白車身涂膠仿真技術的應用研究

陳亮

白車身涂膠仿真技術的應用研究

陳亮

（上汽通用汽車有限公司，上海 201208）

白車身涂膠仿真技術的應用能讓工程師及早發現產品涂膠問題、提前驗證機器人涂膠工藝，對于縮短產品開發周期、降低成本、提高質量具有重要意義。文章總結了白車身涂膠工藝現有的仿真技術，研究了仿真技術的實現原理和方法，結合實際場景說明了這些仿真技術在白車身產品可密封性評估和工藝可施工性評估方面的應用和指導，并展望了白車身涂膠仿真技術的發展方向。

涂膠；仿真；可達性；離線編程

引言

“中國制造2025”和汽車行業“新四化”的要求讓智能制造進入各大整車廠的戰略部署，產品及工藝的數字化開發和虛擬仿真的應用是實現智能制造的關鍵步驟。虛擬仿真技術依托于計算機技術的不斷發展，在整車新產品開發過程中扮演著越來越重要的作用。

白車身涂膠（包括內部涂膠、底部涂膠、防石擊涂層、LASD等）是汽車涂裝工藝的重要環節，對整車起到防腐、防漏水、隔音降噪等作用。目前虛擬仿真技術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]，但針對涂膠工藝的仿真技術少有論述。不同于焊裝車間在鈑金零件上的涂膠，涂裝車間內的白車身涂膠工藝制約因素更多且更復雜，鈑金搭接結構、焊縫大小等影響涂膠質量，白車身結構、夾具吊架等影響涂膠可達性，且由于涂膠工藝往往在限定的靜態機器人工位內完成，機器人之間的任務分配，機器人與機器人之間、機器人與車身之間、機器人各軸之間的并行協作與干涉互斥的關系，都影響著現場工藝實施的質量與效率。很難有一種評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品到工藝的評估和驗證。

本文基于業內在用涂膠工藝仿真技術，結合實際應用場景，研究了現有涂膠仿真的技術方法及其在白車身產品開發和工藝開發過程中的指導和應用。

1 白車身（涂膠）可密封性

整車開發過程需要考慮同步工程、一體化設計。輸入制造要求進行虛擬評估，能夠使產品設計優化并適應制造工藝，及早發現問題，縮短開發周期，降低開發成本。白車身可密封性是新產品同步工程的重點評估內容，主要針對內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對涂膠質量產生影響，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，結合各自的產品制造規范、經驗教訓和最佳實例等，不同整車廠會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范，則視為制造不可接受，制造評估方應提出工程更改需求。

1.1 可密封孔洞仿真

針對車身鈑金孔洞可密封性的分析，業內常見的方法是依靠人工評估，在Vis-mockup、UG等3D軟件環境下通過手動量取尺寸來排查（如圖1所示），工作量大時間長，且容易遺漏，因而效率低下。可密封孔洞仿真規避了這些問題，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別出來，并能實現按條件篩選，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

考慮到空間尺寸計算的復雜性，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，通過設定該尺寸數值來定量識別大孔洞。基于實際鈑金搭接狀態，該仿真開發了兩類可計算的孔洞模型（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，有一側無法閉合而形成了狹縫或階差的情況。仿真運行前，根據經驗一般將這兩類模型的尺寸上限設定為200mm和600mm，以減少無意義的識別而節省計算時間。

仿真的進行需要基于網格化的白車身模型，以NAS格式輸出，因為NAS格式包含了零件組成信息，所以在軟件計算中可以區分單板上的工藝孔和由多個鈑金搭接形成的孔洞，單板上的孔通常是與涂膠無關的工藝孔。通過導入涂膠數模，計算涂膠與鈑金孔洞的距離，還能實現針對涂膠附近鈑金孔洞的識別。如圖3所示，工程師可以根據不同的需求定制化輸出孔洞信息。

圖2 兩類可計算孔洞模型的對比

圖3 可密封孔洞仿真的結果顯示界面

1.2 機器人膠形仿真

白車身上的涂膠區域除了鈑金孔洞，其實更多的是鈑金縫或焊接縫，因此可密封孔洞仿真存在應用范圍的局限性，且目視化效果較差。目前白車身在涂裝車間的內部涂膠、底部涂膠等大多采用機器人完成，通過模擬機器人的實際涂膠狀態輸出涂膠膠形，可以直接目視化判斷涂膠質量并研究結構改進，因而能規避上述局限性。德國Flexstructures公司的IPS Sealing仿真模塊實現了該功能，它使用浸入網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器人施工后在鈑金表面的厚度、寬度甚至表面狀態等信息。仿真實施的一般過程如圖4所示。

圖4 IPS Sealing仿真過程

前期的數據準備是影響仿真準確度的關鍵步驟。所需的基礎數據包括膠材料的流變曲線（剪切力、粘度）、膠密度和類型等，工作參數則包含了涂膠軌跡設置、噴嘴姿態、觸發條件、刷子表以及環境溫濕度等。圖5顯示了白車身兩處位置的膠形仿真結果和實際鈑金狀態，左圖是典型的鈑金搭接縫隙過大導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，且存在失效風險，若是后期增加貼片也將導致單車成本上升。通過該仿真手段，可以在項目早期識別缺陷，從而優化設計提高涂膠質量。而且，膠形仿真的結果還能為在線調試時膠槍狀態和工藝參數的優化提供參考，從而節省調試時間和調試用車。

圖5 利用膠形仿真發現的涂膠質量缺陷

2 涂膠可施工性

對于涂膠工藝來說，除了白車身可密封性需要滿足要求之外，涂裝車間現場工位的可施工性也是工程師需要重點評估的對象。工位現場的設施配置（龍門架、管路布置等）、設備機運（機器人、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對涂膠工藝的施工性產生影響。涂膠工具是否能到達目標焊縫，機器人姿態是否能做到，設備和工具的干涉狀態，涂膠程序是否能滿足工位時間等均需要提前考慮并進行評估，以減少或消除后期實車調試過程的問題，降低產品按期上線的風險。針對涂膠可施工性的仿真目前主要有涂膠可達性仿真和機器人軌跡（離線編程）仿真兩類。

2.1 涂膠可達性仿真

涂膠可達性仿真一直都是虛擬評估的關注重點，往往以驅動產品更改為適合現場工藝的措施為主要方向。可達性的評估方法也是一個不斷發展的過程，通用型錐形數模的使用（如圖6所示）是相對較早的手工涂膠可達性的評估方法[5]。使用時將尖頭對準目標焊縫，通過手動調整錐形區域，若可以調整至錐形區與車身零件無干涉，則認為該處手工涂膠可達，若出現圖6右的干涉情況，則認為涂膠不可達，需要改進產品。

圖6 手工涂膠可達性通用分析模型

若是機器人涂膠，則需要采用機器人槍頭模型進行仿真，將多功能槍頭、LASD涂膠槍頭等對應的工具調入白車身數模，通過調整槍距（噴嘴與鈑金間距）和槍頭姿態來評估機器人涂膠的可達性，如圖7所示。通過調用施工槍頭模擬機器人涂膠可達性操作簡單方便，但是由于未引入機器人6軸及7軸滑移位，因而不能考慮機器人整體的聯動，可能造成槍頭可達但機器人姿態無法實現的情況，因此可達性評估有一定的失效風險。

圖7 使用多功能槍頭進行可達性模擬

參考焊裝車間焊點、涂膠等工藝的規劃和仿真方法[6][7]，通過搭建機器人工位數據庫而開發的基于西門子PDPS軟件的涂膠可達性仿真系統，解決了上述失效風險的問題。仿真實現過程中機器人虛擬工位的搭建是最為關鍵的一步，需要準備機器人、七軸、槍頭、導軌、雪橇、吊架等3D數模，并完成各工廠現場布局的測繪、工位組建、數據庫搭建、數據轉換、工位3D布局、設備運動副建立等工作，完成的虛擬工位界面如圖8所示。

圖8 典型的LASD機器人站虛擬工位

涂裝車間的機器人涂膠工位屬于長期穩定的工位，因此搭建好的虛擬工位可以在資源庫長期存放以備調用。使用時需要將白車身3D模型導入，調入相應的涂膠工位以建立Study文件夾，并設定好7軸與工具坐標系。針對要評估可達性的目標區域選擇路徑點（Location），通過手動調整路徑點坐標（X, Y, Z, Rx, Ry, Rz），使機器人涂膠扇面垂直于焊縫，如圖9所示。通過虛擬的機器人示教器移動7軸坐標檢查干涉狀態，若在7軸限位內可以找到非干涉位，則認為機器人可達。

圖9 車身上某涂膠點的可達性仿真

另外，在固定的7軸位使用Pie Chart功能還可以分析機器人指向路徑點的可達姿態，如圖10所示。藍色區域表示機器人可以到達該路徑點，但路徑點的坐標方向受限制；紅色區域表示機器人不能以某些坐標方向到達路徑點；黑色指針表示機器人當前所處區域，該指針可轉動，以調整機器人指向路徑點的姿態。

圖10 PDPS中使用Pie Chart功能識別可達區

2.2 機器人離線編程仿真

隨著自動化設備、機器人在白車身涂膠領域（內部涂膠、底部涂膠、LASD等）的廣泛應用，機器人涂膠的編程和調試也自然成為產品上線的重要準備環節[8]。關于涂膠機器人離線編程仿真，目前行業內大都經歷過起步階段并處于發展階段：在起步階段，由于數字化工具少，編程絕大部分依賴人工在現場示教程序，必須利用停產和節假日時間，消耗較多的調試車、能源和人力時間；而在發展階段，引入了初級的數字離線仿真工具，離線調試替代了部分在線時間，提升了效率，減少了對停產和節假日的需求，并節約了調試車和調試期間的能源消耗。

圖11 使用Roboguide離線仿真生成的機器人軌跡

FANUC是業內常見的涂膠機器人供應商，該公司針對其機器人開發了Roboguide離線仿真軟件，它能在三維世界中模擬現實中的機器人和周邊設備的布局，并通過其中的虛擬示教器示教，來進一步模擬它的運動軌跡。通過這樣的模擬可以驗證方案的可行性同時獲得準確的周期時間。一般的離線仿真過程包括機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，多臺機器人聯動運行時還需要設置碰撞干涉區，編輯好的程序運行完畢可自動生成TCP軌跡線，如圖11所示。目前，在涂膠仿形調試的實際應用中，基本能夠實現50%數字離線仿真，50%人工在線編程的時間配比。

基于Roboguide的離線仿真能夠節省大量的現場調試時間，但是仿真實現過程依然需要工程師大量的手動操作，而且對工程師的歷史經驗依賴較多，譬如人工對機器人的工作分配不當，可能事倍功半，做出效率低下的軌跡。隨著計算機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模塊通過開發一種全新的自動路徑規劃算法，實現了智能輔助離線編程仿真[9]。仿真過程包括數據準備、任務規劃、任務計算和程序導出等。數據準備除了常規的機器人工位布置、機器人各軸運動限制、TCP距離和白車身數模等，還包括涂膠膠線的分段數據。軟件可根據分段的膠線自動獲得TCP點，如圖12左所示。任務規劃則包含了基于涂膠軌跡線的機器人可達性計算、碰撞極限的檢查，還可以針對性調整局部的軌跡線。任務計算是基于任務規劃的結果（如圖12右所示），計算各機器人的任務順序并平衡機器人負荷的過程，可以手動調整也可以自動優化。最終將獲得的軌跡以程序的形式導出，直接用于現場使用。該離線編程仿真可用于前期涂膠可達性的評估，也可以用于后期機器人調試過程中涂膠路徑和順序的優化，同時實現可達性的自動評估和機器人軌跡的自動生成，向著智能仿真的目標更進了一步。

圖12 典型的白車身涂膠膠線和機器人任務規劃界面

此外，基于PDPS的涂膠可達性仿真工具也可以向智能離線編程仿真的方向擴展。PDPS包含了豐富的機器人運動基礎模塊，通過二次開發可以在可達性分析的基礎之上引入自動創建路徑并優化節拍的程序模塊，以實現自動離線編程仿真。這也是目前業界正在研究的方向之一。

3 結語

數字化和虛擬仿真技術的引入給汽車產品的開發和生產制造提供了新的思路和方案，工藝部門參與產品的設計能提前發現并解決問題，生產制造過程提前驗證讓不確定性大大降低。白車身涂膠仿真技術的應用，能提前發現鈑金孔洞、焊縫的可密封性問題，以改進設計，還能進行虛擬驗證發現并優化機器人的可達性和仿形軌跡，對于縮短產品開發和工藝驗證的周期、降低質量風險具有重要意義。

數字化、智能化是汽車制造的必由之路，虛擬仿真技術也是一個不斷進步和發展的過程。白車身涂膠仿真技術經歷了早期的經驗模擬、初級的數字化工具，目前處于半自動或自動化的仿真階段，而最終將落腳于高度智能化的仿真系統，實現引領級的涂膠工藝預測預警和自適應。

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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，工學碩士，集成工程師，就職于上汽通用汽車油漆制造系統，主要負責新產品項目油漆工藝的集成以及計算機輔助仿真工作。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.14.058