汽車總裝生產線虛擬仿真對三維模型的要求

何志遠

安徽江淮汽車股份有限公司 安徽合肥 230601

汽車總裝生產線線體較為復雜，設備種類繁多，加上生產節拍及產品設計的限制因素，總裝線體規劃設計的工作非常復雜。為了避免因規劃設計階段考慮因素不全面從而導致設計遺漏及失誤，在項目各階段實施虛擬仿真是非常有必要的。在實物設備制作前基于三維模型進行各項仿真評審，可有效避免建設過程中的設計方案變更，加快生產線投產速度。

Process Designer及Process Simulate（簡稱為PD/PS）軟件是Siemens PLM Software TECNOMATIX產品的一個重要組成部分。當前該軟件已成為汽車制造企業常用的仿真軟件，工程師們可在其中重用、創建和驗證制造流程來模擬真實的制造過程，并可以對生產線及生產裝備設計方案進行可視化的三維仿真評估。為了滿足汽車總裝線規劃建設過程中的仿真驗證需要，并獲得評估后續產品導入仿真所需的三維虛擬環境，生產線及裝備數模的數據格式、精度、參考系選擇等有特定的需求。

數模格式及結構要求

整車裝配工藝環節較多，生產線體及生產裝備種類繁多，涉及的裝備供應商也比較多。因此，生產線設備三維模型數據格式也不盡相同，基于當前行業客觀條件，需要對設備模型格式進行統一，以便于模型的輕量化處理與應用。在工藝裝備設計工作中，常選擇CATIA作為數據提交的基本軟件平臺。

1.工裝數模格式及結構要求

1）工裝總成應由可拆分的零件單體數模集成產生，格式可為“.Product”或其他CATIA軟件支持格式，內部零件格式要求為“.step”或“.CATPart”格式。模型數據凍結之前的過程數據交互確認可用“.3dxml”格式。

2）夾具、抓具、置臺等工裝每個夾緊單元以單獨的“.CATPart”或“.step”文件提交，各夾緊單元的工藝執行零件的運動副可單獨選中，同一個工裝的所有單元數據放在同一個文件夾下打包存放。

3）氣缸、滑臺、轉臺等部件的工藝運動機構與非運動機構可以拆分，在軟件中可以被單獨選中。

2.設備數模格式及結構要求

設備總成應由可拆分的零件單體數模集成產生，格式可為“.Product”或其他CATIA軟件支持格式。內部與工藝執行相關的零件數模要求為“.step”或“.CATPart”格式，其他部分零部件數據可整合為一個部件以CATIA軟件可讀取的格式提供。模型數據凍結之前的過程評審數據可采用“.3dxml”或“.cgr”格式。

結構中包含工藝執行端和主機的設備（如涂膠設備，包括膠槍、膠桶、膠泵及控制柜），使用端和設備要分開，以單獨的“.Product”、“.CATPart”或“.step”文件提交，主機與工藝執行非強相關部件（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單體提供。

助力機械手、機器人等設備的各活動關節能夠單獨點選，各活動軸為單獨分開的實體，便于實現進行工藝動作仿真時的運動機構定義。

輸送類型的設備運動機構與非運動機構可以拆分，如升降機應至少拆分為主體與伸縮叉臂，在軟件中可以被單獨選中。

3.輸送線體及附屬設施數模格式及結構要求

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）不同線體或區域的模型需要拆分，如底盤線的工藝吊架和內飾線的工藝吊架要分別以單獨的文件存放。若兩線之間有連廊、護網等結構，則該結構歸屬于主線（工藝流程中后一道流程的線體）。

模型基準坐標及單位要求

1.坐標要求

1）設立坐標系應采用直角坐標系、右手螺旋法則。

2）對于整線建模，坐標基點選取與車間建筑模型保持一致，選取零標高平面上A-1軸交點，不同線體數模導入同一軟件平臺后相對位置應與實物一致。

3）對于單站設備（如涂膠工作站、底盤合拼工位等）范圍的三維仿真數據，原點以車間內的基準柱地面（廠房立柱）中心為原點，如無指定基準柱，則選取設備底座上幾何特征點為原點。

4）主線滑板、吊具、托盤、機械手及移栽機等搬運設備應設置與整車（或分總成）自身坐標一致的工具坐標，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為坐標原點。若同一工裝涉及同一車型的左右對稱件，則以左側板件的原點為該工裝原點，并在工裝模型中顯示右側板件的原點坐標，并命名區分。

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

6）擰緊工具、涂膠槍的坐標原點要求必須在TCP點上。

7）整線數據集成提供時，集成數模中各線體、設備、工裝應位于正確的坐標位置上。

2.單位及比例要求

1）長度基本單位為mm，在標注標高時單位采用m。

2）所有模型設計尺寸與實物比例為1:1。

3.模型準確度要求

1）模型交付及項目實施過程中規定模型發布節點時，模型、施工圖樣、設備實物應保持一致。

2）當設計變更時必須對模型進行對應更新，并留有記錄。

3）當依據二維圖樣進行翻模時，三維模型與二維圖樣尺寸應保持一致。

4）當依據現場實物進行翻模時，總圖中在線體流動的方向上，單工位三維模型與實物線體定位尺寸誤差應小于±10mm。

5）當依據現場實物進行翻模時，設備單體（如機器人、機械手、加注機機體及吊具本體等）三維模型與實物總體尺寸誤差應小于±3mm。

6）當依據現場實物進行翻模時，關鍵定位部件（如發動機托盤支撐桿、加注槍頭、吊具定位銷等）三維模型與實物尺寸誤差應小于±0.1mm。

總裝線建設各階段模型細度要求

1.初步規劃階段

該階段模型用于項目規劃階段，對總裝生產線及設備的整體布局評審及空間進行可行性校核，模型細度至少符合以下要求：

1）生產線線體（如滑板線、地拖鏈、空中輸送線等）應體現實現功能時所占最小空間尺寸及內部運行通過的最大空間尺寸。

2）生產線線體模型的運動部分（如滑板、吊具等）與固定部分（如軌道、吊架等）應可拆分。

3）組成生產線線體模型的各基本設備（如滑板線、線端升降機）應為可拆分的不同實體。

4）設備單體模型應體現實現功能時所占用最小空間尺寸。

5）生產線模型應當包含實現其功能的所有構成部件（如電控柜等）。

2.深化設計階段

該階段模型用于空間檢查優化及工藝虛擬驗證，除滿足初步規劃階段細度要求外，模型細度還需滿足符合以下要求：

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

2）生產線線體模型中與體現基本工藝功能的運動構件應為可拆分的不同實體，如升降機模型應可拆分為伸縮叉臂、升降托盤、立柱等部分。

3）對于玻璃涂膠線應當給出涂膠時玻璃的準確定位點，涂膠機器人模型應具備依據實際功能定義運動副的條件。

4）對于升降設備（含AGV、RGV舉升臺）模型應當定義準確的功能定位點及升降極限位置。

5）對于AGV、RGV應給出功能定位點、運動路徑及與工裝夾具的定位基準點。

6）對于起吊設備（含平衡器）模型應定型準確的運動極限位置。

7）生產線線體及單體設備模型應含有設備的輔助構件，如電纜橋架、壓縮空氣管道及附件、鋼平臺、工藝吊架、護欄和爬梯等。

8）吊具、托盤、夾具、機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備，需按整車坐標原點（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）建立產品件裝夾定位參考坐標。

結語

在汽車總裝生產線建設階段對設備三維數據提出要求，為生產線設計方案可視化評估提供了基本條件。但要注意數據精細度要求的合理性，要抓住與產品生產相關的功能要求，對不重要的細節要盡量舍棄，防止數據量過大對虛擬仿真工作造成不利影響。

隨著計算機及圖像處理技術的不斷發展，在生產線建設及整車產品開發階段構建三維數字化雙胞胎用于仿真評估，將會為企業帶來更高效的競爭力。