DELMIA可视化装配工艺仿真的研究应用

1、DELMlA可视化装配工艺仿真的研究应用1引言企业生产能力的强弱主要由所拥有的制造资源数量的多少决定的。当企业在自身制造资源数量不变的情况下，往往只能通过优化生产调度，最大程度地提高设备 利用率来实现生产能力的提高1。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

2、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

3、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

4、（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

5、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

6、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、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

7、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、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

8、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

9、断指令。另外，QUEST软件中的悬挂链（PoWER AND FREEW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逻辑模式的含义逻辑模式含义0化逻辑 InitiaILOgiC控制生产餐源完區初殆化工莒的决策加工丁艺淨辑Process LOgiC控制生产资源完成工件装载工艺、谓环加 工工艺、工件KKT艺的袂策工件路由逻辑Part RQm L&g:ic控制王件从一N寸象向另一个对象路由方 式的决策瓷源选择逻辑 ReqlleSr SeleCtiOn控制工艺发生时锻源选择行菊袂策队列逻辑QUtUe Logic处理工件从BUff竦向其它生产资源对象路由时的先后顺序

10、一 4控制类设备AG IabtJi控制器遞芙机库谨輯类SillkBWffej,LabOrI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

11、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

12、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。前蒂体2二軸3.-ft 4操纵盖5冲何轴.S T.后箱体乱后豐7二轴一普10 11二轴12,二捋同步器 归一二猎攥咒1电移动轴15倒融咒 托三lffl1盘 刀一拦齿轮19 -齿环 码煎叢礁 刘同歩器齿穀 乩同形器賊图5变速器总成装配层次结构变速器箱体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

13、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

14、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：悬挂链卸料关键点一一传送带一一3个缓冲站一一装 配工作台一一缓冲站一一压装机床一一下游传送带，其中装配工作台有4个输入

15、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

16、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

17、区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2000SO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

18、，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，

19、 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。丄闿CRJlrrrl Cldi- k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 92S96S围, 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