涂装生产线三维建模及运动仿真

涂装生产线三维建模及运动仿真
陈光;董军
【摘要】从设计院对工厂进行设计的角度,研究了涂装生产线三维设计的可行性和具体技术方案.结合具体的项目建立了三维模型库、并在SolidWorks和3Dmax
中进行了约束装配和场景搭建.完善了三维设计的相关流程,实现了对新设计生产线
的快速建模,关键工艺仿真并制作了工艺动画,极大的提高了涂装生产线的三维设计
效率.
【期刊名称】《机电产品开发与创新》
【年(卷),期】2012(025)004
【总页数】3页(P95-97)
【关键词】涂装;工艺;仿真模拟;三维设计
【作者】陈光;董军
【作者单位】中国中元国际工程公司,北京100089;机械工业第一设计研究院,安徽
蚌埠233000
【正文语种】中文
【中图分类】TP391.7
0 引言
随着3D技术的成熟，国内外许多知名公司的产品设计已经开始以三维设计为主。

无论是对设计师的灵感发挥，设计过程中的辅助分析，还是设计方案的展示和讨论，
三维设计的优势不言而喻。

同理，对于工业生产线设计的三维需求也会来越迫切。

由于涂装线的自动化程度较高，又多为非标设备。

本文以涂装生产线为例，研究工业生产线三维设计的方法和流程。

1 三维设计的背景
首先在项目的全生命周期过程中，三维模型的可视化及可分析模拟的特点，都为信息化的其它阶段提供了二维模型无法企及的大量数据，是制造业进入信息化时代一个跨越式的发展需求。

同时，无论从企业、设计院还是设备厂家都已经开始推广和普及三维设计。

三维设计在设计前期的方案讨论、设备选型中的电子样本、工程分析和动画模拟等各方面发挥越来越重要的作用。

可以预见，目前很多的设计单位开始重视在招投标阶段的三维演示，但并没有完全使用三维进行设计，各大院所的发展程度参差不齐，国家对于三维CAD在设计领域的发展也没有一个明确的奖惩标准，研究项目支持不够，靠的大多还是企业本身的需求支撑。

图1 某生产线三维工艺方案讨论用模型Fig.1 3D Technology program of a production line
从工程项目的整体流程来看，无论前期的方案讨论、投标，还是中期的设计交互、出图，以及后期的施工服务、结算等等，三维相对于二维都有非常明显的优势。

2 软件选型分析
目前，在工业领域使用的三维软件主要分为三大类，包括配管及工厂设计软件、工业工程及工艺布局软件，以及三维设计及动画仿真软件（虚拟现实）。

（1）配管软件。

配管软件如 CADWorx Plant、PDSOFT、AutoPDMS等，优点是对硬件要求低，显示快捷，同样可以进行三维的干涉和测距分析，与AutoCAD 软件结合紧密，也可以出明细表，统计数量和质量等属性数据。

但管道模型单一，
除了三通、四通、弯管、泵阀等，我们很少遇到异型的管道，也不会在管道上冲压凹槽、切削倒角、装配螺钉、焊接筋板，当然更不会去计算管道的受力及疲劳。

所以说笔者认为这种配管软件并不是完全意义上的三维机械设计软件。

（2）物流软件。

物流软件如 EM-plant、Flexsim、Witness、RaLC等，这种软件对于设计院来说主要针对工艺表示的需求，因为物流是工厂设计中最早使用三维效果的部分，也是所谓“数字化工厂”的基础。

这些软件通常有很多的标准块，
它的目的就是如何高速的表示输送和布局。

对于输送链、提升机、机械手、翻转机、AGV等等在绘制和仿真过程中都高度集成化了。

分析的数据侧重于物流量、荷载
计算等的研究，用来优化生产系统和工艺过程。

（3）三维实体软件。

在蓝天CAD、开思、三维网这一类专业的论坛上，有很多人在讨论使用什么样的软件进行三维生产线和厂房的设计，一方面是说明目前这种三维的需求非常的多，另一方面也说明在国内无论是设计院还是设备厂商三维工作都处于初级阶段，有些人甚至使用AutoCAD进行三维的设计。

目前，国内主流的三维CAD软件有达索公司的SolidWorks、PTC公司的
Pro/ENGINEER、北京数码大方科技有限公司的CAXA、Autodesk公司的Inventer等。

3 涂装工艺分解及模型建立
绘制不同的生产线有其不同的常用块，在绘制过程中不断积累，最后将其模块化、系列化是二维转三维必不可少的工作之一。

现以涂装线为例：
涂装线主要的工艺流程大致包括：前处理、电泳、抛丸、烘干、强冷、刮腻子、打磨、喷漆、流平等。

具体的模型由输送链、室体、风管、混凝土基础、栅板、水气管道，以及螺旋输送机、气水分离器等部件和空调、燃烧器等购件组成。

具体细化为六大类，详细分类如下图：
在具体的三维建模过程中，以一条涂装线为例，建立其各部分室体及输送链（包
括升降支撑、吊具、夹具）的三维模型，并连接成整个生产线实体装配图，对局部关键工艺 (如积放链变轨、抛丸效果、喷漆效果)实现三维仿真。

绘制采用TOP-DOWN的模式流程见图2。

图2 涂装生产线模型分类图Fig.2 Coating production line model classification
图3 涂装线绘制流程图Fig.3 Coating line to draw flowchart
具体的模型绘制和在施工现场具体施工的顺序类似，都是先骨架；再室体；加玻璃、百叶、灯箱；绘制风机、电机等外购件和配做件等；加送排风管和除尘管道；绘制设备基础、水循环管道；最后是输送轨道、小车。

图4 某打磨室模型绘制过程示意图Fig.4 A grinding chamber model rendering process
同时，参数化一直是CAD工作的重点，因为参数化可以提高设计效率，减少设计人员的重复劳动，同时也就降低了绘图的难度，设计人员可以把精力更多的放到设计思路上去。

但随着CAD软件的进步，参数化的功能变得越来越容易实现。

本文采用的主要是自动生成（如GearTrax）,方程式尺寸关联和列表自适应三种方法。

设计过程中绘制的模型，根据分配图号的顺序添加到设计库中，有两种办法，一种是放到design library里，另一种是直接加载到现有的配置文件夹中。

绘制三维模型在设计院是一个从无到有的过程，绘制的方法和绘制的复杂度都要不断地探索。

绘制过程中，要不断总结绘制的经验教训，制定初步的绘制规范，方便今后的三维项目发展，并有利于多人的协同合作统一。

三维模型可以进行参数化修改，大大改进了涂装线的设计效率，比如风管、壁板、玻璃、爬梯、检修门等都不需要重复绘制，即便是异型部件绘制效率也在不断提高，而且通过更多项目的支持，效率会更高。

4 工程分析及动画制作
使用三维软件可以很方便的生成所需要的平面图，并生成材料统计表。

因为不是本文的重点就不详细介绍了，主要的工作是根据企业情况对软件进行二次开发，以满足企业的图框要求和绘图习惯。

SolidWorks自带有工程分析的插件Xpress和FloXpress,不过功能相对单一，因此我们使用SolidWorks Simulation（原COSMOSWorks）对局部非标设计进行有限元分析。

包括平台静应力分析，悬珩
的震动分析，热力学分析、以及空气、水流等流体力学分析。

该类分析对于空调平台、积放链轨道梁的强度和喷漆室、烘干室内部风、水循环的合理性模拟计算都有积极意义。

动画的制作可以采用Solidworks本身的运动算例，但因为其功能有所局限，并且制作起来比较繁琐，只适用于一些简单要求的动画演示。

针对高标准的投标用动画来说，需要将Solidworks模型导成WRML文件，再导入3DMAX软件中进行制作，最后使用Adobe Premiere进行后期合成。

5 总结
本文关键技术主要采用的是目前主流的三维机械设计软件SolidWorks，针对涂装生产线，通过对工艺的分解归纳，建立零部件库，再通过已建立的三维零件库，快速生成可以进行讨论和展示的生产线装配图。

对局部关键工艺及动作实现三维仿真，同时将模型文件导成JT、WMRL、AGES等格式，保证了与大部分客户的软件接
口和导入3DMAX进行动画的设计。

同时探索了工业生产线的三维设计方法，规范了流程，为今后的涂装非标生产线的三维设计奠定了基础。

该成果还可进一步结合BIM （Building Information Modeling）等系统，进行工厂设计，物流信息分析、工艺流程及设备方案展示等。

【相关文献】
[1]王锡春.涂装车间设计手册[M].化学工业出版社，2008.
[2]GB 6514-2008涂装作业安全规程.涂漆工艺安全及其通风净化[S].北京：中国标准出版社，2008.
[3]美国SolidWorks公司.SoliWorks装配体建模[M].机械工业出版社，2005.
[4]刘明雨.汽车涂装生产线三维仿真技术的研究和应用[J].物流技术，2008，3.。