汽車擾流板生產(chǎn)線設(shè)計(jì)及其工藝過程仿真?

夏琴香 鐘興尉 張洪臣 施進(jìn)文 涂國(guó)慶

(①華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣東廣州510641；②廣州藍(lán)圣智能科技有限公司，廣東廣州511356)

在汽車零部件制造業(yè)中，目前，許多產(chǎn)品的生產(chǎn)過程依然由人工或單機(jī)手動(dòng)完成。隨著人力成本的提高及市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的日益激烈，由工人或單機(jī)手動(dòng)生產(chǎn)的方式已逐漸被以機(jī)器人為基礎(chǔ)的自動(dòng)化生產(chǎn)線的方式代替[1］。目前，在汽車零部件生產(chǎn)工廠中，為了降低勞動(dòng)成本，提升企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，越來越提倡設(shè)計(jì)自動(dòng)化生產(chǎn)線來代替人工進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)。

伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)及其他相關(guān)技術(shù)的快速發(fā)展，虛擬仿真技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到了各個(gè)領(lǐng)域中[2］。在自動(dòng)化生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)對(duì)生產(chǎn)線進(jìn)行建模與仿真，根據(jù)仿真結(jié)果，提早發(fā)現(xiàn)設(shè)備干涉、工藝規(guī)劃不合理等問題，從而對(duì)設(shè)計(jì)及工藝起到指導(dǎo)作用，而且提高了企業(yè)的生產(chǎn)效率，節(jié)約了制造成本[3-4］。郭水軍[5］等基于DELMIA(數(shù)字化企業(yè)精益制造集成式解決方案)軟件開發(fā)出適用于不同沖壓生產(chǎn)線的仿真系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)沖壓生產(chǎn)線的工藝過程規(guī)劃與優(yōu)化分析；杜余剛[6］等在計(jì)算機(jī)虛擬環(huán)境下，對(duì)轎車車身沖壓生產(chǎn)線的生產(chǎn)過程進(jìn)行了仿真，并對(duì)加工性能及存在的問題進(jìn)行分析檢測(cè)。

本文針對(duì)汽車擾流板生產(chǎn)線進(jìn)行自動(dòng)化改造，結(jié)合擾流板組裝生產(chǎn)工藝及其現(xiàn)有設(shè)備，規(guī)劃了一條滿足技術(shù)要求的以機(jī)器人為基礎(chǔ)的自動(dòng)化生產(chǎn)線，設(shè)計(jì)合理的工件定位輸送搬運(yùn)裝置，利用機(jī)器人完成零部件的組裝搬運(yùn)任務(wù)；利用DELMIA軟件搭建虛擬生產(chǎn)線仿真環(huán)境，并進(jìn)行生產(chǎn)線工藝過程的動(dòng)態(tài)模擬，驗(yàn)證生產(chǎn)線設(shè)計(jì)及工藝過程的合理性。

1 擾流板生產(chǎn)線方案設(shè)計(jì)

本文的研究對(duì)象為某汽車擾流板如圖1所示，該擾流板分為內(nèi)板與外板，材料為ABS，該汽車擾流板通過摩擦焊工藝將底板與外板焊接在一起。如圖2所示為汽車擾流板組裝生產(chǎn)線的工藝流程；現(xiàn)場(chǎng)有5名作業(yè)員同時(shí)作業(yè)，作業(yè)員1進(jìn)行剎車燈線束的組裝，然后放置到熔接螺母專機(jī)進(jìn)行螺母的熔接；作業(yè)員2搬運(yùn)內(nèi)板到涂膠工位由機(jī)器人完成內(nèi)殼涂膠，再將內(nèi)外板放置到摩擦焊機(jī)的模具中，完成擾流板的焊接后，再搬運(yùn)到下一工位由作業(yè)員3與4進(jìn)行配件的組裝，包括組裝左右卡片、方片螺母，鎖緊螺釘，貼裝膠條及組裝剎車燈；最后由作業(yè)員5進(jìn)行人工檢查。手動(dòng)及單機(jī)手動(dòng)的生產(chǎn)方式比較穩(wěn)定，但工人勞動(dòng)強(qiáng)度過大，生產(chǎn)效率難以提高。因此，設(shè)計(jì)一種自動(dòng)化生產(chǎn)方式成為企業(yè)的迫切需求。

根據(jù)擾流板的主要工序及其現(xiàn)有設(shè)備的布局方式，對(duì)擾流板組裝生產(chǎn)線進(jìn)行技術(shù)改造。圖3所示為改造后的擾流板自動(dòng)化生產(chǎn)線總體布局圖?？紤]到剎車燈線束在內(nèi)板上的走線復(fù)雜等原因，進(jìn)行自動(dòng)化組裝較困難，故線束組組裝依然由操作員完成；圖3中箭頭表示擾流板及內(nèi)外板的物流走向；其中由內(nèi)板定位輸送裝置將內(nèi)板運(yùn)送到機(jī)器人涂膠工位，由外板定位輸送裝置負(fù)責(zé)將臺(tái)車中的外板運(yùn)送到指定位置，由搬運(yùn)機(jī)器人完成內(nèi)外板的自動(dòng)搬運(yùn)及擾流板的搬運(yùn)；擾流板翻轉(zhuǎn)變位裝置將擾流板翻轉(zhuǎn)180°后，再由機(jī)器人搬運(yùn)至四工位轉(zhuǎn)臺(tái)上，進(jìn)入附近組裝工位，轉(zhuǎn)臺(tái)對(duì)應(yīng)的4個(gè)工位分別為進(jìn)料工位、組裝工位、貼膠條工位及出料工位；出料工位由機(jī)械手將擾流板搬運(yùn)至輸送帶上運(yùn)出，最后由檢驗(yàn)操作員進(jìn)行剎車燈的組裝及終檢，主要驗(yàn)內(nèi)容為外觀缺陷檢查、有無漏裝附件及剎車燈是否有問題。進(jìn)行自動(dòng)化改造后，生產(chǎn)線由5人精簡(jiǎn)到2人。

2 生產(chǎn)線各機(jī)械裝置設(shè)計(jì)

2.1 內(nèi)板搬運(yùn)、定位輸送裝置設(shè)計(jì)

完成線束組裝及熔接螺母后，由內(nèi)板定位輸送裝置將內(nèi)板運(yùn)送至涂膠工位，由機(jī)器人完成內(nèi)板的涂膠。

內(nèi)板定位輸送裝置主要由工件定位夾具、直線導(dǎo)軌、支架及無桿氣缸等組成，結(jié)構(gòu)如圖4所示。工件定位夾具由底板、仿形墊塊、導(dǎo)向限位桿及旋轉(zhuǎn)夾緊氣缸組成，夾緊氣缸伸出端設(shè)置有仿形塊并包裹絨布，能避免夾緊時(shí)刮傷工件。整個(gè)定位夾具通過螺釘與無桿氣缸滑臺(tái)連接。工人將內(nèi)板放置到定位夾具上，按下夾緊指令按鈕，工件定位夾緊后，由無桿氣缸輸送定位夾具至機(jī)器人涂膠工位。

2.2 外板搬運(yùn)、定位輸送裝置設(shè)計(jì)

外板定位輸送裝置負(fù)責(zé)將臺(tái)車中的外板輸送到指定位置，以便搬運(yùn)機(jī)器人搬運(yùn)外板；為保證機(jī)器人放置外板到摩擦焊機(jī)中的位置精度，需要機(jī)器人取件時(shí)，外板已精確定位。如圖5所示為外板搬運(yùn)、定位輸送裝置，主要由外板臺(tái)車、搬運(yùn)機(jī)械手及定位輸送裝置組成，裝置的整個(gè)工作過程可分為粗定位，搬運(yùn)及精定位輸送。

粗定位:外板臺(tái)車中依層存放著外板，臺(tái)車每層均設(shè)計(jì)有仿形限位結(jié)構(gòu)，對(duì)外板進(jìn)行粗定位；支架上設(shè)有定位感應(yīng)鎖緊裝置，當(dāng)臺(tái)車推入到位后，鎖緊裝置對(duì)臺(tái)車進(jìn)行鎖緊限位。

搬運(yùn):搬運(yùn)機(jī)械手主要由Y軸與Z軸直線滑板、抓手、支架及伺服電動(dòng)機(jī)組成，直線滑板采用滾珠絲杠副的傳動(dòng)方式，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手沿Y軸及Z軸的運(yùn)動(dòng)。取件抓手上安裝有真空吸附裝置，采用無痕吸盤吸取外板，并將外板搬運(yùn)至定位輸送裝置上。

精確定位:外板定位輸送裝置與內(nèi)板定位輸送裝置類似，采用無桿氣缸將定位夾具輸送到機(jī)器人取件位置。

2.3 擾流板翻轉(zhuǎn)變位裝置設(shè)計(jì)

內(nèi)外板焊接完成后，需進(jìn)行尾翼擾流板的附件組裝。由于附件的組裝面為擾流板內(nèi)表面，而搬運(yùn)機(jī)器人從摩擦焊機(jī)中搬運(yùn)擾流板時(shí)抓取面為擾流板外觀面，為使機(jī)器人放置擾流板到旋轉(zhuǎn)臺(tái)上時(shí)，內(nèi)表面朝上，則需對(duì)擾流板進(jìn)行翻轉(zhuǎn)變位。

如圖6所示為擾流板翻轉(zhuǎn)變位裝置結(jié)構(gòu)圖。定位旋轉(zhuǎn)夾具上設(shè)置有仿形塊及旋轉(zhuǎn)夾緊氣缸，進(jìn)行擾流板的定位夾緊，兩端設(shè)置轉(zhuǎn)軸，使夾具沿中心軸線轉(zhuǎn)動(dòng)；如圖6中所示，右側(cè)轉(zhuǎn)軸末端安裝有齒輪，由氣缸推動(dòng)齒條運(yùn)動(dòng)，通過齒輪齒條傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)擾流板定位旋轉(zhuǎn)夾具的180°變位。

2.4 四工位分度轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)計(jì)

擾流板從摩擦焊機(jī)搬運(yùn)出來后需要進(jìn)行附件的組裝，圖7所示為連接擾流板組裝工位的四工位分度轉(zhuǎn)臺(tái)。四工位分度轉(zhuǎn)臺(tái)主要由主傳動(dòng)部分及工件定位夾具組成。主傳動(dòng)部分由分度主軸及驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)組成；轉(zhuǎn)臺(tái)安裝在分度主軸上，4個(gè)工件定位夾具沿轉(zhuǎn)臺(tái)中心圓周分布，定位夾具通過兩側(cè)仿形塊及中間仿形限位塊進(jìn)行擾流板的定位，由氣缸驅(qū)動(dòng)夾緊轉(zhuǎn)臂進(jìn)行工件的夾緊；轉(zhuǎn)臺(tái)中間安裝有氣電滑環(huán)，氣電滑環(huán)通過精巧的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)360°旋轉(zhuǎn)，穩(wěn)定傳輸動(dòng)力、信號(hào)及氣體。

2.5 附件組裝工位設(shè)計(jì)

擾流板由搬運(yùn)機(jī)器人搬運(yùn)至四工位分度轉(zhuǎn)臺(tái)的上料工位后，隨著轉(zhuǎn)臺(tái)的旋轉(zhuǎn)，進(jìn)入第二、三工位進(jìn)行附件的組裝；兩個(gè)工位均由機(jī)器人系統(tǒng)及送料系統(tǒng)組成，兩個(gè)工位機(jī)器人末端都安裝有完成指定附件組裝的操作手；第二工位機(jī)器人完成卡片及方片螺母的組裝，并進(jìn)行鎖緊螺釘；第三工位機(jī)器人完成膠條的貼裝。

2.6 下料搬運(yùn)輸送裝置設(shè)計(jì)

下料輸送裝置如圖8所示，主要由取件機(jī)械手及輸送裝置組成，取件機(jī)械手依然采用滾珠絲杠副傳動(dòng)方式的直線滑板實(shí)現(xiàn)取件抓手的移動(dòng)。取件抓手將擾流板從四工位轉(zhuǎn)臺(tái)夾具上取出后，擾流板的外表面處于傾斜狀態(tài)，為避免擾流放置時(shí)出現(xiàn)沖擊損傷外觀面，擾流板外觀面應(yīng)水平地放置到輸送帶上，取件抓手需對(duì)擾流板進(jìn)行旋轉(zhuǎn)變位。因此需將取件抓手設(shè)置成可旋轉(zhuǎn)的形式，轉(zhuǎn)軸一端設(shè)置可調(diào)旋轉(zhuǎn)氣缸，實(shí)現(xiàn)取件抓手的旋轉(zhuǎn)。輸送帶前后端均設(shè)置有傳感器，通過傳感器信號(hào)控制輸送帶減速電動(dòng)機(jī)的起停。

3 擾流板工藝仿真建模

DELMIA是“數(shù)字化企業(yè)精益制造集成式解決方案”的縮寫[7］。 DELMIA 通過 PPR(product、process、resources)Hub將軟件的三大部分(面向制造過程設(shè)計(jì)的DPE、面向工藝過程分析的DPM、面向物流過程分析的QUEST)相互連接，進(jìn)行數(shù)據(jù)共享[8］；它通過建立三維模型及工藝流程，在軟件中進(jìn)行生產(chǎn)過程的動(dòng)態(tài)仿真，并能通過仿真結(jié)果驗(yàn)證機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)工藝及生產(chǎn)布局的合理性，達(dá)到降低設(shè)計(jì)成本及周期的目的。

本文利用DELMIA軟件對(duì)設(shè)計(jì)的擾流板生產(chǎn)線進(jìn)行工藝過程的動(dòng)態(tài)仿真，將擾流板自動(dòng)生產(chǎn)線3D文件轉(zhuǎn)成STP格式，并將數(shù)模導(dǎo)入到DELMIA中，建立生產(chǎn)線仿真模型，實(shí)現(xiàn)仿真模型與設(shè)計(jì)模型的一致性。

3.1 建立資源及產(chǎn)品

本文將摩擦焊機(jī)等設(shè)備、機(jī)器人、四工位轉(zhuǎn)臺(tái)、內(nèi)外板定位輸送等裝置作為資源，將擾流板的內(nèi)外板、擾流板及其附件作為產(chǎn)品導(dǎo)入DELMIA工作環(huán)境下，構(gòu)建擾流板生產(chǎn)線虛擬仿真模型。

3.2 建立仿真運(yùn)動(dòng)模型

進(jìn)行生產(chǎn)線工藝動(dòng)態(tài)仿真前，設(shè)備及機(jī)構(gòu)模型必須設(shè)置合理的運(yùn)動(dòng)副，轉(zhuǎn)化為運(yùn)動(dòng)模型。DELMIA中“Device Building”模塊專用于對(duì)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)及其運(yùn)動(dòng)參數(shù)的設(shè)置。該模塊還包括軟件自帶的機(jī)器人庫(kù)，該機(jī)器人庫(kù)包含當(dāng)今常用的工業(yè)機(jī)器人，如ABB、MOTOMAN等，可方便的調(diào)用[9］。在“Device Building”中可對(duì)機(jī)構(gòu)組件設(shè)置運(yùn)動(dòng)副，如旋轉(zhuǎn)副，移動(dòng)副等。添加運(yùn)動(dòng)副后，運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)可在指定的約束下運(yùn)動(dòng)，這樣各裝置可用于運(yùn)動(dòng)分析。此外，對(duì)于DELMIA中不包含的機(jī)器人，可以將機(jī)器人模型導(dǎo)入軟件中，通過“Device Building”模塊建立機(jī)器人并設(shè)置相關(guān)參數(shù)。

以擾流板外板搬運(yùn)機(jī)械手為例，簡(jiǎn)要介紹本文中各運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的建立方法。外板搬運(yùn)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)模型建立如圖9所示，將外板搬運(yùn)機(jī)械手劃分為三個(gè)部分，分別為Z向移動(dòng)組件、Y向移動(dòng)組件及固定底架組件；在“Device Building”模塊中設(shè)置三者之間的約束關(guān)系并添加移動(dòng)副，搬運(yùn)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)建立后，就可以通過“Jog”功能進(jìn)行運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)參數(shù)等相關(guān)設(shè)置。

3.3 建立人體模型并導(dǎo)入

在DELMIA中的“Human Builder”模塊中擁有涵蓋多個(gè)國(guó)家各種百分位人群的人體模型庫(kù)，可利用虛擬人參數(shù)編輯器建立所用到的人體模型[10］，并將建立好的人體模型導(dǎo)入到仿真環(huán)境中，如圖10所示。后期根據(jù)實(shí)際需要，可利用“Human Task Simulation”定義人體模型的不同姿態(tài)、移動(dòng)的路徑以及添加一些動(dòng)作來仿真工人的實(shí)際工作狀態(tài)(如搬運(yùn)物品、操作設(shè)備等)[11］。

3.4 建立工藝庫(kù)及工藝列表

工藝庫(kù)(process library)是DELMIA系統(tǒng)中儲(chǔ)存工藝宏觀設(shè)計(jì)的文件。根據(jù)工藝流程，在工藝庫(kù)中寫入各工序的名稱、設(shè)置屬性、建立從屬關(guān)系，形成以“.act”為后綴的工藝庫(kù)文件。將建立好的工藝流程文件Process Library.act導(dǎo)入 Process List下的 Process中，建立工藝列表。

3.5 創(chuàng)建仿真行為及任務(wù)

在進(jìn)行尾翼生產(chǎn)線仿真過程前，需對(duì)機(jī)器人及各裝置創(chuàng)建任務(wù)、規(guī)劃運(yùn)動(dòng)軌跡，以保證各工位的生產(chǎn)流程能夠順利進(jìn)行。本文使用DELMIA的“device task definition”模塊進(jìn)行擾流板生產(chǎn)線中各設(shè)備任務(wù)的建立及工作路徑的規(guī)劃。

如圖11所示為利用“device task definition”模塊中“teach a device”命令進(jìn)行搬運(yùn)機(jī)器人的任務(wù)創(chuàng)建并示教；示教器中的“configure an operation”功能可以實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人動(dòng)作的定義，用戶可以根據(jù)需要設(shè)置產(chǎn)品的取放動(dòng)作、機(jī)構(gòu)動(dòng)作的延遲以及設(shè)置動(dòng)作的輸入輸出信號(hào)等，并可以設(shè)置機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)速度及加速度。同樣通過“teach a device”命令可依次建立其他裝置的工作過程，如圖12所示為外板搬運(yùn)機(jī)械手搬運(yùn)過程的建立。

3.6 規(guī)劃工藝順序

完成裝置的任務(wù)創(chuàng)建后，需將任務(wù)分配到工藝中，并進(jìn)行任務(wù)執(zhí)行順序的規(guī)劃，才能對(duì)生產(chǎn)線進(jìn)行工藝過程的仿真。DELMIA中有兩種方法可以建立任務(wù)的邏輯順序，一是使用PERT圖給Activity排序，鏈接各個(gè)Activity，得到整個(gè)Process的邏輯關(guān)系；二是在動(dòng)作序列中建立IO信號(hào)，通過輸入輸出信號(hào)來確定動(dòng)作執(zhí)行的先后順序。本文中擾流板生產(chǎn)線Pert圖如圖13所示。

4 工藝動(dòng)態(tài)仿真及結(jié)果輸出

4.1 生產(chǎn)線動(dòng)態(tài)仿真

完成生產(chǎn)線工藝的設(shè)置后，通過“simulation”工具欄中的“process simulation”指令，如圖14所示，可以進(jìn)行擾流板生產(chǎn)線的動(dòng)態(tài)仿真，驗(yàn)證工藝的合理性，并利用視頻將整個(gè)過程記錄下來，進(jìn)行相關(guān)編輯；視頻可用于在與客戶交流與溝通上，可用于電氣設(shè)計(jì)及設(shè)備調(diào)試的指導(dǎo)文件，還可在項(xiàng)目交接過程中用于工人的培訓(xùn)。

4.2 設(shè)備的干涉檢查

零部件間的相互干涉是機(jī)械設(shè)計(jì)中經(jīng)常出現(xiàn)的問題，在設(shè)計(jì)初期及時(shí)檢查出零部件之間的干涉是一項(xiàng)重要的任務(wù)。DELMIA中可對(duì)零部件之間進(jìn)行靜態(tài)與動(dòng)態(tài)干涉檢查。

動(dòng)態(tài)干涉檢測(cè)功能可在仿真分析工具欄上進(jìn)行設(shè)置。進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真時(shí)，開啟工具欄中的“碰撞檢測(cè)(停止)”命令，各運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)零部件存在運(yùn)動(dòng)干涉的話，仿真會(huì)停止，這時(shí)可檢查發(fā)生干涉的原因，更改結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與設(shè)備布局或重新規(guī)劃?rùn)C(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡。靜態(tài)干涉可對(duì)選定的部件作為碰撞檢測(cè)對(duì)象，并可生成干涉分析報(bào)告。搬運(yùn)機(jī)器人在抓取外板時(shí)的碰撞干涉檢查如圖15所示。檢查結(jié)果顯示搬運(yùn)機(jī)器人抓手與內(nèi)板定位夾具的限位塊發(fā)生干涉，故需對(duì)限位塊的位置進(jìn)行調(diào)整。

4.3 生成離線程序及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試

通過對(duì)整個(gè)工藝過程的仿真，并利用干涉檢查結(jié)果改進(jìn)設(shè)計(jì)，驗(yàn)證了整個(gè)工藝的合理性。如圖16所示為設(shè)備調(diào)試現(xiàn)場(chǎng)。對(duì)于仿真中的機(jī)器人作業(yè)軌跡可“robot offline program”模塊中的“create robot program”指令生成離線程序，將離線程序?qū)氲綑C(jī)器人控制程序中，并對(duì)程序進(jìn)行校核；利用離線程序可以節(jié)省大量的機(jī)器人調(diào)試時(shí)間。

5 結(jié)語

本文以某汽車擾流板生產(chǎn)為研究對(duì)象，通過對(duì)擾流板生產(chǎn)線工藝過程的分析，完成擾流板自動(dòng)化生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)，該生產(chǎn)線對(duì)于企業(yè)提高生產(chǎn)效率及市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力有著重要的意義。通過將擾流板生產(chǎn)線三維模型導(dǎo)入到DELMIA軟件中，建立資源、運(yùn)動(dòng)仿真模型及工藝列表，并創(chuàng)建Activity邏輯順序等完成擾流板生產(chǎn)線過程的仿真，并根據(jù)仿真結(jié)果，檢查設(shè)備干涉，提早發(fā)現(xiàn)不合理的設(shè)計(jì)，進(jìn)而優(yōu)化設(shè)計(jì)，達(dá)到降低成本目的。通過生產(chǎn)線的動(dòng)態(tài)仿真視頻及機(jī)器人離線程序指導(dǎo)設(shè)備的安裝及調(diào)試，提升了工作效率，減少了設(shè)備交期。