總裝三維車間建模及應(yīng)用價(jià)值的研究

韋軍　劉軍艦　曹銳鋒

摘? 要：總裝車間在生產(chǎn)線改造、工藝制定、生產(chǎn)運(yùn)行等評(píng)審環(huán)節(jié)，僅依靠離散、靜態(tài)、獨(dú)立的技術(shù)資料，難以全面評(píng)估，易導(dǎo)致投資浪費(fèi)、業(yè)務(wù)效率低、評(píng)估不精準(zhǔn)的問題。文章研究用UG三維建模的方式，將總裝生產(chǎn)線各項(xiàng)要素進(jìn)行模型建設(shè)，并從建?？蚣?、流程、步驟等方面進(jìn)行介紹，以及對(duì)三維車間的應(yīng)用進(jìn)行探討，提供了一種新型三維評(píng)審的模式。

關(guān)鍵詞：三維車間;建設(shè)流程;三維建模;運(yùn)動(dòng)仿真

中圖分類號(hào)：U462? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2020）14-0052-03

Abstract： In the evaluation links of production line transformation， process formulation and production operation， the final assembly workshop only relies on discrete， static and independent technical data， which hardlygets a comprehensive evaluation and can easily lead to waste of investment， low business efficiency and inaccurate evaluation. This paper studies the use of UG-based 3D modeling method to model the elements of the final assembly line， introduces the modeling framework， process， steps and other aspects， as well as the application of 3D workshop， and provides a new 3D evaluation model.

Keyword： 3D workshop; construction process; 3D modeling; motion simulation

前言

某公司總裝領(lǐng)域，在生產(chǎn)線改造、工藝流程分析、設(shè)備布置等前期規(guī)劃的業(yè)務(wù)里，運(yùn)用到的圖紙、數(shù)模、清單都是獨(dú)立、單一維度的技術(shù)資料，在評(píng)估時(shí)易漏考慮其他生產(chǎn)要素，造成評(píng)審不到位、業(yè)務(wù)效率低等問題，本文研究用計(jì)算機(jī)輔助制造（CAM）軟件將生產(chǎn)線輸送系統(tǒng)、工藝設(shè)備、 零件、物流器具等建立三維圖形并整合成車間模型的辦法，同時(shí)運(yùn)用模型開展新模式的工程分析，實(shí)現(xiàn)更全面、高效、準(zhǔn)確的評(píng)估目的。

1 建模方式

制造行業(yè)傳統(tǒng)的三維建模軟件有多種，如UG、Autocad、Catia、SolidWorks、Sketchup。其中UG、Autocad、Catia、SolidWorks等CAM軟件較為常見，建模步驟類似，偏專業(yè)設(shè)計(jì)。Sketchup建模方式最簡(jiǎn)單，面向大眾建模，對(duì)尺寸準(zhǔn)確性要求相對(duì)低。有一部分軟件自帶模型庫，如VC、Plantsimulation，可在軟件內(nèi)直接導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫模型，但需要購買對(duì)應(yīng)板塊的數(shù)據(jù)權(quán)限。行業(yè)內(nèi)最新的建模技術(shù)是逆向建模，通過掃描物體生成三維數(shù)模，但需要購買昂貴硬件設(shè)備及軟件平臺(tái)。結(jié)合某公司的需求，從成本、效率以及汽車產(chǎn)品數(shù)據(jù)互通的角度考慮，本文選定用人工UG建模的方式（圖1）。

在前期準(zhǔn)備階段，制定車間的物資統(tǒng)計(jì)及建?？蚣?。第一步定義三維車間所有物資的數(shù)模號(hào)，將所有物資分類，分層級(jí)地定義數(shù)模編號(hào)，并且每個(gè)層級(jí)物資之間的數(shù)模號(hào)在首幾位字母形成一定關(guān)聯(lián)，讓各類物資的數(shù)模號(hào)命名規(guī)則形成規(guī)范。第二步制作三維車間物資總清單，將整個(gè)車間除人以外的所有要素匯總，每個(gè)要素的匯總范圍不超過現(xiàn)有圖紙資料，例如車間廠房，現(xiàn)有圖紙分別有外墻、立柱圖紙，外墻圖紙里還包括立柱、窗子、管路的尺寸信息，那么定義要素時(shí)，只定義該圖紙內(nèi)含蓋尺寸信息的部分，例如01級(jí)外墻、02級(jí)立柱。第三步審核總清單與現(xiàn)場(chǎng)的一致性，以及各物資層級(jí)的一致性。

2 建設(shè)流程

物資總清單梳理完畢后，整個(gè)車間的框架已經(jīng)形成，建模前還需收集所有物資的圖紙，數(shù)模等資料。建模第一步，將車間進(jìn)行準(zhǔn)確定位，定義好參考坐標(biāo)系，具體做法將廠房平面布局圖CAD導(dǎo)入U(xiǎn)G，其中廠房平面布局只提取立柱的位置信息，其余信息需過濾。第二步是生產(chǎn)線主體建模（圖2），生產(chǎn)線包括輸送系統(tǒng)、工藝設(shè)備、檢測(cè)設(shè)備、擰緊工具。第三步是生產(chǎn)器具建模，包括零件料框、風(fēng)扇、顯示屏等。第四步是休息區(qū)物資、廠房外墻、跑道建模。第五步是地面、各類物資器具標(biāo)識(shí)。最后一步是將所有數(shù)模加載在一起，對(duì)匹配不合、尺寸細(xì)節(jié)不一致的進(jìn)行修訂。每個(gè)步驟中的每個(gè)物資都需要單獨(dú)建模，尺寸數(shù)據(jù)參考現(xiàn)有圖紙，無圖紙物資需去現(xiàn)場(chǎng)測(cè)繪。

3 三維建模

為高效建模，每個(gè)物資的建模采用一定流程，本文以AGC小車建模為例，介紹物資三維建模的辦法。首先分析AGC的結(jié)構(gòu)特征，AGC主體特征為：1.車體，2.托鉤，3.控制、顯示部分，4.字體，5.緩沖部分，6.承重輪，7.轉(zhuǎn)向輪，其中承重輪、托鉤、緩沖部分為左右對(duì)稱特征;細(xì)節(jié)特征：倒圓角、倒斜角。接下來按主體特征順序建模，如車體建模：繪制車體截面草圖，使用拉伸命令拉伸出車體主體，繪制車輪空間截面草圖，使用拉伸命令、布爾求差拉伸出車輪所需空間（圖3）?？刂?、顯示部分建模：繪制按鈕和顯示屏截面草圖。

使用拉伸命令、給定不同的拉伸值，拉伸出按鈕和顯示屏;繪制信號(hào)燈支座截面草圖;使用拉伸命令拉伸出信號(hào)燈支座;繪制信號(hào)燈截面;使用拉伸命令拉伸出信號(hào)燈。最后倒角部分，選擇需要倒圓角、倒斜角的邊;使用邊倒圓、倒斜角命令完成操作。

4 模型應(yīng)用

三維車間模型建立后，需要對(duì)其進(jìn)行應(yīng)用，才能實(shí)現(xiàn)該模型建設(shè)的價(jià)值。本文研究出三個(gè)方面的應(yīng)用：（1）生產(chǎn)線改造三維評(píng)估;（2）設(shè)備節(jié)拍及匹配性動(dòng)態(tài)評(píng)估;（3）生產(chǎn)虛擬運(yùn)行;（4）三維車間業(yè)務(wù)標(biāo)準(zhǔn)化。

生產(chǎn)線改造的分析可以將新產(chǎn)品、新設(shè)備數(shù)模導(dǎo)入三維車間里，可以評(píng)估出現(xiàn)有生產(chǎn)線改造的范圍，改造的具體內(nèi)容。如圖4，即將建設(shè)的新檢測(cè)設(shè)備，在現(xiàn)場(chǎng)施工、設(shè)備制造前，把其1：1的數(shù)模導(dǎo)入到三維車間內(nèi)，這樣可以評(píng)估出該設(shè)備導(dǎo)入對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的影響，包括室體尺寸合理性，周邊器具干涉情況、前后工序匹配情況，檢驗(yàn)設(shè)備距離合理性等方面的綜合評(píng)估。

設(shè)備節(jié)拍及匹配性評(píng)估，主要是利用三維車間內(nèi)的設(shè)備數(shù)模庫，將對(duì)應(yīng)分析對(duì)象用UG仿真的方式，動(dòng)態(tài)的評(píng)估設(shè)備合理性。例如輪胎擰緊機(jī)評(píng)估，首先確定擰緊機(jī)運(yùn)動(dòng)部件，部件運(yùn)動(dòng)路徑，明確主動(dòng)件、從動(dòng)件（圖5）。第二步進(jìn)入U(xiǎn)G仿真界面，對(duì)各運(yùn)動(dòng)部件創(chuàng)建連桿，并根據(jù)各部件的運(yùn)動(dòng)方式定義連桿屬性，如水平運(yùn)動(dòng)或旋轉(zhuǎn)。第三步是創(chuàng)建各連桿的運(yùn)動(dòng)副并定義好各級(jí)運(yùn)動(dòng)參數(shù)，運(yùn)動(dòng)參數(shù)的設(shè)置、函數(shù)選型是根據(jù)設(shè)備設(shè)計(jì)的速度而定。最后一步是仿真求解，可得出該設(shè)備運(yùn)動(dòng)仿真的視頻及時(shí)間，用此三維動(dòng)態(tài)的方式能更直觀的評(píng)估設(shè)備節(jié)拍及和零件匹配的合理性。

生產(chǎn)虛擬運(yùn)行，是利用三維車間在仿真的基礎(chǔ)上由單一對(duì)象的分析式推廣至多個(gè)分析對(duì)象的聯(lián)動(dòng)分析，例如：零件AGC配送與生產(chǎn)線匹配的合理性分析，做法是將AGC、生產(chǎn)線對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)方向、節(jié)拍用UG仿真的方式定義好并同步仿真求解，用動(dòng)態(tài)、聯(lián)動(dòng)的仿真方式進(jìn)行生產(chǎn)運(yùn)行分析。

三維車間業(yè)務(wù)標(biāo)準(zhǔn)化，是將三維工廠的運(yùn)用及建設(shè)常態(tài)化、普及化、持續(xù)化。做法是在現(xiàn)有的業(yè)務(wù)流程中做出流程上的更新，從三個(gè)方面進(jìn)行新定義：（1）三維車間的物資管理流程，規(guī)定哪類物資需納入數(shù)模管理，并遵循一定的規(guī)則，如數(shù)模號(hào)規(guī)則、新增數(shù)模申請(qǐng)流程等。（2）三維車間新增、變更物資的數(shù)模建設(shè)、審批流程。（3）三維車間數(shù)模維護(hù)流程。完成流程變更后進(jìn)行審批簽署，從整個(gè)公司的層面進(jìn)行制度上的落實(shí)，確保三維車間各項(xiàng)關(guān)聯(lián)業(yè)務(wù)的各項(xiàng)職責(zé)、管理流程的實(shí)施。

5 結(jié)束語

本文結(jié)合某公司總裝車間的實(shí)際情況，采用UG建模的方式將三維總裝車間進(jìn)行建設(shè)，從建模流程、具體建模方法、應(yīng)用價(jià)值等開展研究。本文采用的建模方法、應(yīng)用領(lǐng)域可以推廣至制造業(yè)各類生產(chǎn)線，具有低成本、高價(jià)值的特點(diǎn)，為后續(xù)制造業(yè)生產(chǎn)線改造、虛擬生產(chǎn)、工藝評(píng)估等提供了一種更直觀的評(píng)估模式，也為制造數(shù)字化、智能制造建設(shè)提供了借鑒。

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