基于DELMIA建立汽车总装工艺分析方法及优化

　　摘要：基于DELMIA软件以汽车后风挡玻璃安装模拟为例实现对整个汽车生产线仿真模拟，通过对后风挡装配工位标准作业分析，现生产工装模型的建立与调入，机器人仿真动作建立，搭建虚拟仿真平台，最终通过光学全身动捕系统优化和完善人员动作，使仿真的真实度向现生产高度逼近。通过仿真平台对新车型进行总装工艺校核、定义总装零部件装配顺序和计算生产节拍，从而替代工艺验证样车，极大缩短产品开发工艺验证周期。虚拟仿真工厂的应用切实有助于加快汽车产品的上市速度，提升企业的竞争力。

　　本文源自汽车工艺与材料,2020(09):46-50.《汽车工艺与材料》杂志创刊于1986年，是由中国汽车工程学会和长春汽车材料研究所共同主办的国内、外公开发行的汽车制造类月刊，依托中国最大的汽车技术研究中心雄厚的技术资源，全面报道汽车先进制造工艺与材料应用的专业性杂志。

　　1、前言

　　目前汽车销售行业整体从高速发展期进入成熟期，虽然国内汽车保有量不断上升，但国内汽车市场受到外企及合资企业的冲击，国产汽车发展空间受到很大的限制。在市场如此严峻的情况下，如何能在保证质量的情况下缩短汽车产品的研发周期成为重中之重。汽车的开发流程按照阶段可以划分为产品策划、工程设计、生产准备、试生产和产品上市5个阶段，生产准备阶段又可分为验证样车阶段和工程样车阶段，这一阶段几乎能占整车开发周期的1/3，这一阶段的工作内容中很重要的一项就是验证汽车的总装工艺性。利用DELMIA软件可以搭建和总装生产线高度重合的虚拟生产线，在工程设计阶段将设计过程中的零部件3D数模导入虚拟生产线实现总装工艺的分析。目前DELMIA在航空、航天、汽车以及船舶等方面都有应用，是一个集设计、制造、维护、人机过程为一体的仿真平台。不同与以往传统数字化电子样车分析手段，利用“数字样机”的三维数据，用DELMIA建立“某一工位”仿真并结合ART优化。能够实现从“数字样机”到“数字制造”的进一步延伸。

　　DELMIA软件是数字化企业的互动制造应用软件，具有机器人仿真、人机分析和装配分析等多个模块，利用其搭建的虚拟生产线能够和现实的生产线高度重合，能够保证总装工艺验证结果的可信度。利用DELMIA软件进行汽车的总装工艺分析，该分析过程能在产品的3D数据生准发放之前完成，不仅能够实现生产准备阶段和工程设计阶段的高度重合，而且能够极大缩减产品的物理样车工艺验证周期，甚至可以取消验证样车及工程样车阶段。利用DELMIA进行整车工艺分析具有节约成本、避免生产资源浪费以及缩短汽车开发周期等优点。

　　2、利用DELMIA搭建虚拟仿真工厂

　　DELMIA主要由3个子模块组成，分别为面向制造过程设计的DPE、面向装配过程分析的DPM和面向物流过程分析的QUEST[1]。PPRHUB是DELMIA的核心,是沟通生产过程中产品、工艺和资源，进行设计、验证和规划的桥梁。DPM与DPE,QUEST以及CATIA之间的数据传输可通过PPR结构树完成[2]。

　　搭建一个和现实生产线高度重合的虚拟生产线是一项长期的工程，需要协调各方面的资源共同完成。实现生产线的虚拟仿真需要按整车总装件逐步建立，参考现有同平台生产线标准作业制定安装顺序及安装工位，再根据工位的划分逐个对每个操作进行模拟，最终实现整条生产线的仿真。完成仿真过程需要用到以下3个模块，面向装配过程分析的DPM、面向人机分析的Human和面向机器人仿真的Robotics。要实现工位仿真过程，需要经过工位分析、数据建模以及虚拟仿真搭建3个步骤。下面以某车型为例建立后风挡仿真装配。

　　2.1工位分析

　　2.1.1作业流程

　　根据新车型的特征及参考同平台生产线的装配顺序定义新车型的后风挡装配作业流程，见图1。

　　图1后风挡装配作业流程

　　2.1.2工装设备

　　对于同平台工装，需经过工艺部门进行确认，对可沿用的设备进行数据的测量建模，或通过设备供应商处获取。不可沿用的设备需工艺部门提供方案进行数模的建立。之后按照车间平面布置图布置摆放设备位置，形成与实际工位一致的虚拟操作环境。

　　2.1.3生产节拍

　　为使仿真能更好地拟合实际生产节拍，这里将仿真动作时间划分为3个部分。

　　a.第1部分是后风挡玻璃运动的时间，根据定义的后风挡玻璃运动路径及参考同平台安装速度，在DELMIA中进行模拟，记录好每种运动的模拟时间，作为玻璃所有运动的时间依据。

　　b.第2部分是操作者操作的时间，根据定义的操作者的操作项目，使用光学全身动捕系统进行模拟操作，记录好完成每项工作及每个动作的保持时间，以完成一次产品安装的所有记录时间为1组数据，由于操作者工作动作变化、工作效率变化等不确定因素，需要记录20组数据取平均数以保证数据的准确性。

　　c.第3部分是机器人工作的时间，根据风挡玻璃的涂胶路径和机器人的工作指令模拟机器人的时间。将以上3部分时间按照操作流程先后顺序建立指令表，指导仿真动作建立顺序，见表1～表3。

　　表1后风挡玻璃运动时间

　　表2操作者操作时间

　　表3机器人工作时间

　　2.2DELMIA环境中后风挡安装工位建模

　　风挡安装工位由多种工装设备及工装辅具组成，而且是多种设备及操作者的协同工作完成后风挡的安装，此工位的工作环境是相当复杂的，需要提取工位的各组成单元的特征参数，使用DEL-MIA软件对该生产工位的各单位进行建模并按照实际工位的布局进行装配。

　　该工位除待装配产品外还有物料架、涂胶操作台、玻璃吸盘、吸盘架、两侧台阶及2个操作工，其中涂胶操作台模拟仿真运动需要按照运动及功能划分为运动件和静止件。运动件包括放料台、涂胶瓶、升降台、对中台、2对夹紧臂、涂胶机器人和翻转电机手，其中涂胶机器人需要在DELMIARobotics模块中建立，将机器人的各个运动部位均按照单个运动件划分。静止件包括支撑涂胶机器的架子、传料带、防护隔板以及液压装置，其中传料带因为在DELMIA中无法实现柔性件的仿真，因此可看作静止件。按照以上的零部件划分方案，根据其实际的特征参数进行建模工作，而后使用装配工具搭建虚拟工位环境。

　　涂胶机器机器人模型与其他模型不同，除了需要按照特征的结构参数建模，还需要在插入虚拟工厂的环境前进行机器人运动约束的建立。机器人的建立过程分以下4个步骤。

　　a.将机器人的各运动部位分别建模，搭建成装配文件;

　　b.新建机械装置将该机器人的6个旋转运动添加运动副约束;

　　c.定义机器人的Base和Tool坐标;

　　d.定义各关节的角度约束。

　　2.3进行虚拟仿真搭建[2]

　　2.3.1环境设定

　　在选项中将制造的数字化处理模块Hierarchytree下的选项全都选中。目的是将赋予Process的产品和资源等信息在结构树上显示出来。

　　2.3.2创建ProcessLibrary

　　a.新建ProcessLibrary，在ProcessLibrary界面创建“后风挡玻璃安装”活动。

　　b.创建工序。创建“取玻璃”、“放置玻璃”、“玻璃底涂”、“传送”、“安吸盘”和“上车”等多个工序作为“后风挡玻璃安装”的子集。

　　2.3.3插入Activity

　　a.将刚建立的ProcessLibrary插入PPR结构树。

　　b.按照ProcessLibrary搭建的层级依次建立Activity。

　　c.打开Process内部工艺流程图，将流程图中的工序按照规划进行排序。

　　2.3.4插入产品和资源

　　a.将地板、工具、设备等资源插入到ResourcesList。

　　b.依次将玻璃、车身、Woker、Robot等资源插入到ProductList。

　　c.按照产品规划路线将产品和资源插入对应的Activity。

　　2.3.5创建运动仿真

　　a.创建产品和资源的运动，在Activity的产品与资源中创建产品或资源的运动仿真。

　　b.创建人员任务，创建HumanTask;对人员新任务下的HumanTask进行动作编辑。

　　c.设置活动任务，将已建立人员任务赋给相关活动。1个工人可以建立多个任务，但是1个工艺下同1个工人只能设置1个任务。

　　d.创建机器人任务，规划机器人运动轨迹;创建RobotTask;按照规划运动轨迹驱动Tool，形成Operation并适当调整。

　　e.仿真模拟，检测任务动作的仿真程度，可以适当对人员动作进行调整(图2)。

　　图2DELMIA仿真运动的模拟

　　3、利用动捕系统优化人员动作

　　3.1优化的必要性

　　利用DELMIA面向人机分析的Human模块可以实现后风挡安装虚拟操作人员动作的编辑，但是当前人机装配存在很多不足。

　　a.在当前人机装配中对虚拟操作者按照操作者操作指令编辑动作时，需使用鼠标键盘操作虚拟操作者，人为设计虚拟操作者动作，鼠标控制动作虚拟操作者关节的位置，角度。操作步骤繁琐，效率低，且真实性较差。

　　b.在后风挡安装工位操作者操作动作的重复性很高，传统设计的人物动作定制性强，针对重复的动作需要再次制作，浪费大量的设定时间。

　　c.后风挡玻璃的安装过程需要2个操作者共同完成工作，则在DELMIA中需要设定2个能够协调运动的虚拟操作者，该设定过程极其繁琐，工作量能够达到仿真工作的50%，且软件专业知识要求高。

　　3.2解决方案

　　使用光学全身动捕系统(全身关节与手部关节追踪设备及配套软件)，将真实操作者与DEL-MIA中的虚拟操作者绑定，由真实操作者实时驱动虚拟操作者高效、真实、准确地完成取玻璃、底涂、安吸盘及安装玻璃等复杂繁琐的动作编辑，完成玻璃安装工位的人机装配任务。

　　3.3操作步骤

　　a.开启ART，进行初始设置。

　　b.进入人机工程学设计与分析Humanbuilder模块创建角色虚拟角色。

　　c.设置人物体型，添加关节数据。

　　d.进行仿真计算，将Devicekind参数设置为Immersive，进行仿真计算。

　　e.虚拟角色与数据匹配。

　　f.选择Suitmanagement标签。

　　3.4技术路线

　　a.使用光学全身动捕设备，获取真实操作者的躯体动作数据，包含人物肢体的位置与角度信息。

　　b.使用手部追踪设备，获取真实操作者的手部关节动作数据。

　　c.将获取的全身及手部数据导入DELMIA中，转换为可以驱动虚拟操作者的数据格式。

　　d.在已经搭建好的虚拟工厂环境中驱动虚拟操作者完成后风挡安装的全部操作，生成运动路径信息并保存。

　　e.将保存的人员运动插入到虚拟环境中，通过调整流程图的顺序完成全部仿真过程(图3)。

　　图3利用动捕设备优化人员动作

　　3.5时间对比

　　使用传统的DELMIA创建“后风挡安装”工位人员全套动作需要花费70个工时。但是使用ART动捕设备辅助创建人员动作则只需要16个工时即可完成。若将ART动捕设备运用于建立完整的生产线仿真工程，可以节省大量的时间成本。

　　4、结论

　　基于DELMIA和光学全身动捕系统搭建完整的汽车后风窗的装配虚拟生产工位，实现过程主要分2个步骤。

　　a.结合前期对工位的分析利用DELMIA可以实现汽车总装生产线自动化设备、工装设备、车身运动等模型的建立以及非人参与的运动的模拟。

　　b.利用光学全身动捕系统将后风挡安装人员的运动捕捉并发送到DELMIA中与第一步形成的模拟运动结合，实现完整的仿真模拟。

　　利用DELMIA建立虚拟生产线能在汽车的工程设计阶段进行总装工艺校核、定义总装零部件的装配顺序和计算汽车的生产节拍，建立后的仿真平台能替代试制及慢装车过程中工艺验证样车，大大缩短产品开发工艺验证周期，加快汽车产品的上市速度，提升企业的竞争力。

　　参考文献:

　　[1]盛选禹.DELMIA人机工程模拟教程[M].北京:机械工业出版社,2009.

　　[2]陈宁,解彦琦,吕庆伦.基于DELMIA的发动机装配过程可视化仿真[J].计算机辅助工程,2010(4):66-69.