(shù)據和槽體數(shù)據通過DEM軟件合并為整體的仿真模型；然后通過ICFM-DFM軟件對模型進行檢查確認并修復缺陷。
由于車身的左右側基本一致，因此在建模時只需選擇單側實施即可；電泳時車門是需要開啟一定角度的，所以在建模時也需要根據實際情況開啟一定角度；
c）仿真計算：將前序的模型和各項相關文件倒入EDDL系統(tǒng)，再設置槽液的相關參數(shù)，啟動系統(tǒng)進行自動運算、計算周期約為2-3周。運算結束后，可以使用Hyperviewer對仿真結果進行確認。
其中槽液的仿真參數(shù)根據前期收集數(shù)據計算、校準而來，且車身尺寸對仿真模型有一定的影響，因此我們將參數(shù)設置了大小兩種車型來分析。
數(shù)據分析、驗證：
通過實車拆車和虛擬仿真對比，可以看出仿真與實車基本吻合，但是厚度方面有一定偏差。經過數(shù)據分析，基本可以判斷當虛擬仿真時膜厚大于5um的區(qū)域，其實際膜厚基本能夠達到不低于10um的要求。針對電泳不良位置，可以通過增加開孔、調整鈑金結構等措施，在Mesh數(shù)模上調整，并進行反復驗證。
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、電泳時其中，由于車身擺動幅度較小，容易造成部分腔體區(qū)域會出現(xiàn)空氣無法排掉、液體無法排出，從而造成空腔內部積氣、積水和金屬裸漏、電泳漆膜厚不達標等問題。在采用RoDip或VarioShuttle等機運系統(tǒng)可以解決，但是其成本較高，老工廠無法進行實施，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)模做網格化劃分，然后輸入機運線的入槽角度、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。
仿真結果（后蓋排氣）：
排水結果與排氣結果類似，可以直觀的了解積水的量和位置，同時可以通過軟件增加孔或改動擺動角度以驗證排水、排氣效果。
2.3涂膠、噴漆可達性模擬
涂膠可達性主要依靠涂膠槍頭模型，將其調入車身數(shù)模中，再根據涂裝時槍頭狀態(tài)和車身。
2.3.1通用型涂膠可達性模型
該模型為通用型數(shù)模，通過該模型可以初步評估涂膠可達性、人機問題等，主要為手工涂膠分析使用。
在使用時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與車身其他任何零件干涉，即表示涂膠可達性是綠色、可實施的；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，有干涉問題。
2.3.2密封膠槍頭模型
密封膠槍頭即現(xiàn)在使用的各個機器人涂膠的槍頭數(shù)模模型，根據現(xiàn)在使用的涂膠機器人涂膠槍種類，包括車身內表面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性風險區(qū)域，可以將涂膠槍頭調入整車數(shù)模，根據涂膠時槍頭的槍距和姿態(tài)調整涂膠槍頭的位置，以檢測該位置涂膠的可達性。多功能槍頭即可以對涂膠進行檢查，也可以對車底、輪罩等噴涂UBCPVC膠的區(qū)域進行檢查、確認。
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，一般不會存在噴涂可達性問題。但是車身內表面或者一些特殊造型區(qū)域（如頂槽、MPV車型的導軌槽等）在油漆噴涂時仍然還是會有可達性問題出現(xiàn)，從而造成油漆漆薄、色差等外觀缺陷。
該模型與涂膠可達性基礎模型基本一致，也是在使用時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性是綠色可實施的；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，存在油漆外觀缺陷。
2.3.4機器人站模型
上述槍頭模型是日常使用中最常用的模型，其操作簡單、省時省力，可以完成日常大部分的模擬工作。但是在實際評估時發(fā)現(xiàn)，有一些區(qū)域單純依靠槍頭評估是無法完全達到實際狀態(tài)的，主要是因為操作會受到機器人工位尺寸、機器人類型、手臂軸關節(jié)等的移動限制，造成部分區(qū)域施工不可達，因此，我們建立了機器人工位的實體模型。
在建立工位模型時，需要建立一個完全現(xiàn)場化的虛擬環(huán)境，需要將現(xiàn)場的工位布置、機器人站、工裝夾具撐桿、機運線、雪橇吊架、輔助設備等工位實體信息全部數(shù)字化，具體如下圖。
在虛擬仿真時，將車身數(shù)模加載入工位模型，準確固定于雪橇、吊架的實際支撐點位置，使其與現(xiàn)場狀態(tài)完全一致。然后再根據工藝文件的要求，對需要施工的工位進行離線虛擬編程模擬，從而確認其施工可行性。
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量車身所有零件的熱傳導系數(shù)（鈑金、車身膠等）、烘房的設計圖紙、烘房噴管位置等數(shù)據來搭建仿真模型，然后用在線車來測量烘房的實際烘烤溫度來校準模型。
其模擬方法與電泳仿真相似，通過有限元的方法，確認車身每個位置的溫度；同時根據鈑金、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)，也可以對一些易變形零件（四門、兩蓋等）進行加熱形變量的分析，以支持改進產品設計強度。該仿真在我公司暫未實施，后期將研究實施。
3 虛擬仿真注意事項
電泳仿真和排水排氣仿真由于需要進行數(shù)模的網格化處理，且需要用偏微分計算數(shù)據，其數(shù)據處理量非常大，計算比較耗時、周期長，對電腦的硬件要求也很高。而整車的左右側基本對稱，因此在模擬時，我們只需要選取車身數(shù)模的一半進行分析，同時選取車身相關的鈑金零件，與鈑金不相關的車身膠（車身膠對電泳仿真的影響很小，可以忽略不計）、焊點、總裝零件等全部刪除，避免不必要的數(shù)據計算量。
虛擬仿真（如機器人工位實體仿真）雖然能夠完全模擬現(xiàn)場狀態(tài)，但是受制于制造公差等因素影響，部分結果不能完全做到100%精確，仍會出現(xiàn)不可達等風險區(qū)域，這些風險區(qū)域在后期時仍需要結合實際狀態(tài)進行分析；另外，工位實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設施都需要有數(shù)模支持，占用的資源較多、對仿真機器硬件要求較高、仿真的周期也較長，在前期階段完全實施的話工作量太大，沒有可實施性。因此，在仿真時需要與槍頭模型結合進行，單純依靠槍頭模型不能完全分析出結果的，再進行實體模型的模擬才是最優(yōu)的選擇。
4 結論
虛擬仿真能夠在項目前期階段模擬涂裝制造時的各種狀態(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，大幅提高產品試制階段制造質量。
雖然虛擬仿真不能完全代替實車驗證，但是通過虛擬仿真和實車驗證的結合，通過后續(xù)軟件和模擬環(huán)境的改善，可以使模擬結果越來越真實，與實際狀態(tài)越來越接近。
