总装同步工程中的干涉分析验证

曾洋　张烨　吴波　方立　肖东方

摘 要：干涉检验在产品和工艺设计的虚拟工艺性验证中是最重要的分析工具之一。本文结合DELMIA软件工具的使用介绍了干涉检查类型及用法，按照部品不同的工艺条件重点采用不同分析工具，并结合实际案例进行展开说明。及时发现产品设计、工艺设计、工装设计存在的问题，进而提升虚拟装配工艺仿真结果精度，有效地减少装配缺陷和产品的故障率，减少因装配干涉等问题而进行的重新设计和工程更改。

关键词：装配仿真;干涉分析;工艺验证

0 引言

目前，中国汽车市场的汽车产品更新换代、新老交替的速度十分迅速，原因是各大汽车生产厂家为了在当前产品不断升级、竞争日益激烈的大环境下得以生存，并占有一席之地。所以，汽车产品的设计开发到真正的量产销售的这段周期显得尤为重要，如果其产品设计开发的周期短，上市时间快，那么也就意味着抢占了市场先机，获得成功的几率也就更大。

因而各整车企业为了缩短整车开发周期、节省开发成本、提升开发质量，将整车设计及整车工艺开发同步，对整个产品开发过程一体化设计同步实施。对总装而言，虚拟工艺工程验证为主要开展方式，而干涉性验证作为虚拟工艺工程验证重要分析工具，则显得更加至关重要。本文正是从虚拟工艺验证的角度出发介绍干涉分析验证的方法及运用。

1 DELMIA干涉分析特点

目前同步工程主要是采用DELMIA仿真平台，它是法国DS的一款全三维数字化仿真分析软件，通过全三维数字化模型模拟生产车间虚拟过程，并在仿真过程中检查部品装配的干涉性以确保所有零部件的准确安装，及这种安装相对于其周边对手件部品而言的可行性[1]。采用基于DELMIA三维数字化装配过程仿真是着重于产品在实施装配以前对装配工艺进行的仿真验证，其干涉检测也是针对产品在实施装配以前的虚拟干涉检查，即在产品实际装配之前，通过装配过程仿真分析，及时地发现产品设计、工艺设计、工装设计存在的问题，有效地减少装配缺陷和产品故障率，减少因装配干涉类问题而进行的设计返工和工程更改。

在DELMIA中提供了静态干涉和动态干涉检验，两种干涉检验都是要求避免物体间的碰撞以保证产品设计和工艺设计的有效性。DELMIA中的静态干涉检查通常用于在虚拟装配结构形势下，检查装配体的各零部件之间的相对位置关系是否存在干涉，装配公差设计是否合理。它指的是物体在空间中的位置是可移动的，但不随时间变化，位置的变化是由其它参数定义的，判别是否有任何一对物体占有公共空间。空间布局和装配干涉检测等均属于此类问题。而动态干涉检查用在装配的零部件在装配运动过程中，包括拆卸过程，检查零件运动包络体是否存在零部件之间的运动干涉[2]。动态干涉检测与时间相关，即碰撞检测，物体在空间中的位置是随时间变化的，可以是运动空间中只有一个物体是运动的或者两个物体都是运动的。

2 干涉分析在总装同步工程中的应用

虚拟工艺仿真验证不是单纯进行仿真动画操作，很大程度上通过虚拟装配工艺仿真进行仿真分析获取工艺数据，进而通过仿真数据结果作为参考来改进设计或工艺。而碰撞干涉分析工具则是DELMIA中进行虚拟装配工艺分析的最重要的分析工具之一。按照部品不同工艺条件可分为静态干涉分析和动态干涉分析[3]。

2.1 静态干涉检查

在DELMIA中，零件之间的静态干涉关系可以分为碰撞干涉（clash）和接触干涉（contact）。在新车型导入过程中静态碰撞干涉分析常用于设计图纸阶段的工艺性图纸审查，以此提高设计图纸的精度。

2.1.1 部品装配干涉性分析

在新车型设计开发阶段，总装领域主要研究部品装配的可行性，锁紧类在总装工艺里占有了很大一部分比例。而且锁紧类的工艺作业相关的因素又有很多，比如工具的选型、周边的作业环境、部品周边的布局等等。这些因素要在前期没有实车的阶段进行检证必须通过数字化三维仿真技术，避免干涉、无法装配的情况出现，否则这些问题流入到实车阶段就会更加难以解决。

例如，在两厢车及SUV等车型设计TAIL GATE关联部品的结构时，一般的车型设计会采用DAMPER液压气弹簧实现开闭功能，这些都属于车身部分的设计。然后周边的TAIL LIGHT等属于车灯类，在配合安装时就出现了以下问题（图1）：

原本的作业工程是： （1）安装DAMPER，保证TAIL GATE可以实现开闭功能。（2）然后鎖紧安装TAIL LIGHT。但如按照此工程顺序作业，会使量产时工具锁紧轨迹被遮挡干涉的现象。而通过图面阶段的虚拟检证干涉碰撞分析后，提前发现此问题，并通过三个方向进行解决：

1）设计变更——通过设计变更TAIL LIGHT锁紧时位置或者角度，使得工具锁紧时的轨迹避开DAMPER所在的空间;

2）工具变更——由于量产的工具样式决定了其安装的轨迹和空间，可以采用新式样的可满足锁紧轨迹的工具，例如：可调整角度套筒，L型弯头锁紧工具等;

3）工程变更——变更安装工程，先安装TAIL LIGHT，后安装TAIL GATE的DAMPER，但是这样一来，工程作业时TAIL LIGHT处于自由状态，对作业员作业时存在一定影响，造成了极大的不便。

2.1.2 工具操作空间分析

工具的操作空间直接影响到新车型在实际生产中零件的安装能否完成。对于校核中的工具干涉问题，工艺设计师与车身设计师共同制定优化方案，通过更改设计优化装配工具的操作空间，大幅减少特殊工具（特殊套筒、气动叉形扳手等）的投资，降低成本。

（1）工具与零件干涉。如某款新车型制冷管的装配经总装SE校核分析，气动工具头与制冷管本体干涉大约10mm，实际操作中气动工具将无法完成装配，按照设计环境须使用气动叉形电动扳手（特殊头工具），增加了工业化成本。通过设计反馈扩大制冷管Y向尺寸15mm（其中5mm为工具调整及零件误差范围），避免工具与制冷管的Y向干涉，这样可使用普通拧紧工具紧固，降低成本。

（2）工具与环境件干涉。某款EV车型接地螺栓装配经总装SE分析，电动工具与ABS管路（环境件）干涉，工具无法垂直于紧固点装配，在生产线装配是必须用开口扳手进行手动多次拧紧，而通过更改设计中螺栓的锁紧位置，避开干涉部位，可有效解决锁紧工具操作空间不足的问题。 总装工具使用涉及到周围环境的影响，部分零件安装空间不足须采用手动工具多次拧紧，力矩扳手工具紧固的操作工时约为20s，而气动/电动拧紧工具紧固的操作工时约为4s。通过前期提对策要求票更改设计图纸，满足拧紧工具空间要求，大幅度减少了总装装配工时。

2.2 动态干涉检查

2.2.1 部品上装轨迹验证

上装轨迹确认一般是针对总装较大的部品，比如：天窗、座椅、轮胎等。这类部品通常因为其部品自身的特点，在上装过程中容易与其他物体发生干涉，所以需对其安装轨迹进行详细的仿真验证。大部品的安装大多数需要借助工装设备进行上装，所以多在进行设备装配部品的仿真过程中进行验证。如果没有借助设备的大部品上装（如地毯、水箱、顶棚等），需要进行模拟仿真其安装轨迹过程，利用DELMIA的动态干涉分析功能，判断是否满足上装工艺。部品的运动轨迹与部品或车身干涉性。

2.2.2 设备工装干涉性分析

总装各区域的工艺工程师统计出与新车型导入相关的工装设备清单。然后在DELMIA的环境下按照设备清单模拟仿真各设备装配部品的过程，验证设备夹具适用性、设备的干涉性及线体的通过性。比如某HEV车型的IPU安装在后备箱内，需要判断IPU辅助臂夹取IPU部品通过后备箱尾门的间隙是否满足工艺需求，对此过程进行动态干涉性分析判断，在安装过程中设备和IPU动态轨迹与尾门钣金的最小间隙值为13.4mm。同时，也可以进行新设备改造方案进行验证，评估方案的可行性，以此减少车型导入前期设备试制调试的时间及投资费用，降低开发成本。

3 总结

基于干涉验证分析的总装工艺虚拟仿真技术开展，为虚拟装配技术的发展、运用及传统的生产制造过程提供了优化解决方案，它能够在设计阶段就对产品工艺性进行测试和评估，迅速分析出方案的可行性，尽早发现设计缺陷，提出装配的生技性要求，从而有效解决设计初期的仕样问题，杜绝在实物阶段进行仕样变更，增加设计成本，缩短研发周期。

参考文献：

[1]贾朝定.基于DELMIA的虚拟装配技术[J].中国航空学会2007年学术年会，制造专题30：1-6.

[2]余傳海.总装同步工程中工艺前期输入对整车开发的影响[J].汽车工艺与材料，2013（03）：16-20.

[3]庞然.DELMIA在总装过程中的应用研究[D].湖南大学学报，2014.