總裝三維車間建模及應用價值的研究
「總裝車間在生產線改造、工藝制定、生產運行等評審環節，僅依靠離散、靜態、獨立的技術資料，難以全面評估，易導致投資浪費、業務效率低、評估不精準的問題。文章研究用UG三維建模的方式，將總裝生產線各項要素進行模型建設，并從建�？蚣�、流程、步驟等方面進行介紹，以及對三維車間的應用進行探討，提供了一種新型三維評審的模式。(2023-2-25)」
關鍵詞：三維車間;建設流程;三維建模;運動仿真
中圖分類號：U462 文獻標志碼：A 文章編號：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
某公司總裝領域，在生產線改造、工藝流程分析、設備布置等前期規劃的業務里，運用到的圖紙、數模、清單都是獨立、單一維度的技術資料，在評估時易漏考慮其他生產要素，造成評審不到位、業務效率低等問題，本文研究用計算機輔助制造（CAM）軟件將生產線輸送系統、工藝設備、 零件、物流器具等建立三維圖形并整合成車間模型的辦法，同時運用模型開展新模式的工程分析，實現更全面、高效、準確的評估目的。
1 建模方式
制造行業傳統的三維建模軟件有多種，如UG、Autocad、Catia、SolidWorks、Sketchup。其中UG、Autocad、Catia、SolidWorks等CAM軟件較為常見，建模步驟類似，偏專業設計。Sketchup建模方式最簡單，面向大眾建模，對尺寸準確性要求相對低。有一部分軟件自帶模型庫，如VC、Plantsimulation，可在軟件內直接導入數據庫模型，但需要購買對應板塊的數據權限。行業內最新的建模技術是逆向建模，通過掃描物體生成三維數模，但需要購買昂貴硬件設備及軟件平臺。結合某公司的需求，從成本、效率以及汽車產品數據互通的角度考慮，本文選定用人工UG建模的方式（圖1）。
在前期準備階段，制定車間的物資統計及建�？蚣�。第一步定義三維車間所有物資的數模號，將所有物資分類，分層級地定義數模編號，并且每個層級物資之間的數模號在首幾位字母形成一定關聯，讓各類物資的數模號命名規則形成規范。第二步制作三維車間物資總清單，將整個車間除人以外的所有要素匯總，每個要素的匯總范圍不超過現有圖紙資料，例如車間廠房，現有圖紙分別有外墻、立柱圖紙，外墻圖紙里還包括立柱、窗子、管路的尺寸信息，那么定義要素時，只定義該圖紙內含蓋尺寸信息的部分，例如01級外墻、02級立柱。第三步審核總清單與現場的一致性，以及各物資層級的一致性。
2 建設流程
物資總清單梳理完畢后，整個車間的框架已經形成，建模前還需收集所有物資的圖紙，數模等資料。建模第一步，將車間進行準確定位，定義好參考坐標系，具體做法將廠房平面布局圖CAD導入UG，其中廠房平面布局只提取立柱的位置信息，其余信息需過濾。第二步是生產線主體建模（圖2），生產線包括輸送系統、工藝設備、檢測設備、擰緊工具。第三步是生產器具建模，包括零件料框、風扇、顯示屏等。第四步是休息區物資、廠房外墻、跑道建模。第五步是地面、各類物資器具標識。最后一步是將所有數模加載在一起，對匹配不合、尺寸細節不一致的進行修訂。每個步驟中的每個物資都需要單獨建模，尺寸數據參考現有圖紙，無圖紙物資需去現場測繪。
3 三維建模
為高效建模，每個物資的建模采用一定流程，本文以AGC小車建模為例，介紹物資三維建模的辦法。首先分析AGC的結構特征，AGC主體特征為：1.車體，2.托鉤，3.控制、顯示部分，4.字體，5.緩沖部分，6.承重輪，7.轉向輪，其中承重輪、托鉤、緩沖部分為左右對稱特征;細節特征：倒圓角、倒斜角。接下來按主體特征順序建模，如車體建模：繪制車體截面草圖，使用拉伸命令拉伸出車體主體，繪制車輪空間截面草圖，使用拉伸命令、布爾求差拉伸出車輪所需空間（圖3）�？刂�、顯示部分建模：繪制按鈕和顯示屏截面草圖。
使用拉伸命令、給定不同的拉伸值，拉伸出按鈕和顯示屏;繪制信號燈支座截面草圖;使用拉伸命令拉伸出信號燈支座;繪制信號燈截面;使用拉伸命令拉伸出信號燈。最后倒角部分，選擇需要倒圓角、倒斜角的邊;使用邊倒圓、倒斜角命令完成操作。 4 模型應用
三維車間模型建立后，需要對其進行應用，才能實現該模型建設的價值。本文研究出三個方面的應用：（1）生產線改造三維評估;（2）設備節拍及匹配性動態評估;（3）生產虛擬運行;（4）三維車間業務標準化。
生產線改造的分析可以將新產品、新設備數模導入三維車間里，可以評估出現有生產線改造的范圍，改造的具體內容。如圖4，即將建設的新檢測設備，在現場施工、設備制造前，把其1：1的數模導入到三維車間內，這樣可以評估出該設備導入對現場的影響，包括室體尺寸合理性，周邊器具干涉情況、前后工序匹配情況，檢驗設備距離合理性等方面的綜合評估。
設備節拍及匹配性評估，主要是利用三維車間內的設備數模庫，將對應分析對象用UG仿真的方式，動態的評估設備合理性。例如輪胎擰緊機評估，首先確定擰緊機運動部件，部件運動路徑，明確主動件、從動件（圖5）。第二步進入UG仿真界面，對各運動部件創建連桿，并根據各部件的運動方式定義連桿屬性，如水平運動或旋轉。第三步是創建各連桿的運動副并定義好各級運動參數，運動參數的設置、函數選型是根據設備設計的速度而定。最后一步是仿真求解，可得出該設備運動仿真的視頻及時間，用此三維動態的方式能更直觀的評估設備節拍及和零件匹配的合理性。
生產虛擬運行，是利用三維車間在仿真的基礎上由單一對象的分析式推廣至多個分析對象的聯動分析，例如：零件AGC配送與生產線匹配的合理性分析，做法是將AGC、生產線對應的運動方向、節拍用UG仿真的方式定義好并同步仿真求解，用動態、聯動的仿真方式進行生產運行分析。
三維車間業務標準化，是將三維工廠的運用及建設常態化、普及化、持續化。做法是在現有的業務流程中做出流程上的更新，從三個方面進行新定義：（1）三維車間的物資管理流程，規定哪類物資需納入數模管理，并遵循一定的規則，如數模號規則、新增數模申請流程等。（2）三維車間新增、變更物資的數模建設、審批流程。（3）三維車間數模維護流程。完成流程變更后進行審批簽署，從整個公司的層面進行制度上的落實，確保三維車間各項關聯業務的各項職責、管理流程的實施。
5 結束語
本文結合某公司總裝車間的實際情況，采用UG建模的方式將三維總裝車間進行建設，從建模流程、具體建模方法、應用價值等開展研究。本文采用的建模方法、應用領域可以推廣至制造業各類生產線，具有低成本、高價值的特點，為后續制造業生產線改造、虛擬生產、工藝評估等提供了一種更直觀的評估模式，也為制造數字化、智能制造建設提供了借鑒。
參考文獻：
[1]樊小波，張東東，王彩君.基于UG三維建模功能在絞吸泵設計與建模中的應用[J].科技與創新，2019（20）：9-11.
[2]馬長輝.UG建模技術應用及探討[J].科學中國人，2015（11）：233，234.
(夜腿)
中圖分類號：U462 文獻標志碼：A 文章編號：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
某公司總裝領域，在生產線改造、工藝流程分析、設備布置等前期規劃的業務里，運用到的圖紙、數模、清單都是獨立、單一維度的技術資料，在評估時易漏考慮其他生產要素，造成評審不到位、業務效率低等問題，本文研究用計算機輔助制造（CAM）軟件將生產線輸送系統、工藝設備、 零件、物流器具等建立三維圖形并整合成車間模型的辦法，同時運用模型開展新模式的工程分析，實現更全面、高效、準確的評估目的。
1 建模方式
制造行業傳統的三維建模軟件有多種，如UG、Autocad、Catia、SolidWorks、Sketchup。其中UG、Autocad、Catia、SolidWorks等CAM軟件較為常見，建模步驟類似，偏專業設計。Sketchup建模方式最簡單，面向大眾建模，對尺寸準確性要求相對低。有一部分軟件自帶模型庫，如VC、Plantsimulation，可在軟件內直接導入數據庫模型，但需要購買對應板塊的數據權限。行業內最新的建模技術是逆向建模，通過掃描物體生成三維數模，但需要購買昂貴硬件設備及軟件平臺。結合某公司的需求，從成本、效率以及汽車產品數據互通的角度考慮，本文選定用人工UG建模的方式（圖1）。
在前期準備階段，制定車間的物資統計及建�？蚣�。第一步定義三維車間所有物資的數模號，將所有物資分類，分層級地定義數模編號，并且每個層級物資之間的數模號在首幾位字母形成一定關聯，讓各類物資的數模號命名規則形成規范。第二步制作三維車間物資總清單，將整個車間除人以外的所有要素匯總，每個要素的匯總范圍不超過現有圖紙資料，例如車間廠房，現有圖紙分別有外墻、立柱圖紙，外墻圖紙里還包括立柱、窗子、管路的尺寸信息，那么定義要素時，只定義該圖紙內含蓋尺寸信息的部分，例如01級外墻、02級立柱。第三步審核總清單與現場的一致性，以及各物資層級的一致性。
2 建設流程
物資總清單梳理完畢后，整個車間的框架已經形成，建模前還需收集所有物資的圖紙，數模等資料。建模第一步，將車間進行準確定位，定義好參考坐標系，具體做法將廠房平面布局圖CAD導入UG，其中廠房平面布局只提取立柱的位置信息，其余信息需過濾。第二步是生產線主體建模（圖2），生產線包括輸送系統、工藝設備、檢測設備、擰緊工具。第三步是生產器具建模，包括零件料框、風扇、顯示屏等。第四步是休息區物資、廠房外墻、跑道建模。第五步是地面、各類物資器具標識。最后一步是將所有數模加載在一起，對匹配不合、尺寸細節不一致的進行修訂。每個步驟中的每個物資都需要單獨建模，尺寸數據參考現有圖紙，無圖紙物資需去現場測繪。
3 三維建模
為高效建模，每個物資的建模采用一定流程，本文以AGC小車建模為例，介紹物資三維建模的辦法。首先分析AGC的結構特征，AGC主體特征為：1.車體，2.托鉤，3.控制、顯示部分，4.字體，5.緩沖部分，6.承重輪，7.轉向輪，其中承重輪、托鉤、緩沖部分為左右對稱特征;細節特征：倒圓角、倒斜角。接下來按主體特征順序建模，如車體建模：繪制車體截面草圖，使用拉伸命令拉伸出車體主體，繪制車輪空間截面草圖，使用拉伸命令、布爾求差拉伸出車輪所需空間（圖3）�？刂�、顯示部分建模：繪制按鈕和顯示屏截面草圖。
使用拉伸命令、給定不同的拉伸值，拉伸出按鈕和顯示屏;繪制信號燈支座截面草圖;使用拉伸命令拉伸出信號燈支座;繪制信號燈截面;使用拉伸命令拉伸出信號燈。最后倒角部分，選擇需要倒圓角、倒斜角的邊;使用邊倒圓、倒斜角命令完成操作。 4 模型應用
三維車間模型建立后，需要對其進行應用，才能實現該模型建設的價值。本文研究出三個方面的應用：（1）生產線改造三維評估;（2）設備節拍及匹配性動態評估;（3）生產虛擬運行;（4）三維車間業務標準化。
生產線改造的分析可以將新產品、新設備數模導入三維車間里，可以評估出現有生產線改造的范圍，改造的具體內容。如圖4，即將建設的新檢測設備，在現場施工、設備制造前，把其1：1的數模導入到三維車間內，這樣可以評估出該設備導入對現場的影響，包括室體尺寸合理性，周邊器具干涉情況、前后工序匹配情況，檢驗設備距離合理性等方面的綜合評估。
設備節拍及匹配性評估，主要是利用三維車間內的設備數模庫，將對應分析對象用UG仿真的方式，動態的評估設備合理性。例如輪胎擰緊機評估，首先確定擰緊機運動部件，部件運動路徑，明確主動件、從動件（圖5）。第二步進入UG仿真界面，對各運動部件創建連桿，并根據各部件的運動方式定義連桿屬性，如水平運動或旋轉。第三步是創建各連桿的運動副并定義好各級運動參數，運動參數的設置、函數選型是根據設備設計的速度而定。最后一步是仿真求解，可得出該設備運動仿真的視頻及時間，用此三維動態的方式能更直觀的評估設備節拍及和零件匹配的合理性。
生產虛擬運行，是利用三維車間在仿真的基礎上由單一對象的分析式推廣至多個分析對象的聯動分析，例如：零件AGC配送與生產線匹配的合理性分析，做法是將AGC、生產線對應的運動方向、節拍用UG仿真的方式定義好并同步仿真求解，用動態、聯動的仿真方式進行生產運行分析。
三維車間業務標準化，是將三維工廠的運用及建設常態化、普及化、持續化。做法是在現有的業務流程中做出流程上的更新，從三個方面進行新定義：（1）三維車間的物資管理流程，規定哪類物資需納入數模管理，并遵循一定的規則，如數模號規則、新增數模申請流程等。（2）三維車間新增、變更物資的數模建設、審批流程。（3）三維車間數模維護流程。完成流程變更后進行審批簽署，從整個公司的層面進行制度上的落實，確保三維車間各項關聯業務的各項職責、管理流程的實施。
5 結束語
本文結合某公司總裝車間的實際情況，采用UG建模的方式將三維總裝車間進行建設，從建模流程、具體建模方法、應用價值等開展研究。本文采用的建模方法、應用領域可以推廣至制造業各類生產線，具有低成本、高價值的特點，為后續制造業生產線改造、虛擬生產、工藝評估等提供了一種更直觀的評估模式，也為制造數字化、智能制造建設提供了借鑒。
參考文獻：
[1]樊小波，張東東，王彩君.基于UG三維建模功能在絞吸泵設計與建模中的應用[J].科技與創新，2019（20）：9-11.
[2]馬長輝.UG建模技術應用及探討[J].科學中國人，2015（11）：233，234.
(夜腿)