基于DELMIA的汽車裝配工藝仿真與優(yōu)化

林金+關(guān)銘東

摘 要：介紹了DELMIA系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能，提出以工藝規(guī)劃為核心的汽車虛擬裝配流程，利用DELMIA系統(tǒng)分析優(yōu)化汽車裝配的三維數(shù)字化工藝，重點(diǎn)討論工藝的可操作性和操作便利性，結(jié)合人因分析，真實(shí)準(zhǔn)確地反映實(shí)際工藝操作過(guò)程。實(shí)踐表明，利用DELMIA系統(tǒng)結(jié)合以上方法制定汽車裝配工藝，實(shí)現(xiàn)了CAD＼CAPP＼CAM的并行化，能夠及早地發(fā)現(xiàn)工藝缺陷、減少新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期、提高資源的利用率，具有重大的工程意義。

關(guān)鍵詞：DELMIA；虛擬裝配；工藝優(yōu)化；人因分析

中圖分類號(hào)：TH391.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

長(zhǎng)期以來(lái)，CAD 技術(shù)的應(yīng)用和推廣，提高了新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)速度，縮短了新產(chǎn)品推向市場(chǎng)的時(shí)間，提高了產(chǎn)品質(zhì)量，極大地推動(dòng)著制造業(yè)的發(fā)展。但目前，數(shù)字化制造技術(shù)出現(xiàn)一個(gè)癥狀：工藝制定技術(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于產(chǎn)品設(shè)計(jì)技術(shù)和產(chǎn)品制造技術(shù)，嚴(yán)重阻礙了CAD＼CAPP＼CAM的集成化、并行化[1]。即便是復(fù)雜結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品（如飛機(jī)、汽車等）的裝配工藝設(shè)計(jì)仍停留在二維的基礎(chǔ)上。工藝、工裝設(shè)計(jì)員對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和裝配過(guò)程的理解只能通過(guò)頭腦想象二維圖紙的表達(dá)內(nèi)容，這需要豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，而且即便是經(jīng)驗(yàn)豐富的工程師，制定裝配工藝時(shí)難免缺乏周密考慮和疏漏，從而導(dǎo)致了工藝設(shè)計(jì)不合理、零件返修、工裝返修的情況層出不窮。

在現(xiàn)代的制造業(yè)中，裝配工作量占整個(gè)產(chǎn)品生產(chǎn)工作量的20%～70%，平均百分比為45%[2]，而且裝配費(fèi)用占制造總費(fèi)用的20%～30%，若在裝配中發(fā)生問(wèn)題，還會(huì)增加50%的費(fèi)用[3]，因此，如何提高裝配質(zhì)量和裝配效率，是企業(yè)迫切所要解決的問(wèn)題。虛擬裝配技術(shù)是溝通信息系統(tǒng)與制造系統(tǒng)的橋梁，為溝通信息系統(tǒng)與制造系統(tǒng)提供了有效的工具和環(huán)境使裝配系統(tǒng)的產(chǎn)品及其裝配過(guò)程數(shù)字化，以便計(jì)算機(jī)系統(tǒng)處理[4]。 國(guó)外已有好多成功地利用虛擬裝配技術(shù)的案例，其中以波音777的研制最為典型，其整機(jī)設(shè)計(jì)、部件測(cè)試、整機(jī)裝配以及各種環(huán)境下的試飛均在計(jì)算機(jī)上完成，使其開(kāi)發(fā)周期從過(guò)去8年時(shí)間縮短到5年，出錯(cuò)返工率減少了75%，成本降低了25%，成為數(shù)字化設(shè)計(jì)制造與并行工程技術(shù)成功應(yīng)用的典范。然而，國(guó)內(nèi)對(duì)虛擬制造技術(shù)應(yīng)用研究還只停留在理論研究階段[5]，尚未形成工程化應(yīng)用，企業(yè)對(duì)新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)基本上都是采用傳統(tǒng)的工藝規(guī)劃方法。

基于此，本文結(jié)合某轎車的開(kāi)發(fā)，在DELMIA系統(tǒng)中對(duì)整車裝配工藝進(jìn)行可行性驗(yàn)證和人機(jī)操作舒適性分析，通過(guò)虛擬裝配對(duì)轎車進(jìn)行三維數(shù)字化工藝制定，得到了很好的實(shí)際效果。

1 DELMIA系統(tǒng)簡(jiǎn)介[6]

DELMIA是達(dá)索公司開(kāi)發(fā)的一套基于“數(shù)字化工廠”概念的軟件，旨在能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中的工藝信息進(jìn)行協(xié)調(diào)的統(tǒng)一管理。它的底層是一個(gè)PPR-HUB，用來(lái)儲(chǔ)存和集成產(chǎn)品信息、資源信息和工藝過(guò)程信息。在PPR-HUB 的支持下建立了工藝模型，用來(lái)存儲(chǔ)產(chǎn)品信息（Product）、工藝過(guò)程信息（Process）、資源信息（Resource）和之間的關(guān)系。這種信息間的集成平臺(tái)為全系統(tǒng)的信息共享進(jìn)而實(shí)現(xiàn)并行工程和協(xié)同作業(yè)提供了便利[7]。

DELMIA軟件是三個(gè)相互關(guān)聯(lián)的軟件組成：DPE（Digital Process Engineer）、DPM（Digital Process Manufacture）以及QUEST（物流分析工具）。DPE能夠有效地將產(chǎn)品、資源、工藝數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品數(shù)字化工藝規(guī)劃、評(píng)估、優(yōu)化。同時(shí)，DPE是基于Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)的協(xié)同工藝設(shè)計(jì)管理的信息平臺(tái)，用戶可以建立幾個(gè)子項(xiàng)目分工執(zhí)行、集中管理，實(shí)現(xiàn)工藝分析的并行化、集成化，縮短項(xiàng)目開(kāi)發(fā)周期，提高工作效率。DPM提供工藝細(xì)節(jié)規(guī)劃和驗(yàn)證的應(yīng)用環(huán)境，它包括許多模塊，功能十分強(qiáng)大，主要包括：生產(chǎn)線、車間、工廠的3D布局、優(yōu)化；裝配過(guò)程設(shè)計(jì)、仿真；人因工程分析仿真；自動(dòng)規(guī)劃?rùn)C(jī)械加工解決方案；實(shí)現(xiàn)質(zhì)量控制解決方案等等。QUEST是數(shù)值化工程及離散事件仿真軟件，實(shí)現(xiàn)工廠生產(chǎn)系統(tǒng)集成、工藝流程設(shè)計(jì)和可視化解決方案，是用于對(duì)生產(chǎn)工藝流程的準(zhǔn)確性與生產(chǎn)效率進(jìn)行仿真與分析的全三維數(shù)字工廠軟件。

2 汽車虛擬裝配工藝分析

2.1 虛擬裝配工藝分析流程

企業(yè)對(duì)汽車裝配工藝的制定需密切聯(lián)系設(shè)計(jì)部門及資源管理部門，結(jié)合企業(yè)的資源和產(chǎn)品規(guī)劃方案，制定適合本企業(yè)及相應(yīng)車型的工藝方案。對(duì)汽車的虛擬裝配過(guò)程，提出以工藝規(guī)劃為核心。圖1為汽車虛擬裝配工藝制定的流程圖。首先將從產(chǎn)品管理部門與資源管理部門得到的數(shù)模導(dǎo)入DPE，然后工藝設(shè)計(jì)部門根據(jù)所提供的產(chǎn)品和資源信息規(guī)劃出初步工藝，在DPM中進(jìn)行具體的工藝分析，最后分析比較所有合格工藝選擇最優(yōu)，倘若發(fā)現(xiàn)工藝不可行，可以通過(guò)改工藝或與產(chǎn)品設(shè)計(jì)部門或者資源管理部門討論改產(chǎn)品或改工裝夾具來(lái)解決問(wèn)題，改后的新數(shù)模需重新導(dǎo)入DPE進(jìn)行新一輪的工藝驗(yàn)證，直至達(dá)到滿意的效果。

2.2 工藝可行性分析

在汽車裝配工藝制定時(shí)，我們往往關(guān)心的不是各零部件裝配后是否會(huì)影響后面零部件的安裝（這個(gè)在一般的三維軟件中可以通過(guò)零部件隱藏和顯示也能夠觀察），而更加關(guān)心的是裝配的過(guò)程。因?yàn)樵趯?shí)際的裝配過(guò)程中往往會(huì)出現(xiàn)因?yàn)榘惭b空間的限制或安裝路徑的不正確，從而導(dǎo)致了裝配過(guò)程干涉或者須通過(guò)敲打強(qiáng)制裝配，這樣就嚴(yán)重影響了安裝精度，從而影響產(chǎn)品的性能和質(zhì)量。DELMIA系統(tǒng)為此提供了很好的解決方案。我們?cè)谧鐾隃?zhǔn)備工作之后（準(zhǔn)備工作就是完善PPR結(jié)構(gòu)的過(guò)程），模擬實(shí)際安裝路徑規(guī)劃虛擬裝配路徑，再運(yùn)行裝配過(guò)程仿真，就可以很直觀地觀察產(chǎn)品的安裝過(guò)程。若打開(kāi)干涉分析，可以高亮顯示干涉，同時(shí)還可以輸出裝配過(guò)程的干涉報(bào)告。

2.3 工藝在人機(jī)模塊下的驗(yàn)證與優(yōu)化

要完善裝配工藝的制定方法，我們必須引入人因分析。因?yàn)橛袝r(shí)候雖然在進(jìn)行裝配過(guò)程仿真時(shí)不會(huì)出現(xiàn)干涉現(xiàn)象，但是在實(shí)際進(jìn)行裝配時(shí)卻出現(xiàn)由于裝配空間的限制造成人無(wú)法進(jìn)行操作、可執(zhí)行性差等情況而影響了裝配質(zhì)量和裝配效率，這時(shí)我們利用DELMIA的人因分析，模擬現(xiàn)實(shí)裝配過(guò)程就可以提前發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的缺陷。另外，裝配工藝師在制訂工藝時(shí)經(jīng)常會(huì)提出幾種工藝方案而且經(jīng)驗(yàn)證后都能滿足工藝可行性要求，這就需要進(jìn)行人因分析計(jì)算人的負(fù)荷度、疲勞度等來(lái)綜合評(píng)價(jià)工藝的優(yōu)劣，DELMIA集成了RULA分析，根據(jù)工人的作業(yè)姿勢(shì)，可以進(jìn)行快速評(píng)價(jià)，為工人的舒適性打分，綜合最高為7分，分?jǐn)?shù)越高舒適性越差。通過(guò)工人作業(yè)方式的舒適性對(duì)比，確定工藝實(shí)現(xiàn)的作業(yè)方式。

3 總結(jié)

長(zhǎng)期以來(lái)，汽車企業(yè)對(duì)裝配工藝的制定都采用傳統(tǒng)的二維模式，經(jīng)常出現(xiàn)工藝問(wèn)題。本文通過(guò)DELMIA數(shù)字化三維仿真系統(tǒng)，結(jié)合汽車裝配工藝，分析三維數(shù)字化工藝制定方法。通過(guò)采用此方法，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品、資源、工藝數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)CAD＼CAPP＼CAM的并行化，在轎車的試制時(shí)很少發(fā)現(xiàn)裝配工藝問(wèn)題，縮短了開(kāi)發(fā)周期，節(jié)約了開(kāi)發(fā)成本，因而汽車企業(yè)可以借鑒。

另外，將人因分析應(yīng)用到汽車裝配工藝的仿真優(yōu)化過(guò)程中，調(diào)整優(yōu)化工藝方案，充分有效地利用人力資源。

參考文獻(xiàn)

[1] 賈朝定.基于DELMIA的虛擬裝配技術(shù)[C]//鑄劍.國(guó)防科技工業(yè)虛擬制造技術(shù)高層論壇論文集. 西安：中國(guó)航空學(xué)會(huì)，2007：97～101.

[2] 肖田元.虛擬制造及其在轎車數(shù)字化工程中的應(yīng)用[J]. 系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2002，14（3）：342～347.

[3] 寧汝新，鄭軼. 虛擬裝配技術(shù)的研究進(jìn)展及發(fā)展趨勢(shì)分析[J].中國(guó)機(jī)械工程，2005，16（15）：1398～1404.