汽車總裝生產(chǎn)線虛擬仿真對三維模型的要求

何志遠(yuǎn)

安徽江淮汽車股份有限公司 安徽合肥 230601

汽車總裝生產(chǎn)線線體較為復(fù)雜，設(shè)備種類繁多，加上生產(chǎn)節(jié)拍及產(chǎn)品設(shè)計(jì)的限制因素，總裝線體規(guī)劃設(shè)計(jì)的工作非常復(fù)雜。為了避免因規(guī)劃設(shè)計(jì)階段考慮因素不全面從而導(dǎo)致設(shè)計(jì)遺漏及失誤，在項(xiàng)目各階段實(shí)施虛擬仿真是非常有必要的。在實(shí)物設(shè)備制作前基于三維模型進(jìn)行各項(xiàng)仿真評審，可有效避免建設(shè)過程中的設(shè)計(jì)方案變更，加快生產(chǎn)線投產(chǎn)速度。

Process Designer及Process Simulate（簡稱為PD/PS）軟件是Siemens PLM Software TECNOMATIX產(chǎn)品的一個(gè)重要組成部分。當(dāng)前該軟件已成為汽車制造企業(yè)常用的仿真軟件，工程師們可在其中重用、創(chuàng)建和驗(yàn)證制造流程來模擬真實(shí)的制造過程，并可以對生產(chǎn)線及生產(chǎn)裝備設(shè)計(jì)方案進(jìn)行可視化的三維仿真評估。為了滿足汽車總裝線規(guī)劃建設(shè)過程中的仿真驗(yàn)證需要，并獲得評估后續(xù)產(chǎn)品導(dǎo)入仿真所需的三維虛擬環(huán)境，生產(chǎn)線及裝備數(shù)模的數(shù)據(jù)格式、精度、參考系選擇等有特定的需求。

數(shù)模格式及結(jié)構(gòu)要求

整車裝配工藝環(huán)節(jié)較多，生產(chǎn)線體及生產(chǎn)裝備種類繁多，涉及的裝備供應(yīng)商也比較多。因此，生產(chǎn)線設(shè)備三維模型數(shù)據(jù)格式也不盡相同，基于當(dāng)前行業(yè)客觀條件，需要對設(shè)備模型格式進(jìn)行統(tǒng)一，以便于模型的輕量化處理與應(yīng)用。在工藝裝備設(shè)計(jì)工作中，常選擇CATIA作為數(shù)據(jù)提交的基本軟件平臺(tái)。

1.工裝數(shù)模格式及結(jié)構(gòu)要求

1）工裝總成應(yīng)由可拆分的零件單體數(shù)模集成產(chǎn)生，格式可為“.Product”或其他CATIA軟件支持格式，內(nèi)部零件格式要求為“.step”或“.CATPart”格式。模型數(shù)據(jù)凍結(jié)之前的過程數(shù)據(jù)交互確認(rèn)可用“.3dxml”格式。

2）夾具、抓具、置臺(tái)等工裝每個(gè)夾緊單元以單獨(dú)的“.CATPart”或“.step”文件提交，各夾緊單元的工藝執(zhí)行零件的運(yùn)動(dòng)副可單獨(dú)選中，同一個(gè)工裝的所有單元數(shù)據(jù)放在同一個(gè)文件夾下打包存放。

3）氣缸、滑臺(tái)、轉(zhuǎn)臺(tái)等部件的工藝運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)與非運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)可以拆分，在軟件中可以被單獨(dú)選中。

2.設(shè)備數(shù)模格式及結(jié)構(gòu)要求

設(shè)備總成應(yīng)由可拆分的零件單體數(shù)模集成產(chǎn)生，格式可為“.Product”或其他CATIA軟件支持格式。內(nèi)部與工藝執(zhí)行相關(guān)的零件數(shù)模要求為“.step”或“.CATPart”格式，其他部分零部件數(shù)據(jù)可整合為一個(gè)部件以CATIA軟件可讀取的格式提供。模型數(shù)據(jù)凍結(jié)之前的過程評審數(shù)據(jù)可采用“.3dxml”或“.cgr”格式。

結(jié)構(gòu)中包含工藝執(zhí)行端和主機(jī)的設(shè)備（如涂膠設(shè)備，包括膠槍、膠桶、膠泵及控制柜），使用端和設(shè)備要分開，以單獨(dú)的“.Product”、“.CATPart”或“.step”文件提交，主機(jī)與工藝執(zhí)行非強(qiáng)相關(guān)部件（如膠泵與膠桶組合）以“.cgr”等CATIA軟件可讀取的格式整合為一個(gè)單體提供。

助力機(jī)械手、機(jī)器人等設(shè)備的各活動(dòng)關(guān)節(jié)能夠單獨(dú)點(diǎn)選，各活動(dòng)軸為單獨(dú)分開的實(shí)體，便于實(shí)現(xiàn)進(jìn)行工藝動(dòng)作仿真時(shí)的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)定義。

輸送類型的設(shè)備運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)與非運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)可以拆分，如升降機(jī)應(yīng)至少拆分為主體與伸縮叉臂，在軟件中可以被單獨(dú)選中。

3.輸送線體及附屬設(shè)施數(shù)模格式及結(jié)構(gòu)要求

1）輸送線體、工藝吊架及公用管道三維模型的格式要求較為寬泛，CATIA軟件可讀取即可。

2）不同線體或區(qū)域的模型需要拆分，如底盤線的工藝吊架和內(nèi)飾線的工藝吊架要分別以單獨(dú)的文件存放。若兩線之間有連廊、護(hù)網(wǎng)等結(jié)構(gòu)，則該結(jié)構(gòu)歸屬于主線（工藝流程中后一道流程的線體）。

模型基準(zhǔn)坐標(biāo)及單位要求

1.坐標(biāo)要求

1）設(shè)立坐標(biāo)系應(yīng)采用直角坐標(biāo)系、右手螺旋法則。

2）對于整線建模，坐標(biāo)基點(diǎn)選取與車間建筑模型保持一致，選取零標(biāo)高平面上A-1軸交點(diǎn)，不同線體數(shù)模導(dǎo)入同一軟件平臺(tái)后相對位置應(yīng)與實(shí)物一致。

3）對于單站設(shè)備（如涂膠工作站、底盤合拼工位等）范圍的三維仿真數(shù)據(jù)，原點(diǎn)以車間內(nèi)的基準(zhǔn)柱地面（廠房立柱）中心為原點(diǎn)，如無指定基準(zhǔn)柱，則選取設(shè)備底座上幾何特征點(diǎn)為原點(diǎn)。

4）主線滑板、吊具、托盤、機(jī)械手及移栽機(jī)等搬運(yùn)設(shè)備應(yīng)設(shè)置與整車（或分總成）自身坐標(biāo)一致的工具坐標(biāo)，用于整車（或分總成）的裝載輔助定位。若同一工裝涉及多種車型，則以基本車型的原點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)。若同一工裝涉及同一車型的左右對稱件，則以左側(cè)板件的原點(diǎn)為該工裝原點(diǎn)，并在工裝模型中顯示右側(cè)板件的原點(diǎn)坐標(biāo)，并命名區(qū)分。

5）設(shè)備模型以設(shè)備上某一明顯特征點(diǎn)或便于定位的虛擬幾何特征點(diǎn)為定位原點(diǎn)，如圓柱底座的底面中心點(diǎn)、柜體某一個(gè)端點(diǎn)等。并在選定的原點(diǎn)處建立直角坐標(biāo)，坐標(biāo)軸須與設(shè)備的長、寬、高方向平行，且Z軸向上。

6）擰緊工具、涂膠槍的坐標(biāo)原點(diǎn)要求必須在TCP點(diǎn)上。

7）整線數(shù)據(jù)集成提供時(shí)，集成數(shù)模中各線體、設(shè)備、工裝應(yīng)位于正確的坐標(biāo)位置上。

2.單位及比例要求

1）長度基本單位為mm，在標(biāo)注標(biāo)高時(shí)單位采用m。

2）所有模型設(shè)計(jì)尺寸與實(shí)物比例為1:1。

3.模型準(zhǔn)確度要求

1）模型交付及項(xiàng)目實(shí)施過程中規(guī)定模型發(fā)布節(jié)點(diǎn)時(shí)，模型、施工圖樣、設(shè)備實(shí)物應(yīng)保持一致。

2）當(dāng)設(shè)計(jì)變更時(shí)必須對模型進(jìn)行對應(yīng)更新，并留有記錄。

3）當(dāng)依據(jù)二維圖樣進(jìn)行翻模時(shí)，三維模型與二維圖樣尺寸應(yīng)保持一致。

4）當(dāng)依據(jù)現(xiàn)場實(shí)物進(jìn)行翻模時(shí)，總圖中在線體流動(dòng)的方向上，單工位三維模型與實(shí)物線體定位尺寸誤差應(yīng)小于±10mm。

5）當(dāng)依據(jù)現(xiàn)場實(shí)物進(jìn)行翻模時(shí)，設(shè)備單體（如機(jī)器人、機(jī)械手、加注機(jī)機(jī)體及吊具本體等）三維模型與實(shí)物總體尺寸誤差應(yīng)小于±3mm。

6）當(dāng)依據(jù)現(xiàn)場實(shí)物進(jìn)行翻模時(shí)，關(guān)鍵定位部件（如發(fā)動(dòng)機(jī)托盤支撐桿、加注槍頭、吊具定位銷等）三維模型與實(shí)物尺寸誤差應(yīng)小于±0.1mm。

總裝線建設(shè)各階段模型細(xì)度要求

1.初步規(guī)劃階段

該階段模型用于項(xiàng)目規(guī)劃階段，對總裝生產(chǎn)線及設(shè)備的整體布局評審及空間進(jìn)行可行性校核，模型細(xì)度至少符合以下要求：

1）生產(chǎn)線線體（如滑板線、地拖鏈、空中輸送線等）應(yīng)體現(xiàn)實(shí)現(xiàn)功能時(shí)所占最小空間尺寸及內(nèi)部運(yùn)行通過的最大空間尺寸。

2）生產(chǎn)線線體模型的運(yùn)動(dòng)部分（如滑板、吊具等）與固定部分（如軌道、吊架等）應(yīng)可拆分。

3）組成生產(chǎn)線線體模型的各基本設(shè)備（如滑板線、線端升降機(jī)）應(yīng)為可拆分的不同實(shí)體。

4）設(shè)備單體模型應(yīng)體現(xiàn)實(shí)現(xiàn)功能時(shí)所占用最小空間尺寸。

5）生產(chǎn)線模型應(yīng)當(dāng)包含實(shí)現(xiàn)其功能的所有構(gòu)成部件（如電控柜等）。

2.深化設(shè)計(jì)階段

該階段模型用于空間檢查優(yōu)化及工藝虛擬驗(yàn)證，除滿足初步規(guī)劃階段細(xì)度要求外，模型細(xì)度還需滿足符合以下要求：

1）生產(chǎn)線線體模型（如滑板線、地拖鏈、空中輸送線等）應(yīng)體現(xiàn)精確的幾何形狀及尺寸。

2）生產(chǎn)線線體模型中與體現(xiàn)基本工藝功能的運(yùn)動(dòng)構(gòu)件應(yīng)為可拆分的不同實(shí)體，如升降機(jī)模型應(yīng)可拆分為伸縮叉臂、升降托盤、立柱等部分。

3）對于玻璃涂膠線應(yīng)當(dāng)給出涂膠時(shí)玻璃的準(zhǔn)確定位點(diǎn)，涂膠機(jī)器人模型應(yīng)具備依據(jù)實(shí)際功能定義運(yùn)動(dòng)副的條件。

4）對于升降設(shè)備（含AGV、RGV舉升臺(tái)）模型應(yīng)當(dāng)定義準(zhǔn)確的功能定位點(diǎn)及升降極限位置。

5）對于AGV、RGV應(yīng)給出功能定位點(diǎn)、運(yùn)動(dòng)路徑及與工裝夾具的定位基準(zhǔn)點(diǎn)。

6）對于起吊設(shè)備（含平衡器）模型應(yīng)定型準(zhǔn)確的運(yùn)動(dòng)極限位置。

7）生產(chǎn)線線體及單體設(shè)備模型應(yīng)含有設(shè)備的輔助構(gòu)件，如電纜橋架、壓縮空氣管道及附件、鋼平臺(tái)、工藝吊架、護(hù)欄和爬梯等。

8）吊具、托盤、夾具、機(jī)器人抓手和助力臂等與在制品及零部件有定位要求的工裝設(shè)備，需按整車坐標(biāo)原點(diǎn)（一般位于前軸中心，X軸正方向指向車頭，Z軸正方向指向車頂）建立產(chǎn)品件裝夾定位參考坐標(biāo)。

結(jié)語

在汽車總裝生產(chǎn)線建設(shè)階段對設(shè)備三維數(shù)據(jù)提出要求，為生產(chǎn)線設(shè)計(jì)方案可視化評估提供了基本條件。但要注意數(shù)據(jù)精細(xì)度要求的合理性，要抓住與產(chǎn)品生產(chǎn)相關(guān)的功能要求，對不重要的細(xì)節(jié)要盡量舍棄，防止數(shù)據(jù)量過大對虛擬仿真工作造成不利影響。

隨著計(jì)算機(jī)及圖像處理技術(shù)的不斷發(fā)展，在生產(chǎn)線建設(shè)及整車產(chǎn)品開發(fā)階段構(gòu)建三維數(shù)字化雙胞胎用于仿真評估，將會(huì)為企業(yè)帶來更高效的競爭力。