總裝同步工程中的干涉分析驗證

曾洋　張燁　吳波　方立　肖東方

摘 要：干涉檢驗在產品和工藝設計的虛擬工藝性驗證中是最重要的分析工具之一。本文結合DELMIA軟件工具的使用介紹了干涉檢查類型及用法，按照部品不同的工藝條件重點采用不同分析工具，并結合實際案例進行展開說明。及時發現產品設計、工藝設計、工裝設計存在的問題，進而提升虛擬裝配工藝仿真結果精度，有效地減少裝配缺陷和產品的故障率，減少因裝配干涉等問題而進行的重新設計和工程更改。

關鍵詞：裝配仿真;干涉分析;工藝驗證

0 引言

目前，中國汽車市場的汽車產品更新換代、新老交替的速度十分迅速，原因是各大汽車生產廠家為了在當前產品不斷升級、競爭日益激烈的大環境下得以生存，并占有一席之地。所以，汽車產品的設計開發到真正的量產銷售的這段周期顯得尤為重要，如果其產品設計開發的周期短，上市時間快，那么也就意味著搶占了市場先機，獲得成功的幾率也就更大。

因而各整車企業為了縮短整車開發周期、節省開發成本、提升開發質量，將整車設計及整車工藝開發同步，對整個產品開發過程一體化設計同步實施。對總裝而言，虛擬工藝工程驗證為主要開展方式，而干涉性驗證作為虛擬工藝工程驗證重要分析工具，則顯得更加至關重要。本文正是從虛擬工藝驗證的角度出發介紹干涉分析驗證的方法及運用。

1 DELMIA干涉分析特點

目前同步工程主要是采用DELMIA仿真平臺，它是法國DS的一款全三維數字化仿真分析軟件，通過全三維數字化模型模擬生產車間虛擬過程，并在仿真過程中檢查部品裝配的干涉性以確保所有零部件的準確安裝，及這種安裝相對于其周邊對手件部品而言的可行性[1]。采用基于DELMIA三維數字化裝配過程仿真是著重于產品在實施裝配以前對裝配工藝進行的仿真驗證，其干涉檢測也是針對產品在實施裝配以前的虛擬干涉檢查，即在產品實際裝配之前，通過裝配過程仿真分析，及時地發現產品設計、工藝設計、工裝設計存在的問題，有效地減少裝配缺陷和產品故障率，減少因裝配干涉類問題而進行的設計返工和工程更改。

在DELMIA中提供了靜態干涉和動態干涉檢驗，兩種干涉檢驗都是要求避免物體間的碰撞以保證產品設計和工藝設計的有效性。DELMIA中的靜態干涉檢查通常用于在虛擬裝配結構形勢下，檢查裝配體的各零部件之間的相對位置關系是否存在干涉，裝配公差設計是否合理。它指的是物體在空間中的位置是可移動的，但不隨時間變化，位置的變化是由其它參數定義的，判別是否有任何一對物體占有公共空間。空間布局和裝配干涉檢測等均屬于此類問題。而動態干涉檢查用在裝配的零部件在裝配運動過程中，包括拆卸過程，檢查零件運動包絡體是否存在零部件之間的運動干涉[2]。動態干涉檢測與時間相關，即碰撞檢測，物體在空間中的位置是隨時間變化的，可以是運動空間中只有一個物體是運動的或者兩個物體都是運動的。

2 干涉分析在總裝同步工程中的應用

虛擬工藝仿真驗證不是單純進行仿真動畫操作，很大程度上通過虛擬裝配工藝仿真進行仿真分析獲取工藝數據，進而通過仿真數據結果作為參考來改進設計或工藝。而碰撞干涉分析工具則是DELMIA中進行虛擬裝配工藝分析的最重要的分析工具之一。按照部品不同工藝條件可分為靜態干涉分析和動態干涉分析[3]。

2.1 靜態干涉檢查

在DELMIA中，零件之間的靜態干涉關系可以分為碰撞干涉（clash）和接觸干涉（contact）。在新車型導入過程中靜態碰撞干涉分析常用于設計圖紙階段的工藝性圖紙審查，以此提高設計圖紙的精度。

2.1.1 部品裝配干涉性分析

在新車型設計開發階段，總裝領域主要研究部品裝配的可行性，鎖緊類在總裝工藝里占有了很大一部分比例。而且鎖緊類的工藝作業相關的因素又有很多，比如工具的選型、周邊的作業環境、部品周邊的布局等等。這些因素要在前期沒有實車的階段進行檢證必須通過數字化三維仿真技術，避免干涉、無法裝配的情況出現，否則這些問題流入到實車階段就會更加難以解決。

例如，在兩廂車及SUV等車型設計TAIL GATE關聯部品的結構時，一般的車型設計會采用DAMPER液壓氣彈簧實現開閉功能，這些都屬于車身部分的設計。然后周邊的TAIL LIGHT等屬于車燈類，在配合安裝時就出現了以下問題（圖1）：

原本的作業工程是： （1）安裝DAMPER，保證TAIL GATE可以實現開閉功能。（2）然后鎖緊安裝TAIL LIGHT。但如按照此工程順序作業，會使量產時工具鎖緊軌跡被遮擋干涉的現象。而通過圖面階段的虛擬檢證干涉碰撞分析后，提前發現此問題，并通過三個方向進行解決：

1）設計變更——通過設計變更TAIL LIGHT鎖緊時位置或者角度，使得工具鎖緊時的軌跡避開DAMPER所在的空間;

2）工具變更——由于量產的工具樣式決定了其安裝的軌跡和空間，可以采用新式樣的可滿足鎖緊軌跡的工具，例如：可調整角度套筒，L型彎頭鎖緊工具等;

3）工程變更——變更安裝工程，先安裝TAIL LIGHT，后安裝TAIL GATE的DAMPER，但是這樣一來，工程作業時TAIL LIGHT處于自由狀態，對作業員作業時存在一定影響，造成了極大的不便。

2.1.2 工具操作空間分析

工具的操作空間直接影響到新車型在實際生產中零件的安裝能否完成。對于校核中的工具干涉問題，工藝設計師與車身設計師共同制定優化方案，通過更改設計優化裝配工具的操作空間，大幅減少特殊工具（特殊套筒、氣動叉形扳手等）的投資，降低成本。

（1）工具與零件干涉。如某款新車型制冷管的裝配經總裝SE校核分析，氣動工具頭與制冷管本體干涉大約10mm，實際操作中氣動工具將無法完成裝配，按照設計環境須使用氣動叉形電動扳手（特殊頭工具），增加了工業化成本。通過設計反饋擴大制冷管Y向尺寸15mm（其中5mm為工具調整及零件誤差范圍），避免工具與制冷管的Y向干涉，這樣可使用普通擰緊工具緊固，降低成本。

（2）工具與環境件干涉。某款EV車型接地螺栓裝配經總裝SE分析，電動工具與ABS管路（環境件）干涉，工具無法垂直于緊固點裝配，在生產線裝配是必須用開口扳手進行手動多次擰緊，而通過更改設計中螺栓的鎖緊位置，避開干涉部位，可有效解決鎖緊工具操作空間不足的問題。 總裝工具使用涉及到周圍環境的影響，部分零件安裝空間不足須采用手動工具多次擰緊，力矩扳手工具緊固的操作工時約為20s，而氣動/電動擰緊工具緊固的操作工時約為4s。通過前期提對策要求票更改設計圖紙，滿足擰緊工具空間要求，大幅度減少了總裝裝配工時。

2.2 動態干涉檢查

2.2.1 部品上裝軌跡驗證

上裝軌跡確認一般是針對總裝較大的部品，比如：天窗、座椅、輪胎等。這類部品通常因為其部品自身的特點，在上裝過程中容易與其他物體發生干涉，所以需對其安裝軌跡進行詳細的仿真驗證。大部品的安裝大多數需要借助工裝設備進行上裝，所以多在進行設備裝配部品的仿真過程中進行驗證。如果沒有借助設備的大部品上裝（如地毯、水箱、頂棚等），需要進行模擬仿真其安裝軌跡過程，利用DELMIA的動態干涉分析功能，判斷是否滿足上裝工藝。部品的運動軌跡與部品或車身干涉性。

2.2.2 設備工裝干涉性分析

總裝各區域的工藝工程師統計出與新車型導入相關的工裝設備清單。然后在DELMIA的環境下按照設備清單模擬仿真各設備裝配部品的過程，驗證設備夾具適用性、設備的干涉性及線體的通過性。比如某HEV車型的IPU安裝在后備箱內，需要判斷IPU輔助臂夾取IPU部品通過后備箱尾門的間隙是否滿足工藝需求，對此過程進行動態干涉性分析判斷，在安裝過程中設備和IPU動態軌跡與尾門鈑金的最小間隙值為13.4mm。同時，也可以進行新設備改造方案進行驗證，評估方案的可行性，以此減少車型導入前期設備試制調試的時間及投資費用，降低開發成本。

3 總結

基于干涉驗證分析的總裝工藝虛擬仿真技術開展，為虛擬裝配技術的發展、運用及傳統的生產制造過程提供了優化解決方案，它能夠在設計階段就對產品工藝性進行測試和評估，迅速分析出方案的可行性，盡早發現設計缺陷，提出裝配的生技性要求，從而有效解決設計初期的仕樣問題，杜絕在實物階段進行仕樣變更，增加設計成本，縮短研發周期。

參考文獻：

[1]賈朝定.基于DELMIA的虛擬裝配技術[J].中國航空學會2007年學術年會，制造專題30：1-6.

[2]余傳海.總裝同步工程中工藝前期輸入對整車開發的影響[J].汽車工藝與材料，2013（03）：16-20.

[3]龐然.DELMIA在總裝過程中的應用研究[D].湖南大學學報，2014.