劉 琨 徐立云

（同濟(jì)大學(xué) 機(jī)械與能源工程學(xué)院，上海 201804）

數(shù)字化工廠興起于20世紀(jì)90年代初期，作為德國工業(yè)4.0、中國制造2025、美國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等發(fā)展戰(zhàn)略的基礎(chǔ)，是制造業(yè)發(fā)展必然經(jīng)歷的階段，已經(jīng)是國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。

生產(chǎn)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真規(guī)劃的工具主要可以分為三種類型，第一類是通用計(jì)算機(jī)程序語言（FORTRAN、C、C++等），第二類是仿真語言（GPSS、SIMPLE++等），第三類是通用仿真軟件環(huán)境，前兩種對(duì)設(shè)計(jì)人員的編程能力要求很高，但通用性較好[1]。第三種工具易于學(xué)習(xí)和掌握，把生產(chǎn)系統(tǒng)各環(huán)節(jié)定義為各種實(shí)體，通過設(shè)置實(shí)體屬性建立實(shí)體間聯(lián)系，構(gòu)成生產(chǎn)系統(tǒng)的仿真模型，目前已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。國外開發(fā)的這類商用計(jì)算機(jī)仿真軟件很多（如ProModel、Deneb/QUEST、eM-Power系列軟件、Prosim、Ithink等）[2]。行業(yè)內(nèi)比較出名的是法國Dassault公司和德國Siemens公司開發(fā)的DELMIA、Tecnomatix等滿足數(shù)字化工廠需求的成套系列軟件，軟件功能包括工廠及生產(chǎn)線規(guī)劃仿真、工藝規(guī)劃、物流仿真、加工仿真、質(zhì)量控制、生產(chǎn)管理和企業(yè)管理[3]。Tecnomatix是 Siemens PLM Software提供的數(shù)字化制造解決方案，通過將制造規(guī)劃從工藝布局和設(shè)計(jì)、工藝過程仿真和驗(yàn)證到制造執(zhí)行與產(chǎn)品設(shè)計(jì)連接起來，在機(jī)械、高科技電子、航空與國防、汽車行業(yè)取得廣泛應(yīng)用[4]。國內(nèi)研究機(jī)構(gòu)對(duì)數(shù)字化仿真技術(shù)也有所研究，華中科技大學(xué)CAD國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在“珠江鋼鐵廠虛擬工廠仿真”項(xiàng)目中，應(yīng)用Deneb軟件，對(duì)整個(gè)廠房布局、生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行了數(shù)字化建模，仿真了軋鋼生產(chǎn)線的工作流程及輔助設(shè)備的生產(chǎn)運(yùn)行。上海交通大學(xué)CIMS研究所應(yīng)用eM-plant和Deneb等虛擬工廠仿真軟件，在上海大眾汽車有限公司的發(fā)動(dòng)機(jī)廠生產(chǎn)線技術(shù)改造項(xiàng)目中，也獲得了很好的效益[5]。

本文利用Siemens的Tecnomatix-Process Designer（PD）/Proccess Simulate（PS）軟件對(duì)某企業(yè)的自動(dòng)變速器裝配線的產(chǎn)品、裝配資源、工藝操作進(jìn)行整合，通過Pert圖將資源分配至工位并對(duì)操作進(jìn)行排序，完成裝配線的三維布局，最后對(duì)復(fù)雜機(jī)器人關(guān)鍵工位進(jìn)行分析。

1 PD/PS介紹

PD是一個(gè)多層數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)，將產(chǎn)品信息與產(chǎn)品制造特征、制造資源和制造工藝關(guān)聯(lián)在一起，這種關(guān)聯(lián)關(guān)系貫穿于整個(gè)產(chǎn)品生產(chǎn)制造過程中。PS是一個(gè)集成式的虛擬制造平臺(tái)，提供了一個(gè)基于數(shù)據(jù)庫的無縫的工藝過程模擬功能，所有的PS中的工藝數(shù)據(jù)和流程在個(gè)模塊下都可以進(jìn)行三維的虛擬分析模擬和驗(yàn)證，如裝配路徑的分析、順序的調(diào)整、人機(jī)工程的分析評(píng)價(jià)、機(jī)器人路徑的優(yōu)化等。

2 基于PD的裝配線建模

本文對(duì)某自動(dòng)變速器裝配線進(jìn)行數(shù)字化工藝規(guī)劃和仿真，該裝配線包括總裝線、軸承座分裝線、主箱體分裝線、制動(dòng)器分裝線和后殼體分裝線。在PD中建模前需要將零件和設(shè)備的三維數(shù)模轉(zhuǎn)換成PD能夠識(shí)別的.co格式。PD中裝配線建模過程如下。

2.1 新建項(xiàng)目

點(diǎn)擊菜單欄中File，選擇New Project選項(xiàng)生成新項(xiàng)目，輸入名稱后確認(rèn)。

2.2 創(chuàng)建子目錄

在新項(xiàng)目打開快捷菜單選擇New，然后在彈出的窗口的選中Collection，在其后面的文本框中輸入需要的數(shù)量，建立所需要的文件夾，并依次重命名。

2.3 創(chuàng)建操作庫、資源庫、產(chǎn)品庫

在Libraries文件夾下對(duì)應(yīng)的項(xiàng)目中創(chuàng)建Operation Library，即操作庫，因?yàn)槟匙詣?dòng)變速器裝配線上有很多操作是各工位公有的操作，故下設(shè)兩個(gè)操作庫Basic Operation Library 和 Special Operation Library， 在兩個(gè)操作庫添加Compound Operation將各操作錄入。資源庫和產(chǎn)品庫的建立與操作庫相同。

2.4 建立裝配線模型的基本框架

將裝配線模型建立在Process目錄下，新建PrLine，在創(chuàng)建PrLine的同時(shí)會(huì)生成一個(gè)孿生的PrLineProcess，藍(lán)色表示資源樹，紅色表示工藝樹，在資源樹下新建PrZone和PrStation。選中資源樹的根節(jié)點(diǎn)，使用Synchronize Process功能，使工藝樹按照資源樹同步更改，建好后的裝配線模型如圖1所示。

2.5 操作、零件、資源分配到工位

將操作從OperationLibrary拖拽到操作樹對(duì)應(yīng)的工位上，在操作樹上對(duì)應(yīng)的工位用Pert圖對(duì)操作進(jìn)行排序，同時(shí)加載Product中的零件庫，將零件關(guān)聯(lián)至工位。資源分配到工位的方式與操作相同，從資源庫將資源拖拽至資源樹。

圖1 裝配線模型

3 基于PS的裝配線布局

在PD完成操作樹、產(chǎn)品樹和資源樹的建立并關(guān)聯(lián)至工位后，復(fù)制工藝樹和資源樹至StudyFolder，選擇該裝配線模型，以PS標(biāo)準(zhǔn)模式打開。在Object Tree點(diǎn)擊需要放置零件或資源左邊的白色邊框，點(diǎn)擊可以對(duì)目標(biāo)進(jìn)行平移和旋轉(zhuǎn)。選擇Change ViewPoint，改變觀察視角。點(diǎn)擊可以將目標(biāo)從一個(gè)參考坐標(biāo)系移動(dòng)到另一個(gè)參考坐標(biāo)系，當(dāng)零件或設(shè)備資源需要貼合或有較簡(jiǎn)單的相對(duì)位置關(guān)系時(shí)，用此移動(dòng)方法效率較高，裝配線最終布局如圖2所示。

圖2 某自動(dòng)變速器裝配線整體布局

4 基于PS的復(fù)雜工位分析

4.1 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)參數(shù)設(shè)定

3D環(huán)境下仿真模擬分析有單臺(tái)或多機(jī)器人裝配線的裝配過程，主要分析和優(yōu)化設(shè)備的運(yùn)動(dòng)路線、節(jié)拍以及離線編程應(yīng)用。PS可以定義設(shè)備的機(jī)構(gòu)屬性。機(jī)器人庫中的機(jī)器人均有齊備的關(guān)節(jié)定義屬性，不需要額外定義。在某自動(dòng)變速器裝配線上用到一臺(tái)機(jī)器人，現(xiàn)對(duì)其進(jìn)行定義。

4.1.1 定義夾具

選中夾具，并打開Tool Definition視圖進(jìn)行夾具的類型定義，選工具類型為Gripper，TCP Frame為TCPF1坐標(biāo)系。Base Frame設(shè)定在夾具的底部特征中心。選中夾具，打開Kinematics Editor，構(gòu)建相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系。

4.1.2 定義機(jī)器人

選中機(jī)器人，打開Kinematics Editor，定義機(jī)器人的機(jī)構(gòu)，如圖3所示。應(yīng)用Mount功能，將夾具底端坐標(biāo)與機(jī)器人末端坐標(biāo)相重合，從而將夾具安裝于機(jī)器人上。

4.1.3 托盤

某自動(dòng)變速器的托盤可以使前殼體夾緊定位，同時(shí)可以在與輥道輥?zhàn)由夏妇€平面的垂直面360°任意反轉(zhuǎn)。故用同樣方法對(duì)托盤的兩個(gè)機(jī)構(gòu)添加旋轉(zhuǎn)的機(jī)構(gòu)動(dòng)作。

4.2 復(fù)雜工位動(dòng)作規(guī)劃

現(xiàn)對(duì)總裝線上的OP140工位機(jī)器人進(jìn)行動(dòng)作規(guī)劃，該工位工序內(nèi)容如表1所示，其作業(yè)動(dòng)作包括托盤的平動(dòng)，機(jī)器人的抓取和放置動(dòng)作，合箱設(shè)備的加緊、放置和復(fù)位動(dòng)作。PS中機(jī)器人有三種操作生成方式，分別是Device Operation、Pick and Place Operation以及 Continuous Feature Operation功能。Device Operation基于機(jī)器人兩個(gè)姿態(tài)生成操作。Pick and Place根據(jù)夾具抓取時(shí)的初、末兩點(diǎn)姿態(tài)生成操作。Continuous Feature Operation通過手動(dòng)添加路徑點(diǎn)，精準(zhǔn)控制機(jī)器人在過程中的動(dòng)作，從而生成操作。下面將闡述PS中工位動(dòng)作規(guī)劃的過程。

圖3 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的定義

表1 OP140工位工序內(nèi)容

4.2.1 托盤輸送到位并停止

將變速器前殼固定在總裝托盤上，使用Device Operation功能反轉(zhuǎn)前殼體準(zhǔn)備與主箱體合箱，使用Object Flow Operation定義托盤從上一工位至該工位的合箱設(shè)備的平移運(yùn)動(dòng)。

4.2.2 托盤舉升定位裝置對(duì)托盤定位

托盤舉升定位裝置的移動(dòng)為平移，使用Object Flow Operation對(duì)定位動(dòng)作進(jìn)行定義。

4.2.3 機(jī)器人抓取主箱體

移動(dòng)機(jī)器人末端執(zhí)行器到主箱體分裝線OPM05工位上端，標(biāo)記該點(diǎn)；調(diào)整執(zhí)行器高度至主箱體正上方高100mm位置（避免干涉），標(biāo)記該點(diǎn)；調(diào)整機(jī)器人末端，使TCP坐標(biāo)系對(duì)準(zhǔn)主箱體上的定位特征，標(biāo)記該點(diǎn)；通過Gripper Operation定義夾具動(dòng)作，完成主箱體抓取。

4.2.4 機(jī)器人將主箱體翻轉(zhuǎn)后裝到合箱設(shè)備上

調(diào)整TCP坐標(biāo)至合箱設(shè)備正前方，標(biāo)記該點(diǎn)；調(diào)整TCP位置使執(zhí)行器到達(dá)總裝托盤正上方100mm位置，標(biāo)記該點(diǎn)；然后調(diào)整TCP位置使其對(duì)準(zhǔn)前殼體上的定位特征，標(biāo)記該點(diǎn)；通過Gripper Operation定義夾具動(dòng)作，放下主箱體。

4.2.5 合箱設(shè)備夾緊、合箱及復(fù)位

采用Object Flow Operation定義合箱設(shè)備的夾緊、合箱和復(fù)位動(dòng)作。

4.2.6 舉升定位下降

采用Object Flow Operation對(duì)舉升定位裝置的下降動(dòng)作進(jìn)行定義。機(jī)器人的動(dòng)作路徑如圖4所示。

圖4 OP140工位機(jī)器人動(dòng)作路徑

4.3 機(jī)器人可達(dá)性分析

PS能夠在規(guī)劃階段對(duì)機(jī)器人工位進(jìn)行機(jī)器人可達(dá)性檢驗(yàn)，避免了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試機(jī)器人發(fā)現(xiàn)部分位置不可達(dá)后更改裝配線布局的問題。運(yùn)用PS的Reach Test功能可以導(dǎo)入機(jī)器人需要到達(dá)的路徑點(diǎn)，得到的可達(dá)性分析結(jié)果如圖5所示，機(jī)器人可以達(dá)到規(guī)劃好的路徑上的所有關(guān)鍵點(diǎn)。

圖5 OP140工位機(jī)器人可達(dá)性分析

4.4 機(jī)器人干涉分析

使用PS的干涉分析功能可以在零部件裝配移動(dòng)過程中實(shí)時(shí)進(jìn)行干涉檢查，檢查零部件、工裝在裝配過程中是否和其他零部件或裝配資源發(fā)生干涉。模擬零部件在裝配過程中可能發(fā)生的時(shí)間，能夠幫助用戶分析裝配過程并檢測(cè)可能產(chǎn)生的錯(cuò)誤，當(dāng)遇到干涉和失調(diào)時(shí)能夠及時(shí)停止仿真，允許在整個(gè)過程中標(biāo)注和修改出現(xiàn)的問題[6]。

設(shè)置好所有需要觀察的干涉組合和干涉條件后，對(duì)工位動(dòng)作開始仿真。仿真過程中，所有的干涉組合沒有出現(xiàn)干涉現(xiàn)象，作業(yè)完成后的工位狀態(tài)如圖7所示。

圖6 干涉設(shè)置

圖7 干涉分析結(jié)果

5 結(jié)語

本文介紹了應(yīng)用PD/PS進(jìn)行裝配線工藝規(guī)劃和布局仿真的過程。首先介紹了兩款軟件的基本功能；其次基于PD建立了某自動(dòng)變速器的裝配線模型，將操作、零部件、資源關(guān)聯(lián)至工位；再次基于PS完成自動(dòng)變速器裝配線的三維布局；最后在PS中對(duì)復(fù)雜工位OP140進(jìn)行分析，規(guī)劃了機(jī)器人運(yùn)動(dòng)路徑，通過機(jī)器人可達(dá)性分析和干涉分析，驗(yàn)證了工藝方案的可行性。通過數(shù)字化工藝規(guī)劃，人們實(shí)現(xiàn)了裝配工藝的全周期管理，大大提高了裝配線工藝文件的管理效率，簡(jiǎn)化了新裝配線工藝的設(shè)計(jì)流程，有利于提高企業(yè)的工藝設(shè)計(jì)水平。

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