基于DELMIA建立汽車總裝工藝分析方法及優(yōu)化

　　摘要：基于DELMIA軟件以汽車后風(fēng)擋玻璃安裝模擬為例實(shí)現(xiàn)對整個汽車生產(chǎn)線仿真模擬，通過對后風(fēng)擋裝配工位標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)分析，現(xiàn)生產(chǎn)工裝模型的建立與調(diào)入，機(jī)器人仿真動作建立，搭建虛擬仿真平臺，最終通過光學(xué)全身動捕系統(tǒng)優(yōu)化和完善人員動作，使仿真的真實(shí)度向現(xiàn)生產(chǎn)高度逼近。通過仿真平臺對新車型進(jìn)行總裝工藝校核、定義總裝零部件裝配順序和計算生產(chǎn)節(jié)拍，從而替代工藝驗(yàn)證樣車，極大縮短產(chǎn)品開發(fā)工藝驗(yàn)證周期。虛擬仿真工廠的應(yīng)用切實(shí)有助于加快汽車產(chǎn)品的上市速度，提升企業(yè)的競爭力。

　　本文源自汽車工藝與材料,2020(09):46-50.《汽車工藝與材料》雜志創(chuàng)刊于1986年，是由中國汽車工程學(xué)會和長春汽車材料研究所共同主辦的國內(nèi)、外公開發(fā)行的汽車制造類月刊，依托中國最大的汽車技術(shù)研究中心雄厚的技術(shù)資源，全面報道汽車先進(jìn)制造工藝與材料應(yīng)用的專業(yè)性雜志。

　　1、前言

　　目前汽車銷售行業(yè)整體從高速發(fā)展期進(jìn)入成熟期，雖然國內(nèi)汽車保有量不斷上升，但國內(nèi)汽車市場受到外企及合資企業(yè)的沖擊，國產(chǎn)汽車發(fā)展空間受到很大的限制。在市場如此嚴(yán)峻的情況下，如何能在保證質(zhì)量的情況下縮短汽車產(chǎn)品的研發(fā)周期成為重中之重。汽車的開發(fā)流程按照階段可以劃分為產(chǎn)品策劃、工程設(shè)計、生產(chǎn)準(zhǔn)備、試生產(chǎn)和產(chǎn)品上市5個階段，生產(chǎn)準(zhǔn)備階段又可分為驗(yàn)證樣車階段和工程樣車階段，這一階段幾乎能占整車開發(fā)周期的1/3，這一階段的工作內(nèi)容中很重要的一項(xiàng)就是驗(yàn)證汽車的總裝工藝性。利用DELMIA軟件可以搭建和總裝生產(chǎn)線高度重合的虛擬生產(chǎn)線，在工程設(shè)計階段將設(shè)計過程中的零部件3D數(shù)模導(dǎo)入虛擬生產(chǎn)線實(shí)現(xiàn)總裝工藝的分析。目前DELMIA在航空、航天、汽車以及船舶等方面都有應(yīng)用，是一個集設(shè)計、制造、維護(hù)、人機(jī)過程為一體的仿真平臺。不同與以往傳統(tǒng)數(shù)字化電子樣車分析手段，利用“數(shù)字樣機(jī)”的三維數(shù)據(jù)，用DELMIA建立“某一工位”仿真并結(jié)合ART優(yōu)化。能夠?qū)崿F(xiàn)從“數(shù)字樣機(jī)”到“數(shù)字制造”的進(jìn)一步延伸。

　　DELMIA軟件是數(shù)字化企業(yè)的互動制造應(yīng)用軟件，具有機(jī)器人仿真、人機(jī)分析和裝配分析等多個模塊，利用其搭建的虛擬生產(chǎn)線能夠和現(xiàn)實(shí)的生產(chǎn)線高度重合，能夠保證總裝工藝驗(yàn)證結(jié)果的可信度。利用DELMIA軟件進(jìn)行汽車的總裝工藝分析，該分析過程能在產(chǎn)品的3D數(shù)據(jù)生準(zhǔn)發(fā)放之前完成，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)生產(chǎn)準(zhǔn)備階段和工程設(shè)計階段的高度重合，而且能夠極大縮減產(chǎn)品的物理樣車工藝驗(yàn)證周期，甚至可以取消驗(yàn)證樣車及工程樣車階段。利用DELMIA進(jìn)行整車工藝分析具有節(jié)約成本、避免生產(chǎn)資源浪費(fèi)以及縮短汽車開發(fā)周期等優(yōu)點(diǎn)。

　　2、利用DELMIA搭建虛擬仿真工廠

　　DELMIA主要由3個子模塊組成，分別為面向制造過程設(shè)計的DPE、面向裝配過程分析的DPM和面向物流過程分析的QUEST[1]。PPRHUB是DELMIA的核心,是溝通生產(chǎn)過程中產(chǎn)品、工藝和資源，進(jìn)行設(shè)計、驗(yàn)證和規(guī)劃的橋梁。DPM與DPE,QUEST以及CATIA之間的數(shù)據(jù)傳輸可通過PPR結(jié)構(gòu)樹完成[2]。

　　搭建一個和現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)線高度重合的虛擬生產(chǎn)線是一項(xiàng)長期的工程，需要協(xié)調(diào)各方面的資源共同完成。實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線的虛擬仿真需要按整車總裝件逐步建立，參考現(xiàn)有同平臺生產(chǎn)線標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)制定安裝順序及安裝工位，再根據(jù)工位的劃分逐個對每個操作進(jìn)行模擬，最終實(shí)現(xiàn)整條生產(chǎn)線的仿真。完成仿真過程需要用到以下3個模塊，面向裝配過程分析的DPM、面向人機(jī)分析的Human和面向機(jī)器人仿真的Robotics。要實(shí)現(xiàn)工位仿真過程，需要經(jīng)過工位分析、數(shù)據(jù)建模以及虛擬仿真搭建3個步驟。下面以某車型為例建立后風(fēng)擋仿真裝配。

　　2.1工位分析

　　2.1.1作業(yè)流程

　　根據(jù)新車型的特征及參考同平臺生產(chǎn)線的裝配順序定義新車型的后風(fēng)擋裝配作業(yè)流程，見圖1。

　　圖1后風(fēng)擋裝配作業(yè)流程

　　2.1.2工裝設(shè)備

　　對于同平臺工裝，需經(jīng)過工藝部門進(jìn)行確認(rèn)，對可沿用的設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)的測量建模，或通過設(shè)備供應(yīng)商處獲取。不可沿用的設(shè)備需工藝部門提供方案進(jìn)行數(shù)模的建立。之后按照車間平面布置圖布置擺放設(shè)備位置，形成與實(shí)際工位一致的虛擬操作環(huán)境。

　　2.1.3生產(chǎn)節(jié)拍

　　為使仿真能更好地擬合實(shí)際生產(chǎn)節(jié)拍，這里將仿真動作時間劃分為3個部分。

　　a.第1部分是后風(fēng)擋玻璃運(yùn)動的時間，根據(jù)定義的后風(fēng)擋玻璃運(yùn)動路徑及參考同平臺安裝速度，在DELMIA中進(jìn)行模擬，記錄好每種運(yùn)動的模擬時間，作為玻璃所有運(yùn)動的時間依據(jù)。

　　b.第2部分是操作者操作的時間，根據(jù)定義的操作者的操作項(xiàng)目，使用光學(xué)全身動捕系統(tǒng)進(jìn)行模擬操作，記錄好完成每項(xiàng)工作及每個動作的保持時間，以完成一次產(chǎn)品安裝的所有記錄時間為1組數(shù)據(jù)，由于操作者工作動作變化、工作效率變化等不確定因素，需要記錄20組數(shù)據(jù)取平均數(shù)以保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

　　c.第3部分是機(jī)器人工作的時間，根據(jù)風(fēng)擋玻璃的涂膠路徑和機(jī)器人的工作指令模擬機(jī)器人的時間。將以上3部分時間按照操作流程先后順序建立指令表，指導(dǎo)仿真動作建立順序，見表1～表3。

　　表1后風(fēng)擋玻璃運(yùn)動時間

　　表2操作者操作時間

　　表3機(jī)器人工作時間

　　2.2DELMIA環(huán)境中后風(fēng)擋安裝工位建模

　　風(fēng)擋安裝工位由多種工裝設(shè)備及工裝輔具組成，而且是多種設(shè)備及操作者的協(xié)同工作完成后風(fēng)擋的安裝，此工位的工作環(huán)境是相當(dāng)復(fù)雜的，需要提取工位的各組成單元的特征參數(shù)，使用DEL-MIA軟件對該生產(chǎn)工位的各單位進(jìn)行建模并按照實(shí)際工位的布局進(jìn)行裝配。

　　該工位除待裝配產(chǎn)品外還有物料架、涂膠操作臺、玻璃吸盤、吸盤架、兩側(cè)臺階及2個操作工，其中涂膠操作臺模擬仿真運(yùn)動需要按照運(yùn)動及功能劃分為運(yùn)動件和靜止件。運(yùn)動件包括放料臺、涂膠瓶、升降臺、對中臺、2對夾緊臂、涂膠機(jī)器人和翻轉(zhuǎn)電機(jī)手，其中涂膠機(jī)器人需要在DELMIARobotics模塊中建立，將機(jī)器人的各個運(yùn)動部位均按照單個運(yùn)動件劃分。靜止件包括支撐涂膠機(jī)器的架子、傳料帶、防護(hù)隔板以及液壓裝置，其中傳料帶因?yàn)樵贒ELMIA中無法實(shí)現(xiàn)柔性件的仿真，因此可看作靜止件。按照以上的零部件劃分方案，根據(jù)其實(shí)際的特征參數(shù)進(jìn)行建模工作，而后使用裝配工具搭建虛擬工位環(huán)境。

　　涂膠機(jī)器機(jī)器人模型與其他模型不同，除了需要按照特征的結(jié)構(gòu)參數(shù)建模，還需要在插入虛擬工廠的環(huán)境前進(jìn)行機(jī)器人運(yùn)動約束的建立。機(jī)器人的建立過程分以下4個步驟。

　　a.將機(jī)器人的各運(yùn)動部位分別建模，搭建成裝配文件;

　　b.新建機(jī)械裝置將該機(jī)器人的6個旋轉(zhuǎn)運(yùn)動添加運(yùn)動副約束;

　　c.定義機(jī)器人的Base和Tool坐標(biāo);

　　d.定義各關(guān)節(jié)的角度約束。

　　2.3進(jìn)行虛擬仿真搭建[2]

　　2.3.1環(huán)境設(shè)定

　　在選項(xiàng)中將制造的數(shù)字化處理模塊Hierarchytree下的選項(xiàng)全都選中。目的是將賦予Process的產(chǎn)品和資源等信息在結(jié)構(gòu)樹上顯示出來。

　　2.3.2創(chuàng)建ProcessLibrary

　　a.新建ProcessLibrary，在ProcessLibrary界面創(chuàng)建“后風(fēng)擋玻璃安裝”活動。

　　b.創(chuàng)建工序。創(chuàng)建“取玻璃”、“放置玻璃”、“玻璃底涂”、“傳送”、“安吸盤”和“上車”等多個工序作為“后風(fēng)擋玻璃安裝”的子集。

　　2.3.3插入Activity

　　a.將剛建立的ProcessLibrary插入PPR結(jié)構(gòu)樹。

　　b.按照ProcessLibrary搭建的層級依次建立Activity。

　　c.打開Process內(nèi)部工藝流程圖，將流程圖中的工序按照規(guī)劃進(jìn)行排序。

　　2.3.4插入產(chǎn)品和資源

　　a.將地板、工具、設(shè)備等資源插入到ResourcesList。

　　b.依次將玻璃、車身、Woker、Robot等資源插入到ProductList。

　　c.按照產(chǎn)品規(guī)劃路線將產(chǎn)品和資源插入對應(yīng)的Activity。

　　2.3.5創(chuàng)建運(yùn)動仿真

　　a.創(chuàng)建產(chǎn)品和資源的運(yùn)動，在Activity的產(chǎn)品與資源中創(chuàng)建產(chǎn)品或資源的運(yùn)動仿真。

　　b.創(chuàng)建人員任務(wù)，創(chuàng)建HumanTask;對人員新任務(wù)下的HumanTask進(jìn)行動作編輯。

　　c.設(shè)置活動任務(wù)，將已建立人員任務(wù)賦給相關(guān)活動。1個工人可以建立多個任務(wù)，但是1個工藝下同1個工人只能設(shè)置1個任務(wù)。

　　d.創(chuàng)建機(jī)器人任務(wù)，規(guī)劃機(jī)器人運(yùn)動軌跡;創(chuàng)建RobotTask;按照規(guī)劃運(yùn)動軌跡驅(qū)動Tool，形成Operation并適當(dāng)調(diào)整。

　　e.仿真模擬，檢測任務(wù)動作的仿真程度，可以適當(dāng)對人員動作進(jìn)行調(diào)整(圖2)。

　　圖2DELMIA仿真運(yùn)動的模擬

　　3、利用動捕系統(tǒng)優(yōu)化人員動作

　　3.1優(yōu)化的必要性

　　利用DELMIA面向人機(jī)分析的Human模塊可以實(shí)現(xiàn)后風(fēng)擋安裝虛擬操作人員動作的編輯，但是當(dāng)前人機(jī)裝配存在很多不足。

　　a.在當(dāng)前人機(jī)裝配中對虛擬操作者按照操作者操作指令編輯動作時，需使用鼠標(biāo)鍵盤操作虛擬操作者，人為設(shè)計虛擬操作者動作，鼠標(biāo)控制動作虛擬操作者關(guān)節(jié)的位置，角度。操作步驟繁瑣，效率低，且真實(shí)性較差。

　　b.在后風(fēng)擋安裝工位操作者操作動作的重復(fù)性很高，傳統(tǒng)設(shè)計的人物動作定制性強(qiáng)，針對重復(fù)的動作需要再次制作，浪費(fèi)大量的設(shè)定時間。

　　c.后風(fēng)擋玻璃的安裝過程需要2個操作者共同完成工作，則在DELMIA中需要設(shè)定2個能夠協(xié)調(diào)運(yùn)動的虛擬操作者，該設(shè)定過程極其繁瑣，工作量能夠達(dá)到仿真工作的50%，且軟件專業(yè)知識要求高。

　　3.2解決方案

　　使用光學(xué)全身動捕系統(tǒng)(全身關(guān)節(jié)與手部關(guān)節(jié)追蹤設(shè)備及配套軟件)，將真實(shí)操作者與DEL-MIA中的虛擬操作者綁定，由真實(shí)操作者實(shí)時驅(qū)動虛擬操作者高效、真實(shí)、準(zhǔn)確地完成取玻璃、底涂、安吸盤及安裝玻璃等復(fù)雜繁瑣的動作編輯，完成玻璃安裝工位的人機(jī)裝配任務(wù)。

　　3.3操作步驟

　　a.開啟ART，進(jìn)行初始設(shè)置。

　　b.進(jìn)入人機(jī)工程學(xué)設(shè)計與分析Humanbuilder模塊創(chuàng)建角色虛擬角色。

　　c.設(shè)置人物體型，添加關(guān)節(jié)數(shù)據(jù)。

　　d.進(jìn)行仿真計算，將Devicekind參數(shù)設(shè)置為Immersive，進(jìn)行仿真計算。

　　e.虛擬角色與數(shù)據(jù)匹配。

　　f.選擇Suitmanagement標(biāo)簽。

　　3.4技術(shù)路線

　　a.使用光學(xué)全身動捕設(shè)備，獲取真實(shí)操作者的軀體動作數(shù)據(jù)，包含人物肢體的位置與角度信息。

　　b.使用手部追蹤設(shè)備，獲取真實(shí)操作者的手部關(guān)節(jié)動作數(shù)據(jù)。

　　c.將獲取的全身及手部數(shù)據(jù)導(dǎo)入DELMIA中，轉(zhuǎn)換為可以驅(qū)動虛擬操作者的數(shù)據(jù)格式。

　　d.在已經(jīng)搭建好的虛擬工廠環(huán)境中驅(qū)動虛擬操作者完成后風(fēng)擋安裝的全部操作，生成運(yùn)動路徑信息并保存。

　　e.將保存的人員運(yùn)動插入到虛擬環(huán)境中，通過調(diào)整流程圖的順序完成全部仿真過程(圖3)。

　　圖3利用動捕設(shè)備優(yōu)化人員動作

　　3.5時間對比

　　使用傳統(tǒng)的DELMIA創(chuàng)建“后風(fēng)擋安裝”工位人員全套動作需要花費(fèi)70個工時。但是使用ART動捕設(shè)備輔助創(chuàng)建人員動作則只需要16個工時即可完成。若將ART動捕設(shè)備運(yùn)用于建立完整的生產(chǎn)線仿真工程，可以節(jié)省大量的時間成本。

　　4、結(jié)論

　　基于DELMIA和光學(xué)全身動捕系統(tǒng)搭建完整的汽車后風(fēng)窗的裝配虛擬生產(chǎn)工位，實(shí)現(xiàn)過程主要分2個步驟。

　　a.結(jié)合前期對工位的分析利用DELMIA可以實(shí)現(xiàn)汽車總裝生產(chǎn)線自動化設(shè)備、工裝設(shè)備、車身運(yùn)動等模型的建立以及非人參與的運(yùn)動的模擬。

　　b.利用光學(xué)全身動捕系統(tǒng)將后風(fēng)擋安裝人員的運(yùn)動捕捉并發(fā)送到DELMIA中與第一步形成的模擬運(yùn)動結(jié)合，實(shí)現(xiàn)完整的仿真模擬。

　　利用DELMIA建立虛擬生產(chǎn)線能在汽車的工程設(shè)計階段進(jìn)行總裝工藝校核、定義總裝零部件的裝配順序和計算汽車的生產(chǎn)節(jié)拍，建立后的仿真平臺能替代試制及慢裝車過程中工藝驗(yàn)證樣車，大大縮短產(chǎn)品開發(fā)工藝驗(yàn)證周期，加快汽車產(chǎn)品的上市速度，提升企業(yè)的競爭力。

　　參考文獻(xiàn):

　　[1]盛選禹.DELMIA人機(jī)工程模擬教程[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2009.

　　[2]陳寧,解彥琦,呂慶倫.基于DELMIA的發(fā)動機(jī)裝配過程可視化仿真[J].計算機(jī)輔助工程,2010(4):66-69.