汽車擾流板生產線設計及其工藝過程仿真?

夏琴香 鐘興尉 張洪臣 施進文 涂國慶

(①華南理工大學機械與汽車工程學院，廣東廣州510641；②廣州藍圣智能科技有限公司，廣東廣州511356)

在汽車零部件制造業中，目前，許多產品的生產過程依然由人工或單機手動完成。隨著人力成本的提高及市場競爭的日益激烈，由工人或單機手動生產的方式已逐漸被以機器人為基礎的自動化生產線的方式代替[1］。目前，在汽車零部件生產工廠中，為了降低勞動成本，提升企業的市場競爭力，越來越提倡設計自動化生產線來代替人工進行大規模生產。

伴隨著計算機技術及其他相關技術的快速發展，虛擬仿真技術已經應用到了各個領域中[2］。在自動化生產線的設計過程中，應用虛擬仿真技術對生產線進行建模與仿真，根據仿真結果，提早發現設備干涉、工藝規劃不合理等問題，從而對設計及工藝起到指導作用，而且提高了企業的生產效率，節約了制造成本[3-4］。郭水軍[5］等基于DELMIA(數字化企業精益制造集成式解決方案)軟件開發出適用于不同沖壓生產線的仿真系統，實現了對沖壓生產線的工藝過程規劃與優化分析；杜余剛[6］等在計算機虛擬環境下，對轎車車身沖壓生產線的生產過程進行了仿真，并對加工性能及存在的問題進行分析檢測。

本文針對汽車擾流板生產線進行自動化改造，結合擾流板組裝生產工藝及其現有設備，規劃了一條滿足技術要求的以機器人為基礎的自動化生產線，設計合理的工件定位輸送搬運裝置，利用機器人完成零部件的組裝搬運任務；利用DELMIA軟件搭建虛擬生產線仿真環境，并進行生產線工藝過程的動態模擬，驗證生產線設計及工藝過程的合理性。

1 擾流板生產線方案設計

本文的研究對象為某汽車擾流板如圖1所示，該擾流板分為內板與外板，材料為ABS，該汽車擾流板通過摩擦焊工藝將底板與外板焊接在一起。如圖2所示為汽車擾流板組裝生產線的工藝流程；現場有5名作業員同時作業，作業員1進行剎車燈線束的組裝，然后放置到熔接螺母專機進行螺母的熔接；作業員2搬運內板到涂膠工位由機器人完成內殼涂膠，再將內外板放置到摩擦焊機的模具中，完成擾流板的焊接后，再搬運到下一工位由作業員3與4進行配件的組裝，包括組裝左右卡片、方片螺母，鎖緊螺釘，貼裝膠條及組裝剎車燈；最后由作業員5進行人工檢查。手動及單機手動的生產方式比較穩定，但工人勞動強度過大，生產效率難以提高。因此，設計一種自動化生產方式成為企業的迫切需求。

根據擾流板的主要工序及其現有設備的布局方式，對擾流板組裝生產線進行技術改造。圖3所示為改造后的擾流板自動化生產線總體布局圖?？紤]到剎車燈線束在內板上的走線復雜等原因，進行自動化組裝較困難，故線束組組裝依然由操作員完成；圖3中箭頭表示擾流板及內外板的物流走向；其中由內板定位輸送裝置將內板運送到機器人涂膠工位，由外板定位輸送裝置負責將臺車中的外板運送到指定位置，由搬運機器人完成內外板的自動搬運及擾流板的搬運；擾流板翻轉變位裝置將擾流板翻轉180°后，再由機器人搬運至四工位轉臺上，進入附近組裝工位，轉臺對應的4個工位分別為進料工位、組裝工位、貼膠條工位及出料工位；出料工位由機械手將擾流板搬運至輸送帶上運出，最后由檢驗操作員進行剎車燈的組裝及終檢，主要驗內容為外觀缺陷檢查、有無漏裝附件及剎車燈是否有問題。進行自動化改造后，生產線由5人精簡到2人。

2 生產線各機械裝置設計

2.1 內板搬運、定位輸送裝置設計

完成線束組裝及熔接螺母后，由內板定位輸送裝置將內板運送至涂膠工位，由機器人完成內板的涂膠。

內板定位輸送裝置主要由工件定位夾具、直線導軌、支架及無桿氣缸等組成，結構如圖4所示。工件定位夾具由底板、仿形墊塊、導向限位桿及旋轉夾緊氣缸組成，夾緊氣缸伸出端設置有仿形塊并包裹絨布，能避免夾緊時刮傷工件。整個定位夾具通過螺釘與無桿氣缸滑臺連接。工人將內板放置到定位夾具上，按下夾緊指令按鈕，工件定位夾緊后，由無桿氣缸輸送定位夾具至機器人涂膠工位。

2.2 外板搬運、定位輸送裝置設計

外板定位輸送裝置負責將臺車中的外板輸送到指定位置，以便搬運機器人搬運外板；為保證機器人放置外板到摩擦焊機中的位置精度，需要機器人取件時，外板已精確定位。如圖5所示為外板搬運、定位輸送裝置，主要由外板臺車、搬運機械手及定位輸送裝置組成，裝置的整個工作過程可分為粗定位，搬運及精定位輸送。

粗定位:外板臺車中依層存放著外板，臺車每層均設計有仿形限位結構，對外板進行粗定位；支架上設有定位感應鎖緊裝置，當臺車推入到位后，鎖緊裝置對臺車進行鎖緊限位。

搬運:搬運機械手主要由Y軸與Z軸直線滑板、抓手、支架及伺服電動機組成，直線滑板采用滾珠絲杠副的傳動方式，實現機械手沿Y軸及Z軸的運動。取件抓手上安裝有真空吸附裝置，采用無痕吸盤吸取外板，并將外板搬運至定位輸送裝置上。

精確定位:外板定位輸送裝置與內板定位輸送裝置類似，采用無桿氣缸將定位夾具輸送到機器人取件位置。

2.3 擾流板翻轉變位裝置設計

內外板焊接完成后，需進行尾翼擾流板的附件組裝。由于附件的組裝面為擾流板內表面，而搬運機器人從摩擦焊機中搬運擾流板時抓取面為擾流板外觀面，為使機器人放置擾流板到旋轉臺上時，內表面朝上，則需對擾流板進行翻轉變位。

如圖6所示為擾流板翻轉變位裝置結構圖。定位旋轉夾具上設置有仿形塊及旋轉夾緊氣缸，進行擾流板的定位夾緊，兩端設置轉軸，使夾具沿中心軸線轉動；如圖6中所示，右側轉軸末端安裝有齒輪，由氣缸推動齒條運動，通過齒輪齒條傳動實現擾流板定位旋轉夾具的180°變位。

2.4 四工位分度轉臺設計

擾流板從摩擦焊機搬運出來后需要進行附件的組裝，圖7所示為連接擾流板組裝工位的四工位分度轉臺。四工位分度轉臺主要由主傳動部分及工件定位夾具組成。主傳動部分由分度主軸及驅動電動機組成；轉臺安裝在分度主軸上，4個工件定位夾具沿轉臺中心圓周分布，定位夾具通過兩側仿形塊及中間仿形限位塊進行擾流板的定位，由氣缸驅動夾緊轉臂進行工件的夾緊；轉臺中間安裝有氣電滑環，氣電滑環通過精巧的結構實現360°旋轉，穩定傳輸動力、信號及氣體。

2.5 附件組裝工位設計

擾流板由搬運機器人搬運至四工位分度轉臺的上料工位后，隨著轉臺的旋轉，進入第二、三工位進行附件的組裝；兩個工位均由機器人系統及送料系統組成，兩個工位機器人末端都安裝有完成指定附件組裝的操作手；第二工位機器人完成卡片及方片螺母的組裝，并進行鎖緊螺釘；第三工位機器人完成膠條的貼裝。

2.6 下料搬運輸送裝置設計

下料輸送裝置如圖8所示，主要由取件機械手及輸送裝置組成，取件機械手依然采用滾珠絲杠副傳動方式的直線滑板實現取件抓手的移動。取件抓手將擾流板從四工位轉臺夾具上取出后，擾流板的外表面處于傾斜狀態，為避免擾流放置時出現沖擊損傷外觀面，擾流板外觀面應水平地放置到輸送帶上，取件抓手需對擾流板進行旋轉變位。因此需將取件抓手設置成可旋轉的形式，轉軸一端設置可調旋轉氣缸，實現取件抓手的旋轉。輸送帶前后端均設置有傳感器，通過傳感器信號控制輸送帶減速電動機的起停。

3 擾流板工藝仿真建模

DELMIA是“數字化企業精益制造集成式解決方案”的縮寫[7］。 DELMIA 通過 PPR(product、process、resources)Hub將軟件的三大部分(面向制造過程設計的DPE、面向工藝過程分析的DPM、面向物流過程分析的QUEST)相互連接，進行數據共享[8］；它通過建立三維模型及工藝流程，在軟件中進行生產過程的動態仿真，并能通過仿真結果驗證機械結構設計、生產工藝及生產布局的合理性，達到降低設計成本及周期的目的。

本文利用DELMIA軟件對設計的擾流板生產線進行工藝過程的動態仿真，將擾流板自動生產線3D文件轉成STP格式，并將數模導入到DELMIA中，建立生產線仿真模型，實現仿真模型與設計模型的一致性。

3.1 建立資源及產品

本文將摩擦焊機等設備、機器人、四工位轉臺、內外板定位輸送等裝置作為資源，將擾流板的內外板、擾流板及其附件作為產品導入DELMIA工作環境下，構建擾流板生產線虛擬仿真模型。

3.2 建立仿真運動模型

進行生產線工藝動態仿真前，設備及機構模型必須設置合理的運動副，轉化為運動模型。DELMIA中“Device Building”模塊專用于對運動機構及其運動參數的設置。該模塊還包括軟件自帶的機器人庫，該機器人庫包含當今常用的工業機器人，如ABB、MOTOMAN等，可方便的調用[9］。在“Device Building”中可對機構組件設置運動副，如旋轉副，移動副等。添加運動副后，運動機構可在指定的約束下運動，這樣各裝置可用于運動分析。此外，對于DELMIA中不包含的機器人，可以將機器人模型導入軟件中，通過“Device Building”模塊建立機器人并設置相關參數。

以擾流板外板搬運機械手為例，簡要介紹本文中各運動機構的建立方法。外板搬運機械手的運動模型建立如圖9所示，將外板搬運機械手劃分為三個部分，分別為Z向移動組件、Y向移動組件及固定底架組件；在“Device Building”模塊中設置三者之間的約束關系并添加移動副，搬運機械手運動機構建立后，就可以通過“Jog”功能進行運動機構參數等相關設置。

3.3 建立人體模型并導入

在DELMIA中的“Human Builder”模塊中擁有涵蓋多個國家各種百分位人群的人體模型庫，可利用虛擬人參數編輯器建立所用到的人體模型[10］，并將建立好的人體模型導入到仿真環境中，如圖10所示。后期根據實際需要，可利用“Human Task Simulation”定義人體模型的不同姿態、移動的路徑以及添加一些動作來仿真工人的實際工作狀態(如搬運物品、操作設備等)[11］。

3.4 建立工藝庫及工藝列表

工藝庫(process library)是DELMIA系統中儲存工藝宏觀設計的文件。根據工藝流程，在工藝庫中寫入各工序的名稱、設置屬性、建立從屬關系，形成以“.act”為后綴的工藝庫文件。將建立好的工藝流程文件Process Library.act導入 Process List下的 Process中，建立工藝列表。

3.5 創建仿真行為及任務

在進行尾翼生產線仿真過程前，需對機器人及各裝置創建任務、規劃運動軌跡，以保證各工位的生產流程能夠順利進行。本文使用DELMIA的“device task definition”模塊進行擾流板生產線中各設備任務的建立及工作路徑的規劃。

如圖11所示為利用“device task definition”模塊中“teach a device”命令進行搬運機器人的任務創建并示教；示教器中的“configure an operation”功能可以實現對機器人動作的定義，用戶可以根據需要設置產品的取放動作、機構動作的延遲以及設置動作的輸入輸出信號等，并可以設置機構的運動速度及加速度。同樣通過“teach a device”命令可依次建立其他裝置的工作過程，如圖12所示為外板搬運機械手搬運過程的建立。

3.6 規劃工藝順序

完成裝置的任務創建后，需將任務分配到工藝中，并進行任務執行順序的規劃，才能對生產線進行工藝過程的仿真。DELMIA中有兩種方法可以建立任務的邏輯順序，一是使用PERT圖給Activity排序，鏈接各個Activity，得到整個Process的邏輯關系；二是在動作序列中建立IO信號，通過輸入輸出信號來確定動作執行的先后順序。本文中擾流板生產線Pert圖如圖13所示。

4 工藝動態仿真及結果輸出

4.1 生產線動態仿真

完成生產線工藝的設置后，通過“simulation”工具欄中的“process simulation”指令，如圖14所示，可以進行擾流板生產線的動態仿真，驗證工藝的合理性，并利用視頻將整個過程記錄下來，進行相關編輯；視頻可用于在與客戶交流與溝通上，可用于電氣設計及設備調試的指導文件，還可在項目交接過程中用于工人的培訓。

4.2 設備的干涉檢查

零部件間的相互干涉是機械設計中經常出現的問題，在設計初期及時檢查出零部件之間的干涉是一項重要的任務。DELMIA中可對零部件之間進行靜態與動態干涉檢查。

動態干涉檢測功能可在仿真分析工具欄上進行設置。進行動態仿真時，開啟工具欄中的“碰撞檢測(停止)”命令，各運動機構零部件存在運動干涉的話，仿真會停止，這時可檢查發生干涉的原因，更改結構設計與設備布局或重新規劃機器人運動軌跡。靜態干涉可對選定的部件作為碰撞檢測對象，并可生成干涉分析報告。搬運機器人在抓取外板時的碰撞干涉檢查如圖15所示。檢查結果顯示搬運機器人抓手與內板定位夾具的限位塊發生干涉，故需對限位塊的位置進行調整。

4.3 生成離線程序及現場調試

通過對整個工藝過程的仿真，并利用干涉檢查結果改進設計，驗證了整個工藝的合理性。如圖16所示為設備調試現場。對于仿真中的機器人作業軌跡可“robot offline program”模塊中的“create robot program”指令生成離線程序，將離線程序導入到機器人控制程序中，并對程序進行校核；利用離線程序可以節省大量的機器人調試時間。

5 結語

本文以某汽車擾流板生產為研究對象，通過對擾流板生產線工藝過程的分析，完成擾流板自動化生產線的設計，該生產線對于企業提高生產效率及市場競爭力有著重要的意義。通過將擾流板生產線三維模型導入到DELMIA軟件中，建立資源、運動仿真模型及工藝列表，并創建Activity邏輯順序等完成擾流板生產線過程的仿真，并根據仿真結果，檢查設備干涉，提早發現不合理的設計，進而優化設計，達到降低成本目的。通過生產線的動態仿真視頻及機器人離線程序指導設備的安裝及調試，提升了工作效率，減少了設備交期。