白車身涂膠仿真技術(shù)的應(yīng)用研究

陳亮

白車身涂膠仿真技術(shù)的應(yīng)用研究

陳亮

（上汽通用汽車有限公司，上海 201208）

白車身涂膠仿真技術(shù)的應(yīng)用能讓工程師及早發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品涂膠問題、提前驗(yàn)證機(jī)器人涂膠工藝，對(duì)于縮短產(chǎn)品開發(fā)周期、降低成本、提高質(zhì)量具有重要意義。文章總結(jié)了白車身涂膠工藝現(xiàn)有的仿真技術(shù)，研究了仿真技術(shù)的實(shí)現(xiàn)原理和方法，結(jié)合實(shí)際場(chǎng)景說明了這些仿真技術(shù)在白車身產(chǎn)品可密封性評(píng)估和工藝可施工性評(píng)估方面的應(yīng)用和指導(dǎo)，并展望了白車身涂膠仿真技術(shù)的發(fā)展方向。

涂膠；仿真；可達(dá)性；離線編程

引言

“中國制造2025”和汽車行業(yè)“新四化”的要求讓智能制造進(jìn)入各大整車廠的戰(zhàn)略部署，產(chǎn)品及工藝的數(shù)字化開發(fā)和虛擬仿真的應(yīng)用是實(shí)現(xiàn)智能制造的關(guān)鍵步驟。虛擬仿真技術(shù)依托于計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，在整車新產(chǎn)品開發(fā)過程中扮演著越來越重要的作用。

白車身涂膠（包括內(nèi)部涂膠、底部涂膠、防石擊涂層、LASD等）是汽車涂裝工藝的重要環(huán)節(jié)，對(duì)整車起到防腐、防漏水、隔音降噪等作用。目前虛擬仿真技術(shù)已涵蓋涂裝車間絕大部分工序，包括通過性仿真、排水排氣仿真、電泳膜厚仿真、烘烤仿真、噴漆仿真等，且已有廣泛的研究和探討[1][2][3]，但針對(duì)涂膠工藝的仿真技術(shù)少有論述。不同于焊裝車間在鈑金零件上的涂膠，涂裝車間內(nèi)的白車身涂膠工藝制約因素更多且更復(fù)雜，鈑金搭接結(jié)構(gòu)、焊縫大小等影響涂膠質(zhì)量，白車身結(jié)構(gòu)、夾具吊架等影響涂膠可達(dá)性，且由于涂膠工藝往往在限定的靜態(tài)機(jī)器人工位內(nèi)完成，機(jī)器人之間的任務(wù)分配，機(jī)器人與機(jī)器人之間、機(jī)器人與車身之間、機(jī)器人各軸之間的并行協(xié)作與干涉互斥的關(guān)系，都影響著現(xiàn)場(chǎng)工藝實(shí)施的質(zhì)量與效率。很難有一種評(píng)估方法能夠通盤考慮以上問題，因此往往需要多種仿真工具的配合來完成從產(chǎn)品到工藝的評(píng)估和驗(yàn)證。

本文基于業(yè)內(nèi)在用涂膠工藝仿真技術(shù)，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景，研究了現(xiàn)有涂膠仿真的技術(shù)方法及其在白車身產(chǎn)品開發(fā)和工藝開發(fā)過程中的指導(dǎo)和應(yīng)用。

1 白車身（涂膠）可密封性

整車開發(fā)過程需要考慮同步工程、一體化設(shè)計(jì)。輸入制造要求進(jìn)行虛擬評(píng)估，能夠使產(chǎn)品設(shè)計(jì)優(yōu)化并適應(yīng)制造工藝，及早發(fā)現(xiàn)問題，縮短開發(fā)周期，降低開發(fā)成本。白車身可密封性是新產(chǎn)品同步工程的重點(diǎn)評(píng)估內(nèi)容，主要針對(duì)內(nèi)涂膠和底部涂膠工藝等。白車身鈑金的搭接方式和縫隙大小會(huì)對(duì)涂膠質(zhì)量產(chǎn)生影響，鈑金縫隙過大，PVC膠無法形成搭橋而淌漏，密封功能失效。涂膠的最大容許鈑縫與膠的材料和工藝條件有關(guān)，結(jié)合各自的產(chǎn)品制造規(guī)范、經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)和最佳實(shí)例等，不同整車廠會(huì)有不同的制造要求或條件限制，譬如常見的要求車身可密封孔洞最大尺寸為3×3mm。如果鈑金搭接形成的孔洞大于該規(guī)范，則視為制造不可接受，制造評(píng)估方應(yīng)提出工程更改需求。

1.1 可密封孔洞仿真

針對(duì)車身鈑金孔洞可密封性的分析，業(yè)內(nèi)常見的方法是依靠人工評(píng)估，在Vis-mockup、UG等3D軟件環(huán)境下通過手動(dòng)量取尺寸來排查（如圖1所示），工作量大時(shí)間長，且容易遺漏，因而效率低下?？擅芊饪锥捶抡嬉?guī)避了這些問題，它通過有限元算法，將白車身上所有超過指定尺寸的鈑金孔洞識(shí)別出來，并能實(shí)現(xiàn)按條件篩選，從而快速、全面地排查大尺寸孔洞，分析可密封性。

圖1 鈑金搭接孔洞手工排查

考慮到空間尺寸計(jì)算的復(fù)雜性，仿真以鈑金搭接邊界的周長作為鈑金孔洞尺寸的代表維度，通過設(shè)定該尺寸數(shù)值來定量識(shí)別大孔洞?；趯?shí)際鈑金搭接狀態(tài)，該仿真開發(fā)了兩類可計(jì)算的孔洞模型（Bottleneck和Gap）。如圖2所示，Bottleneck代表一般的鈑金孔洞，由多塊鈑金相互搭接而形成了閉合的邊緣線，Gap代表另一類孔洞，有一側(cè)無法閉合而形成了狹縫或階差的情況。仿真運(yùn)行前，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)一般將這兩類模型的尺寸上限設(shè)定為200mm和600mm，以減少無意義的識(shí)別而節(jié)省計(jì)算時(shí)間。

仿真的進(jìn)行需要基于網(wǎng)格化的白車身模型，以NAS格式輸出，因?yàn)镹AS格式包含了零件組成信息，所以在軟件計(jì)算中可以區(qū)分單板上的工藝孔和由多個(gè)鈑金搭接形成的孔洞，單板上的孔通常是與涂膠無關(guān)的工藝孔。通過導(dǎo)入涂膠數(shù)模，計(jì)算涂膠與鈑金孔洞的距離，還能實(shí)現(xiàn)針對(duì)涂膠附近鈑金孔洞的識(shí)別。如圖3所示，工程師可以根據(jù)不同的需求定制化輸出孔洞信息。

圖2 兩類可計(jì)算孔洞模型的對(duì)比

圖3 可密封孔洞仿真的結(jié)果顯示界面

1.2 機(jī)器人膠形仿真

白車身上的涂膠區(qū)域除了鈑金孔洞，其實(shí)更多的是鈑金縫或焊接縫，因此可密封孔洞仿真存在應(yīng)用范圍的局限性，且目視化效果較差。目前白車身在涂裝車間的內(nèi)部涂膠、底部涂膠等大多采用機(jī)器人完成，通過模擬機(jī)器人的實(shí)際涂膠狀態(tài)輸出涂膠膠形，可以直接目視化判斷涂膠質(zhì)量并研究結(jié)構(gòu)改進(jìn)，因而能規(guī)避上述局限性。德國Flexstructures公司的IPS Sealing仿真模塊實(shí)現(xiàn)了該功能，它使用浸入網(wǎng)格邊界法求解膠液從噴嘴到鈑金及膠液在鈑金表面的流動(dòng)過程，支持各類涂膠類型[4]。通過仿真，可以獲得密封膠通過機(jī)器人施工后在鈑金表面的厚度、寬度甚至表面狀態(tài)等信息。仿真實(shí)施的一般過程如圖4所示。

圖4 IPS Sealing仿真過程

前期的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備是影響仿真準(zhǔn)確度的關(guān)鍵步驟。所需的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括膠材料的流變曲線（剪切力、粘度）、膠密度和類型等，工作參數(shù)則包含了涂膠軌跡設(shè)置、噴嘴姿態(tài)、觸發(fā)條件、刷子表以及環(huán)境溫濕度等。圖5顯示了白車身兩處位置的膠形仿真結(jié)果和實(shí)際鈑金狀態(tài)，左圖是典型的鈑金搭接縫隙過大導(dǎo)致的涂膠從中間撕裂的情況，右圖由于拐角處三層板搭接涂膠無法全覆蓋而產(chǎn)生了缺陷。可密封性較差的焊縫需要額外的刷膠操作，且存在失效風(fēng)險(xiǎn)，若是后期增加貼片也將導(dǎo)致單車成本上升。通過該仿真手段，可以在項(xiàng)目早期識(shí)別缺陷，從而優(yōu)化設(shè)計(jì)提高涂膠質(zhì)量。而且，膠形仿真的結(jié)果還能為在線調(diào)試時(shí)膠槍狀態(tài)和工藝參數(shù)的優(yōu)化提供參考，從而節(jié)省調(diào)試時(shí)間和調(diào)試用車。

圖5 利用膠形仿真發(fā)現(xiàn)的涂膠質(zhì)量缺陷

2 涂膠可施工性

對(duì)于涂膠工藝來說，除了白車身可密封性需要滿足要求之外，涂裝車間現(xiàn)場(chǎng)工位的可施工性也是工程師需要重點(diǎn)評(píng)估的對(duì)象。工位現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)施配置（龍門架、管路布置等）、設(shè)備機(jī)運(yùn)（機(jī)器人、滾床、雪橇、吊架等）、涂膠工具（多功能槍頭）、工裝夾具等因素均會(huì)對(duì)涂膠工藝的施工性產(chǎn)生影響。涂膠工具是否能到達(dá)目標(biāo)焊縫，機(jī)器人姿態(tài)是否能做到，設(shè)備和工具的干涉狀態(tài)，涂膠程序是否能滿足工位時(shí)間等均需要提前考慮并進(jìn)行評(píng)估，以減少或消除后期實(shí)車調(diào)試過程的問題，降低產(chǎn)品按期上線的風(fēng)險(xiǎn)。針對(duì)涂膠可施工性的仿真目前主要有涂膠可達(dá)性仿真和機(jī)器人軌跡（離線編程）仿真兩類。

2.1 涂膠可達(dá)性仿真

涂膠可達(dá)性仿真一直都是虛擬評(píng)估的關(guān)注重點(diǎn)，往往以驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品更改為適合現(xiàn)場(chǎng)工藝的措施為主要方向?？蛇_(dá)性的評(píng)估方法也是一個(gè)不斷發(fā)展的過程，通用型錐形數(shù)模的使用（如圖6所示）是相對(duì)較早的手工涂膠可達(dá)性的評(píng)估方法[5]。使用時(shí)將尖頭對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)焊縫，通過手動(dòng)調(diào)整錐形區(qū)域，若可以調(diào)整至錐形區(qū)與車身零件無干涉，則認(rèn)為該處手工涂膠可達(dá)，若出現(xiàn)圖6右的干涉情況，則認(rèn)為涂膠不可達(dá)，需要改進(jìn)產(chǎn)品。

圖6 手工涂膠可達(dá)性通用分析模型

若是機(jī)器人涂膠，則需要采用機(jī)器人槍頭模型進(jìn)行仿真，將多功能槍頭、LASD涂膠槍頭等對(duì)應(yīng)的工具調(diào)入白車身數(shù)模，通過調(diào)整槍距（噴嘴與鈑金間距）和槍頭姿態(tài)來評(píng)估機(jī)器人涂膠的可達(dá)性，如圖7所示。通過調(diào)用施工槍頭模擬機(jī)器人涂膠可達(dá)性操作簡單方便，但是由于未引入機(jī)器人6軸及7軸滑移位，因而不能考慮機(jī)器人整體的聯(lián)動(dòng)，可能造成槍頭可達(dá)但機(jī)器人姿態(tài)無法實(shí)現(xiàn)的情況，因此可達(dá)性評(píng)估有一定的失效風(fēng)險(xiǎn)。

圖7 使用多功能槍頭進(jìn)行可達(dá)性模擬

參考焊裝車間焊點(diǎn)、涂膠等工藝的規(guī)劃和仿真方法[6][7]，通過搭建機(jī)器人工位數(shù)據(jù)庫而開發(fā)的基于西門子PDPS軟件的涂膠可達(dá)性仿真系統(tǒng)，解決了上述失效風(fēng)險(xiǎn)的問題。仿真實(shí)現(xiàn)過程中機(jī)器人虛擬工位的搭建是最為關(guān)鍵的一步，需要準(zhǔn)備機(jī)器人、七軸、槍頭、導(dǎo)軌、雪橇、吊架等3D數(shù)模，并完成各工廠現(xiàn)場(chǎng)布局的測(cè)繪、工位組建、數(shù)據(jù)庫搭建、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、工位3D布局、設(shè)備運(yùn)動(dòng)副建立等工作，完成的虛擬工位界面如圖8所示。

圖8 典型的LASD機(jī)器人站虛擬工位

涂裝車間的機(jī)器人涂膠工位屬于長期穩(wěn)定的工位，因此搭建好的虛擬工位可以在資源庫長期存放以備調(diào)用。使用時(shí)需要將白車身3D模型導(dǎo)入，調(diào)入相應(yīng)的涂膠工位以建立Study文件夾，并設(shè)定好7軸與工具坐標(biāo)系。針對(duì)要評(píng)估可達(dá)性的目標(biāo)區(qū)域選擇路徑點(diǎn)（Location），通過手動(dòng)調(diào)整路徑點(diǎn)坐標(biāo)（X, Y, Z, Rx, Ry, Rz），使機(jī)器人涂膠扇面垂直于焊縫，如圖9所示。通過虛擬的機(jī)器人示教器移動(dòng)7軸坐標(biāo)檢查干涉狀態(tài)，若在7軸限位內(nèi)可以找到非干涉位，則認(rèn)為機(jī)器人可達(dá)。

圖9 車身上某涂膠點(diǎn)的可達(dá)性仿真

另外，在固定的7軸位使用Pie Chart功能還可以分析機(jī)器人指向路徑點(diǎn)的可達(dá)姿態(tài)，如圖10所示。藍(lán)色區(qū)域表示機(jī)器人可以到達(dá)該路徑點(diǎn)，但路徑點(diǎn)的坐標(biāo)方向受限制；紅色區(qū)域表示機(jī)器人不能以某些坐標(biāo)方向到達(dá)路徑點(diǎn)；黑色指針表示機(jī)器人當(dāng)前所處區(qū)域，該指針可轉(zhuǎn)動(dòng)，以調(diào)整機(jī)器人指向路徑點(diǎn)的姿態(tài)。

圖10 PDPS中使用Pie Chart功能識(shí)別可達(dá)區(qū)

2.2 機(jī)器人離線編程仿真

隨著自動(dòng)化設(shè)備、機(jī)器人在白車身涂膠領(lǐng)域（內(nèi)部涂膠、底部涂膠、LASD等）的廣泛應(yīng)用，機(jī)器人涂膠的編程和調(diào)試也自然成為產(chǎn)品上線的重要準(zhǔn)備環(huán)節(jié)[8]。關(guān)于涂膠機(jī)器人離線編程仿真，目前行業(yè)內(nèi)大都經(jīng)歷過起步階段并處于發(fā)展階段：在起步階段，由于數(shù)字化工具少，編程絕大部分依賴人工在現(xiàn)場(chǎng)示教程序，必須利用停產(chǎn)和節(jié)假日時(shí)間，消耗較多的調(diào)試車、能源和人力時(shí)間；而在發(fā)展階段，引入了初級(jí)的數(shù)字離線仿真工具，離線調(diào)試替代了部分在線時(shí)間，提升了效率，減少了對(duì)停產(chǎn)和節(jié)假日的需求，并節(jié)約了調(diào)試車和調(diào)試期間的能源消耗。

圖11 使用Roboguide離線仿真生成的機(jī)器人軌跡

FANUC是業(yè)內(nèi)常見的涂膠機(jī)器人供應(yīng)商，該公司針對(duì)其機(jī)器人開發(fā)了Roboguide離線仿真軟件，它能在三維世界中模擬現(xiàn)實(shí)中的機(jī)器人和周邊設(shè)備的布局，并通過其中的虛擬示教器示教，來進(jìn)一步模擬它的運(yùn)動(dòng)軌跡。通過這樣的模擬可以驗(yàn)證方案的可行性同時(shí)獲得準(zhǔn)確的周期時(shí)間。一般的離線仿真過程包括機(jī)器人涂膠工作量的分配、涂膠順序的分配、主程序的建立、子程序的編輯，多臺(tái)機(jī)器人聯(lián)動(dòng)運(yùn)行時(shí)還需要設(shè)置碰撞干涉區(qū)，編輯好的程序運(yùn)行完畢可自動(dòng)生成TCP軌跡線，如圖11所示。目前，在涂膠仿形調(diào)試的實(shí)際應(yīng)用中，基本能夠?qū)崿F(xiàn)50%數(shù)字離線仿真，50%人工在線編程的時(shí)間配比。

基于Roboguide的離線仿真能夠節(jié)省大量的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試時(shí)間，但是仿真實(shí)現(xiàn)過程依然需要工程師大量的手動(dòng)操作，而且對(duì)工程師的歷史經(jīng)驗(yàn)依賴較多，譬如人工對(duì)機(jī)器人的工作分配不當(dāng)，可能事倍功半，做出效率低下的軌跡。隨著計(jì)算機(jī)算力和智能化需求的不斷提升，半智能或智能的編程仿真被提上日程。Flexstructures公司的IPS robotics模塊通過開發(fā)一種全新的自動(dòng)路徑規(guī)劃算法，實(shí)現(xiàn)了智能輔助離線編程仿真[9]。仿真過程包括數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、任務(wù)規(guī)劃、任務(wù)計(jì)算和程序?qū)С龅取?shù)據(jù)準(zhǔn)備除了常規(guī)的機(jī)器人工位布置、機(jī)器人各軸運(yùn)動(dòng)限制、TCP距離和白車身數(shù)模等，還包括涂膠膠線的分段數(shù)據(jù)。軟件可根據(jù)分段的膠線自動(dòng)獲得TCP點(diǎn)，如圖12左所示。任務(wù)規(guī)劃則包含了基于涂膠軌跡線的機(jī)器人可達(dá)性計(jì)算、碰撞極限的檢查，還可以針對(duì)性調(diào)整局部的軌跡線。任務(wù)計(jì)算是基于任務(wù)規(guī)劃的結(jié)果（如圖12右所示），計(jì)算各機(jī)器人的任務(wù)順序并平衡機(jī)器人負(fù)荷的過程，可以手動(dòng)調(diào)整也可以自動(dòng)優(yōu)化。最終將獲得的軌跡以程序的形式導(dǎo)出，直接用于現(xiàn)場(chǎng)使用。該離線編程仿真可用于前期涂膠可達(dá)性的評(píng)估，也可以用于后期機(jī)器人調(diào)試過程中涂膠路徑和順序的優(yōu)化，同時(shí)實(shí)現(xiàn)可達(dá)性的自動(dòng)評(píng)估和機(jī)器人軌跡的自動(dòng)生成，向著智能仿真的目標(biāo)更進(jìn)了一步。

圖12 典型的白車身涂膠膠線和機(jī)器人任務(wù)規(guī)劃界面

此外，基于PDPS的涂膠可達(dá)性仿真工具也可以向智能離線編程仿真的方向擴(kuò)展。PDPS包含了豐富的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)基礎(chǔ)模塊，通過二次開發(fā)可以在可達(dá)性分析的基礎(chǔ)之上引入自動(dòng)創(chuàng)建路徑并優(yōu)化節(jié)拍的程序模塊，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)離線編程仿真。這也是目前業(yè)界正在研究的方向之一。

3 結(jié)語

數(shù)字化和虛擬仿真技術(shù)的引入給汽車產(chǎn)品的開發(fā)和生產(chǎn)制造提供了新的思路和方案，工藝部門參與產(chǎn)品的設(shè)計(jì)能提前發(fā)現(xiàn)并解決問題，生產(chǎn)制造過程提前驗(yàn)證讓不確定性大大降低。白車身涂膠仿真技術(shù)的應(yīng)用，能提前發(fā)現(xiàn)鈑金孔洞、焊縫的可密封性問題，以改進(jìn)設(shè)計(jì)，還能進(jìn)行虛擬驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)并優(yōu)化機(jī)器人的可達(dá)性和仿形軌跡，對(duì)于縮短產(chǎn)品開發(fā)和工藝驗(yàn)證的周期、降低質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)具有重要意義。

數(shù)字化、智能化是汽車制造的必由之路，虛擬仿真技術(shù)也是一個(gè)不斷進(jìn)步和發(fā)展的過程。白車身涂膠仿真技術(shù)經(jīng)歷了早期的經(jīng)驗(yàn)?zāi)M、初級(jí)的數(shù)字化工具，目前處于半自動(dòng)或自動(dòng)化的仿真階段，而最終將落腳于高度智能化的仿真系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)引領(lǐng)級(jí)的涂膠工藝預(yù)測(cè)預(yù)警和自適應(yīng)。

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Study on application of car body sealing simulation

Chen Liang

( SAIC general motors company limited, Shanghai 201208 )

Application of virtual simulation for car body sealing makes it possible for engineers to previously monitor product issues and bring ahead process validation of robotic sealing, which benefits product develop, cost, and quality. This paper collected present simulation tools for car body sealing, studied the theory and methods of them. Along with different applied scenes, this paper presented the application and guidance of these tools on assessment of both sealability and processibility, and eventually took an outlook on the future orientation of simulation technology.

sealing; simulation; accessibility; offline programming

U466

A

1671-7988(2019)14-177-05

U466

A

1671-7988(2019)14-177-05

陳亮，男，工學(xué)碩士，集成工程師，就職于上汽通用汽車油漆制造系統(tǒng)，主要負(fù)責(zé)新產(chǎn)品項(xiàng)目油漆工藝的集成以及計(jì)算機(jī)輔助仿真工作。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.14.058