不規則體吊裝過程仿真方法的研究

李增增 李 琳

上海電氣風電集團股份有限公司 上海 200233

1 研究背景

風力發電機組的裝配工藝種類多,吊裝過程復雜,質量要求高,呈現多機型、小批量、更改頻繁、輔助工裝工具多等特點。當前,風力發電機組制造面臨兩大方面的挑戰,一是不斷研發升級大型風力發電機組,二是已有型號風力發電機組不斷降本。傳統做法是通過樣機實際裝配和首件試裝,連接設計工藝和量產制造,發現被忽略的問題,避免出現重大損失。但是,這種做法已經越來越不能適應時代的發展和激烈的市場競爭,需要積極研究采用新的方法和工具。

工藝仿真技術在汽車、航空等領域的應用,有效證明了通過工藝仿真可以快速實現產品設計裝配運維全生命周期,從而提高研發效率,降低制造成本。工藝仿真技術能夠實現對每一步裝配操作的仿真,在計算機中以可視化的方式展示產品的實際裝配過程,通過產品資源導入,工藝規劃和布局,工裝工具、車間設備、人體模型導入仿真,基于計算機圖形學和仿真技術,實現裝備過程的可視化操作與演示。以工藝仿真代替現場樣機的裝配試裝,能夠檢驗整個裝配過程的可行性,提供裝配干涉的檢查與報警,實現產品快速、準確裝配,有利于縮短裝配周期,提高裝配成功率,并提高裝配質量[1-4]。

Process Simulation軟件已經廣泛應用于汽車、航空等領域,顯示出良好的應用效果[5-6]。筆者公司引入Process Simulation軟件,對風力發電機組整機車間裝配和風場并網裝配全過程進行模擬,目的是通過過程仿真,提前發現新機型設計問題、工裝使用可行性問題[7]、車間裝配行車設備可達性問題、工人操作可達性問題等,從而減少樣機設計制造問題,縮短制造周期,降低成本。

風力發電機組車間整機裝配和風場并網裝配過程中,包含很多不規則體的吊裝,不規則體吊裝發生在不同空間和氣候條件下,如何真實展現不規則體的吊裝過程,是Process Simulation軟件應用過程中的重點和難點問題。筆者對不規則體吊裝過程的仿真方法進行研究。

2 不規則體吊裝過程分析

筆者仿真采用Process Simulation軟件,這一軟件將行車定義為機器人,可以實現的仿真運動包括上下運動和吊鉤360°旋轉運動。行車仿真運動如圖1所示。

圖1 行車仿真運動

在應用Process Simulation軟件進行吊裝過程仿真時,被吊裝的不規則體只會以操作者最初放置的狀態進行機械跟隨式運動,如圖2所示。

圖2 不規則體機械跟隨式運動

在現實裝配過程中,當使用行車吊裝不規則體時,不規則體會因為自身重力等因素影響,狀態不斷發生變化。因此,在Process Simulation軟件中同樣需要能夠呈現出這種狀態變化,這樣才能仿真出不規則體在裝配過程中的真實狀態。

只有實現真實狀態的仿真,才能對現實裝配過程有指導作用,并且真正監測出不規則體在裝配過程中的干涉,進而衡量工裝是否適用,并且工裝使用是否便捷等,這是風力發電機組裝配過程仿真的重點和難點。

3 仿真步驟

筆者通過創建輔助旋轉設備,將其作為行車的外部軸,與行車運動連接起來,仿真不規則體的吊裝過程,呈現出與現實裝配幾乎相同的過程。通過真實的仿真,提高裝配過程仿真結果的有效性,為實現數字雙胞胎技術打下基礎。

(1) 創建輔助旋轉設備,定義輔助旋轉設備為運動機構。

第一步,新建設備資源。在Process Simulation軟件中,新建一個設備資源作為輔助旋轉設備,命名為Sim_Revolution_Device,如圖3所示。

圖3 新建設備資源界面

第二步,創建坐標。進入建模模式,通過創建坐標系命令,創建一個坐標,命名為fr1,然后復制此坐標,并將此坐標沿X軸方向平移100 mm,命名為fr2,如圖4所示。

第三步,創建直線。通過曲線下的創建多段線命令,根據fr1坐標和fr2坐標之間的距離創建一條直線,命名為Polyline1,如圖5所示。

第四步,創建運動連接。在運動學設備下的運動學編輯器中,選擇Polyline1直線作為固定部件,創建運動連接,命名為lnk1,然后選擇fr1坐標創建運動連接,命名為lnk2,如圖6所示。

第五步,創建關節。在lnk1運動連接和lnk2運動連接之間創建關節,命名為j1,設置關節軸為X方向,關節類型選擇旋轉,設置限制類型信息,如圖7所示。

圖4 創建坐標界面

圖5 創建直線界面

圖6 創建運動連接界面

第六步,設置要保留的對象。通過設置要保留的對象命令,將polyline1直線和fr1坐標作為在外顯示的對象,兩者在非建模模式下也能夠看到,至此建模結束。

(2) 定位Sim_Revolution_Device輔助旋轉設備至裝配位置,并連接到行車作為外部軸。

以行車通過吊帶、卸扣、起吊工裝這一過程為例展現。第一步,將吊帶、卸扣定位至工裝。使用重定位命令,將吊帶重定位至卸扣,然后將吊帶和卸扣一起重定位至工裝,如圖8所示。

第二步,將Sim_Revolution_Device輔助旋轉設備定位至卸扣。通過重定位命令,選擇Sim_Revolution_Device輔助旋轉設備,重定位至卸扣,如圖9所示。

圖7 創建關節界面

第三步,設定附著關系。通過附加命令,將工裝附著到Sim_Revolution_Device輔助旋轉設備中的link2運動連接上,并將Sim_Revolution_Device輔助旋轉設備、吊帶一起附著到行車的吊鉤上,將卸扣附著到吊帶上,如圖10所示。

第四步,為行車添加外部軸。通過機器人屬性下的外部軸命令,添加Sim_Revolution_Device輔助旋轉設備作為行車外部軸,如圖11所示。

(3) 吊裝過程仿真操作。

第一步,新建通用機器人操作。通過新建操作下的創建通用機器人操作命令,選擇行車,定義名稱和范圍,創建一個機器人仿真操作,并添加至路徑編輯器,如圖12所示。

第二步,新建行車仿真運動。通過操作下的添加當前位置命令,新建行車仿真運動的起始點,然后在起始點后選取一個位置,重定位為起吊位置,如圖13所示。

圖8 吊帶卸扣重定位至工裝界面

圖9 輔助旋轉設備定位至卸扣界面

第三步,設置外部軸值。當行車仿真運行至起吊位置時,首先檢查附著關系。滿足附著關系后,通過機器人下的設置外部軸值命令,選擇之前添加的作為行車外部軸的Sim_Revolution_Device輔助旋轉設備,并選中接近值進行數值設置,如圖14所示。

第四步,設置階梯式外部軸值,實現起吊過程真實仿真。通過在后面添加位置和設置外部軸值命令,仿真行車起吊工裝過程,如圖15所示。由此呈現出工裝在不斷抬升的過程中因為自身重力原因形態不斷變化的情況,實現仿真的真實性。行程起吊過程仿真如圖16所示。

4 仿真技巧與要點

4.1 輔助旋轉設備定位至卸扣

筆者采用的仿真方法本質是將輔助旋轉設備作為被吊裝不規則體的旋轉軸,即使被吊裝的不規則體繞著輔助旋轉設備設定的旋轉軸旋轉。將Sim_Revolution_Device輔助旋轉設備定位至卸扣時,需要確定兩個定位位置完全重合。其一,Sim_Revolution_Device輔助旋轉設備旋轉軸和卸扣自身坐標系X軸完全重合。其二,卸扣自身坐標系X軸和工裝吊孔旋轉軸完全重合。這樣間接保證Sim_Revolution_Device輔助旋轉設備旋轉軸和工裝吊孔旋轉軸完全重合,這是仿真中最關鍵的一步。

圖11 為行車添加外部軸界面

4.2 設定附著關系

附著關系也可以在機器人通用操作下通過離線編程命令進行設定,如圖17所示。設定附著關系時,注意需要拆除之前預設的附著關系。

4.3 設置階梯式外部軸值

通過定制列命令,添加外部軸Ext1屬性列至路徑編輯器,如圖18所示,可以觀察行車起吊過程仿真中設定的外部軸值,并且可以進行數值編輯,提高操作的方便性。

圖12 新建通用機器人操作界面

圖13 新建行車仿真運動界面

通過設置外部軸值命令設置的外部軸值,本質上是不規則體繞輔助旋轉設備旋轉的角度。外部軸值設置越多,仿真的結果越真實,即外部軸值設置為-5°、-10°、-15°、-20°、-25°、-30°,仿真效果要好于設置為-10°、-20°、-30°。盡可能多地設置外部軸值,有助于輸出更加真實的仿真效果。

圖14 設置外部軸值界面

圖15 設置階梯式外部軸值界面

圖16 行車起吊過程仿真

圖17 通過離線編程命令設定附著關系界面

圖18 添加外部軸屬性列至路徑編輯器界面

5 擴展應用

工藝仿真的充分應用是實現數字雙胞胎技術的前提。數字雙胞胎技術可以通過傳感器和實況顯示屏實時檢查裝配情況、裝配數據、事故點位。數字雙胞胎技術一方面可以通過可視化指導裝配操作[8],實現操作報錯和傻瓜式裝配,另一方面可以基于人工智能進行事故原因分析,最終實現精準裝配和維護[9-10]。由此可見,探索不同的仿真方法,提升仿真結果的有效性和指導性,是實現工業4.0、企業數字化、工廠智能化的重要途徑。

風力發電機組車間整機裝配和風場并網裝配過程中包含大量不規則體的吊裝過程,如變槳控制柜吊至輪轂內部安裝等。變槳控制柜屬于不規則體,通過吊環從地面放置位置吊起至空中的過程中,會因為自身重力原因形態不斷變化,可以采用筆者所介紹的方法進行仿真。變槳控制柜安裝在輪轂內部底部側面,安裝工藝要求從輪轂上部口吊入,然后慢慢落至底部,最后在操作人員輔助外力下完成安裝。整個過程在狹小不規則的空間中進行,極易發生碰撞和干涉。對這一過程進行仿真,對前期設計而言具有警示意義,對后續實際安裝而言具有指導意義。

對于同樣需要進行大量吊裝的大型設備制造行業,運用筆者所述方法進行工藝過程仿真,能夠充分提高仿真過程的真實性,并且提高輸出結果的有效性,進而提高研發效率,降低制造成本。