汽车涂装虚拟仿真的应用

1 前言

当前，全球化、网络化和虚拟化已经成为制造业发展的重要特征。对于汽车行业来说，汽车设计虚拟技术是汽车行业较早实施的虚拟技术，也是汽车行业虚拟技术最成熟的领域。其将汽车设计的数字化模型在计算机中以直观的方式显示出来，使工程师能从l：1的仿真数字化模型中得到丰富准确的信息，从而实现人与计算机之间无缝连接。现在，大部分的汽车企业已实现虚拟现实系统，在网络环境中，充分利用分布在世界各地的各种资源，协同进行互动性的产品设计，这样，工程师就可以直接根据虚拟模型做出快速准确的判断，而不必花费更多的人力、物力去制作大量的物理模型，并省却许多原来必不可少的实物验证工作。

在整车制造过程中的制模、冲压、焊接、总装、人机工程分析等各个环节中的计算机模拟技术也已广泛运用，使汽车制造置于计算机技术所构造的严格数据环境中。

对于汽车涂装来说，其工艺相对稳定，一般不受车型产品设计的变更而改变，所以相对于其他制造车间来说，其虚拟仿真技术的使用率略微偏低。但是由于产品设计对于涂装工艺能力和车型产品性能有较大的影响，因此如果能够在前期通过虚拟仿真技术对涂装能力、过程进行分析，将大幅提高产品性能，减少产品设计缺陷和产品实车验证过程中的问题数量。

本文针对我公司车身内、外表面电泳膜厚虚拟分析、前处理电泳排水排气能力分析、涂装机器人涂胶喷漆可达性和涂装烘房烘烤能力等相关虚拟技术进行了简要阐述。

2 涂装相关虚拟技术介绍

在产品设计前期阶段，虚拟评估是新产品设计阶段同步工程的主要工作内容，涂装工程师也需要对产品设计进行详细的分析，以尽量识别产品设计影响涂装效果的问题，并在前期将这些缺陷在产品设计中修改掉。

在我公司引入虚拟评估软件前，主要根据制造需求MR文件和工程师的经验来进行分析，如涂胶可达性、内表面电泳膜厚、前处理电泳时产品的排气、排水问题等。这些评估随着工程师的经验能力的不同而不同，极易出现疏漏，也无法对一些性能做出定量分析，还需要在实车造车时进行验证，这就造成问题识别和解决滞后，增加产品设计更改成本。

2.1 电泳膜厚仿真

在未引入电泳膜厚仿真软件前，每次虚拟评估时，只能根据经验评估哪些空腔区域可能会有电泳膜厚差的问题，无定量的数据分析。具体的验证只能在实车验证阶段，拆车以确定内表面的具体膜厚。由于实车造车阶段大部分的零件已设计定型，此时对车身进行修改时，车身相配套的其他内外饰、电子等零件的改动量比较大，车身零件、内外饰零件、磨具等的改动成本较高、周期较长。

我公司根据通用北美的使用经验，在去年引进了EDDL电泳仿真软件对电泳膜厚进行仿真分析。该软件电泳仿真利用有限元技术建立电泳模型，通过电化学方程来模拟电泳过程，在计算机上对电泳过程进行模拟，然后输出车身钣金电泳膜厚分析结果。

电泳最基本的物理原理为带电荷的涂料粒子与它所带电荷相反的电极相吸。采用直流电源，金属工件浸于电泳漆液中通电后，阳离子涂料粒子向阴极工件移动，继而沉积在工件上，在工件表面形成均匀连续的涂膜。

2.1.1 仿真前准备工作

由于模拟仿真需要模拟现场的实际状态，所以在开始实施前需要收集新车型目标工厂电泳系统的相关信息，主要包括：

a）电泳槽泳透力盒测试数据，即使用泳透力盒测出目标工厂的泳透力数据，其所有数据为电泳槽性能的重要参数：

b）电泳槽在线电压数据：通过使用电泳电压记录仪随车记录车身在电泳过程中门、顶棚、门槛版、车底等位置的实际在线电压数值，通过该数据，可以了解电泳过程中，电场强度从阳极管发出后到车身表面的损失率和实际能力。

c）当前量产车外表面电泳膜厚：通过测量当前在线量产车的实际电泳厚度，以校准、标定电泳槽液参数。

d）其他电泳槽相关信息：前处理类型（磷化或薄膜）、是否有顶部底部阳极、阳极类型（管式、板式、C型）及数量、电泳温度、槽液电导率、阳极液电导率、槽液PH、槽体线速度、电泳槽各段电压设定值、槽体尺寸、槽体阳极排布位置等相关信息。

2.2.1 仿真实施过程

仿真操作过程主要分为下边几个阶段：数据准备、模型前处理，分析计算，结果后处理、仿真结果评价。

a）车身数模文件网格化处理：与大部分的仿真软件操作一致，车身的仿真也需要首先对所有车身零件做网格化（即有限元）拉伸处理，以便于利用解偏微分方程的方法进行数据计算，该步骤依靠HyperMesh软件。由于网格化处理费时费力，费时较多，因此在处理前要先筛选有用的零件，将不需要的零件全部删除，尽量减少不必要的工作量。

b）Volume Mesh和槽体、车身模块合并：根据前期准备的泳透力盒等数据作出电泳槽体的Mesh网格模型；再将车身模型数据和槽体数据通过DEM软件合并为整体的仿真模型；然后通过ICFM-DFM软件对模型进行检查确认并修复缺陷。

由于车身的左右侧基本一致，因此在建模时只需选择单侧实施即可；电泳时车门是需要开启一定角度的，所以在建模时也需要根据实际情况开启一定角度；

c）仿真计算：将前序的模型和各项相关文件倒入EDDL系统，再设置槽液的相关参数，启动系统进行自动运算、计算周期约为2-3周。运算结束后，可以使用Hyper viewer对仿真结果进行确认。

其中槽液的仿真参数根据前期收集数据计算、校准而来，且车身尺寸对仿真模型有一定的影响，因此我们将参数设置了大小两种车型来分析。

数据分析、验证：

通过实车拆车和虚拟仿真对比，可以看出仿真与实车基本吻合，但是厚度方面有一定偏差。经过数据分析，基本可以判断当虚拟仿真时膜厚大于5um的区域，其实际膜厚基本能够达到不低于10um的要求。针对电泳不良位置，可以通过增加开孔、调整钣金结构等措施，在Mesh数模上调整，并进行反复验证。

2.2 电泳排水、排气仿真

车身在涂装车间双摆杆和C型钩等电泳系统通过前处理、电泳时其中，由于车身摆动幅度较小，容易造成部分腔体区域会出现空气无法排掉、液体无法排出，从而造成空腔内部积气、积水和金属裸漏、电泳漆膜厚不达标等问题。在采用Ro Dip或Vario Shuttle等机运系统可以解决，但是其成本较高，老工厂无法进行实施，因此通过前期电泳仿真发现积气、积液的地方为比较可行的方案。

该软件主要通过模拟电泳槽液和车身通过时的状态以确定新车型排水、排气状态。其首先也需要将车身数模做网格化划分，然后输入机运线的入槽角度、驼峰角度、出槽角度等信息（如下图），通过ALSIM软件模拟出积水、积气位置和量的信息。

仿真结果（后盖排气）：

排水结果与排气结果类似，可以直观的了解积水的量和位置，同时可以通过软件增加孔或改动摆动角度以验证排水、排气效果。

2.3 涂胶、喷漆可达性模拟

涂胶可达性主要依靠涂胶枪头模型，将其调入车身数模中，再根据涂装时枪头状态和车身。

2.3.1 通用型涂胶可达性模型

该模型为通用型数模，通过该模型可以初步评估涂胶可达性、人机问题等，主要为手工涂胶分析使用。

在使用时将其前部尖端放在涂胶要求密封的焊缝位置，该模型其他位置若不会与车身其他任何零件干涉，即表示涂胶可达性是绿色、可实施的；如果出现与其他零件干涉情况（如上右图），则表示该处涂胶不可达，有干涉问题。

2.3.2 密封胶枪头模型

密封胶枪头即现在使用的各个机器人涂胶的枪头数模模型，根据现在使用的涂胶机器人涂胶枪种类，包括车身内表面Interior Sealing密封枪头、车底UBC PVC喷涂枪头、车底密封胶UBS涂胶枪头、液体可喷涂隔音降噪材料LASD涂胶枪头等。

在一些空间受限或高密封可达性风险区域，可以将涂胶枪头调入整车数模，根据涂胶时枪头的枪距和姿态调整涂胶枪头的位置，以检测该位置涂胶的可达性。多功能枪头即可以对涂胶进行检查，也可以对车底、轮罩等喷涂UBC PVC胶的区域进行检查、确认。

2.3.3 油漆喷枪枪头模型

由于油漆喷涂主要是在车身的可视面，所以其大部分区域均为可视区域，一般不会存在喷涂可达性问题。但是车身内表面或者一些特殊造型区域（如顶槽、MPV车型的导轨槽等）在油漆喷涂时仍然还是会有可达性问题出现，从而造成油漆漆薄、色差等外观缺陷。

该模型与涂胶可达性基础模型基本一致，也是在使用时将其前部尖端放在凹槽底部表面或需要喷涂的零件表面，若该模型其他位置不与车身其他任何零件干涉，即表示该位置喷漆可达性是绿色可实施的；如果该模型有部分位置与其他零件存在干涉情况，则表示该位置喷漆不可达，存在油漆外观缺陷。

2.3.4 机器人站模型

上述枪头模型是日常使用中最常用的模型，其操作简单、省时省力，可以完成日常大部分的模拟工作。但是在实际评估时发现，有一些区域单纯依靠枪头评估是无法完全达到实际状态的，主要是因为操作会受到机器人工位尺寸、机器人类型、手臂轴关节等的移动限制，造成部分区域施工不可达，因此，我们建立了机器人工位的实体模型。

在建立工位模型时，需要建立一个完全现场化的虚拟环境，需要将现场的工位布置、机器人站、工装夹具撑杆、机运线、雪橇吊架、辅助设备等工位实体信息全部数字化，具体如下图。

在虚拟仿真时，将车身数模加载入工位模型，准确固定于雪橇、吊架的实际支撑点位置，使其与现场状态完全一致。然后再根据工艺文件的要求，对需要施工的工位进行离线虚拟编程模拟，从而确认其施工可行性。

2.3.5 烘房烘烤能力仿真

油漆烘房的烘烤模拟需要在前期测量车身所有零件的热传导系数（钣金、车身胶等）、烘房的设计图纸、烘房喷管位置等数据来搭建仿真模型，然后用在线车来测量烘房的实际烘烤温度来校准模型。

其模拟方法与电泳仿真相似，通过有限元的方法，确认车身每个位置的温度；同时根据钣金、密封胶等材料的热胀系数、杨氏模量、泊松比等材料参数，也可以对一些易变形零件（四门、两盖等）进行加热形变量的分析，以支持改进产品设计强度。该仿真在我公司暂未实施，后期将研究实施。

3 虚拟仿真注意事项

电泳仿真和排水排气仿真由于需要进行数模的网格化处理，且需要用偏微分计算数据，其数据处理量非常大，计算比较耗时、周期长，对电脑的硬件要求也很高。而整车的左右侧基本对称，因此在模拟时，我们只需要选取车身数模的一半进行分析，同时选取车身相关的钣金零件，与钣金不相关的车身胶（车身胶对电泳仿真的影响很小，可以忽略不计）、焊点、总装零件等全部删除，避免不必要的数据计算量。

虚拟仿真（如机器人工位实体仿真）虽然能够完全模拟现场状态，但是受制于制造公差等因素影响，部分结果不能完全做到100%精确，仍会出现不可达等风险区域，这些风险区域在后期时仍需要结合实际状态进行分析；另外，工位实体模型虽然比单纯的枪头要精确，但是其需要在该工位所有相关设施都需要有数模支持，占用的资源较多、对仿真机器硬件要求较高、仿真的周期也较长，在前期阶段完全实施的话工作量太大，没有可实施性。因此，在仿真时需要与枪头模型结合进行，单纯依靠枪头模型不能完全分析出结果的，再进行实体模型的模拟才是最优的选择。

4 结论

虚拟仿真能够在项目前期阶段模拟涂装制造时的各种状态，能够充分发现影响制造的问题，减少人为原因造成的缺陷遗漏，节约大量的人力、物力资源，大幅提高产品试制阶段制造质量。

虽然虚拟仿真不能完全代替实车验证，但是通过虚拟仿真和实车验证的结合，通过后续软件和模拟环境的改善，可以使模拟结果越来越真实，与实际状态越来越接近。