基于柔性自動化加工生產(chǎn)線三維虛擬動畫 仿真設計的應用

李 濱 張險峰 劉興卓

（沈陽機床（集團）有限責任公司，遼寧 沈陽 110142）

近年來，我國航空航天產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，國內(nèi)面對航空航天領域的自動化生產(chǎn)線尚不成熟，很難滿足日益增長的市場需求，急需升級生產(chǎn)方式，提高生產(chǎn)效率。自動化生產(chǎn)線取代單機設備生產(chǎn)是航空航天領域零件生產(chǎn)的發(fā)展趨勢。柔性自動化加工生產(chǎn)線，具有批量零件生產(chǎn)的能力，同時提高零件加工的可靠性、高效性、加工精度等方面的要求，滿足國內(nèi)航空航天行業(yè)零件加工高效、高精、低成本的市場需要。

1 柔性自動化加工生產(chǎn)線的組成

本文所研究的柔性自動化加工生產(chǎn)線具有高剛性、高精度、高可靠性等特點，適合加工以鈦合金、合金鋼等難加工材料制成的各種復雜型面典型零件。產(chǎn)線由五軸臥式加工中心2臺、四軸臥式加工中心2臺、自動化生產(chǎn)線系統(tǒng)1套（含自動化物流運輸系統(tǒng)1套、生產(chǎn)線總控系統(tǒng)1套、集中排屑處理系統(tǒng)1套、集中切削液處理系統(tǒng)1套、集中刀具配送系統(tǒng)）組成，如圖1所示。

圖1 柔性自動化加工生產(chǎn)線平面布局圖

生產(chǎn)線布置空間大?。洪L45m×寬15m×高6m，生產(chǎn)線寬度方向一側設置AGV刀具運輸車通道，裝卸站區(qū)域設置工件緩存區(qū)。

零件進入裝夾區(qū)域后，整個零件的定位、裝夾、完成卸載滿足人工裝卸，運輸移動、緩存存放、加工等過程均采用自動化方法進行。

2 自動化加工生產(chǎn)線工作流程

生產(chǎn)線總控系統(tǒng)接收上層系統(tǒng)或人工導入的批次訂單，在精準管控線內(nèi)資源狀況的前提下（包括機床、工件、托盤、刀具、NC程序），根據(jù)訂單信息，結合設備使用情況，自主決策，并對線內(nèi)設備進行任務排程，合理分配生產(chǎn)資源，調(diào)度運輸小車實現(xiàn)托盤及工件的配送，AGV刀具托盤輸送系統(tǒng)實現(xiàn)刀具的配送。

根據(jù)任務排程，提醒操作人員進行工裝、物料等資源準備，準備完畢后，運輸小車將物料及托盤配送至各個工位，運輸小車與各設備單元具有安全互鎖邏輯，動作安全可靠。

對涉及生產(chǎn)質(zhì)量和生產(chǎn)效率的設備參數(shù)、故障報警等數(shù)據(jù)，進行采集、監(jiān)控和展示。

精準協(xié)調(diào)各類設備實現(xiàn)自動化加工，對加工設備進行工作負荷評價，提升生產(chǎn)效能，提高設備利用率，縮減生產(chǎn)準備時間，如圖2所示。

圖2 柔性自動化加工生產(chǎn)線工作流程圖

3 柔性自動化加工生產(chǎn)線三維虛擬動畫仿真

3.1 三維調(diào)整

在進行三維虛擬動畫仿真前，要先針對產(chǎn)品研發(fā)設計完成的三維文件重新打包-添加前綴或后綴，以免改變原文件的裝配關系，然后將新保存的裝配體關系拆分整理。在三維柔性自動化加工生產(chǎn)線調(diào)整時，主要利用場景樹型圖的概念和方法，根據(jù)樹型結構改變自動化加工生產(chǎn)線內(nèi)各三維以及其從屬部件之間的邏輯關系，將柔性自動化加工生產(chǎn)線實體分為自動化產(chǎn)線場地、CNC機床組、臥式加工中心、運輸小車、倉儲中心、托盤待轉位、存儲站、人工裝卸站、AGV刀具運輸車以及集中排屑處理系統(tǒng)等結構，根據(jù)所屬關系對每部分進行細分，如圖 3所示。

圖3 三維虛擬柔性自動化加工生產(chǎn)線樹型圖

3.2 三維導入動畫

根據(jù)設計的三維文件，在導入動畫仿真制作軟件時，有4種方法。

（1）普通導入：此導入方法適合文件規(guī)模小的三維裝配體，即裝配體可以完全以非輕化狀態(tài)打開的裝配體，在時間充足的情況，根據(jù)三維環(huán)境坐標軸選擇對應的坐標軸進行導入。

（2）快速導入：此導入方法適合文件結構復雜，零件數(shù)量多的大規(guī)模三維裝配體，即三維裝配體有部分或完全是以輕化狀態(tài)打開時，此類三維裝配體包含數(shù)據(jù)量大，非輕化時造成電腦非常大的負擔，時間緊張的情況下則啟動快速導入功能，節(jié)省導入時間。

（3）調(diào)整格式導入：如果出現(xiàn)導入失敗的情況，則可能是由于裝配體文件出現(xiàn)異型面零件的情況，此時可在三維軟件環(huán)境內(nèi)另存為X_T或STEP格式，即可成功導入，但導入后場景項目顯示內(nèi)會出現(xiàn)名稱亂碼的情況，需要后期逐一調(diào)整。

（4）分批混合導入：如果快速導入仍無法實現(xiàn)文件導入，則可根據(jù)三維裝配體的部件組成關系進行分批導入。如機床部分、AGV部分等，此方法需要在導入后調(diào)整位置關系。

3.3 賦予材質(zhì)、貼圖、環(huán)境和燈光

在動畫仿真軟件中，在場景項目中，選定已進行分組編輯的樹型圖裝配體，在材質(zhì)面板中賦予裝配體或零件對應材質(zhì)。材質(zhì)主要有金屬、玻璃、油漆、塑料等。為更真實地表現(xiàn)場景中三維的細節(jié)，在材質(zhì)上對物體進行貼圖，貼圖可主要有漫反射貼圖、凹凸貼圖、視頻貼圖等。所選擇圖片的質(zhì)量與表達的效果有直接影響，高品質(zhì)的貼圖可以使最終效果更接近于真實物體。

3.3.1 漫反射貼圖

在柔性自動化加工生產(chǎn)線裝配體中， 需要對4臺臥式加工中心的產(chǎn)品型號進行漫反射貼圖，在圖像設計軟件中，完成產(chǎn)品型號的制作，保存為PNG格式，在材質(zhì)項目面板的標簽選項內(nèi)，導入產(chǎn)品型號圖片，通過移動紋理調(diào)整位置，同時關閉雙面和同步選項。

3.3.2 凹凸貼圖

臥式加工中心右側站臺表面的材質(zhì)為扁豆花紋鋼板，表面凸起，要進行凹凸貼圖，在軟件自帶紋理貼圖中，找到該貼圖，對其進行表面凹凸貼圖處理，通過縮放模型改變寬度，高度調(diào)整素材的大小和角度，同時開啟重復、雙面和同步選項，如圖4所示。

圖4 凹凸貼圖

3.3.3 視頻貼圖

臥式加工中心CRT面板在動畫仿真時，需要實時模擬電氣控制和機床運動過程，此處設置視頻貼圖，在將實現(xiàn)錄制好的CRT面板視頻文件導入，通過縮放尺寸調(diào)整素材的大小和角度，同時關閉重復、雙面和同步選項，如圖5所示。

圖5 視頻貼圖

在環(huán)境面板中，選擇適合的環(huán)境文件，賦予到場景內(nèi)，根據(jù)相機的角度，進行光源的補充，完成動畫仿真動作前的制作。

3.4 動畫仿真設計

三維動畫仿真通過對場景內(nèi)對象進行連續(xù)運動動作的設計，渲染出多張連續(xù)動作的圖像序列表現(xiàn)其運動過程的方式。

3.4.1 自動交換系統(tǒng)的三維動畫仿真

仿真目標：機床前放置2套工作臺自動交換系統(tǒng)，工作臺自動交換系統(tǒng)為托盤的中轉站，用于存放待加工/已加工零件托盤，減少托盤交換時間，提高生產(chǎn)線工作效率；

仿真設置：此處動畫仿真選擇工作臺自動交換系統(tǒng)配置托盤自動裝卸機構，將加工零件從運輸小車上移動至工作臺上，設置零件與工作臺的位移和初始時間、持續(xù)時間、結束時間，由工件加工完成后，機床X軸移動至交換位置，裝卸機構伸出，鏈條旋轉，傳動滾輪與托盤上的掛鉤連接，托盤隨鏈條移動至工作臺自動交換系統(tǒng)。

3.4.2 運輸小車三維動畫仿真

仿真目標：運輸小車用于工作臺自動交換系統(tǒng)、存儲站和裝卸站三者之間托盤的運輸。運輸小車主要由軌道底座、小車主架體、橋架組成。軌道底座通過地腳與地基固定，直線導軌及齒條通過螺釘固定在軌道底座上；小車主架體使用伺服電機帶動減速機/齒輪齒條驅動，并在其行程范圍內(nèi)移動；橋架傳動機構固定在小車主架體上，使用絲杠驅動。

運輸小車的動畫仿真，在初始位置賦予小車的位移行程，設定小車運行至目標工作臺的參數(shù)。

仿真設置：設定運輸小車沿機床X軸方向做橫向運動的位移參數(shù)，傳動方式為伺服電機驅動減速機/齒輪沿齒條運動，體現(xiàn)小車空載運行最大速度30m/min，滿載運行最大速度20m/min；運輸小車在水平平面內(nèi)沿機床X軸的垂直方向做縱向運動，傳動方式為絲杠和鏈條組合傳動，均由伺服電機控制；橫、縱向移動均采用直線導軌；小車軌道的兩側末端配備機械限位裝置。

3.4.3 裝卸站三維動畫仿真

仿真目標：裝卸站由2個裝卸工位、1套懸臂吊及1個RFID讀寫器組成。2個裝卸工位中心間距3000mm，與周邊結構最小距離800mm，空間開敞，便于人工裝卸零件。交換工作臺與裝卸站保護操作人員在裝卸操作時的安全；裝卸站配置液、屑自動收集裝置，收集的液、屑最終排放至集中排屑管道。

仿真設置：通過動畫仿真設置懸臂吊將零件、工裝夾具等吊裝至裝卸站的動作參數(shù)，表現(xiàn)通過RFID讀寫器，實現(xiàn)零件與托盤信息的綁定；當裝/卸工件時，裝卸站配置的安全互鎖機構將可交換工作臺鎖住。

3.4.4 可交換工作臺三維動畫仿真

仿真目標：生產(chǎn)線配置18套可交換工作臺，可交換工作臺主要由1件托盤、10套支撐滾輪機構、2套掛鉤、10套側導向滾輪機構、6套零點定位拉釘、2套粗定位塊、2套精定位、一套母鎖緊塊組成。

仿真設置：通過動畫仿真對工作臺上的工件進行位移設置，進行交換工作臺動畫仿真。

3.4.5 存儲站三維動畫仿真

仿真目標：存儲站包括18套托盤存儲位，用于放置待加工和已加工的零件托盤，方便操作者批量裝夾工件。

仿真設置：通過動畫仿真展示存儲站配置安全互鎖機構，防止托盤滑移。設置存儲站配置液、屑自動收集裝置，收集的液、屑最終排放至集中排屑管道的位移參數(shù)。

3.4.6 AGV小車三維動畫仿真

仿真目標：AGV小車車體采用整體的焊接件結構；供電系統(tǒng)選用自動充電裝置；具備自動控制和人工手動操作兩種工作模式。在斷電或設備故障特殊情況下，可將電機抱閘解鎖，可以進行支持人工解鎖和移動功能。

仿真設置：通過位移變化的動畫仿真，表現(xiàn)AGV小車驅動裝置由2組驅動輪和4組萬向輪組成，進行驅動；具備防撞防護功能，具備激光避障、安全觸邊、警示燈、音樂揚聲器等多種安全防護方式；AGV采用激光自動導航；體現(xiàn)AGV小車的運動軌跡。

以上仿真動作設計完成后，經(jīng)過渲染及后期視頻處理，得到柔性自動化加工生產(chǎn)線的動畫仿真，如圖6所示。

圖6 柔性自動化加工生產(chǎn)線的動畫仿真圖

4 結語

本文通過對柔性自動化加工生產(chǎn)線生產(chǎn)流程進行仿真模擬，在虛擬的三維環(huán)境中，模擬其生產(chǎn)加工流程，從零件加工的可靠性等方面，為產(chǎn)品研發(fā)中可能出現(xiàn)的問題提供了生產(chǎn)前的技術支持與保障，提高產(chǎn)品的成熟度。