基于DELMIA建立汽車(chē)總裝工藝分析方法及優(yōu)化

　　摘要：基于DELMIA軟件以汽車(chē)后風(fēng)擋玻璃安裝模擬為例實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)汽車(chē)生產(chǎn)線仿真模擬，通過(guò)對(duì)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(dòng)作建立，搭建虛擬仿真平臺(tái)，最終通過(guò)光學(xué)全身動(dòng)捕系統(tǒng)優(yōu)化和完善人員動(dòng)作，使仿真的真實(shí)度向現(xiàn)生產(chǎn)高度逼近。通過(guò)仿真平臺(tái)對(duì)新車(chē)型進(jìn)行總裝工藝校核、定義總裝零部件裝配順序和計(jì)算生產(chǎn)節(jié)拍，從而替代工藝驗(yàn)證樣車(chē)，極大縮短產(chǎn)品開(kāi)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(chē)產(chǎn)品的上市速度，提升企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。

　　本文源自汽車(chē)工藝與材料,2020(09):46-50.《汽車(chē)工藝與材料》雜志創(chuàng)刊于1986年，是由中國(guó)汽車(chē)工程學(xué)會(huì)和長(zhǎng)春汽車(chē)材料研究所共同主辦的國(guó)內(nèi)、外公開(kāi)發(fā)行的汽車(chē)制造類(lèi)月刊，依托中國(guó)最大的汽車(chē)技術(shù)研究中心雄厚的技術(shù)資源，全面報(bào)道汽車(chē)先進(jìn)制造工藝與材料應(yīng)用的專(zhuān)業(yè)性雜志。

　　1、前言

　　目前汽車(chē)銷(xiāo)售行業(yè)整體從高速發(fā)展期進(jìn)入成熟期，雖然國(guó)內(nèi)汽車(chē)保有量不斷上升，但國(guó)內(nèi)汽車(chē)市場(chǎng)受到外企及合資企業(yè)的沖擊，國(guó)產(chǎn)汽車(chē)發(fā)展空間受到很大的限制。在市場(chǎng)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(chē)產(chǎn)品的研發(fā)周期成為重中之重。汽車(chē)的開(kāi)發(fā)流程按照階段可以劃分為產(chǎn)品策劃、工程設(shè)計(jì)、生產(chǎn)準(zhǔn)備、試生產(chǎn)和產(chǎn)品上市5個(gè)階段，生產(chǎn)準(zhǔn)備階段又可分為驗(yàn)證樣車(chē)階段和工程樣車(chē)階段，這一階段幾乎能占整車(chē)開(kāi)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(chē)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(jì)階段將設(shè)計(jì)過(guò)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(chē)以及船舶等方面都有應(yīng)用，是一個(gè)集設(shè)計(jì)、制造、維護(hù)、人機(jī)過(guò)程為一體的仿真平臺(tái)。不同與以往傳統(tǒng)數(shù)字化電子樣車(chē)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(dòng)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(gè)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(chē)的總裝工藝分析，該分析過(guò)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(jì)階段的高度重合，而且能夠極大縮減產(chǎn)品的物理樣車(chē)工藝驗(yàn)證周期，甚至可以取消驗(yàn)證樣車(chē)及工程樣車(chē)階段。利用DELMIA進(jìn)行整車(chē)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(chē)開(kāi)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(gè)子模塊組成，分別為面向制造過(guò)程設(shè)計(jì)的DPE、面向裝配過(guò)程分析的DPM和面向物流過(guò)程分析的QUEST[1]。PPRHUB是DELMIA的核心,是溝通生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)品、工藝和資源，進(jìn)行設(shè)計(jì)、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(guò)PPR結(jié)構(gòu)樹(shù)完成[2]。

　　搭建一個(gè)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(zhǎng)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(chē)總裝件逐步建立，參考現(xiàn)有同平臺(tái)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(gè)對(duì)每個(gè)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(guò)程需要用到以下3個(gè)模塊，面向裝配過(guò)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(guò)程，需要經(jīng)過(guò)工位分析、數(shù)據(jù)建模以及虛擬仿真搭建3個(gè)步驟。下面以某車(chē)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(chē)型的特征及參考同平臺(tái)生產(chǎn)線的裝配順序定義新車(chē)型的后風(fēng)擋裝配作業(yè)流程，見(jiàn)圖1。

　　圖1后風(fēng)擋裝配作業(yè)流程

　　2.1.2工裝設(shè)備

　　對(duì)于同平臺(tái)工裝，需經(jīng)過(guò)工藝部門(mén)進(jìn)行確認(rèn)，對(duì)可沿用的設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)的測(cè)量建模，或通過(guò)設(shè)備供應(yīng)商處獲取。不可沿用的設(shè)備需工藝部門(mén)提供方案進(jìn)行數(shù)模的建立。之后按照車(chē)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?cái)M合實(shí)際生產(chǎn)節(jié)拍，這里將仿真動(dòng)作時(shí)間劃分為3個(gè)部分。

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

　　b.第2部分是操作者操作的時(shí)間，根據(jù)定義的操作者的操作項(xiàng)目，使用光學(xué)全身動(dòng)捕系統(tǒng)進(jìn)行模擬操作，記錄好完成每項(xiàng)工作及每個(gè)動(dòng)作的保持時(shí)間，以完成一次產(chǎn)品安裝的所有記錄時(shí)間為1組數(shù)據(jù)，由于操作者工作動(dòng)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(shí)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(shí)間。將以上3部分時(shí)間按照操作流程先后順序建立指令表，指導(dǎo)仿真動(dòng)作建立順序，見(jiàn)表1～表3。

　　表1后風(fēng)擋玻璃運(yùn)動(dòng)時(shí)間

　　表2操作者操作時(shí)間

　　表3機(jī)器人工作時(shí)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(duì)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(tái)、玻璃吸盤(pán)、吸盤(pán)架、兩側(cè)臺(tái)階及2個(gè)操作工，其中涂膠操作臺(tái)模擬仿真運(yùn)動(dòng)需要按照運(yùn)動(dòng)及功能劃分為運(yùn)動(dòng)件和靜止件。運(yùn)動(dòng)件包括放料臺(tái)、涂膠瓶、升降臺(tái)、對(duì)中臺(tái)、2對(duì)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(gè)運(yùn)動(dòng)部位均按照單個(gè)運(yùn)動(dòng)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(wú)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(dòng)約束的建立。機(jī)器人的建立過(guò)程分以下4個(gè)步驟。

　　a.將機(jī)器人的各運(yùn)動(dòng)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(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)添加運(yùn)動(dòng)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(shù)上顯示出來(lái)。

　　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(dòng)。

　　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(pán)”和“上車(chē)”等多個(gè)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(shù)。

　　b.按照ProcessLibrary搭建的層級(jí)依次建立Activity。

　　c.打開(kāi)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(chē)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(duì)應(yīng)的Activity。

　　2.3.5創(chuàng)建運(yùn)動(dòng)仿真

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

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

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

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

　　e.仿真模擬，檢測(cè)任務(wù)動(dòng)作的仿真程度，可以適當(dāng)對(duì)人員動(dòng)作進(jìn)行調(diào)整(圖2)。

　　圖2DELMIA仿真運(yùn)動(dòng)的模擬

　　3、利用動(dòng)捕系統(tǒng)優(yōu)化人員動(dòng)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(dòng)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(duì)虛擬操作者按照操作者操作指令編輯動(dòng)作時(shí)，需使用鼠標(biāo)鍵盤(pán)操作虛擬操作者，人為設(shè)計(jì)虛擬操作者動(dòng)作，鼠標(biāo)控制動(dòng)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(dòng)作的重復(fù)性很高，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的人物動(dòng)作定制性強(qiáng)，針對(duì)重復(fù)的動(dòng)作需要再次制作，浪費(fèi)大量的設(shè)定時(shí)間。

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

　　3.2解決方案

　　使用光學(xué)全身動(dòng)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(shí)驅(qū)動(dòng)虛擬操作者高效、真實(shí)、準(zhǔn)確地完成取玻璃、底涂、安吸盤(pán)及安裝玻璃等復(fù)雜繁瑣的動(dòng)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(kāi)啟ART，進(jìn)行初始設(shè)置。

　　b.進(jìn)入人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)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(jì)算，將Devicekind參數(shù)設(shè)置為Immersive，進(jìn)行仿真計(jì)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(dòng)捕設(shè)備，獲取真實(shí)操作者的軀體動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)虛擬操作者完成后風(fēng)擋安裝的全部操作，生成運(yùn)動(dòng)路徑信息并保存。

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

　　圖3利用動(dòng)捕設(shè)備優(yōu)化人員動(dòng)作

　　3.5時(shí)間對(duì)比

　　使用傳統(tǒng)的DELMIA創(chuàng)建“后風(fēng)擋安裝”工位人員全套動(dòng)作需要花費(fèi)70個(gè)工時(shí)。但是使用ART動(dòng)捕設(shè)備輔助創(chuàng)建人員動(dòng)作則只需要16個(gè)工時(shí)即可完成。若將ART動(dòng)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(shí)間成本。

　　4、結(jié)論

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

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

　　b.利用光學(xué)全身動(dòng)捕系統(tǒng)將后風(fēng)擋安裝人員的運(yùn)動(dòng)捕捉并發(fā)送到DELMIA中與第一步形成的模擬運(yùn)動(dòng)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(chē)的工程設(shè)計(jì)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(jì)算汽車(chē)的生產(chǎn)節(jié)拍，建立后的仿真平臺(tái)能替代試制及慢裝車(chē)過(guò)程中工藝驗(yàn)證樣車(chē)，大大縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)工藝驗(yàn)證周期，加快汽車(chē)產(chǎn)品的上市速度，提升企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。

　　參考文獻(xiàn):

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　　[2]陳寧,解彥琦,呂慶倫.基于DELMIA的發(fā)動(dòng)機(jī)裝配過(guò)程可視化仿真[J].計(jì)算機(jī)輔助工程,2010(4):66-69.