DELMIA可视化装配工艺仿真研究

 

　　1 引言

　　随着数控机床的广泛应用，零件的加工精度已不再仅依赖于工人的技术水平，与此对应的装配时间就成了影响制造周期的主要因素，装配工艺优劣成了提高产品精度的关键环节。提高装配的工作效率和工作质量，利用计算机进行装配工艺流程仿真来优化产品的可装配性是今后研究的主流。

　　DELMIA是达索公司面向生产过程物流仿真与分析的三维数字化工厂开发软件，可优化现有的或新的系统车间布置、生产成本和工艺流程等。DELMIA分为DELMIA E5(DPE)、 DELMIA V5(DPM)和DELMIA D5(QUEST)，其中QUEST是用于确认可视化生产工艺流程决策是否满足产品生产要求的强大的仿真开发和分析工具。它为工业设计工程师、制造工程师和管理人员提供了一个单一的协同环境，以在整个产品设计过程中开发和确证最好的生产装配工艺流程。通过QUEST 的仿真可以发现生产装配线布局规划是否合理，是否有阻滞现象或闲置现象发生，并可以预先发现装配物流系统的不足，提前做出修正，改善设计，减少风险与成本，使数字工厂效益最大化。

　　2 产品装配线的对象建模

　　根据产品装配线的层次结构关系，从装配线类中派生出物理设备类、工艺类、逻辑控制类。物理设备类对应现实装配线中有形的实体，如装配设备、物流设备等;工艺类在现实装配线中没有有形的实体对应，仅包括诸如循环工艺、装载工艺、卸载工艺、生产计划和任务等工艺内容;逻辑控制类描述对象间的逻辑关系，如AGV控制逻辑、Labor控制逻辑、传送带控制逻辑等。

　　2.1 虚拟装配线系统的物理建模

　　装配线虚拟物理建模针对装配线上所有设备的三维几何建模，以使虚拟环境中的装配线模型能与现实生产线的有形实体相符或相近，便于可重组装配线的布局优化设计。虚拟物理模型的生产资源包括机床、原料站(Source)、缓冲站(Buffer)、卸料(仓储)站(Sink)、自动导向小车(AGV)、工人(Labor)及装卸机器等生产资源。物理设备类按其层次结构关系将其派生出加工设备类、物流设备类、检测辅助设备类[2]。

　　加工设备主要是指完成一种或多种加工工艺的设备。加工设备类除了继承物理设备类的物理、过程、功能、状态属性等基本属性外，其物理属性还包括设备标识、设备规格、失效率、修复率等，其过程属性还包括设备利用率等。如图1所示为系统提供的一些加工设备。

　　物流设备负责设备间工件物料的运输和存储，如AGV、传送带、悬挂链、机器人、仓储设备(Source, Sink, Buffer)等。完成传送工件和搬运物料的工人(Labor)也可以抽象地看待为物流设备。用物流设备类来描述实现物料和工件运输功能的设备或工人的属性与方法，在重组对象的实现过程中，主要描述物流设备的重组时间、成本、利用率、工件运送时间等。物流设备又可派生出AGV类、传送带类、机器人类、仓储类。

　　

 

　　图1 系统提供的机床模型库

　　检测辅助设备主要完成检测等工作，以辅助加工工艺的顺利进行。如外圆跳动仪、销孔跳动仪、探伤仪、卡尺等。根据检测项目的不同，辅助设备类派生出量具类、粗糙度测量类、传感器类等类。在装配线上，辅助加工的检测设备比较少，所以检测辅助设备类主要针对那些检测零部件装配质量的设备。比如检测装配螺钉的力度大小，检测零部件的装配误差大小，检测箱体装配气密性等方面的设备。

　　2.2 虚拟装配线系统的工艺建模

　　为了描述装配过程中工艺方面的知识，用工艺类作为工艺建模的基类，其属性包括标识、名称、工艺内容;行为方法有:工时计算、利用率计算等，可派生出工序类、生产计划类、生产安排类、工艺规程类等。

　　工序类的属性有工序标识、名称、内容、工序优先级、装配工件数量、需求工人数量、需求AGV数量、需求加工设备数量、平均循环装配时间、循环装配时间分布等。其行为方法包括定义工件优先级、定义工艺逻辑顺序、设备选择、工时计算、辅助工序安排等。根据工艺的分类，将工艺类分为初始运行工艺类、装载工艺类、循环装配工艺类、卸载工艺类、维修工艺类等[3,4]。

　　生产安排类的属性包括标识、名称、生产安排描述、班次数量、换班时间、准备终结时间等。其行为方法有班次安排、单件工件准备终结时间计算、关联班次安排所需的设备等。

　　生产计划类的属性有标识、名称、内容、生产计划描述、产量、交货期、成本。生产计划类的行为方法有生产节拍计算。

　　工艺规程类的属性包括:标识、名称、装配流程编码、成本、产量、重组时间、可用度。行为方法有设备选择、工艺参数选择、缓冲站选择、工人选择、设备利用率计算等。对于加工工艺参数类的属性包括标识、名称、主轴转速、横向进给速度、纵向进给速度、切削深度[5]。

　　2.3 虚拟装配线系统的逻辑建模

　　逻辑控制完成生产资源的选择和调度等功能，用逻辑控制类抽象描述发生在特定时间不同资源对象交互活动的决策行为。逻辑控制类的属性有控制器标识、控制对象数量、逻辑运行优先级。逻辑控制类的行为方法包括定义初始化逻辑、加工逻辑、工件路由逻辑、资源选择逻辑等逻辑模式。各逻辑模式的含义表1所示，逻辑控制类的层次结构关系如图2所示。

　　其中，加工工艺逻辑主要用于定义加工工艺对象(或装配工艺对象)的先后顺序、工艺对象处理的比例关系等。路由逻辑主要用于定义工件选择路由下端对象的方式。队列逻辑主要用于定义排队方式等。设备逻辑主要用在装配线装载工件、加工(或装配)工件、卸载工件时，设备需要完成的判断与决策。AGV/Labor控制逻辑是生产资源(如设备)在选择AGV/Labor时，AGV/Labor控制器向AGV/Labor发出的逻辑判断指令。另外，QUEST软件中的悬挂链(POWER AND FREE,简称PNF)系统逻辑模型或逻辑事件同AGV/Labor控制器逻辑模型。

　　表1 逻辑模式的含义

　　

 

　　

 

　　图2 逻辑控制类层次结构图

　　3 变速器虚拟装配线仿真环境搭建

　　3.1 变速器虚拟装配模型的建立与转化

　　本文以某汽车厂的变速器装配线为原型，对装配线的建模、规划仿真与仿真优化实现过程进行了研究。由于QUEST软件是在全三维环境下进行仿真的，所以对于变速器装配线的虚拟装配仿真中，除了必需的车间装配设备、物流设备、辅助设备之外，必须提供装配中所需的所有零部件的三维模型，即变速器的所有零部件的数字化模型。

　　

 

　　图3 变速器箱体模型

　　变速器模型的建立可以采用多种三维建模软件进行，如PRO/E、UG、CATIA等等均可，但最终仿真是在DELMIA/QUEST软件环境下进行，所以前期所建立的三维模型必须转化到DELMIA/QUEST软件环境下，QUEST提供了多种数据输入的格式，如IGES、VRML、STL、ACAD、VDA、PRO等等，其中它可以直接和PRO/E软件进行数据转化，只要按照规定的参数设置设定好两者的转换通道即可，这样就可以直接在QUEST软件环境下读取PRO/E的.prt格式文件了，然后保存为QUEST软件下的模型格式即可。如图3、图4所示即为转化到QUEST自定义模型库中的变速器零部件模型库。

　　

 

　　图4 变速器部分装配模型

　　3.2 变速箱虚拟装配线车间的整体规划

　　要实现一条虚拟装配线的仿真运行，必须按照实际变速器装配线的装配工艺来规划装配线布置和安排虚拟车间环境，首先要做的就是理顺变速器装配线的实际装配工艺流程，严格按照或基本严格按照装配线的装配序列来规划虚拟装配线。如图5所示为变速器装配的基本树形结构图。

　　

 

　　图5 变速器总成装配层次结构

　　变速器箱体内零部件中主要由一轴部装总成、二轴部装总成、中间轴部装总成和移动轴部装总成组成，然后在变速器的总装线上实现总装。

　　实际变速器装配线中的零部件较多，装配工序繁琐，如果完全按照实际变速器装配线工序个数来由下而上规划和安排虚拟装配线流程的话，势必是一个非常庞大的虚拟装配线仿真流程，这样对我们仿真中所需电脑硬件要求将是非常的高，本文以二轴部装的装配线为例来说明变速器虚拟装配线的仿真规划。

　　3.3 二轴子装配线的虚拟装配环境规划

　　二轴部装主要完成如下装配：二轴一档齿轮总成、一二档同步器总成和滚针轴承装配、一二档齿毂卡簧和二轴二档齿轮总成、一二三档同步器齿环和三四档同步器总成装配、三档衬套装配、二轴倒档齿轮总成、五倒档同步器齿环装配、滚针轴承装配、齿毂卡簧装配、五倒档同步器总成、二轴五档齿轮总成装配等。

　　

 

　　图6 二轴部装作业区场景

　　为了实现二轴部装，这里在总体不影响仿真结果情况下，进行简化处理,首先由2个工人(Labor)完成由传送带输送来零件的卸料工作，将零件分类放置在3个缓冲站(Buffer)上，再由另外的装配工人按照装配工艺从缓冲站上拿取零件，同时配上装配所需的另外零件(不需要经过清洗烘干处理的一些零件，如标准件、卡簧等)，放置在部装工作台上完成二轴的前期部装，之后由另外工人在专业装配机床上进行压装操作，并完成一轴和二轴的总成，完成后的二轴部装作业区场景规划，如图6所示。

　　车间中模型元件的连接为：悬挂链卸料关键点——传送带——3个缓冲站——装配工作台——缓冲站——压装机床——下游传送带，其中装配工作台有4个输入连接元件(Input Element)，即其上游的4个零件缓冲站，压装机床有2个输入连接元件(Input Element)，即其上游的2个零部件的缓冲站。为了保证装配仿真一开始，装配工人就开始同步工作，这里所有缓冲站都分别设置了一定数量的工件原始库存(Part Initial Stock)，并给缓冲站配置了一定的缓冲容量(Part Capaticy)，利于后续的装配线平衡的调整。

　　除了上述物理模型的规划布置外，还有零部件的摆放位姿、工人拿取工件的位姿、工人的行走路径的规划与调整。特别是工人的行走路径，因为有些模型元件同时设置了2个或2个以上的工人站立点，而同一个模型元件又有多个工人参与工作，如传送带输送过来的清洁零件就有2个工人来负责卸料，而每个工人又将各自搬运的工件放置于不同的缓冲站，其中一个工人要同时负责2个缓冲站工件的上料工作，所以类似这样较为复杂的任务分配，工人的行走路径就很可能重叠交叉，这样就可能造成仿真过程中人员模型的重叠交叉，这是不符合现实要求的，所以，这里要特别注意工人路径的布置与调整。

　　

 

　　图7 二轴部装作业区内车间工人路径规划图

　　另外，还要对工人站立的每一个起始点的工人方位(lbr_pts)重新设置，使得每一个工人都有正确的站立方位，如工人到传送带搬运工件时必须面对传送带零件才对，工人在缓冲站卸料时必须面对各自的缓冲站等等。图7所示为二轴部装作业区内车间工人路径规划图。

　　4 变速器虚拟装配线的仿真优化

　　4.1 运用DELMIA/QUEST软件对变速器装配线进行仿真

　　在搭建好变速器虚拟装配线的所有物理模型后，根据装配工艺要求定义各自的仿真模型参数和逻辑事件(略)。在此基础上进行装配线仿真。仿真的初始参数有：前后箱体的原料站(Source)按照55S节拍供应工件，2个清洗烘干作业区的所有原料站(Source)都按照38S的节拍供应要清洗烘干的工件，变速器总装线旁的其他原料站按照55S速率提供工件，总装线上每个工位工人按照8S的装配节拍进行装配，定义仿真时间为2000S。

　　

 

　　图8 变速器装配车间仿真2000S时总装线场景一侧

　　当仿真2000S结束时，得出了如图8所示的装配线仿真车间的现场截图，从装配线车间的不同作业区来看仿真2000S的结果，可以很直观的看到，几乎每个工件缓冲站(Buffer)都堆积了大量零件，达到了各自缓冲站的缓冲容量，运送零件的传送带上也有不少零件堆积，物流已经被阻塞，特别是在清洗作业区的传送带和缓冲站上更是严重，工件已经完成充满了传送带，二轴和中间轴部装作业区的工人无法休息，处于繁忙(Busy)状态。

　　另从装配线系统机床设备利用率直方图也能看到装配线系统中各个机床设备利用率是很不平衡的，是有待优化和调整的。

　　4.2 对变速器虚拟装配线进行仿真优化

　　为了更好的发挥装配线的生产能力，消除瓶颈问题和装配线不平衡问题，我们必须对前期搭建的装配线仿真模型进行优化。从前面的仿真数据分析中我们可以看出，装配线系统中的原料站提供各自工件的节拍不一致，二轴部装作业区的装配效率偏低，导致其上游零件供应的大量集压而阻塞了传送带等物料运送系统，并同时导致其对下游总装线供应零部件的速率缓慢，使得总装线上其他零部件的大批积压，阻塞缓冲站和其他物流系统，最终导致变速器装配线系统的不平衡和机床、工人等仿真模型的忙闲度差异过大和利用率差异过大的生产线不平衡现象。

　　

 

　　图9 调整后装配线仿真1小时场景

　　

 

　　图10 调整后装配线仿真8小时场景

　　经过反复运行仿真模型与调整，确定把总装线上的生产节拍控制在92S～96S范围内，生产线可获得比较理想的平衡状态。系统分别对装配线进行了1800S(半小时)、3600S(一小时)、14400S(4小时)和28800S(8小时，一个标准工作日)仿真后均发现装配线上没有了零部件的过渡滞留、阻塞物流运送系统、充满缓冲站等不良现象发生。装配线仿真现场情景分别如图9、图10所示。从虚拟装配线场景中可以看出，在仿真8小时(28800S)结束时，不管是总装线还是部装作业区，在零部件的物料运送系统中没有出现阻塞现象，缓冲站中只有少数零部件处于缓冲状态，即正常工作状态，传送带上也没有出现零部件阻塞现象，即装配线的物流系统处于顺畅状态。

　　

 

　　图11 装配线机床设备利用率情况直方图

　　为了能更好说明装配线状况，系统输出了仿真结果统计数据。用直方图分别表示装配线中机床设备利用率、操作工人利用率和总装线AGV利用率情况。其中图11所示为装配线机床设备利用率情况直方图，对比优化前装配线机床利用率情况，可以清晰的看出装配线优化调整后，机床的利用率基本一致，而优化前的结果则是机床利用率差别很大。同时，改进后的装配线操作工人的忙闲程度有了很大改善，忙闲差别缩小，整体上趋于平衡;变速器总装线上的AGV利用率几乎一样，这也说明了经过调整后的装配线整体上是基本平衡的。

　　5 结语

　　以变速器装配线的虚拟装配工艺流程仿真为主线，在三维数字化工厂仿真软件DELMIA/QUEST中就变速器虚拟装配线对象建模方法、装配工艺仿真环境的规划和搭建进行了研究，分析了装配线中存在的瓶颈、不平衡、物流运送不顺畅等装配线问题，并结合实际仿真数据对装配线的规划进行了优化和调整，得出了较优的装配线平衡和优化方案，达到了较为理想的装配线运行状态。