港口機(jī)械生產(chǎn)線數(shù)字化規(guī)劃應(yīng)用

劉力華，沈軍武，肖志紅，何其昌

(1.三一重工股份有限公司，湖南長沙 410010)

(2.SJTU－SANY數(shù)字化工廠技術(shù)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，上海 200240)

港口機(jī)械生產(chǎn)線數(shù)字化規(guī)劃應(yīng)用

劉力華1，2，沈軍武1，2，肖志紅1，2，何其昌2

(1.三一重工股份有限公司，湖南長沙 410010)

(2.SJTU－SANY數(shù)字化工廠技術(shù)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，上海 200240)

以港口機(jī)械正面吊新的生產(chǎn)線改建為研究對(duì)象，應(yīng)用DELMIA數(shù)字化裝配仿真技術(shù)，對(duì)新的生產(chǎn)線裝配工藝流程進(jìn)行人機(jī)裝配仿真。利用仿真技術(shù)分析零件裝配路徑的干涉問題以及裝配人機(jī)工效問題，根據(jù)仿真結(jié)果改善裝配工藝，提高了正面吊生產(chǎn)線裝配效率，確保工人的身心健康。

正面吊裝配線;DELMIA;裝配仿真;人機(jī)功效

裝配在工程機(jī)械制造過程中占有非常重要的地位，裝配質(zhì)量在很大程度上決定了產(chǎn)品的最終質(zhì)量。裝配工藝的制定和優(yōu)化是縮短裝配周期、提高裝配效率、保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提［1］。對(duì)于如何高效、高質(zhì)量地進(jìn)行一條新的正面吊裝配生產(chǎn)線的工藝規(guī)劃，首先要立足于企業(yè)的實(shí)際情況。目前三一重工股份有限公司(以下簡稱三一集團(tuán))所有產(chǎn)品設(shè)計(jì)已全部實(shí)現(xiàn)三維化，為進(jìn)行數(shù)字化仿真打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，但生產(chǎn)線的工藝規(guī)劃還處在平面圖紙的狀態(tài)，工位平衡和生產(chǎn)線布局主要依賴以往的經(jīng)驗(yàn)，這樣設(shè)計(jì)的生產(chǎn)線造成了很多空間上的工藝性問題要等到生產(chǎn)線實(shí)現(xiàn)投產(chǎn)之后才能被發(fā)現(xiàn)。為了改變這一現(xiàn)狀，新規(guī)劃布局的港機(jī)裝配線應(yīng)用數(shù)字化工廠仿真技術(shù)，結(jié)合原有的線規(guī)劃經(jīng)驗(yàn)，對(duì)生產(chǎn)線的裝配流程進(jìn)行模擬、評(píng)估，最終得到理想的方案。

1 概述

DELMIA(Digital Enterprise Lean Manufacturing Interactive Application)是法國達(dá)索系統(tǒng)公司的產(chǎn)品，包括 E5(Digital Process Engineer，DPE)、V5(Digital Process Manufacturing，DPM)、D5(Queuing Event Simulation Tool，QUEST)3 大模塊，模塊間通過PPR Hub(Process－Product－Resource)連接到一起，形成從設(shè)計(jì)到制造一套完整的解決方案［2］。DELMIA在汽車和航空業(yè)已得到很好的應(yīng)用［3］，利用DPM進(jìn)行制造過程工藝仿真分析，在虛擬仿真環(huán)境中檢驗(yàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)在生產(chǎn)和裝配中存在的問題，及時(shí)修改產(chǎn)品設(shè)計(jì)和工藝方案，增強(qiáng)生產(chǎn)線規(guī)劃合理性。

2 應(yīng)用過程

通過對(duì)飛機(jī)和汽車行業(yè)的學(xué)習(xí)和研究，結(jié)合三一集團(tuán)自身的項(xiàng)目實(shí)施經(jīng)驗(yàn)，形成了企業(yè)內(nèi)部的裝配工藝仿真實(shí)施規(guī)范，指導(dǎo)裝配仿真項(xiàng)目的實(shí)施。圖1為仿真的實(shí)施流程圖。

圖1 仿真實(shí)施流程圖

2.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)收集

首先與項(xiàng)目決策、業(yè)務(wù)部門進(jìn)行討論，確定裝配工藝仿真的具體目標(biāo)、小組成員以及項(xiàng)目的推進(jìn)計(jì)劃。項(xiàng)目小組內(nèi)部討論并進(jìn)行工作分工，確定需求，并完成需求報(bào)告。項(xiàng)目前期要對(duì)相關(guān)信息進(jìn)行收集和整理，并且收集產(chǎn)品和工裝的模型，進(jìn)行分類，導(dǎo)入到相應(yīng)的模型庫，支持后續(xù)的工作。前期調(diào)研信息見表1。

表1 前期調(diào)研信息

2.2 裝配工藝分析

2.2.1 裝配工藝規(guī)劃

工藝工程師根據(jù)作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)每個(gè)工位的具體工步，列出裝配工序表。裝配仿真工程師在DELMIA中建立“Processlibrary”文件，明確裝配的先后順序。具體工步的裝配流程利用PERT圖來表示。圖2為正面吊裝配線第一工位某個(gè)工序的PERT圖。

圖2 工序PERT圖

2.2.2 裝配資源布局

在確定完裝配順序之后，在PPR樹目錄下導(dǎo)入相應(yīng)的模型，通過對(duì)模型的拖動(dòng)、旋轉(zhuǎn)、對(duì)準(zhǔn)操作，結(jié)合工藝規(guī)劃的二維布局圖，建立三維的裝配資源布局空間。圖3中左上角為PPR設(shè)計(jì)樹，其中“Process”為所有裝配仿真的動(dòng)作，“Product”為所有產(chǎn)品的模型，“Resources”為工裝、工具和工人的模型。

圖3 工位布局圖

2.2.3 裝配過程分析

在裝配場景創(chuàng)建完成之后，導(dǎo)入作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)上的具體要求在“DPM－Assembly Process simulation”模塊中完成產(chǎn)品的裝配仿真運(yùn)動(dòng)。操作模型在虛擬工作空間中直線或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，以模擬物料在現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)環(huán)境下的裝配運(yùn)動(dòng)過程。圖4中白色線條即為物料運(yùn)動(dòng)的軌跡線。通過裝配仿真過程分析可以完成靜態(tài)干涉檢查和動(dòng)態(tài)干涉檢查。

a.靜態(tài)干涉檢查。

在布局好的三維虛擬裝備場景中，通過觀察可以很容易發(fā)現(xiàn)二維CAD圖上不容易發(fā)覺的空間干涉問題。

b.動(dòng)態(tài)干涉檢查。

當(dāng)完成一個(gè)工序的多個(gè)工步后，打開軟件自帶干涉檢查開關(guān)，播放整個(gè)裝配過程，如物體在空間運(yùn)動(dòng)過程中與別的元素發(fā)生碰撞時(shí)，干涉碰撞部分將以紅色標(biāo)示?？梢酝ㄟ^改變產(chǎn)品的裝配路徑或者移動(dòng)與之發(fā)生碰撞的元素，從而避免碰撞的發(fā)生。

c.生產(chǎn)要素確定。

通過進(jìn)行動(dòng)態(tài)干涉檢查和路徑優(yōu)化來驗(yàn)證裝配流程的可行性，同時(shí)可以確定總裝線、部裝線、線邊庫的布局合理性［4］。在對(duì)正面吊裝配線仿真分析中，發(fā)現(xiàn)第九、十工位行車安排的數(shù)量不合理，需增加一臺(tái)5t行車滿足生產(chǎn)節(jié)拍要求。同時(shí)發(fā)現(xiàn)第十工位吊裝臂架過程垂直空間也略顯緊張，建議增加行車行架的高度(如圖5所示)。

圖4 物料運(yùn)動(dòng)軌跡圖

2.3 人機(jī)功效分析

生產(chǎn)包括人、機(jī)、料、法、環(huán)五大要素，其中人是生產(chǎn)的主體，工人裝配的可達(dá)性、可視性、舒適性以及裝配效率一直是現(xiàn)場工藝改善的重點(diǎn)。DELMIA“DPM－Human Task simulation”提供的人體的模型包括68個(gè)鉸接點(diǎn)和6對(duì)耦合點(diǎn)，可以定義工人的性別、身材、人種等屬性，提供人體裝配的基本動(dòng)作，如抓取、放置、走路、爬樓梯，通過人體姿態(tài)調(diào)整命令模擬任何裝配動(dòng)作［5］。圖6為工人完成結(jié)構(gòu)件定位的裝配工作，通過創(chuàng)建工人工作任務(wù)，模擬裝配過程完成裝配工作。

圖5 垂直空間緊張

圖6 工人對(duì)結(jié)構(gòu)件進(jìn)行定位

2.3.1 裝配可達(dá)性分析

可達(dá)性是工人進(jìn)行某項(xiàng)工作任務(wù)時(shí)，借助工具能否完成這個(gè)動(dòng)作的重要指標(biāo)，主要驗(yàn)證裝配過程會(huì)不會(huì)有裝配點(diǎn)過高，裝配空間不足而引起的裝配不可達(dá)的情況［6］。圖7是工人安裝消防系統(tǒng)時(shí)的可達(dá)性分析，可以看到消防系統(tǒng)安裝可達(dá)性是滿足的。如果發(fā)現(xiàn)裝配不可達(dá)的點(diǎn)，可以反饋給工藝工程師，通過修改裝配工藝或者產(chǎn)品結(jié)構(gòu)來解決問題。

2.3.2 裝配可視性分析

DPM提供了工人裝配的第一視角，通過這個(gè)第一視角來觀察整個(gè)裝配過程，可以發(fā)現(xiàn)裝配過程中通過第三視角觀察發(fā)現(xiàn)不了的問題。圖8為工人觀察正面吊底盤的第一視角，可以直接觀察底盤在吊裝過程中與支架沒有發(fā)生干涉。

2.3.3 裝配舒適性分析

裝配動(dòng)作的分析可以最大限度地減少工作的勞動(dòng)強(qiáng)度，通過“DPM－Human Activity Analysis”對(duì)人的姿態(tài)進(jìn)行分析，有助于揭示單個(gè)勞動(dòng)姿態(tài)下的工作強(qiáng)度。圖9為人推進(jìn)銷軸的RULA分析圖，人的手臂為橙紅。對(duì)照RULA結(jié)論表(見表2)［7］可知，工作強(qiáng)度較大，不能長時(shí)間處于該工作姿態(tài)。

圖7 工人安裝消防系統(tǒng)

圖8 第一視角觀察上吊底盤

圖9 人推進(jìn)銷軸RULA分析

表2 RULA結(jié)論表

2.3.4 裝配效率分析

生產(chǎn)效率的主要決定因素是工時(shí)，如何合理地安排工序使各個(gè)工位的工時(shí)平衡是現(xiàn)場工藝工程師工作重點(diǎn)。在規(guī)劃新的生產(chǎn)線時(shí)，各工位工時(shí)主要源于工藝工程師的工作經(jīng)驗(yàn)，沒有一個(gè)很好的工具來獲得工時(shí)。根據(jù)參考工時(shí)模擬完成裝配工序，經(jīng)過DPM的統(tǒng)計(jì)功能獲得各個(gè)裝配工位的參考工時(shí)，圖10為車架上線工序的系統(tǒng)時(shí)間統(tǒng)計(jì)表。基于參考工時(shí)表進(jìn)行工序拆分、歸并和資源重配，整體優(yōu)化生產(chǎn)線節(jié)拍。

圖10 系統(tǒng)時(shí)間統(tǒng)計(jì)表

3 結(jié)束語

利用DELMIA系統(tǒng)對(duì)正面吊新的生產(chǎn)線裝配工藝流程進(jìn)行驗(yàn)證，提前發(fā)現(xiàn)規(guī)劃方案的不足。通過對(duì)正面吊整個(gè)裝配流程的仿真案例的總結(jié)得出，這種解決方案具有通用性，是一種規(guī)劃新的裝配線行之有效的方法。為了滿足不同特定裝配生產(chǎn)線的需求，實(shí)現(xiàn)快速仿真分析，還必須對(duì)軟件進(jìn)行二次開發(fā)來增加相應(yīng)的功能模塊，才能更好地應(yīng)用于不同產(chǎn)品的實(shí)際工藝規(guī)劃工作之中，帶來更顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

［1］趙雪松，趙曉芬.機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)［M］.武漢:華中科技大學(xué)出版社，2006.

［2］黃壘，夏平均，姚英學(xué).虛擬裝配工藝設(shè)計(jì)技術(shù)研究與應(yīng)用［J］.現(xiàn)代制造工程，2007(7):51 －55.

［3］佟立杰，劉春，郭希旺.DELMIA在某機(jī)尾椎裝配仿真中的應(yīng)用［J］.沈陽航空工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2009(4):11－14.

［4］陳遠(yuǎn)龍，崔瑋，何其昌.基于DELMIA的支重輪裝配工藝評(píng)估與優(yōu)化方法［J］.工程機(jī)械，2011，42(12):53 －58.

［5］袁修干，莊達(dá)民.人機(jī)工程［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2002.

［6］鄭軼，寧汝新，劉檢華，等.虛擬裝配關(guān)鍵技術(shù)及其發(fā)展［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2006，18(3):649 －654.

［7］陳勇，吳國獻(xiàn)，趙忠明.基于CATIA的人員作業(yè)仿真建模、人因分析與優(yōu)化［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2009，21(14):4540－4545.

The Application of Digital Planning in Port Machinery Production Line

LIU Lihua1，2，SHEN Junwu1，2，XIAO Zhihong1，2，HE Qichang2
(1.Sany Heavy Industry Co.，Ltd.，Hunan Changsha，410010，China)
(2.SJTU-SANY Joint Laboratory of Digital Factory Technology，Shanghai，200240，China)

Taking the production line reconstruction of port machinery stacker as the research object，it focuses on the usage of DELMIA digital assembly simulation in assembly line process for man-machine simulation，including analysis on interference of parts＇assembly path and assembly efficiency of ergonomics.The application results show that the technology can improve assembly process，increase production efficiency，and ensure the physical and mental health of workers significantly.

Stacker Assembly Line;DELMIA;Assembly Simulation;Ergonomics

TH164;TP391.9

A

2095－509X(2013)04－0075－04

10.3969/j.issn.2095 －509X.2013.04.019

2013－01－04

劉力華(1988—)，男，湖南懷化人，三一重工股份有限公司工程師，主要研究方向?yàn)閿?shù)字化工廠裝配與人機(jī)工程仿真。