基于DELMIA的轉向架數字化裝配仿真

李 冉 ，付建林，楊 龍，徐修立，郭美玲

（1.西南交通大學 機械工程學院，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

轉向架是動車組車輛系統中最重要的組成部件之一，轉向架裝配是轉向架制造過程中極其重要的一環。目前轉向架裝配工藝主要由工程人員依靠經驗主觀進行設計，由于轉向架含有眾多零部件，裝配流程復雜，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常發生。采用數字化裝配技術進行工藝驗證，能夠較好規避以上問題，縮短轉向架裝配工藝設計時間和降低裝配成本，達到第一次設計即為最佳設計的目的[1]。眾多專家學者對轉向架數字化裝配技術展開了研究。米小珍等[2]將三維模型、動畫制作技術結合，實現了轉向架虛擬裝配動畫的設計；梁靚等[3]利用DELMIA_DPE軟件平臺完成了列車數字化三維裝配工藝規劃；楊崗等[4]利用Virtools軟件完成了CRH1轉向架的虛擬裝配平臺的開發，展示了裝配過程；謝瑩瑩等[5]通過DELMIA二次開發的轉向架三維裝配仿真系統降低了轉向架數字化裝配難度。在對轉向架裝配工藝和數字化裝配技術充分調研基礎上，本文以DELMIA軟件為仿真平臺，總結了轉向架數字化裝配仿真的詳細流程、方法，并應用了人機工程。通過仿真驗證和優化轉向架裝配工藝，經充分驗證再進行裝配線布局實施。

本文主要應用到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 轉向架裝配仿真

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

1.1 創建三維模型

裝配線三維模型分為產品、資源建模，資源包括廠房框架、設備、工裝、工具、夾具等。利用CATIA V5的Part Design和Assembly Design模塊進行產品、設備工裝等三維模型的建立。由于模型復雜程度高、數據規模大，計算機設備資源性能有限，為了提高模型的高效瀏覽與交互，模型創建好之后進行了輕量化處理，處理方法為將CATPart格式模型轉化為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為轉向架三維模型。

圖1 裝配仿真流程

圖2 轉向架三維模型

1.2 構建裝配仿真環境

裝配仿真環境為數字化裝配提供一個三維可視化環境，使設備、工裝等資源融入到一個環境之下。將資源模型在Plant Layout模塊下根據裝配線現場布局布置，裝配仿真環境布局如圖3所示。

轉向架裝配線主要分為A、B、C、D、E、F、G七個工位，A～D四個工位為構架正反組裝工位，E為落成工位，F為調整檢測工位，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，用于構架吊運；整條裝配線配有自動化控制室。

1.3 裝配工藝規劃

經過對轉向架裝配線的實地調研，轉向架裝配工藝如圖4所示，主要分為構架正反裝、轉向架落成、轉向架調整三個階段。根據裝配工藝方案在Process Library模塊中創建工藝節點，以此來添加裝配過程仿真運動。

圖4 轉向架裝配工藝規劃

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，直觀體現裝配順序、路徑、工人作業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）插入產品資源模型。將產品模型插入到APS模塊PPR（Process Product Resource）產品列表節點下，資源模型與工人模型插入到PPR資源列表節點下。確定產品、資源、工人的相對空間位置，按照生產線布局設定仿真環境的初始狀態。

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

3）關聯產品、資源及工藝。工藝列表下的各個裝配工藝節點，需關聯與其相關的轉向架零部件、設備工裝等，創建工藝、產品、資源間的關系信息，從而明確各個工藝生產的子裝配體和使用的資源，獲取和管理產品資源的使用情況[6]。

4）創建裝配運動。基于“可拆即可裝”原理，按照設計好的裝配順序和路徑進行拆卸，創建零部件、子裝配體、設備工裝的運動，然后通過DELMIA軟件Reverse the Process命令反轉裝配順序，在PERT chart中調整順序、并行、從屬關系，再調整裝配時間、速度，便得到可行的裝配過程。經試驗，先預留工人作業活動的工藝節點，之后再添加和關聯作業任務，方便在反轉之后對整個裝配過程仿真的調整。

5）生成裝配過程仿真視頻。調整好仿真視角并添加必要的說明文字，可以生成用于生產培訓指導的視頻資料。

2 仿真分析與優化

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，發現裝配工藝中存在的問題并改正。

2.1 碰撞干涉分析與優化

在DELMIA軟件中對轉向架裝配仿真過程進行動態和靜態干涉分析，驗證裝配零部件尺寸設計合理性。動態干涉分析能實時檢驗裝配過程中關聯零部件，當有碰撞干涉發生，仿真立即停止；靜態干涉分為碰撞干涉和接觸干涉。接觸干涉屬于正常干涉現象，無法避免；裝配模型的零部件尺寸設計不合理可能造成碰撞干涉現象，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，螺栓長度應縮短2.26mm。

圖5 抗側滾扭桿干涉分析

2.2 裝配路徑分析與優化

裝配路徑規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境里，按照一定評價標準，尋找一條從初始狀態到目標狀態的無碰撞干涉路徑。

在DELMIA軟件中利用Path Finder命令分析和優化裝配路徑。在安裝軸箱彈簧時，需要用天車調運，原本的安裝路徑在桁架內部，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，需要調整。在輪對到達升降臺處安裝軸箱彈簧，空間開闊，避免裝配路徑產生沖突，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 裝配順序分析與優化

裝配順序是裝配工藝設計重要組成部分,裝配順序合理性直接影響到產品的可裝配性、裝配質量及裝配成本。轉向架零部件眾多，裝配順序復雜，通過裝配仿真發現，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，工人在安裝作業時，工具易與已經安裝好的踏面清掃器發生干涉，圖7紅色線條為干涉區域。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 人機工程分析與優化

裝配生產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。將人機工程仿真應用在裝配過程中，模擬工人作業活動，并對工人的可視性、可達性、姿態進行分析，可以發現工人在實際生產作業時不合理之處，幫助工程人員實現較為理想的裝配工藝設計，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。由于零部件設計原因或裝配順序路徑不合理，會影響工人作業時對零部件安裝部位的可見性，導致裝配緩慢甚至停滯，只有通過采取補救措施，裝配作業才能較好地進行下去[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，需要修改作業姿態、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工人的視野對作業工人協同指導，以獲取良好的視野，如圖8(b)所示，正確快速完成安裝作業。

圖8 安裝牽引拉桿可視性前后分析

2.4.2 可達性分析

裝配可達性分析旨在人體肢體活動極限范圍內，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，在裝配工藝設計時設計者必須考慮的重要因素。

裝配工藝的裝配可達性通過仿真測驗，判斷零部件安裝位置是否在工人作業空間范圍內。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范圍的殼體，直觀地判斷出工人安裝零部件的可達性。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范圍之內。

圖9 安裝齒輪箱吊桿螺母可達性分析

2.4.3 RULA分析與優化

DELMIA軟件Human Activity Analysis模塊下RULA分析功能可以對工人在一定負荷下作業姿態合理性進行評估，評價結果通過相關規則打分，分數在得分欄顯示，也可以通過工人軀干色塊直觀的驗證工作姿態的合理性[7]。在裝配過程仿真時，分析工人每個作業姿態，調整不合理姿態。

RULA分析分值及色塊意義如表2所示。

表2 RULA分析分值與相應措施

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

圖10 安裝抗側滾扭桿RULA前后分析

3 結語

本文以某轉向架裝配線為研究對象，利用DELMIA系統進行了裝配工藝過程和人機工程的仿真驗證，較完整的總結出了基于DELMIA軟件的轉向架裝配仿真方法和流程。在裝配過程仿真時，進行了干涉碰撞、裝配順序、裝配路徑、人機工程分析，發現了裝配工藝存在的問題并解決，改善了裝配工藝。仿真結果導出的干涉分析報告、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計參考資料，也可以直觀地培訓指導轉向架裝配線工人作業。