工業4.0下的安全防護圍欄成型裝配工藝*

單東日 黃 鵬 施林巖 高立營

(①齊魯工業大學機械工程與汽車學院,山東 濟南 250353； ②濟南奧圖科技有限公司，山東 濟南 250001)

進入21世紀以來，智能化與通信技術取得了突破性的進展。2011年，美國總統奧巴馬宣布實施包括工業機器人在內的“Advanced Manufacturing Partnership Plan”(先進制造聯盟計劃)，意圖通過現代化的信息技術，加快對20世紀制造業的改造。德國政府在2013年4月舉行的漢諾威工業博覽會上正式推出“工業4.0”戰略，其中的智能工廠與智能生產更是未來智能基礎設施的關鍵組成部分。

智能化的服務目標是建立一個高度靈活的產品生產與服務模式，在這種模式中，最大程度地實現產品個性化、設計簡便化，省略產品中間設計加工環節，實現模塊化的零件快速成型與裝配是智能制造中的重要一環。通過簡化設計過程，充分體現交互設計的核心價值，發揮人的創新、監督和協調機器的作用，使整個制造過程更快、更高效[1-6]。

1 設計原理

1.1 端對端集成

端對端集成來自于德國提出的“工業4.0”概念?！肮I4.0”通過充分利用信息物理系統(cyber-physical system，CPS)，實現工業生產的集中式控制向分散式控制的基本模式轉變，目標是建立高度靈活的、數字化的產品服務模式，端對端集成是其中一項重要的實現條件。

端對端集成是指貫穿整個產品智能化制造工程的數字集成方式，是在所有終端數字化前提下快速整合產品的價值鏈流程，這將大幅提高制造業的生產效率。借助互聯網M2M通信，實現信息的快速傳遞、運轉[7-9]。

圖1為濟南奧圖自動化公司現代化圍欄自動生產線模型圖，工廠實現無線網絡全覆蓋，生產設備與控制器分離，設備前端自動生產防護圍欄連接組件，后端根據智能系統生成的三維模型方案裝配防護圍欄單元，自動化設備外圍是成型的安全防護圍欄，整套工作流程將設計、產品、工藝和人高度融合，實現機械自組織，生產設計的數字化。

1.2 SolidWorks定向開發原理

對于重復性零部件進行簡便作圖，特征變量進行預設置，保證裝配質量，在三維環境下即可直觀的展示零部件的幾何尺寸及所處的空間位置，提高設計人員工作效率。SolidWorks是一款運用廣泛的三維制圖軟件，可清晰地表達出零部件之間的空間位移關系，但由于SolidWorks操作的復雜性，在生產三維零件時需耗費設計人員大量的時間參與設計裝配。

SolidWorks為定向開發者提供了良好的參數化設計環境，包括尺寸參數法驅動和程序參數法驅動，前者在定向開發過程不借助計算編程，操作快捷方便，但無法對模型進行有針對性的標注或改變具體參數，更無法滿足后期裝配要求；程序驅動方法是通過程序對設備特征進行控制，在模型生成之前，將要求特征參照編碼規則以代碼的形式寫入，執行程序后，將零件無差別展示，該方法的優點是非常準確的完成設計任務，但編碼的工作量較大，要求開發人員不但有數學建模思維，還要有一定的編程能力。結合安全防護圍欄的批量設計特點、后期裝配要求和模型傳輸要求，軟件系統制作選擇程序驅動方法，智能設計軟件系統交互原理圖如圖2所示[10-12]。

2 零件模型的參數化建立

2.1 設計思路

單一零件模型的建立是同類模型參數化的基礎，針對安全防護圍欄，組件的構成部分固定，為了簡化模型，可在智能設計軟件中的二維界面繪制俯視圖從而代替整個圍欄的布置。從移動端使用的角度考慮制圖過程，可在二維空間內繪制完畢后，通過SolidWorks API的調用生成三維模型圖，標注尺寸后，通過三維模型圖導出BOM清單和現場安裝工作圖。

使用C#開發智能系統可嫁接到手觸式平板工作臺，二維圖上傳至數據終端后，中控設備每分鐘掃描一次二維數據，對已經規定約束的設計方案，生成三維模型，設計流程框圖如圖3。該智能系統實現安全防護圍欄的快速成型與自動裝配，包括生產原材料的用料明細、成本核算、綜合產品布置方案等功能。

2.2 智能系統與SolidWorks的聯接

在Visual Studio 2010創建工作臺程序后，引用API提供的封裝對象類，針對需要的工作命令，引用SolidWorks.Interop.sldworks和SolidWorks.Interop.swconst函數，如圖4所示。建立引用后，可在智能設計軟件中調用API函數，將畫圖內容連接到SolidWorks中，經過后臺的拉伸、放縮和裝配等功能，生成目標模型。

2.3 人機交互界面的建立

一個良好的人機交互界面是智能系統軟件易用性的重要指標，交互界面的建立既要滿足對現有防護圍欄特征設計的要求，又要符合SolidWorks API的語法調用規則。用戶不必繪制復雜的圖紙或完成裝配過程，只需在界面上做簡單操作，指定關鍵參數就可得到需要的裝配圖或是生產BOM表。下文對重要的功能要求作簡要說明：

(1)鼠標與坐標結合繪圖

Point pt1 = new Point();//起點坐標固定

pt1.X =int.Parse(txtSx.Text);

pt1.Y =int.Parse(txtSy.Text);

ls.setP1(pt1);//終點坐標固定

Point pt2 = new Point();

(2)交互式插件選項

private voidtxtSx_TextChanged(object sender, EventArgs e) //X點坐標選項

this.useTool(HANDTOOL_REGISTERNAME);//移動線段選項

clear();

this.txtSy.Text ="0";//清空選定內容選項

SolidWorks三維鏈接選項

private voidbtnSLD_Click(object sender, EventArgs e)

{

sd.initSldworks();

sd.Column(sx / scale, sy / scale, ex / scale, ey / scale, height / scale);

}

(3)二維設計界面

如圖5。左側為工作欄區域，右側為線性選擇區域。

2.4 SolidWorks API主要指令的調用方法

在系統軟件中，每個對象都有自己的屬性和使用方法。零件模型參數化設計主要包括7個主要方面，分別為創建草圖、創建時選定、創建拉伸特征、拉伸中的輪廓選擇、保存等。

(1)創建并激活

Dimlongstatus As Long, longwarnings As Long//變量聲明文件

SetswApp = Application.SldWorks//應用程序對象和文檔實例化

Set Part =swApp.ActiveDoc//激活零件活動視圖

(2)選擇活動工作面

boolstatus = Part.Extension.SelectByID2("草圖3", "SKETCH", 0, 0, 0, False, 0, Nothing, 0)//指定草圖3為活動面

boolstatus = Part.Extension.SelectByID2("前視基準面", "PLANE", 0, 0, 0, True, 0, Nothing, 0)//指定前世基準面為活動面

(3)特征命令

swModel.SketchManager.InsertSketch(true);//插入草圖

swModel.SketchManager.AddToDB = true;//開始繪圖

vSkLines = swModel.SketchManager.CreateCornerRectangle(x, y, z, x + lenght, y + width, z);//繪制單一底座

myFeature = swModel.FeatureManager.FeatureExtrusion2(true, false, false, 0, 0, height, 0, false, false, false, false, 0, 0, false, false, false, false, true, true, true, 3, z, false);//底座特征拉伸

(4)保存結束

public voidDrawOver()

{

myModelView.EnableGraphicsUpdate = true;

swModel.SaveAs("E:\3D\" + DateTime.Now.Ticks.ToString() + ".SLDPRT");

swApp.CloseAllDocuments(true);

MessageBox.Show("執行繪圖任務成功");

}

二維平面作圖完畢，中控設備成功掃描數據后，生成立體圖并保存，保存格式“.SLDPRT”，創建成功后彈出“執行繪圖任務成功”對話框。

3 零件模型的智能裝配

3.1 智能裝配系統工作流程

以SolidWorks裝配原理為基礎，對安全防護圍欄的組件進行智能裝配，搭建裝配工作流程，實現智能化裝配，裝配流程如圖6。

3.2 二維坐標三維轉換

系統軟件為二維界面，只有X、Y兩個軸向，而最終裝配體為三維坐標。通過算法實現對二維界面起始點的捕捉并判斷，確定空間裝配體單側的排布方向。

public void Column(doublesx, double sy, double ex, double ey, double height)

{

if (sy == ey)//0,180 度

{

Cube(sx, sy, 0, height, 0);

}

else

{

Cube(sx, sy, 0, height, 90);

}

}

3.3 零件裝配順序的確定

裝配時運用特征裝配(FAT)與數據流鏈(DFC)結合判定零部件裝配順序，可大大簡化裝配過程，起到智能裝配效果。FAT模型將組件中所有約束全部展示，實際連接件用實線表示，非連接件用虛線表示；DFC模型只顯示有固定位置約束的零部件。在空間中有固定位置的零部件，約束不少于2個。規定裝配順序后按約束要求編寫程序，由程序智能判斷裝配順序。圖7為安全防護圍欄組件，圖8為DFC的鏈接簡圖。

根據DFC模型中各個零件之間的關系，將有直接連接的零件對應的矩陣元素記為1，沒有連接的零件對應的矩陣元素記為0(如表1所示)，相關6個零件組成安全防護圍欄單元組件，按照矩陣總和大小確定裝配序列。該組件的裝配序列為：4→3→2,5→1、6，零件2、5和零件1、6的順序按零件標記大小進行，對實質裝配順序沒有影響。

表1 DFC模型矩陣元素

123456100010020011003010110411101150011006000100

3.4 裝配關系的確定及智能裝配的實現

智能裝配的實現主要依靠API提供的配合類型。該智能系統軟件調用分別是：重合(swMateCOINCIDENT)、垂直(swMatePERPENDICULAR)、距離(swMateDISTANCE)等。添加配合時通過調用AssemblyDoc::AddMate3方法來實現。

AssemblyDoc::AddMate3

MateObj = AssemblyDoc::AddMate3(MateType,Align,Flip,Dist,distAbsUpLim,distAbsLowLim,gearRatioNum,gearRatioDen,Angle,AngleAbsUpLim,AngleAbsLowLim,ForPosOnly,errorStatus)

該指令包含13個參數。以下為幾個關鍵參數介紹。Flip參數：True則取反部件，False則不；Dist參數：swMateDISTANCE型配合使用的距離值；distAbsUpLim,distAbsLowLim參數：絕對最大/最小距離值；Angle參數：swMateANGLE配合使用的角度值。

防護圍欄零部件的智能裝配順序如下：

二維約束讀取→裝配順序確定→組件裝配→多個組件綜合裝配。在綜合裝配時再次調用二維設計軟件的尺寸定義，按照尺寸定義將SolidWorks中的組件進行空間裝配，當實現(f)固定時，則表明零件固定成功。以下為裝配過程簡述：

switch (angle)

{

boolstatus = swModel.Extension.SelectByID2("前視基準面", "PLANE", 0, 0, 0, false, 0, null, 0);

swModel.SketchManager.InsertSketch(true);//外框定義

}

boolstatus = Part.Extension.SelectByID2("", "FACE", -0.01708309852444, 0.05158716406652, 0.001133256680646, False, 0, Nothing, 0)//選擇裝配面

DimmyMate As Object

SetmyMate = Part.AddMate3(0, 1, False, 0.00494965898515, 0, 0, 0.001, 0.001, 0, 0.5235987755983, 0.5235987755983, False, longstatus)//自動裝配函數

4 裝配實例展示

以濟南奧圖科技有限公司生產的安全防護圍欄為研究對象，在移動端控制器上進行簡單設計，由機械自組織生產出防護圍欄單元。由智能系統軟件繪制防護圍欄的具體尺寸和位置，完成基礎制圖后，按照防護圍欄之間的關系，根據DFC模型進行矩陣位置轉換，生成裝配序列，此裝配序列完成零件到單位組件的裝配，根據系統軟件的約束要求，將單位組件進行整體定位，實現智能裝配的目的。設計完成后，移動端控制器對生產機械傳輸工作指令，由機械自組織生產出防護圍欄單元，整體過程實現端對端的業務鏈接。圖9所示為系統軟件尺寸約束，圖10所示為三維裝配圖，圖11為工廠生產BOM訂單明細。

5 結語

防護欄智能系統不局限于防護圍欄，對于汽車零部件生產，沖壓線生產均適用。此方案已經成功應用在濟南奧圖科技有限公司機械自組織生產設計中，并取得了良好的效果。

可以預見，制造業智能化是未來行業的趨勢，其關鍵點包括：面向裝配構件的三維設計，專用智能裝配的設計制造，生產過程遠程控制與檢測。要借助德國工業4.0中端對端集成理念，集合現有數控化技術，建立一個高度靈活的智能化生產鏈服務模式，推動智能制造產業化的穩步提升。

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