总装三维车间建模及应用价值的研究
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摘 要：总装车间在生产线改造、工艺制定、生产运行等评审环节，仅依靠离散、静态、独立的技术资料，难以全面评估，易导致投资浪费、业务效率低、评估不精准的问题。文章研究用UG三维建模的方式，将总装生产线各项要素进行模型建设，并从建模框架、流程、步骤等方面进行介绍，以及对三维车间的应用进行探讨，提供了一种新型三维评审的模式。
关键词：三维车间;建设流程;三维建模;运动仿真
中图分类号：U462 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2020）14-0052-03
Abstract： In the evaluation links of production line transformation， process formulation and production operation， the final assembly workshop only relies on discrete， static and independent technical data， which hardlygets a comprehensive evaluation and can easily lead to waste of investment， low business efficiency and inaccurate evaluation. This paper studies the use of UG-based 3D modeling method to model the elements of the final assembly line， introduces the modeling framework， process， steps and other aspects， as well as the application of 3D workshop， and provides a new 3D evaluation model.
Keyword： 3D workshop; construction process; 3D modeling; motion simulation
前言
某公司總装领域，在生产线改造、工艺流程分析、设备布置等前期规划的业务里，运用到的图纸、数模、清单都是独立、单一维度的技术资料，在评估时易漏考虑其他生产要素，造成评审不到位、业务效率低等问题，本文研究用计算机辅助制造（CAM）软件将生产线输送系统、工艺设备、 零件、物流器具等建立三维图形并整合成车间模型的办法，同时运用模型开展新模式的工程分析，实现更全面、高效、准确的评估目的。
1 建模方式
制造行业传统的三维建模软件有多种，如UG、Autocad、Catia、SolidWorks、Sketchup。其中UG、Autocad、Catia、SolidWorks等CAM软件较为常见，建模步骤类似，偏专业设计。Sketchup建模方式最简单，面向大众建模，对尺寸准确性要求相对低。有一部分软件自带模型库，如VC、Plantsimulation，可在软件内直接导入数据库模型，但需要购买对应板块的数据权限。行业内最新的建模技术是逆向建模，通过扫描物体生成三维数模，但需要购买昂贵硬件设备及软件平台。结合某公司的需求，从成本、效率以及汽车产品数据互通的角度考虑，本文选定用人工UG建模的方式（图1）。
在前期准备阶段，制定车间的物资统计及建模框架。第一步定义三维车间所有物资的数模号，将所有物资分类，分层级地定义数模编号，并且每个层级物资之间的数模号在首几位字母形成一定关联，让各类物资的数模号命名规则形成规范。第二步制作三维车间物资总清单，将整个车间除人以外的所有要素汇总，每个要素的汇总范围不超过现有图纸资料，例如车间厂房，现有图纸分别有外墙、立柱图纸，外墙图纸里还包括立柱、窗子、管路的尺寸信息，那么定义要素时，只定义该图纸内含盖尺寸信息的部分，例如01级外墙、02级立柱。第三步审核总清单与现场的一致性，以及各物资层级的一致性。
2 建设流程
物资总清单梳理完毕后，整个车间的框架已经形成，建模前还需收集所有物资的图纸，数模等资料。建模第一步，将车间进行准确定位，定义好参考坐标系，具体做法将厂房平面布局图CAD导入UG，其中厂房平面布局只提取立柱的位置信息，其余信息需过滤。第二步是生产线主体建模（图2），生产线包括输送系统、工艺设备、检测设备、拧紧工具。第三步是生产器具建模，包括零件料框、风扇、显示屏等。第四步是休息区物资、厂房外墙、跑道建模。第五步是地面、各类物资器具标识。最后一步是将所有数模加载在一起，对匹配不合、尺寸细节不一致的进行修订。每个步骤中的每个物资都需要单独建模，尺寸数据参考现有图纸，无图纸物资需去现场测绘。
3 三维建模
为高效建模，每个物资的建模采用一定流程，本文以AGC小车建模为例，介绍物资三维建模的办法。首先分析AGC的结构特征，AGC主体特征为：1.车体，2.托钩，3.控制、显示部分，4.字体，5.缓冲部分，6.承重轮，7.转向轮，其中承重轮、托钩、缓冲部分为左右对称特征;细节特征：倒圆角、倒斜角。接下来按主体特征顺序建模，如车体建模：绘制车体截面草图，使用拉伸命令拉伸出车体主体，绘制车轮空间截面草图，使用拉伸命令、布尔求差拉伸出车轮所需空间（图3）。控制、显示部分建模：绘制按钮和显示屏截面草图。
使用拉伸命令、给定不同的拉伸值，拉伸出按钮和显示屏;绘制信号灯支座截面草图;使用拉伸命令拉伸出信号灯支座;绘制信号灯截面;使用拉伸命令拉伸出信号灯。最后倒角部分，选择需要倒圆角、倒斜角的边;使用边倒圆、倒斜角命令完成操作。 4 模型应用
三维车间模型建立后，需要对其进行应用，才能实现该模型建设的价值。本文研究出三个方面的应用：（1）生产线改造三维评估;（2）设备节拍及匹配性动态评估;（3）生产虚拟运行;（4）三维车间业务标准化。
生产线改造的分析可以将新产品、新设备数模导入三维车间里，可以评估出现有生产线改造的范围，改造的具体内容。如图4，即将建设的新检测设备，在现场施工、设备制造前，把其1：1的数模导入到三维车间内，这样可以评估出该设备导入对现场的影响，包括室体尺寸合理性，周边器具干涉情况、前后工序匹配情况，检验设备距离合理性等方面的综合评估。
设备节拍及匹配性评估，主要是利用三维车间内的设备数模库，将对应分析对象用UG仿真的方式，动态的评估设备合理性。例如轮胎拧紧机评估，首先确定拧紧机运动部件，部件运动路径，明确主动件、从动件（图5）。第二步进入UG仿真界面，对各运动部件创建连杆，并根据各部件的运动方式定义连杆属性，如水平运动或旋转。第三步是创建各连杆的运动副并定义好各级运动参数，运动参数的设置、函数选型是根据设备设计的速度而定。最后一步是仿真求解，可得出该设备运动仿真的视频及时间，用此三维动态的方式能更直观的评估设备节拍及和零件匹配的合理性。
生产虚拟运行，是利用三维车间在仿真的基础上由单一对象的分析式推广至多个分析对象的联动分析，例如：零件AGC配送与生产线匹配的合理性分析，做法是将AGC、生产线对应的运动方向、节拍用UG仿真的方式定义好并同步仿真求解，用动态、联动的仿真方式进行生产运行分析。
三维车间业务标准化，是将三维工厂的运用及建设常态化、普及化、持续化。做法是在现有的业务流程中做出流程上的更新，从三个方面进行新定义：（1）三维车间的物资管理流程，规定哪类物资需纳入数模管理，并遵循一定的规则，如数模号规则、新增数模申请流程等。（2）三维车间新增、变更物资的数模建设、审批流程。（3）三维车间数模维护流程。完成流程变更后进行审批签署，从整个公司的层面进行制度上的落实，确保三维车间各项关联业务的各项职责、管理流程的实施。
5 结束语
本文结合某公司总装车间的实际情况，采用UG建模的方式将三维总装车间进行建设，从建模流程、具体建模方法、应用价值等开展研究。本文采用的建模方法、应用领域可以推广至制造业各类生产线，具有低成本、高价值的特点，为后续制造业生产线改造、虚拟生产、工艺评估等提供了一种更直观的评估模式，也为制造数字化、智能制造建设提供了借鉴。
参考文献：
[1]樊小波，张东东，王彩君.基于UG三维建模功能在绞吸泵设计与建模中的应用[J].科技与创新，2019（20）：9-11.
[2]马長辉.UG建模技术应用及探讨[J].科学中国人，2015（11）：233，234.
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