軌道車輛車體組焊過程模擬仿真探討

高 巖

（中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東青島266111）

0 前言

當前，企業必須不斷提高效率以應對競爭。這就要求更短的交付時間、更低的運作成本、優化利用生產力、優化物流和信息流。軌道車輛產品結構復雜，裝配精度要求高，但其裝配的工藝設計目前仍以手工方式為主，工藝設計水平很大程度取決于工藝人員本身的工作經驗和知識積累。因此在車體裝配制造中存在諸多難以避免的工藝問題，包括工藝過程不順暢、作業空間受限、工藝環境布局不合理和工人作業強度大等[1]，使得組裝工作異常繁雜，嚴重影響組裝進程。預先發現并解決這些問題最有效的方法之一是運用數字化技術和系統開展裝配過程的模擬。

在數字化平臺上，根據產品裝配工藝，首先構建虛擬制造工作環境，建立產品部件的CAD模型以及工藝裝備、工具、工作平臺以及各種輔助裝置等幾何模型，在此環境中真實地模擬裝配過程，在過程模擬中，能夠及時發現工藝設計中存在的各種結構性和空間性等問題，根據模擬、分析和裝配工效評估的結果對工藝方法、工裝結構和生產線布局等進行修改和優化。達索公司DELMIA系統為開展軌道車輛制造過程模擬提供了強有力的工具，其3D數字化制造解決方案確保了產品工藝設計和工藝資源配備的合理性[2]。

1 創建車體組焊模擬仿真環境

以數字化3D模型代替裝配現場實體在計算機虛擬環境下進行裝配過程的模擬及工藝流程分析，確保產品的可裝配性，合理規劃及布置裝配資源，以下以車體總組裝工序為例說明。

1.1 數字化建模

分為產品建模和資源建模，產品建模主要由產品設計人員完成，根據項目合同訂單要求，利用三維設計軟件（CATIA等）建立產品的三維模型。車體鋼結構是由底架鋼結構、側墻鋼結構、端墻鋼結構、車頂鋼結構4大部件組成，車體總組裝工序的目標就是將各大部件組裝焊接成一個完整的車體。分別創建車體的三維模型及各個部件的模型，車體三維模型如圖1所示。

圖1 車體三維模型

資源建模主要是建立工藝裝備、設備、輔助工裝夾具的模型，利用CATIA V5系統中的機械設計進行零部件的造型和組件的裝配約束定義。工作量龐大，為后期構建虛擬制造工作環境打好基礎，將施工現場各種工裝、設備、工具及輔助裝置建立三維模型，設置資源庫（虛擬工裝庫）[3]，以便在構建虛擬制造環境時直接調用。機械設備構建完成模型后，還要在資源詳細信息模塊中的“裝置構建”對機械設備的運動機構進行設定，使其與現場真實的設備具有相同的運動機構和可達限度。對數控設備進行反向運動設定，以便后期進行點焊定義仿真。

1.2 創建組焊仿真環境

（1）插入資源和產品。

在“PDM組裝過程”模塊分別插入待組裝的產品以及所需要的資源。利用上述所建立的數字化模型，根據車體裝配工藝執行需要，創建數字化裝配生產線，對工裝、工作臺、工具箱、輔助裝置和工人等進行合理布局。為此，首先運用“AEC廠房布置”模塊建立數字車間中的基本設施地板，如占地面積的構建。利用“MSD制造系統定義”模塊插入已經建立的廠房面積、資源模型等，并對資源屬性進行定義，定義其為“設備”“臺位”“輔助裝置”等性質。

（2）資源布局。

利用“資源布局”模塊進行資源布局規劃。利用“環境工具”和“布置工具”將插入組裝的產品，裝配工裝、環境資源及人員活動空間等進行有序布置，調整裝配所需要的環境元素之間的相對空間關系，以保證合理的生產工藝流程及裝配工作的順利進行，車體總裝工序作業環境布局如圖2所示。

圖2 車體總裝工序作業環境布局

由圖2可知，總裝工序是由工裝、兩側可移動工作走臺、點焊設備、車體支撐桿及車體固定拉緊工裝以及需組裝的產品等幾部分組成，調整各個資源之間的位置及空間關系。

2 車體組焊過程模擬仿真

2.1 組焊工藝流程仿真分析及創建工藝流程

車體組裝工藝是裝配模擬所需要的最重要的文件，其主要任務是采用合理的工藝方法和工藝裝備來確定生產工藝流程。工藝流程設計是車體組裝的基礎工作之一，是整個制造流程中的重要環節。組裝過程中需要專用工裝，且以手工裝配方式為主，在工藝設計中需要考慮裝配的空間開敞性、設備、工具的可達性等，以及勞動生產率和人機工效具有重要影響的各種工藝因素。主要設計以下幾個方面：①合理劃分工藝分離面和裝配單元，如各大部件之間的結合關系；②選定必要的通用制造裝備和專用工藝裝備；③施工現場合理的工藝布局；④確定裝配基準、定位方法及裝配順序等；⑤編制施工工藝流程及工藝要點。將以上工藝信息在工藝過程“屬性”中進行設置。

車體總組裝在總裝臺位進行，確定組裝流程為：①底架吊入臺位定位、拉緊；②一二位外端墻吊入定位；③一二位側墻吊入定位；④車頂吊入定位；⑤車體焊接。

首先新建Process Library工藝流程庫文件，在此創建總組裝工序的工藝流程，并將規劃設計的流程保存到指定的庫文件夾內，以便后續將工藝流程插入組裝過程。車體總組工藝流程規劃見圖3。

圖3 車體總組工藝流程規劃

在“PDM組裝過程”模塊中創建工藝流程，將已經保存在工藝流程庫中的工藝流程插入Processlist工藝目錄下，也可在結構樹中的過程列表增加工藝過程行為，并在每個動作節點的屬性中對過程節點進行命名，記錄此過程的說明描述。工藝流程創建如圖4所示。

利用“資料視圖”工具開啟波特圖，可以直觀觀察設計的工藝流程邏輯關系，可對流程的順序、走向進行調整。車體總組裝工藝過程波特圖如圖5所示。

每一步行為所需要的作業時間可以在“資料視圖”工具甘特圖中設定，控制每道工序作業時間及開工時間。甘特圖作業時間控制如圖6所示。

圖4 工藝流程創建

圖5 車體總組裝工藝過程波特圖

圖6 甘特圖作業時間控制

2.2 車體組焊過程模擬仿真

2.2.1 工藝驗證

在制造的數字化處理DPM組裝工藝中的“工藝過程仿真”模塊，將工藝規劃每步過程與對應產品或資源建立聯系，用“行為管理”工具中的“指派產品或資源”圖標指派每步過程所對應的產品部件或工藝資源。然后用“模擬”工具條中“過程驗證”功能進行“工藝驗證”，依據裝配工藝順序模擬各部件、工件的裝配過程，即在虛擬裝配環境中動態直觀地裝配順序、路徑和方法等。通過視覺觀察，可實時發現裝配過程中各種工裝、設備、產品、工具、人員和其他環境元素間的空間干涉和碰撞情況，以便及時調整，得到較為合理的裝配順序和裝配路徑，車體組焊過程驗證如圖7所示。

圖7 車體組焊過程驗證

2.2.2 行為模擬

將前期設計的工藝規劃每步添加行為動作，利用“創建模擬行為”工具條創建。（1）視點：通過設定某個特殊視角觀察裝配過程；（2）移動軌跡：裝配過程中零部件的運動軌跡設定；（3）裝置運動：機械設備、工藝裝備的動作設定，例如自動化點焊設備工作時的動作；（4）文字說明：需要通過文字進行描述的過程。還有顯示、延遲、創建暫停等行為，進行動作行為定義。運用“模擬”工具條中的“程序模擬”真實演示裝配及自動焊接過程。

車體組裝過程如下：

第一步，底架鋼結構吊入臺位定位并拉緊。通過觀察，分析底架吊入臺位路徑是否與周圍的上下點焊設備、工藝走臺有干涉情況，底架下部支撐與下部零部件是否有干涉碰撞，以此來確定各個支撐點的位置，以往曾多次發生因底架下部與工裝干涉碰撞而停止組裝，臨時對臺位進行調整，裝配效率降低。

利用“分析工具”工具條進行干涉分析檢查，可以輕易發現干涉點，從而進行工裝的位置調整。觀察圖4可知，拉緊工裝的拉鉤與底架橫梁之間存在干涉碰撞。通過干涉分析可以得到所有的干涉點，得出精確的干涉的具體位置和干涉量，并展示結果的3D圖形。干涉分析結果如圖8所示。

第二步，一二位外端吊入定位。觀察外端與上部工裝及點焊設備之間的位置關系，確定點焊設備的?？课恢眉昂笜屛恢谩?/p>

第三步，側墻吊入定位。分析在側墻落入的過程中，與走臺、焊槍之間的位置關系，確定側墻落入的運行軌跡。為控制焊接變形及車體的幾何尺寸，車內布置大量支撐桿，通過模擬分析，合理調整支撐桿的分布位置，確定支撐桿的數量及長度尺寸。

第四步，車頂的安裝定位，觀察車頂與設備及走臺高度之間的關系，雨檐位置高度適當便于操作。

第五步，上部及下部點焊設備的可達性驗證，運用機構裝置調整上部C型焊鉗的各種姿態，觀察與車體之間的位置關系。端部焊接確定點焊與塞焊的分界線。分析各個焊點焊鉗是否能夠到達位置及干涉狀態。確定焊鉗的坐標點及各點的傾斜角度，為后期的點焊程序輸出做好準備。

以上各步完成所有行為設置之后，可以在裝配仿真模塊用模擬工具條進行實時仿真，連續視覺播放?？梢圆捎媒换ゾ庉嫹抡娑x，將每一步的動作內容進行定義設置，并用播放功能動態演示整個裝配過程，進行同步干涉檢查，編輯好的動畫錄像可用于操作者的工藝培訓。

圖8 干涉分析結果

2.2.3 人機工程分析

運用“人機工程學設計與分析”模塊構建人體模型并插入作業環境，定性和定量分析裝配過程中工人的作業姿態行為。觀察人與工裝設備及產品之間的空間關系，作業空間的合理性與舒適性是人機工程分析中一項重要評價指標。目的是檢查作業空間是否符合人體作業需要，總體布局是否合理，組焊操作是否舒適。人在各個操作位置焊接可達性及視覺范圍分析，評估勞動生產率及生產安全性。視覺分析可以發現操作者在操作過程中的視覺盲點，提前改進操作方案[4]。人員操作空間及視野見圖9。

3 輸出仿真工藝文件

可根據仿真過程編制輸出AVI格式視頻文件及工藝作業圖文檔，輸出HTML格式的工藝文檔。利用3DVIA Composer軟件生成3D作業指導文檔，這些文件可用于現場操作的技術工藝文件編制[5]。

圖9 人員操作空間及視野分析

4 結論

提出運用DELMIA模擬車體組裝過程的方法，結合車體總組裝的制造工藝說明了該方法的應用。通過對裝配焊接過程的仿真模擬和分析，基本上可以發現工藝方法、工裝結構和制造環境中利用傳統方法難以應對的問題，也可對其他不同的裝配過程進行模擬分析，修改和優化制造工序和工裝結構等，最后輸出三維工藝文檔，改善工藝設計質量和制造效率。

參考文獻：

[1]高舉紅，陳思宇，劉曉宇.基于精益設計的生產能力分析與現場物流改善[J].工業工程，2010，13（1）：90-96.

[2]肖珺，謝曦鵬.數字化三維工藝設計[J].數字技術與應用，2010（12）：9.

[3]葉宏，崔亞新，寧鑫，等.軌道客車企業數字化制造平臺選型研究[J].科技致富向導，2012（20）：12.

[4]盛選禹，盛選軍.DELMIA人機工程模擬教程[M].北京：機械工業出版社，2009：131-142.

[5]田文勝，譚一炯.基于DELMIA的三維裝配作業指導書生成方法研究[J].中國制造業信息化，2012，4（11）：44-46.