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，從而替代工藝驗證樣車，極大縮短產(chǎn)品開發(fā)工藝驗證周期。虛擬仿真工廠的應(yīng)用切實有助于加快汽車產(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)容中很重要的一項就是驗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”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”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，具有機器人仿真、人機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)實的生產(chǎn)線高度重合，能夠保證總裝工藝驗證結(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證周期，甚至可以取消驗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)資源浪費以及縮短汽車開發(fā)周期等優(yōu)點。

　　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)實生產(chǎn)線高度重合的虛擬生產(chǎn)線是一項長期的工程，需要協(xié)調(diào)各方面的資源共同完成。實現(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、面向人機分析的Human和面向機器人仿真的Robotics。要實現(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)擋玻璃運動的時間，根據(jù)定義的后風(fēng)擋玻璃運動路徑及參考同平臺安裝速度，在DELMIA中進(jìn)行模擬，記錄好每種運動的模擬時間，作為玻璃所有運動的時間依據(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部分是機器人工作的時間，根據(jù)風(fēng)擋玻璃的涂膠路徑和機器人的工作指令模擬機器人的時間。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)擋玻璃運動時間

　　表2操作者操作時間

　　表3機器人工作時間

　　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動需要按照運動及功能劃分為運動件和靜止件。運動件包括放料臺、涂膠瓶、升降臺、對中臺、2對夾緊臂、涂膠機器人和翻轉(zhuǎn)電機手，其中涂膠機器人需要在DELMIARobotics模塊中建立，將機器人的各個運動部位均按照單個運動件劃分。靜止件包括支撐涂膠機器的架子、傳料帶、防護(hù)隔板以及液壓裝置，其中傳料帶因為在DELMIA中無法實現(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。

　　涂膠機器機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)行機器人運動約束的建立。機器人的建立過程分以下4個步驟。

　　a.將機器人的各運動部位分別建模，搭建成裝配文件;

　　b.新建機械裝置將該機器人的6個旋轉(zhuǎn)運動添加運動副約束;

　　c.定義機器人的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

　　在選項中將制造的數(shù)字化處理模塊Hierarchytree下的選項全都選中。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)建運動仿真

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

　　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)建機器人任務(wù)，規(guī)劃機器人運動軌跡;創(chuàng)建RobotTask;按照規(guī)劃運動軌跡驅(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面向人機分析的Human模塊可以實現(xiàn)后風(fēng)擋安裝虛擬操作人員動作的編輯，但是當(dāng)前人機裝配存在很多不足。

　　a.在當(dāng)前人機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，針對重復(fù)的動作需要再次制作，浪費大量的設(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)，將真實操作者與DEL-MIA中的虛擬操作者綁定，由真實操作者實時驅(qū)動虛擬操作者高效、真實、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，生成運動路徑信息并保存。

　　e.將保存的人員運動插入到虛擬環(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可以實現(xiàn)汽車總裝生產(chǎn)線自動化設(shè)備、工裝設(shè)備、車身運動等模型的建立以及非人參與的運動的模擬。

　　b.利用光學(xué)全身動捕系統(tǒng)將后風(fēng)擋安裝人員的運動捕捉并發(fā)送到DELMIA中與第一步形成的模擬運動結(jié)合，實現(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證樣車，大大縮短產(chǎn)品開發(fā)工藝驗證周期，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):

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