基于DELMIA的轉(zhuǎn)向架數(shù)字化裝配仿真

李 冉 ，付建林，楊 龍，徐修立，郭美玲

（1.西南交通大學(xué) 機械工程學(xué)院，成都 610031；2.中車青島四方機車車輛股份有限公司，青島 266000）

0 引言

轉(zhuǎn)向架是動車組車輛系統(tǒng)中最重要的組成部件之一，轉(zhuǎn)向架裝配是轉(zhuǎn)向架制造過程中極其重要的一環(huán)。目前轉(zhuǎn)向架裝配工藝主要由工程人員依靠經(jīng)驗主觀進(jìn)行設(shè)計，由于轉(zhuǎn)向架含有眾多零部件，裝配流程復(fù)雜，工程人員無法考慮全面，在實際裝配過程中，碰撞干涉、裝配順序及裝配路徑不合理、人員操作困難等問題經(jīng)常發(fā)生。采用數(shù)字化裝配技術(shù)進(jìn)行工藝驗證，能夠較好規(guī)避以上問題，縮短轉(zhuǎn)向架裝配工藝設(shè)計時間和降低裝配成本，達(dá)到第一次設(shè)計即為最佳設(shè)計的目的[1]。眾多專家學(xué)者對轉(zhuǎn)向架數(shù)字化裝配技術(shù)展開了研究。米小珍等[2]將三維模型、動畫制作技術(shù)結(jié)合，實現(xiàn)了轉(zhuǎn)向架虛擬裝配動畫的設(shè)計；梁靚等[3]利用DELMIA_DPE軟件平臺完成了列車數(shù)字化三維裝配工藝規(guī)劃；楊崗等[4]利用Virtools軟件完成了CRH1轉(zhuǎn)向架的虛擬裝配平臺的開發(fā)，展示了裝配過程；謝瑩瑩等[5]通過DELMIA二次開發(fā)的轉(zhuǎn)向架三維裝配仿真系統(tǒng)降低了轉(zhuǎn)向架數(shù)字化裝配難度。在對轉(zhuǎn)向架裝配工藝和數(shù)字化裝配技術(shù)充分調(diào)研基礎(chǔ)上，本文以DELMIA軟件為仿真平臺，總結(jié)了轉(zhuǎn)向架數(shù)字化裝配仿真的詳細(xì)流程、方法，并應(yīng)用了人機工程。通過仿真驗證和優(yōu)化轉(zhuǎn)向架裝配工藝，經(jīng)充分驗證再進(jìn)行裝配線布局實施。

本文主要應(yīng)用到DELMIA模塊有Plant Layout、DPM-APS（Digital Process Manufacturing-Assembly Process Simulation）、Human Task Simulation、Human Activity Analysis，各個模塊功能如表1所示。

表1 主要模塊及功能

1 轉(zhuǎn)向架裝配仿真

轉(zhuǎn)向架裝配仿真模擬整條裝配線的裝配過程，驗證裝配工藝，并進(jìn)行碰撞干涉、裝配路徑、裝配順序、人機工程分析和優(yōu)化，有效提高裝配工藝效率。轉(zhuǎn)向架裝配仿真流程如圖1所示。

1.1 創(chuàng)建三維模型

裝配線三維模型分為產(chǎn)品、資源建模，資源包括廠房框架、設(shè)備、工裝、工具、夾具等。利用CATIA V5的Part Design和Assembly Design模塊進(jìn)行產(chǎn)品、設(shè)備工裝等三維模型的建立。由于模型復(fù)雜程度高、數(shù)據(jù)規(guī)模大，計算機設(shè)備資源性能有限，為了提高模型的高效瀏覽與交互，模型創(chuàng)建好之后進(jìn)行了輕量化處理，處理方法為將CATPart格式模型轉(zhuǎn)化為CGR格式模型，有效提高了交互效率。工人模型用Human Builder模塊生成。圖2為轉(zhuǎn)向架三維模型。

圖1 裝配仿真流程

圖2 轉(zhuǎn)向架三維模型

1.2 構(gòu)建裝配仿真環(huán)境

裝配仿真環(huán)境為數(shù)字化裝配提供一個三維可視化環(huán)境，使設(shè)備、工裝等資源融入到一個環(huán)境之下。將資源模型在Plant Layout模塊下根據(jù)裝配線現(xiàn)場布局布置，裝配仿真環(huán)境布局如圖3所示。

轉(zhuǎn)向架裝配線主要分為A、B、C、D、E、F、G七個工位，A～D四個工位為構(gòu)架正反組裝工位，E為落成工位，F(xiàn)為調(diào)整檢測工位，G為配線工位。ACD工位各有一臺舉升機，B工位為舉升翻轉(zhuǎn)機；B～D工位配有自動化立體倉庫和AGV小車；E落成工位有輪對小車和升降臺；F工位有測量臺；裝配線上方有空中小車，用于構(gòu)架吊運；整條裝配線配有自動化控制室。

1.3 裝配工藝規(guī)劃

經(jīng)過對轉(zhuǎn)向架裝配線的實地調(diào)研，轉(zhuǎn)向架裝配工藝如圖4所示，主要分為構(gòu)架正反裝、轉(zhuǎn)向架落成、轉(zhuǎn)向架調(diào)整三個階段。根據(jù)裝配工藝方案在Process Library模塊中創(chuàng)建工藝節(jié)點，以此來添加裝配過程仿真運動。

圖4 轉(zhuǎn)向架裝配工藝規(guī)劃

1.4 裝配過程仿真

按照裝配工藝方案，仿真模擬真實的裝配過程，直觀體現(xiàn)裝配順序、路徑、工人作業(yè)活動及具體工藝方法，驗證裝配工藝方案。基于DELMIA的仿真步驟如下：

1）插入產(chǎn)品資源模型。將產(chǎn)品模型插入到APS模塊PPR（Process Product Resource）產(chǎn)品列表節(jié)點下，資源模型與工人模型插入到PPR資源列表節(jié)點下。確定產(chǎn)品、資源、工人的相對空間位置，按照生產(chǎn)線布局設(shè)定仿真環(huán)境的初始狀態(tài)。

2）插入數(shù)字工藝模型。基于“可拆即可裝”的原理，將ProcessLibrary文件中工藝節(jié)點按照工藝執(zhí)行順序的逆序添加到PPR工藝列表節(jié)點下，用工藝樹直觀展示工序間的順序和從屬關(guān)系，實現(xiàn)工藝大綱的創(chuàng)建。

3）關(guān)聯(lián)產(chǎn)品、資源及工藝。工藝列表下的各個裝配工藝節(jié)點，需關(guān)聯(lián)與其相關(guān)的轉(zhuǎn)向架零部件、設(shè)備工裝等，創(chuàng)建工藝、產(chǎn)品、資源間的關(guān)系信息，從而明確各個工藝生產(chǎn)的子裝配體和使用的資源，獲取和管理產(chǎn)品資源的使用情況[6]。

4）創(chuàng)建裝配運動。基于“可拆即可裝”原理，按照設(shè)計好的裝配順序和路徑進(jìn)行拆卸，創(chuàng)建零部件、子裝配體、設(shè)備工裝的運動，然后通過DELMIA軟件Reverse the Process命令反轉(zhuǎn)裝配順序，在PERT chart中調(diào)整順序、并行、從屬關(guān)系，再調(diào)整裝配時間、速度，便得到可行的裝配過程。經(jīng)試驗，先預(yù)留工人作業(yè)活動的工藝節(jié)點，之后再添加和關(guān)聯(lián)作業(yè)任務(wù)，方便在反轉(zhuǎn)之后對整個裝配過程仿真的調(diào)整。

5）生成裝配過程仿真視頻。調(diào)整好仿真視角并添加必要的說明文字，可以生成用于生產(chǎn)培訓(xùn)指導(dǎo)的視頻資料。

2 仿真分析與優(yōu)化

在裝配仿真過程中，通過碰撞干涉分析、裝配路徑分析、裝配順序分析、人機工程分析，發(fā)現(xiàn)裝配工藝中存在的問題并改正。

2.1 碰撞干涉分析與優(yōu)化

在DELMIA軟件中對轉(zhuǎn)向架裝配仿真過程進(jìn)行動態(tài)和靜態(tài)干涉分析，驗證裝配零部件尺寸設(shè)計合理性。動態(tài)干涉分析能實時檢驗裝配過程中關(guān)聯(lián)零部件，當(dāng)有碰撞干涉發(fā)生，仿真立即停止；靜態(tài)干涉分為碰撞干涉和接觸干涉。接觸干涉屬于正常干涉現(xiàn)象，無法避免；裝配模型的零部件尺寸設(shè)計不合理可能造成碰撞干涉現(xiàn)象，檢測出的各類問題可以表格或矩陣的形式輸出[7]。

通過檢測分析，如圖5所示，抗側(cè)滾扭桿的扭臂和安裝座螺栓之間存在干涉，干涉距離為2.26mm，螺栓長度應(yīng)縮短2.26mm。

圖5 抗側(cè)滾扭桿干涉分析

2.2 裝配路徑分析與優(yōu)化

裝配路徑規(guī)劃是描述裝配過程重要信息之一，其目的是在具有障礙物的環(huán)境里，按照一定評價標(biāo)準(zhǔn)，尋找一條從初始狀態(tài)到目標(biāo)狀態(tài)的無碰撞干涉路徑。

在DELMIA軟件中利用Path Finder命令分析和優(yōu)化裝配路徑。在安裝軸箱彈簧時，需要用天車調(diào)運，原本的安裝路徑在桁架內(nèi)部，空間狹窄，吊具容易與桁架、空中小車沖突，天車吊運操作難度較大，如圖6(a)所示，需要調(diào)整。在輪對到達(dá)升降臺處安裝軸箱彈簧，空間開闊，避免裝配路徑產(chǎn)生沖突，降低了吊運操作難度。如圖6(b)所示。

圖6 裝配路徑修改前后

2.3 裝配順序分析與優(yōu)化

裝配順序是裝配工藝設(shè)計重要組成部分,裝配順序合理性直接影響到產(chǎn)品的可裝配性、裝配質(zhì)量及裝配成本。轉(zhuǎn)向架零部件眾多，裝配順序復(fù)雜，通過裝配仿真發(fā)現(xiàn)，裝配順序存在不足之處。

原裝配工藝順序為先安裝踏面清掃器再安裝制動裝置，由于安裝空間狹小，工人在安裝作業(yè)時，工具易與已經(jīng)安裝好的踏面清掃器發(fā)生干涉，圖7紅色線條為干涉區(qū)域。將踏面清掃器置于制動裝置之后安裝便可避免干涉。

圖7 工具與零件干涉

2.4 人機工程分析與優(yōu)化

裝配生產(chǎn)過程中人的參與是必不可少的，所以在仿真過程中要考慮工人的裝配活動。將人機工程仿真應(yīng)用在裝配過程中，模擬工人作業(yè)活動，并對工人的可視性、可達(dá)性、姿態(tài)進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)工人在實際生產(chǎn)作業(yè)時不合理之處，幫助工程人員實現(xiàn)較為理想的裝配工藝設(shè)計，減輕工人勞動強度，提高裝配效率。本文人機工程分析包括工人可視性分析、可達(dá)性分析和RULA分析（Rapid Upper LimbAssessment，快速上肢評價分析）。

2.4.1 可視性分析

裝配可視性分析是指在施工時工人可以看見零部件的安裝位置。由于零部件設(shè)計原因或裝配順序路徑不合理，會影響工人作業(yè)時對零部件安裝部位的可見性，導(dǎo)致裝配緩慢甚至停滯，只有通過采取補救措施，裝配作業(yè)才能較好地進(jìn)行下去[8]。

可以通過DELMIA的Open the Vision Window命令檢驗裝配可視性。在仿真的過程中，檢驗工人每一個安裝動作可視性，若可視性較差，需要修改作業(yè)姿態(tài)、零部件安裝順序，或采取其他補救措施。如圖8(a)所示為工人安裝牽引拉桿時的視野，由于設(shè)計原因使得工人安裝螺母時無法看見安裝位置，可以通過站在另一側(cè)工人的視野對作業(yè)工人協(xié)同指導(dǎo)，以獲取良好的視野，如圖8(b)所示，正確快速完成安裝作業(yè)。

圖8 安裝牽引拉桿可視性前后分析

2.4.2 可達(dá)性分析

裝配可達(dá)性分析旨在人體肢體活動極限范圍內(nèi)，工人可以按照裝配要求徒手或借助于工具順利將部件裝配到指定位置，在裝配工藝設(shè)計時設(shè)計者必須考慮的重要因素。

裝配工藝的裝配可達(dá)性通過仿真測驗，判斷零部件安裝位置是否在工人作業(yè)空間范圍內(nèi)。DELMIA軟件Computes A Reach Envelope命令能夠在人體模型周圍生成一個表示操作可達(dá)范圍的殼體，直觀地判斷出工人安裝零部件的可達(dá)性。如圖9所示，工人在安裝齒輪箱吊桿螺母時，通過扭力扳手，該安裝位置在工人的作業(yè)范圍之內(nèi)。

圖9 安裝齒輪箱吊桿螺母可達(dá)性分析

2.4.3 RULA分析與優(yōu)化

DELMIA軟件Human Activity Analysis模塊下RULA分析功能可以對工人在一定負(fù)荷下作業(yè)姿態(tài)合理性進(jìn)行評估，評價結(jié)果通過相關(guān)規(guī)則打分，分?jǐn)?shù)在得分欄顯示，也可以通過工人軀干色塊直觀的驗證工作姿態(tài)的合理性[7]。在裝配過程仿真時，分析工人每個作業(yè)姿態(tài)，調(diào)整不合理姿態(tài)。

RULA分析分值及色塊意義如表2所示。

表2 RULA分析分值與相應(yīng)措施

工人安裝抗側(cè)滾扭桿的RULA分析結(jié)果如圖10(a)所示，最終分值為7，需要立即研究并改變姿態(tài)，針對人體模型色塊分析，工人安裝過程中，手臂、背部負(fù)荷較大。更換手柄更長的扳手后，RULA分值為3，如圖10(b)所示，作業(yè)姿態(tài)有了明顯改善。

圖10 安裝抗側(cè)滾扭桿RULA前后分析

3 結(jié)語

本文以某轉(zhuǎn)向架裝配線為研究對象，利用DELMIA系統(tǒng)進(jìn)行了裝配工藝過程和人機工程的仿真驗證，較完整的總結(jié)出了基于DELMIA軟件的轉(zhuǎn)向架裝配仿真方法和流程。在裝配過程仿真時，進(jìn)行了干涉碰撞、裝配順序、裝配路徑、人機工程分析，發(fā)現(xiàn)了裝配工藝存在的問題并解決，改善了裝配工藝。仿真結(jié)果導(dǎo)出的干涉分析報告、RULA分析報告、裝配仿真視頻可以供工程人員作為裝配工藝設(shè)計參考資料，也可以直觀地培訓(xùn)指導(dǎo)轉(zhuǎn)向架裝配線工人作業(yè)。