基于DELMIA的工藝仿真在工法設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

羅 金，萬 莉，慈元茂

（滬東中華造船（集團(tuán)）有限公司，上海 200129）

0 引言

近年來現(xiàn)代重工、三菱重工、川崎等知名造船公司加大了數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用的力度，建立基于模型的定義（Model Based Definition，MBD）的船舶設(shè)計(jì)模式，節(jié)約了設(shè)計(jì)建造成本，縮短了船舶建造周期，成為日韓船企的殺手锏，也給中國造船業(yè)帶來巨大壓力[1]。研究虛擬裝配、現(xiàn)場可視化等符合國內(nèi)船企的虛擬建造設(shè)計(jì)技術(shù)，快速趕上日韓先進(jìn)船企的現(xiàn)代造船水平，通過數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)三維模型在制造過程中的傳遞，將極大提高產(chǎn)品制造效率和制造質(zhì)量。虛擬建造技術(shù)具有非常重要的工程應(yīng)用價(jià)值。

1 創(chuàng)建裝配工藝計(jì)劃

1.1 創(chuàng)建工藝庫

工藝庫（process library）是DELMIA中存儲(chǔ)工藝宏觀設(shè)計(jì)的文件，根據(jù)裝配流程圖（Detail Assembly Procedure，DAP）的建造流程（或者是建造仿真的規(guī)劃），在工藝庫中寫入各個(gè)工序的名稱、設(shè)置工序相關(guān)屬性并組織其層次，形成以.act為后綴的工藝庫文件，供后期仿真使用。工藝庫中的工序指的是一個(gè)（或一組）工人在一個(gè)工作地點(diǎn)對(duì)一個(gè)（或幾個(gè)）勞動(dòng)對(duì)象連續(xù)進(jìn)行生產(chǎn)活動(dòng)的綜合，是組成生產(chǎn)過程的基本單位。一個(gè)裝配工序下有若干個(gè)工步，一個(gè)工步下有若干個(gè)裝配操作，一個(gè)裝配操作下有若干個(gè)裝配動(dòng)作。工序、工步、裝配操作均由Activity節(jié)點(diǎn)表示，裝配動(dòng)作由MOVE動(dòng)作、抓取動(dòng)作來實(shí)現(xiàn)。工序的劃分，以中小組立的工作地是否改變作為依據(jù)，對(duì)于同一個(gè)工序的操作者，工作地和勞動(dòng)對(duì)象是固定不變的，如果有一個(gè)要素發(fā)生變化，就構(gòu)成了另外一道工序[2]。圖1是通過工藝庫創(chuàng)建的某LNG船小組立的工藝庫文件。

圖1 某LNG船AH3L小組立工藝庫創(chuàng)建

1.2 創(chuàng)建工藝計(jì)劃

創(chuàng)建裝配工藝計(jì)劃，即工藝順序規(guī)劃，是在DPM 裝配仿真環(huán)境下建立起一系列完整的裝配工藝，表現(xiàn)為針對(duì)各級(jí)中間產(chǎn)品，建立起每一個(gè)步驟的操作工藝，并且建立起它們之間的前后或并列關(guān)系，為每個(gè)操作的工藝活動(dòng)指派對(duì)應(yīng)的產(chǎn)品對(duì)象或資源項(xiàng)目。創(chuàng)建工藝裝配計(jì)劃對(duì)于裝配計(jì)劃制定以及裝配工藝的優(yōu)化是一件非常有意義的基礎(chǔ)性工作，這個(gè)工作一旦做好了，很多工作都可以在此基礎(chǔ)上進(jìn)行深化和細(xì)致的開展。工藝計(jì)劃一旦制定了，就可以將其存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫中，以便其他工程項(xiàng)目的調(diào)用和細(xì)化，圖2和圖3展示了為某LNG船典型中間產(chǎn)品創(chuàng)建工藝計(jì)劃。

圖2 插入工藝庫

圖3 創(chuàng)建工藝活動(dòng)

裝配工藝活動(dòng)之間的操作順序關(guān)系設(shè)置可以在PERTChart流程圖內(nèi)進(jìn)行，通過選擇“數(shù)據(jù)視圖”工具欄中的“PERTChart”命令進(jìn)入。它是一種圖形化方式表現(xiàn)的流程圖，通過“插入”菜單或者“活動(dòng)管理”工具欄中的“連接活動(dòng)”命令，可以讓操作者以直觀、動(dòng)態(tài)和友好的交互方式完成活動(dòng)順序的排序和更改，形成完整的串并聯(lián)活動(dòng)流程圖，操作結(jié)果將直接反映在 PPR結(jié)構(gòu)樹的工藝活動(dòng)列表中，如圖4所示[3]。

圖4 典型中間產(chǎn)品前后工藝活動(dòng)的調(diào)整

工藝順序定義好之后，可為每個(gè)活動(dòng)指派產(chǎn)品對(duì)象或者資源項(xiàng)目。不同的中組立、小組立可以在這個(gè)階段指派給不同的工藝步驟，通過“Unassigned Products”核查哪些產(chǎn)品或者資源沒有進(jìn)行工藝指定或分派。

1.3 檢查工藝過程

在仿真開始之前，一般要先用工藝流程確定（process verification）來對(duì)工藝和產(chǎn)品的關(guān)系做一次檢查確認(rèn)，如圖5所示。工藝流程確認(rèn)功能允許設(shè)計(jì)人員按照工藝流程計(jì)劃來確認(rèn)工藝流程順序，通過這個(gè)過程可以直觀地看到各個(gè)組立的工藝工作。

圖5 典型中間產(chǎn)品工藝過程的檢查

2 創(chuàng)建裝配仿真運(yùn)動(dòng)

可行的裝配工藝流程，應(yīng)該讓每個(gè)零部件在裝配過程中都具有可行的裝配路徑，不會(huì)與其他中小組立或是工藝設(shè)備發(fā)生碰撞，以保證裝配工作的有序進(jìn)行。因此裝配流程工藝的建立，并不代表裝配工藝規(guī)劃已結(jié)束，需要利用裝配仿真運(yùn)動(dòng)，對(duì)船舶中間產(chǎn)品流程的可行性進(jìn)行反復(fù)的分析與評(píng)估，避免將不可行的工藝流程下發(fā)給現(xiàn)場，造成不必要的返工和損失。在仿真過程中一旦發(fā)現(xiàn)零件裝配的碰撞與干涉情況，就需要立即對(duì)工藝流程進(jìn)行調(diào)整，直到虛擬建造工藝優(yōu)化至完全順暢可行。

在DPM中，零部件仿真活動(dòng)的設(shè)計(jì)主要通過為每個(gè)活動(dòng)創(chuàng)建“Move Activity”來實(shí)現(xiàn)，如圖6所示，系統(tǒng)可以在零部件活動(dòng)過程中記錄其運(yùn)動(dòng)軌跡。同時(shí)，利用碰撞干涉檢查功能，可以檢查零部件在運(yùn)動(dòng)過程中是否與其他對(duì)象發(fā)生碰撞，從而及時(shí)調(diào)整運(yùn)動(dòng)軌跡。通過羅盤等方式來確定物體的行動(dòng)軌跡和行動(dòng)的方向。

圖6 小組立拼板吊裝活動(dòng)創(chuàng)建

虛擬建造仿真在原理上可以做到現(xiàn)場建造情景的完全映射。例如，半門吊空程時(shí)行走速度約1 m/s，吊裝物體時(shí)行走速度約 0.5 m/s。在虛擬建造仿真時(shí)，可以為半門吊不同的工藝活動(dòng)創(chuàng)建不同的行走速度，圖7與圖8分別是半門吊空程行走至鋼板堆放工位，以及半門吊吊裝鋼板時(shí)的行走過程。

圖7 半門吊空程行走工況下速度的定義

圖8 半門吊鋼板吊裝工況下速度的定義

如圖9所示，在創(chuàng)建仿真的過程中，還要利用干涉檢查命令實(shí)時(shí)檢查零部件在裝配過程中，是否存在結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)之間、結(jié)構(gòu)與設(shè)備之間的干涉與碰撞情況。其中1代表碰撞檢測關(guān)閉，在該模式下即使有干涉發(fā)生，系統(tǒng)也不會(huì)作出提示，2表示碰撞檢測打開，在該模式下如果有干涉，干涉的區(qū)域會(huì)以高亮的紅色顯示出來。3表示的是碰撞檢測停止，在該模式下如果發(fā)生干涉，系統(tǒng)仿真會(huì)停止，并且高亮顯示發(fā)生干涉的區(qū)域。根據(jù)干涉檢查結(jié)果，設(shè)計(jì)人員可以及時(shí)對(duì)仿真干涉區(qū)域進(jìn)行修改，達(dá)到優(yōu)化工藝或裝配路徑的目的。

圖9 虛擬建造仿真過程中打開碰撞干涉檢查命令

3 設(shè)置增強(qiáng)仿真運(yùn)動(dòng)

為了加強(qiáng)裝配工藝過程展示的真實(shí)性與實(shí)用性，除了科學(xué)合理的裝配工藝設(shè)計(jì)以外，還需要對(duì)裝配工藝設(shè)計(jì)流程進(jìn)行信息擴(kuò)容，以幫助施工人員更快地理解設(shè)計(jì)者的意圖，并且掌握更多的施工工藝細(xì)節(jié)。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，就需要對(duì)裝配工藝活動(dòng)進(jìn)行信息的增強(qiáng)設(shè)計(jì)，例如增加顯示文本信息、變換視角、暫停和延時(shí)、隱藏對(duì)象、超鏈接等活動(dòng)。

3.1 插入3D文字

如圖10所示，利用3D文字標(biāo)注功能，設(shè)計(jì)人員能夠在任何幾何體上創(chuàng)建他們想要標(biāo)注的文字，可以對(duì)文字自由地進(jìn)行字號(hào)更換和顏色更換，還可以調(diào)整文字的位置。設(shè)計(jì)人員通過3D文字注釋功能，可以提供更多更豐富的信息，提示重要的施工節(jié)點(diǎn)和信息，幫助工人更快更方便地理解整個(gè)工藝流程。

圖10 工藝仿真的過程中插入3D文字信息

3.2 變化視角

變化視角的操作對(duì)于仿真工藝設(shè)計(jì)來說極為重要，如果不變化視角，仿真活動(dòng)就會(huì)以當(dāng)前視角一直持續(xù)下去，這對(duì)于某些細(xì)節(jié)的仿真觀察是不利的，對(duì)于給施工人員展示整個(gè)中間產(chǎn)品建造工藝重點(diǎn)方面也帶來不便，更不利于觀察某些零部件的裝配工藝細(xì)節(jié)。如圖11所示，采用變化視角的功能可以幫助設(shè)計(jì)人員在選定的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行變化視角的操作。

圖11 工藝仿真過程中變化視角操作

3.3 創(chuàng)建可見性活動(dòng)

可見性活動(dòng)允許設(shè)計(jì)人員隱藏、顯示幾何體或設(shè)備資源，使設(shè)計(jì)重點(diǎn)更為突出。此外，對(duì)于突然出現(xiàn)或消失的人員/工具裝備等，其進(jìn)出仿真場景的路線可以被隱藏起來。如圖12所示，在AH3L拼板工藝設(shè)計(jì)過程中，工人利用埋弧自動(dòng)焊機(jī)完成了拼板工作，如果不想表達(dá)工人搬運(yùn)焊機(jī)的動(dòng)作，就可以將埋弧自動(dòng)焊機(jī)進(jìn)行隱藏操作，以方便進(jìn)入下一個(gè)的工序流程的表達(dá)。

圖12 拼板工藝結(jié)束后埋弧拼板焊機(jī)的隱藏操作

3.4 添加文本框信息

文字信息工具允許設(shè)計(jì)人員在仿真過程中創(chuàng)建文字信息提示，這類文字信息提示以對(duì)話框的形式出現(xiàn)，文字信息提示對(duì)于交互式作業(yè)指導(dǎo)書的設(shè)計(jì)是極為有用的。如圖13所示，某縱絎小組立在裝配縱骨的時(shí)候，就可以設(shè)置文字提醒信息，告訴施工人員接下來要裝配的 3個(gè)縱骨的零件號(hào)分別是什么。通過對(duì)話框的使用，三維工藝設(shè)計(jì)讓工人具有很強(qiáng)的操作代入感，工人點(diǎn)擊對(duì)話框上的確定按鈕以后，就可以繼續(xù)展開下一步的裝配操作。

圖13 組立裝配過程文本框代入感設(shè)計(jì)

3.5 創(chuàng)建暫停和延遲活動(dòng)

在不停止仿真的情況下，可以通過設(shè)置暫?；蛘哐舆t來控制仿真的進(jìn)度，暫停使仿真處于停止?fàn)顟B(tài)，延遲讓工藝仿真在一定的時(shí)間內(nèi)保持當(dāng)前狀態(tài)，這些功能使得建造工藝仿真更有節(jié)奏感，提升工人的理解效率。如圖14所示，在進(jìn)行小組立縱骨裝配過程仿真的時(shí)候，通過延遲和隱藏功能的疊加使用，可以達(dá)到讓縱骨防傾倒工裝顯示一段時(shí)間后再消失的效果，從而對(duì)縱骨裝配過程中的縱骨防傾倒安全措施進(jìn)行顯著的提示。

圖14 小組立縱骨裝配仿真中通過延遲活動(dòng)來展示防傾倒工裝使用

4 仿真工藝文件輸出

4.1 工時(shí)文件的輸出

在三維工藝文檔設(shè)計(jì)中，還需要用到一系列的仿真結(jié)果文件，因此需要對(duì)工藝組合（Procedure Bill of Material，PBOM）模型中的仿真結(jié)果文件進(jìn)行輸出。傳統(tǒng)的工藝設(shè)計(jì)很難輸出工時(shí)定額，但是經(jīng)過虛擬建造仿真的設(shè)計(jì)卻能輕易做到。DELMIA中的甘特圖是一種基于作業(yè)順序，把作業(yè)工序和時(shí)間聯(lián)系起來的圖表，通常以活動(dòng)作為縱坐標(biāo)，用來表示工藝流程的開始時(shí)間、結(jié)束時(shí)間以及持續(xù)時(shí)間，也就是說不僅僅可以看到一個(gè)工序的時(shí)間，也可以看到每一個(gè)工序下工步的操作時(shí)間。如圖15所示，將工藝過程的工時(shí)以甘特工時(shí)數(shù)據(jù)圖表的形式輸出。獲得準(zhǔn)確甘特圖的前提是虛擬裝配模擬過程的時(shí)間設(shè)置必須非常細(xì)致和準(zhǔn)確，這也從一個(gè)側(cè)面說明，只要施工的工藝足夠標(biāo)準(zhǔn)和固化，是可以通過設(shè)計(jì)手段計(jì)算出每一個(gè)工序、工步的施工作業(yè)時(shí)間的[4]。

4.2 仿真視頻的輸出

利用 DELMIA本身的視頻輸出工具或者錄屏軟件可以對(duì)建造工藝過程進(jìn)行視頻記錄，利用DELMIA自帶的錄屏工具，輸出的視頻文件是AVI格式，視頻的清晰度與視頻文件的大小存在正比關(guān)系，因此在不影響顯示效果的前提下，一般利用錄屏軟件對(duì)仿真工藝過程進(jìn)行錄屏操作，然后輸出體積較小，顯示效果較好的視頻文件。見圖16。

4.3 裝配工藝樹的輸出

利用 DELMIA，通過插入前期設(shè)計(jì)好的PRODUCT文件、資源設(shè)備，根據(jù)工法策劃設(shè)定的工藝階段，將產(chǎn)品樹、資源樹和工藝樹中相對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)建立起聯(lián)系，最終完成PBOM樹的構(gòu)建。在具體的施工工藝設(shè)計(jì)中，體現(xiàn)為建立了結(jié)構(gòu)、舾裝件、工裝件和作業(yè)工序的關(guān)聯(lián)關(guān)系，形成了“產(chǎn)品-資源-工藝”的一體化遞進(jìn)式工藝設(shè)計(jì)體系，如圖17所示，通過一定的接口，可以將產(chǎn)品樹、資源樹、工藝樹進(jìn)行輸出，方便對(duì)虛擬建造設(shè)計(jì)過程中的各項(xiàng)資源進(jìn)行查看

圖17 裝配工藝樹的輸出

5 結(jié)論

1）基于MBD的三維工藝設(shè)計(jì)，采用一種所見即所得的遞進(jìn)式設(shè)計(jì)手段來處理工藝規(guī)劃問題，利用虛擬仿真等技術(shù)，將各種設(shè)備資源以及施工人員進(jìn)行建模和建造流程預(yù)演，可以讓工藝更為貼近生產(chǎn)實(shí)際。

2）由于船舶具有復(fù)雜的裝配結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)師一般很難考慮到各層次、各方面的問題，憑借經(jīng)驗(yàn)獲得的裝配工藝一般不是最優(yōu)解，將虛擬裝配技術(shù)應(yīng)用到船舶建造的裝配工藝設(shè)計(jì)中，可以在船舶生產(chǎn)設(shè)計(jì)階段就對(duì)零部件之間的配合和可裝配性進(jìn)行分析和驗(yàn)證，有效解決當(dāng)前裝配工藝設(shè)計(jì)中存在的問題，確?，F(xiàn)場施工順利進(jìn)行，減少甚至避免返工。

3）傳統(tǒng)的工藝信息是通過文檔形式下發(fā)到車間、班組，工藝信息內(nèi)容是描述性的，無法準(zhǔn)確表達(dá)每個(gè)工序、工步的具體工作活動(dòng)，容易造成現(xiàn)場的理解偏差。通過虛擬建造技術(shù)的使用，基于虛擬裝配生成的三維裝配工藝文檔以裝配動(dòng)畫和輔助說明文字共同對(duì)裝配工序進(jìn)行描述，可以準(zhǔn)確清晰地為現(xiàn)場的裝配工人展示裝配工藝信息，幫助施工人員更容易地理解工藝內(nèi)容，從而提高船舶建造的效率。