郝杰 李震帥 王亞娟 李佳俊

（1.沈陽工程學(xué)院，沈陽 110136；2.華晨雷諾金杯汽車公司，沈陽 110044）

1 前言

全球汽車產(chǎn)業(yè)處于快速發(fā)展時(shí)期，汽車市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)激烈，為了迎接日新月異的汽車產(chǎn)業(yè)所帶來的挑戰(zhàn)，車企需要對(duì)原有的車間進(jìn)行改造升級(jí)以適應(yīng)新的需求[1]。從近幾年乘用車發(fā)展趨勢(shì)來看，越來越多的汽車消費(fèi)者更青睞于中大型車，而變大的車身對(duì)各車企的涂裝生產(chǎn)線提出了很高的要求，尤其對(duì)較早建設(shè)的產(chǎn)線是一個(gè)極大的考驗(yàn)，通過性改造投資數(shù)及改造規(guī)模直接影響新車收益率及入市節(jié)點(diǎn)，所以研究如何能簡(jiǎn)單且精準(zhǔn)地分析涂裝通過性有重要的意義。

目前各大車企及技術(shù)公司在涂裝車間基礎(chǔ)承載評(píng)價(jià)和節(jié)距分析時(shí)多采用理論計(jì)算的方法分析通過性，在分析彎曲道軌及有上下斜坡軌道通過性時(shí)多采用包絡(luò)線法進(jìn)行分析[2]。而一般涂裝車間由于設(shè)計(jì)廠家技術(shù)保密性，不會(huì)提供完整的三維廠房模型及詳細(xì)的模擬功能圖，這對(duì)于分析涂裝通過性及精確判斷需要改造點(diǎn)是極為不利的。涂裝車間產(chǎn)線最長(zhǎng)、容積最大、工程設(shè)備復(fù)雜，如果采用Factory CAD 或者應(yīng)用當(dāng)前的數(shù)字化工廠技術(shù)在Layout 2D 圖基礎(chǔ)上搭建完整的3D 工廠工作量極大，投資較多且后期維護(hù)極為復(fù)雜[3]，并車間經(jīng)過多家公司的小范圍改造及室體由于年久存在一定程度的變形，車間部分結(jié)構(gòu)早已與最初設(shè)計(jì)的平面圖存在較大的差異，往往在此時(shí)做通過性驗(yàn)證時(shí)存在一定的誤差，當(dāng)實(shí)際車身上線驗(yàn)證時(shí)發(fā)生干涉，只能將車身退出產(chǎn)線再對(duì)涂裝車間進(jìn)行改造，再從新驗(yàn)證通過性，這樣的通過性分析不僅浪費(fèi)時(shí)間而且耗費(fèi)資源。

針對(duì)以上問題，研究了基于點(diǎn)云的數(shù)字化工廠在涂裝通過性分析的應(yīng)用。利用大空間三維激光掃描儀采集整個(gè)涂裝車間點(diǎn)云數(shù)據(jù)，導(dǎo)入SIEMENS公司的Process 系列軟件中建立與涂裝生產(chǎn)線實(shí)際結(jié)構(gòu)、尺寸和位置相一致的涂裝數(shù)字化工廠。根據(jù)涂裝通過性評(píng)價(jià)流程及品評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)工廠的幾處典型工段應(yīng)用點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行通過行評(píng)價(jià)分析。

2 數(shù)字化工廠的建立

2.1 三維激光點(diǎn)云的采集及處理

三維激光掃描技術(shù)主要利用激光測(cè)距原理來獲取目標(biāo)高精度立體三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，該技術(shù)有著非接觸式測(cè)量、快速及精準(zhǔn)等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于古建筑和古物的高精度數(shù)字存儲(chǔ)、野外地質(zhì)勘探、建筑結(jié)構(gòu)檢測(cè)、大型構(gòu)件安裝檢測(cè)等領(lǐng)域[4]。本研究中的涂裝車間點(diǎn)云數(shù)據(jù)是由設(shè)備型號(hào)為Faro M70的三維激光掃描儀所采集，該激光掃描儀可進(jìn)行水平360°、垂直300°的快速掃描（480 000點(diǎn)/秒），測(cè)距誤差為±3 mm/25 m，涂裝車間三維激光點(diǎn)云處理工作流程如圖1。

圖1 三維激光點(diǎn)云處理流程

2.1.1 原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集

在開始掃描前應(yīng)熟悉涂裝工廠環(huán)境，規(guī)劃掃描站點(diǎn)，一般原則為工作環(huán)境復(fù)雜、設(shè)備較多且遮擋嚴(yán)重的區(qū)域安排較多的掃描站點(diǎn)，設(shè)備及遮擋物較少的區(qū)域適當(dāng)減少掃描站點(diǎn)。在掃描站點(diǎn)間的合適位置布置3 個(gè)（或3 個(gè)以上）互相可以通視的白色標(biāo)靶球或板，以便掃描后能快速的拼接各站點(diǎn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)[5]。

2.1.2 掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)的拼接

由于汽車涂裝車間產(chǎn)線較長(zhǎng)且存在多處彎道區(qū)域及上下斜坡區(qū)域，設(shè)備復(fù)雜遮擋物多，需要通過標(biāo)靶特征將多個(gè)在不同坐標(biāo)系下的站點(diǎn)點(diǎn)云進(jìn)行濾波和拼接處理，才能得到完整的車間點(diǎn)云，實(shí)現(xiàn)不同坐標(biāo)系下的點(diǎn)云轉(zhuǎn)移到同一坐標(biāo)系下。

2.1.3 刪除無用點(diǎn)云及噪點(diǎn)

掃描過程站點(diǎn)多，采集的點(diǎn)云數(shù)量龐大，含有大量的多余信息，需要對(duì)拼接好的點(diǎn)云數(shù)據(jù)消除噪點(diǎn)，并切片分層或分塊刪除與工廠無關(guān)的點(diǎn)云，如移動(dòng)的人、車身和可靈活移動(dòng)的設(shè)備等。

2.1.4 為點(diǎn)云模型建立坐標(biāo)系，輸出點(diǎn)云

處理完的點(diǎn)云坐標(biāo)是以某一站坐標(biāo)系為基準(zhǔn)的，一般在正方向觀測(cè)是傾斜的，需要將坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到車間的真實(shí)坐標(biāo)。根據(jù)車間的二維設(shè)計(jì)圖紙，測(cè)量出每個(gè)柱子角點(diǎn)的坐標(biāo)值，將這些坐標(biāo)值賦予到點(diǎn)云中相應(yīng)的位置，最后導(dǎo)出點(diǎn)云。

2.2 基于點(diǎn)云的數(shù)字孿生工廠建立

將車間內(nèi)的工裝設(shè)備數(shù)模如吊具、擺桿輸送機(jī)構(gòu)、滑撬、移行機(jī)和升降機(jī)等導(dǎo)入的資源庫中，將產(chǎn)品數(shù)據(jù)（白車身數(shù)模）導(dǎo)入產(chǎn)品庫中，根據(jù)現(xiàn)有的二維圖在PDPS 軟件中進(jìn)行布局，再將處理完好的點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入，調(diào)整點(diǎn)云方向后，此時(shí)仍然有許多區(qū)域由于產(chǎn)線設(shè)備的安裝誤差和生產(chǎn)操作過程中設(shè)備位置的移動(dòng)，導(dǎo)致有一些設(shè)備與點(diǎn)云數(shù)據(jù)不一致，需要對(duì)與點(diǎn)云位置不一致的設(shè)備進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、移動(dòng)，使設(shè)備三維特征與設(shè)備點(diǎn)云特征重疊，完成位置校準(zhǔn)。此外車間改造后也會(huì)增加一些新設(shè)備，可導(dǎo)入相關(guān)設(shè)備的設(shè)計(jì)模型，在軟件中進(jìn)行虛擬安裝。對(duì)與通過性相關(guān)且有動(dòng)作的工裝設(shè)備進(jìn)行約束定義，根據(jù)軌道點(diǎn)云數(shù)據(jù)建立路徑坐標(biāo)，形成吊具、臺(tái)車和滑撬等的仿真運(yùn)行路徑，加載要分析的車型白車身數(shù)模，最終形成與實(shí)際生產(chǎn)車間尺寸大小、工裝設(shè)備位置及工裝設(shè)備動(dòng)作相一致的涂裝數(shù)字化工廠，部分基于點(diǎn)云的工廠見圖2。

3 涂裝通過性分析

涂裝通過性分析的目的是驗(yàn)證新老車型白車身在整個(gè)涂裝車間的通過性，包括車間設(shè)備與白車身在的前處理槽體、烘干爐及冷卻室、涂膠密封室、噴漆室、打磨室、存儲(chǔ)區(qū)及與焊裝車間、總裝車間交接區(qū)等的干涉分析、轉(zhuǎn)接分析、安全距離分析，驗(yàn)證白車身前處理入槽出槽、U 形回轉(zhuǎn)等特殊位置的局部通過性，查驗(yàn)當(dāng)前車間存在的干涉風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)和問題點(diǎn)，評(píng)估車間設(shè)備布局的合理性，提出需要整改點(diǎn)和改善建議[6]。通過性分析一般進(jìn)行2次，由數(shù)字化工藝工程師分別在新車型CAS 面確定之后和新車型數(shù)據(jù)下放后進(jìn)行，分析結(jié)果輸出給涂裝工藝部門，如果發(fā)現(xiàn)車間存在的干涉風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)和布局問題，由涂裝工藝工程師評(píng)估確認(rèn)，最后由涂裝車間實(shí)施整改，整改完成反饋給數(shù)字化工藝部門用于更新和維護(hù)基于點(diǎn)云的數(shù)字化工廠，涂裝通過性評(píng)價(jià)工作內(nèi)容見表1。

圖2 基于點(diǎn)云的涂裝數(shù)字化工廠

表1 評(píng)價(jià)工作內(nèi)容

4 點(diǎn)云在涂裝通過性分析的應(yīng)用

4.1 基礎(chǔ)承載評(píng)價(jià)

需要基礎(chǔ)承載評(píng)價(jià)的設(shè)備主要包括前處理吊具、PVC 吊具、滑撬及臺(tái)車等，進(jìn)行支撐和搭載白車身的細(xì)節(jié)及改造分析預(yù)判等。當(dāng)所要分析的車型與歷史車型支撐定位有差別時(shí)應(yīng)重點(diǎn)分析白車身定位孔與支撐用定位銷的匹配，當(dāng)車身長(zhǎng)寬高尺寸明顯變大時(shí)應(yīng)重點(diǎn)分析有傾斜角度的上下坡區(qū)域的車身重心邊界條件，尤其是吊具為非鎖緊式支撐時(shí)更為需要分析重心數(shù)據(jù)（圖3）。

圖3 車身入槽時(shí)重心邊界條件分析

以前處理-電泳槽入槽為例，應(yīng)用掃描的吊具軌道點(diǎn)云擬合出吊具工作路徑，分析驗(yàn)證白車身重心所在垂線是否臨近或超出吊具前后支撐點(diǎn)所在的垂線，當(dāng)發(fā)現(xiàn)臨界或超出時(shí)，需要對(duì)涂裝工藝部門提出有翻車風(fēng)險(xiǎn)，需要進(jìn)行改造。

4.2 上下斜坡通過性分析

涂裝車間由于工藝的需要，前處理的若干液體槽及烘干爐的進(jìn)出都為傾斜軌道，應(yīng)重點(diǎn)分析車身經(jīng)過此處是否與室體設(shè)備發(fā)生干涉。以前處理-電泳槽體為例，動(dòng)態(tài)分析吊具上車身通過槽體時(shí)是否與槽體、槽底噴嘴和陽電極等存在干涉，確定該車身能否在安全距離內(nèi)順利通過。將車身數(shù)模的定位孔與前處理擺桿機(jī)構(gòu)定位銷孔進(jìn)行固定約束，根據(jù)軌道點(diǎn)云調(diào)整擺桿機(jī)構(gòu)和車身與實(shí)際相同的姿態(tài)仿真運(yùn)行。

經(jīng)過仿真分析，車身在經(jīng)過陽極電極管下方時(shí)，車頂與陽極電極管一端存在干涉風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)此重點(diǎn)分析。如圖4 為車身在經(jīng)過電泳陽極下方的某一狀態(tài)，圖5 為車身在行走過程中頂部與陽極電極管一端的距離變化，從圖中可以看出，車身與陽極管的最小距離為265 mm，車身與電泳槽體及其他設(shè)備距離都在安全距離內(nèi)（一般要求≥250 mm），無干涉風(fēng)險(xiǎn)，前處理電泳槽滿足通過性要求。

圖4 車身在經(jīng)過電泳槽陽極下方

圖5 車身頂部與電泳陽極一端距離

4.3 彎道處通過性分析

車身在彎道行走軌跡和上下坡行走軌跡其本質(zhì)一樣，典型的地方為電泳烘干爐、密封膠烘干爐、面漆烘干爐U 型回轉(zhuǎn)處。該部分由于技術(shù)公司技術(shù)保密性，不會(huì)提供詳細(xì)的功能圖紙或三維數(shù)模，需要工程師充分認(rèn)清該產(chǎn)線的機(jī)械輸送形式，烘干爐工段的臺(tái)車行走時(shí)實(shí)際為臺(tái)車主體下方的滾動(dòng)輪在軌道上滾動(dòng)行走，理解該行走原理后，根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)提取軌道建立臺(tái)車行走路徑。

彎道處應(yīng)重點(diǎn)分析車身在爐體內(nèi)通過轉(zhuǎn)彎時(shí)車門在安裝夾具狀態(tài)下與兩側(cè)設(shè)備（風(fēng)嘴）的安全距離是否足夠，車頂與烘爐上部設(shè)備的安全距離是否足夠，車頭或車尾與室體兩側(cè)是否存在干涉，是否在安全距離以內(nèi)，分析時(shí)需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況考慮臺(tái)車行走的晃動(dòng)程度，需要涂裝設(shè)備工程師根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)合理設(shè)定，以便更吻合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際。如圖6為車身經(jīng)過烘干爐U 型回轉(zhuǎn)時(shí)距離最近時(shí)的狀態(tài)，圖7 為車身尾門在安裝夾具狀態(tài)下打開30°角平穩(wěn)通過U 型回轉(zhuǎn)處時(shí)，車身尾門左側(cè)與面漆烘干爐內(nèi)壁的距離變化。

圖6 車身在烘干爐U型回轉(zhuǎn)

圖7 車身經(jīng)過U型回轉(zhuǎn)時(shí)車身與爐壁距離

4.4 轉(zhuǎn)載分析評(píng)價(jià)

主要針對(duì)車型與以往車型有較大不同或尺寸明顯變大的補(bǔ)充評(píng)價(jià)，如吊具擺臂與白車身的間距、升降機(jī)與白車身的間距、移載機(jī)動(dòng)作可執(zhí)行性、吊具切換的可行性等，一般充分考慮細(xì)節(jié)，即可實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確分析。本部分主要應(yīng)用基于點(diǎn)云的準(zhǔn)確工廠結(jié)構(gòu)，包括升降機(jī)圍欄、移行機(jī)圍欄、移載機(jī)立柱及吊具切換處立柱等。圖8 為車身在PVC吊具切換時(shí)的干涉情況。

圖8 尾門與PVC轉(zhuǎn)接吊具干涉

4.5 節(jié)距分析及判斷

節(jié)距的分析模擬是比較復(fù)雜的部分，主要分為吊具或臺(tái)車的上下斜坡、轉(zhuǎn)彎及直行道，應(yīng)重點(diǎn)分析吊具及臺(tái)車的上下斜坡和轉(zhuǎn)彎區(qū)域，分析時(shí)所建立的運(yùn)行軌跡應(yīng)注意路徑坐標(biāo)參數(shù)的設(shè)定，車身所走的路徑應(yīng)該是與軌道相接處兩滾輪連線的中點(diǎn)所走的路徑，不是吊具及臺(tái)車兩滾輪所走的路徑，即彎道處節(jié)距參數(shù)不等同于前后臺(tái)車推頭間軌道曲線或直線間距，如不正確建立彎道處路徑，很難得到較準(zhǔn)確的結(jié)果。以面漆烘干爐回轉(zhuǎn)區(qū)域?yàn)槔?，?yīng)用基于點(diǎn)云的數(shù)字化車間分析通過性，圖9和圖10分別為面漆烘干爐回轉(zhuǎn)處連續(xù)兩車經(jīng)過的情況和距離的變化。

圖9 車身之間距離最小時(shí)的狀態(tài)

圖10 通過U型烘干爐過程中的兩車身距離

5 結(jié)束語

應(yīng)用基于點(diǎn)云的數(shù)字化工廠動(dòng)態(tài)仿真分析新車?yán)闲偷耐垦b通過性，成功解決了以三維CAD 數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的數(shù)字化工廠構(gòu)建技術(shù)不能確保工廠的設(shè)備、水電氣管及建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件完整性和準(zhǔn)確性的問題，此方法應(yīng)用在汽車制造涂裝領(lǐng)域可以用較短的時(shí)間、較少的費(fèi)用構(gòu)建三維工廠。經(jīng)涂裝試制結(jié)果驗(yàn)證了此通過性分析的可行性和適用性，不僅能夠動(dòng)態(tài)直觀的分析通過性，還能提高新車型投放改造的把握度和判斷準(zhǔn)確性，有效的縮短通過性分析時(shí)間，大幅降低改造周期和投資費(fèi)用，更快速的適應(yīng)新產(chǎn)品的生產(chǎn)。相信隨著激光點(diǎn)云和數(shù)字化工廠技術(shù)的不斷發(fā)展，能更好的應(yīng)用在汽車制造領(lǐng)域，發(fā)揮出更大的價(jià)值。