基于Plant Simulation 的航空用柔性制造系統(tǒng)仿真優(yōu)化

宋 文，索鳴陽，楊杏梅，張 益，周子同

（1.中國航發(fā)西安動力控制科技有限公司，西安 710082；2.西安工業(yè)大學機電工程學院，西安 710021；3.北京航臻科技有限公司，北京 100101）

0 引言

工業(yè)4.0 的發(fā)展使機械加工產(chǎn)品的需求也向著個性化、定制化方向轉變。傳統(tǒng)批量生產(chǎn)的剛性生產(chǎn)線已不能滿足生產(chǎn)企業(yè)的需求。柔性制造系統(tǒng)技術（FMS）作為一種新興制造技術，在汽車、電子等機械制造行業(yè)已得到快速發(fā)展［1］。基于FMS應用的柔性制造單元必須將“虛擬仿真”作為設計基礎，其智能制造概念才能真正落地?！疤摂M仿真”能夠模擬實際物體的外形、性能和運動軌跡，可為復雜多變的生產(chǎn)制造現(xiàn)場建立虛擬模型，進行虛擬調(diào)試和早期試驗，提高生產(chǎn)和設計效率，降低制造企業(yè)的成本，并降低生產(chǎn)建設安全風險［2］。

本文以中國航發(fā)集團環(huán)形零件柔性制造單元的建設設計為例，通過虛擬仿真技術計算分析單元產(chǎn)能、分析單元緩存庫位數(shù)量并分析優(yōu)化單元內(nèi)機器人幾何運動及人機工程問題。利用虛擬仿真等技術手段對柔性制造單元建設關鍵環(huán)節(jié)進行設計分析，縮短了航空柔性制造系統(tǒng)工程設計研發(fā)周期、降低成本、減小建設及生產(chǎn)安全風險并促進虛擬仿真技術在航空發(fā)動機柔性制造領域中更加完善、高效的應用。

1 柔性制造單元概述

柔性制造單元以信息流、物料流為基線，以管理軟件、實時感知系統(tǒng)和自動化控制為實現(xiàn)手段，構建柔性制造模式，實現(xiàn)零件的生產(chǎn)過程的自動化、數(shù)字化與全面管控，保證產(chǎn)品加工質(zhì)量的一致性，提升綜合制造能力，提高合格率，縮短生產(chǎn)周期。

中國航發(fā)集團環(huán)形零件柔性生產(chǎn)線設計上線6 種航空發(fā)動機環(huán)形工件，并按照5∶1∶5∶1∶5∶1 的成品交付比例制造，單元具備自動上下料傳輸、無人化自適應加工、數(shù)字化檢測、自動刀具壽命管理等功能。單元內(nèi)部作業(yè)連續(xù)8 h 無人值守自動化運行生產(chǎn)，產(chǎn)品加工、檢測集中完成，可實現(xiàn)航空發(fā)動機環(huán)形工件自動化、智能化生產(chǎn)。

柔性制造單元具備自動化生產(chǎn)管理控制和人工干預生產(chǎn)管理控制兩種模式，可根據(jù)生產(chǎn)需求調(diào)整運行模式。可實現(xiàn)多品種、小批量生產(chǎn)模式的生產(chǎn)。具有“停機不停線、停線不停機”功能，單臺加工中心可以實現(xiàn)離線單機生產(chǎn)，并且單機出現(xiàn)故障，可將生產(chǎn)任務平均分配到其他設備，不影響整條生產(chǎn)線運行；停線狀態(tài)下，不影響單臺設備使用。

柔性制造單元采用智能化的生產(chǎn)管控系統(tǒng)，具備生產(chǎn)任務管理、智能排產(chǎn)調(diào)度、工序管理、刀具管理、夾具管理、數(shù)控程序管理、質(zhì)量管理、異常處理、現(xiàn)場可視化監(jiān)控、數(shù)據(jù)分析管理等功能。系統(tǒng)、數(shù)據(jù)安全且可備份。

柔性制造單元基本結構包括4 臺數(shù)控臥式車床、1 臺臥式加工中心、1 臺立式加工中心和1臺線切割機，以及新購的工件裝載系統(tǒng)、運輸系統(tǒng)（機器人和軌道）、加工托盤庫（54 個庫位）、快換托盤及工裝（54 套）、三坐標測量機、對刀儀、刀具搬運系統(tǒng)及管理控制系統(tǒng)軟硬件，其單元布局圖如圖1 所示。

圖1 柔性制造單元

2 單元運行仿真分析

本節(jié)將對柔性制造單元運行過程進行仿真分析和優(yōu)化，消除生產(chǎn)單元瓶頸，優(yōu)化生產(chǎn)物流系統(tǒng)，達到單元生產(chǎn)能力平衡，根據(jù)仿真結果優(yōu)化設計，確定單元內(nèi)設備［3］。

通過分析上述柔性制造單元基本結構、生產(chǎn)要求目標及生產(chǎn)制造流程，使用Plant Simulation 軟件優(yōu)化設計單元布局、分析單元緩存庫位、單元工時及生產(chǎn)效率，消除瓶頸工位等。

2.1 Plant Simulation仿真軟件

Plant Simulation（eM-Plant）是一個離散事件仿真工具，設計人員可通過該軟件快速、直觀地構建仿真模型［4］，使用內(nèi)置工具執(zhí)行復雜系統(tǒng)的優(yōu)化分析與統(tǒng)計，實現(xiàn)產(chǎn)線的虛擬仿真、虛擬調(diào)試運行、虛實同步仿真、機器人模擬運行等功能。創(chuàng)建物流系統(tǒng)（生產(chǎn)系統(tǒng)）的數(shù)字化模型進行運行試驗和假設方案。具有功能強大的分析工具（瓶頸分析、統(tǒng)計數(shù)據(jù)和圖表等）可以評估不同的制造方案，在生產(chǎn)規(guī)劃的早期階段作出快速而可靠的決策［5］。

2.2 建立柔性制造單元仿真模型

根據(jù)機加車間內(nèi)實際環(huán)形件柔性制造單元工藝流程建立仿真模型，通過仿真軟件中多種模型對象模擬制造單元的生產(chǎn)過程，仿真運行流程［6］如圖2 所示。

圖2 仿真運行流程

按照功能劃分，Plant Simulation 的基本建模對象包括物流對象、信息流對象、用戶接口對象、移動對象等［6］。

在建立柔性制造單元模型前先選定所需的模型對象，描述各模型對象及其功能。通過分析環(huán)形件的生產(chǎn)工藝，確定環(huán)形件柔性制造單元建模仿真所涉及到的模型對象。

完成模型對象的擺放和連接后，根據(jù)實際單元數(shù)據(jù)對每個模型對象的參數(shù)進行設置［7］，盡量還原柔性制造單元的實際生產(chǎn)狀態(tài)，提高計算機仿真結果的合理性，以便對單元進行優(yōu)化。在模型內(nèi)輸入零件工藝流程及其加工時間如所表1 所示。

表1 工藝流程及其加工時間表

2.3 柔性制造單元仿真模型分析結果

（1）布局分析

在Plant Simulation中執(zhí)行仿真，對比生產(chǎn)線的實際生產(chǎn)狀態(tài)，觀察模型的運行狀態(tài)是否與實際一致。分析仿真結果檢驗模型數(shù)據(jù)是否合理。根據(jù)仿真結果與實際的差異對模型進行調(diào)整，使其達到預期要求。通過模型對象選擇、模型對象的布局和連接、參數(shù)設置、仿真的運行及驗證等步驟，最終得到仿真模型及布局［8］如圖3所示。

圖3 仿真布局圖

（2）日均產(chǎn)量分析

穩(wěn)定生產(chǎn)后，單元可自動化持續(xù)運行，只需間隔8 h人工裝/卸零件，按照仿真經(jīng)驗值23 h/d 計算，環(huán)件日產(chǎn)量約為12 件/d。按照生產(chǎn)要求，全年工作時間5 350 h計算，年產(chǎn)環(huán)件可達到3 000 件，高于生產(chǎn)要求的產(chǎn)能。按照每月檢修1 d，全年不間斷運行計算，可實現(xiàn)年環(huán)件4 800 件，達到生產(chǎn)要求的2 倍以上。產(chǎn)能仿真結果圖示如圖4 所示。

圖4 日均產(chǎn)量

（3）設備利用率

完成整個仿真系統(tǒng)的建模后，運行仿真模型，得到發(fā)動機環(huán)形件柔性制造單元各設備利用率，如圖5 所示，圖中設備從左至右分別為三坐標測量機、臥式車床1、臥式車床2、臥式車床3、臥式車床4、臥式加工中心、線切割設備、清洗機、立式加工中心。由圖5 可知，此單元主要機械加工設備不存在明顯的瓶頸工序。

圖5 設備利用率

（4）緩存庫位分析

經(jīng)調(diào)試仿真得出，根據(jù)項目8 h 無人值守的要求，此作為約束條件，穩(wěn)定生產(chǎn)后需要的托盤和庫位數(shù)量約為13 個，如圖6 所示。

圖6 緩存庫位分析圖

綜上所述，該環(huán)形件柔性制造單元運行設計良好，滿足生產(chǎn)需求，可執(zhí)行后續(xù)設計工作。

3 單元幾何運動仿真分析

制造單元幾何運動仿真的意義在于快速、低成本、高安全性地驗證，包括機器人結構設計、運動控制、軌跡規(guī)劃。快速、實時地得到期望性能與實際（仿真）性能間差距的反饋，用以更好地反哺先前設計工作，有助于設計時的機器人選型，仿真可以實驗機器人可達性，避免機器人定型后無法完成工作，降低施工人員勞動強度，提高現(xiàn)場安全性和工作效率，縮短工程建設周期［9］。

（1）機器人運動模型建立

環(huán)形件柔性制造單元中所用機器人的型號為Fanuc M-900ib/360，如圖7 所示。該型號機器人具有6 個自由轉動軸，由6 個獨立的伺服電機作為動力源驅動。六軸工業(yè)機器人的各關節(jié)都是由回轉關節(jié)構成，一般六軸工業(yè)機器人結構可對應D-H 坐標系［7］，因此運用D-H法對六軸工業(yè)機器人進行運動學分析。

圖7 Fanuc機器人

運用D-H 法對機器人進行分析，首先建立基于Fanuc機器人的基礎坐標系，然后在機器人的6 個軸建立相對應的軸坐標系，各個軸的坐標系相互參考對應。最后按照齊次法則，得到機器人軸坐標系之間相互轉換的矩陣。機器人從其底座到機器人第一軸，從機器人第一軸再到機器人第二軸按照其次法則，以此類推，得出工業(yè)機器人總坐標轉換矩陣［11］如圖8 所示。

圖8 機器人結構及其D-H 坐標系

（2）DELMIA 中機器人示教與軌跡優(yōu)化

設置完機器人的工作路徑以后，機器人的運動軌跡與實際運動軌跡之間通常存在一定偏差，因此需要對其工作路徑進行優(yōu)化，該功能可以真實地模擬機器人的運動姿態(tài)。

首先利用“Teach a device”命令選擇要進行示教的機器人，對機器人的工作路徑進行整體上的規(guī)劃，如圖9 所示。

圖9 機器人的示教

在此窗口中可以插入/刪除Tag點、調(diào)整機器人的工序、修改機器人位姿。之后使用Set TurnNumbers命令對機器人的運動軌跡進行優(yōu)化，如圖10 所示。

圖10 機器人軌跡優(yōu)化操作界面

在機器人進行作業(yè)運行過程中，打開DELMIA 中機器人的關節(jié)查看面板，可以看到在全部運行過程中機器人每個軸的運行狀態(tài)，在整個運行過程中Jog 面板中機器人六軸運行一直顯示綠色則表示整個作業(yè)過程中機器人運行狀態(tài)良好，整個作業(yè)所需要完成的動作都在機器人的工作可達區(qū)間。在機器人路徑優(yōu)化過程中，還要注意關鍵的一點，要盡量避免機器人出現(xiàn)奇點位置。

（3）機器人干涉仿真分析

進行機器人干涉分析能夠得出機器人在工作過程中與相關聯(lián)產(chǎn)品之間發(fā)生的碰撞和干涉現(xiàn)象，對碰撞和干涉結果可以通過沖突列表、產(chǎn)品明細表以及數(shù)字分析表來進行查看，還可以通過DELMIA 對結果先進行輸出。干涉分析結果顯示了干涉的類型，干涉部件和狀態(tài)等具體信息。當DELMIA 軟件中的“Clash Analysis”命令處于打開狀態(tài)時，仿真過程如果發(fā)生干涉碰撞時，發(fā)生干涉碰撞的工位與相應的部件就會高亮顯示出來。在此次仿真過程中“Clash Analysis”命令處于打開狀態(tài)，可以發(fā)現(xiàn)在機器人抓取托盤時與相關工位未發(fā)生干涉碰撞，如圖11—12 所示。

圖11 干涉分析

圖12 碰撞檢查

（4）制造單元人機工程分析

為了對制造單元裝載零件過程中操作人員的上下料操作過程進行優(yōu)化，提高操作效率，降低人員疲勞程度，需要將操作人員的操作過程進行模擬仿真。使用Delmia軟件Human Task Simulation 模塊模擬仿真人體動作，在該模塊中的PPR樹上的工藝節(jié)點（Process）中設定人體模型的所有動作。通過Delmia 軟件中的“Worker Activities”工具條中的具體命令建立整個操作過程的多個動作和姿態(tài)，如圖13 所示。

圖13 動作仿真人體模型

建立仿真人體模型后，在Delmia 軟件中導入生產(chǎn)環(huán)境，新建Process，在結構樹ResourceList中插入裝卸站工作臺面，建立真實工作場景。插入Library 流程并訪問PERT Chart，設置好操作工序及視角，最后將產(chǎn)品數(shù)據(jù)鏈連接至Process中，使仿真環(huán)節(jié)流程與零件、裝卸站工作臺等實體相互交互，進行運動仿真分析［12］。分析結果如圖14 所示，根據(jù)表2 RULA等級表所示，該單元作業(yè)人員動作符合正常載荷受力，單元人機工作動作正常。

圖14 分析結果

表2 RULA等級表

4 結束語

本文以某航空制造廠航空發(fā)動機零件柔性制造單元建設設計為契機，利用Plant Simulation 對單元產(chǎn)能、緩存庫位及瓶頸工位進行分析，并利用Delmia對機器人幾何運動及單元人機工程問題進行仿真分析，縮短了航空柔性制造系統(tǒng)工程設計研發(fā)周期、降低成本、減小建設及生產(chǎn)安全風險，促進柔性制造系統(tǒng)技術在航空發(fā)動機制造領域中更加完善、高效的應用。本文在完整系統(tǒng)仿真中仍存在一些未完善之處，例如自動控制系統(tǒng)中的PLC虛擬仿真未曾進行考慮。在日后的研究工作中可以加以完善。