文/許成，張純濤，伍宏昆·奇瑞汽車股份有限公司規(guī)劃設(shè)計二院沖壓部

數(shù)字化工廠規(guī)劃仿真在沖壓生產(chǎn)線的應(yīng)用

文/許成，張純濤，伍宏昆·奇瑞汽車股份有限公司規(guī)劃設(shè)計二院沖壓部

通過數(shù)字化工廠規(guī)劃的方法，在虛擬環(huán)境中輸出與生產(chǎn)線現(xiàn)場生產(chǎn)中一致的模型與仿真動作，滿足生產(chǎn)線的工藝要求；從而獲取更加貼近生產(chǎn)現(xiàn)場的規(guī)劃生產(chǎn)線的方案，減少生產(chǎn)線的整體調(diào)試時間，縮短生產(chǎn)工期，節(jié)約人力和物力資源。

隨著目前汽車制造業(yè)的飛速發(fā)展，汽車制造企業(yè)自身生產(chǎn)規(guī)模在擴(kuò)大的同時，生產(chǎn)線自動化程度也在不斷提高。生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大通常包括兩方面，一是提升原有生產(chǎn)線的效率；二是引進(jìn)自動化程度及效率更高的生產(chǎn)線。

針對引進(jìn)生產(chǎn)線來說，需要對生產(chǎn)線以及廠房進(jìn)行相應(yīng)的整體規(guī)劃。而傳統(tǒng)的以經(jīng)驗(yàn)為手段的規(guī)劃方法和動態(tài)驗(yàn)證的分析手段，設(shè)計人員的能力差異性對規(guī)劃和動態(tài)分析結(jié)果有很大影響，在資源、效率、成本的壓力下，企業(yè)亟待尋求一種快速有效的規(guī)劃方法來完成高質(zhì)量的自動化生產(chǎn)線及廠房的規(guī)劃建設(shè)。

生產(chǎn)線規(guī)劃方法分析

傳統(tǒng)沖壓生產(chǎn)線規(guī)劃及自動化驗(yàn)證方法

⑴規(guī)劃流程（圖1）

圖1 傳統(tǒng)沖壓生產(chǎn)線的規(guī)劃流程

傳統(tǒng)的規(guī)劃生產(chǎn)線的方式具體為：首先，基于各種設(shè)計軟件的輔助，自行或由廠家設(shè)計生產(chǎn)線相關(guān)設(shè)備產(chǎn)品，并按照原有生產(chǎn)線的布置經(jīng)驗(yàn)，繪制生產(chǎn)線各部分的圖紙；然后，通過以往的制造經(jīng)驗(yàn)和案例，對設(shè)計出的設(shè)備產(chǎn)品的三維數(shù)據(jù)和繪制出的生產(chǎn)線各部分的圖紙進(jìn)行相應(yīng)的分析，如對生產(chǎn)線的產(chǎn)能、布局、裝配、加工工藝、人員勞動環(huán)境和人員勞動強(qiáng)度等的分析；最后，根據(jù)分析的結(jié)果進(jìn)一步調(diào)整設(shè)備產(chǎn)品的三維數(shù)據(jù)和生產(chǎn)線各部分的圖紙，直到得出最終的規(guī)劃方案。

傳統(tǒng)生產(chǎn)線規(guī)劃的方式，其分析過程主要依靠的是原有生產(chǎn)線的布置經(jīng)驗(yàn)，以及以往的制造經(jīng)驗(yàn)和案例，缺乏立足于生產(chǎn)線生產(chǎn)現(xiàn)場的工藝要求。按照最終的規(guī)劃方案建立的生產(chǎn)線，其生產(chǎn)現(xiàn)場的調(diào)試過程往往會出現(xiàn)模具的開口高度不能滿足機(jī)械手或端拾器取件、部件干涉、設(shè)備布置與現(xiàn)場施工圖沖突等情況，進(jìn)而影響生產(chǎn)線的整體調(diào)試、延誤生產(chǎn)工期以及浪費(fèi)企業(yè)資源和人力成本。

⑵傳統(tǒng)沖壓生產(chǎn)線自動化驗(yàn)證方法

生產(chǎn)線的自動化驗(yàn)證主要包括兩個方面，分別為自動化設(shè)備的靜態(tài)布置分析和自動化設(shè)備的動態(tài)干涉驗(yàn)證。

靜態(tài)布置分析是指，在二維的平面布置規(guī)劃中驗(yàn)證相應(yīng)自動化設(shè)備布置后的空間位置關(guān)系，由于設(shè)備的二維布置圖僅代表設(shè)備的投影屬性，主要表現(xiàn)外部輪廓，不能體現(xiàn)出空間位置狀態(tài)，所以傳統(tǒng)的自動化驗(yàn)證方法對三維空間狀態(tài)下自動化設(shè)備間的位置關(guān)系及干涉情況分析不全面，不能真實(shí)反映生產(chǎn)現(xiàn)場的布置情況。圖2所示是傳統(tǒng)沖壓生產(chǎn)線的二維平面規(guī)劃圖。

動態(tài)干涉驗(yàn)證是指，設(shè)計人員針對相應(yīng)自動化設(shè)備參數(shù)進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)分析，比如傳輸距離、速度、頻率等因素，最后將工位包含的設(shè)備信息綜合集成分析，初步得出設(shè)備工作狀態(tài)下相應(yīng)環(huán)節(jié)的動態(tài)情況。此種分析方法對設(shè)計及規(guī)劃人員的經(jīng)驗(yàn)依賴性較強(qiáng)，分析結(jié)果個體差異性較大，而且分析時間較長，因?yàn)樾枰獙υO(shè)備先進(jìn)行單獨(dú)分析，再綜合驗(yàn)證。

數(shù)字化沖壓生產(chǎn)線規(guī)劃及自動驗(yàn)證方法

針對傳統(tǒng)沖壓生產(chǎn)線規(guī)劃及自動化驗(yàn)證的問題點(diǎn)及相應(yīng)弊端，逐步嘗試采用數(shù)字化規(guī)劃的方法，將生產(chǎn)線規(guī)劃和自動化驗(yàn)證整合成一個驗(yàn)證過程，針對前期的輸入指令，規(guī)劃和驗(yàn)證互為前提和結(jié)果，進(jìn)行不斷的循環(huán)驗(yàn)證和優(yōu)化，最后得出最優(yōu)的一種自動化生產(chǎn)線方式，其流程如圖3所示。

為滿足生產(chǎn)現(xiàn)場的工藝要求，獲取更加貼近生產(chǎn)現(xiàn)場的規(guī)劃生產(chǎn)線的方案，需要按以下思路進(jìn)行工作：首先，需要建立生產(chǎn)線各組成部分的虛擬模型，并為所述虛擬模型中的各運(yùn)動虛擬模型定義運(yùn)動屬性，同時保證虛擬運(yùn)動模型、運(yùn)動屬性與實(shí)際沖壓生產(chǎn)線生產(chǎn)設(shè)備結(jié)構(gòu)及動作相對應(yīng)；其次，將所有上述虛擬模型組合成虛擬生產(chǎn)線，通過各虛擬模型對應(yīng)的運(yùn)動添加相關(guān)動作時序，形成虛擬模型之間的聯(lián)動，從而完成虛擬的產(chǎn)品生產(chǎn)。通過這些過程，即可在虛擬現(xiàn)實(shí)的環(huán)境中，準(zhǔn)確地分析生產(chǎn)線規(guī)劃狀態(tài)及運(yùn)動干涉情況模擬。具體操作步驟（圖4）如下：

⑴獲取生產(chǎn)線各組成部分的建模數(shù)據(jù)

其中，建模數(shù)據(jù)的獲取通常在模擬工作之前進(jìn)行，根據(jù)生產(chǎn)線產(chǎn)品、自動化設(shè)備和輔助工具的零件尺寸、零件的模型圖和裝配關(guān)系等因素，建立各模塊的三維數(shù)據(jù)模型。部分特定產(chǎn)品的三維模型由企業(yè)或客戶提供，生產(chǎn)線中相應(yīng)的非標(biāo)設(shè)備通常需要設(shè)計部門進(jìn)行建模，其中包括生產(chǎn)線生產(chǎn)的產(chǎn)品、生產(chǎn)所需的設(shè)備和輔助工藝中的輔助工具，所有的與生產(chǎn)線有關(guān)的數(shù)據(jù)以catlog數(shù)據(jù)庫形式存放，以方便后期調(diào)用。

⑵建立生產(chǎn)線各組成部分的虛擬模型

在獲取生產(chǎn)線各組成部分的三維數(shù)據(jù)后，根據(jù)工位的環(huán)境特征（以沖壓單工位為例包括機(jī)器人、端拾器及吸盤、沖壓工件、模具和壓力機(jī)的工作數(shù)據(jù)，同時包括工位間的過渡狀態(tài)特征），完成機(jī)器人、壓力機(jī)、工裝夾具、傳送機(jī)構(gòu)和相鄰單工位的環(huán)境數(shù)據(jù)的集成，該環(huán)境數(shù)據(jù)與沖壓生產(chǎn)線現(xiàn)場生產(chǎn)場景高度相似，為參考生產(chǎn)線現(xiàn)場工藝特征的虛擬現(xiàn)實(shí)。

圖2 傳統(tǒng)二維平面規(guī)劃圖

圖3 數(shù)字化生產(chǎn)線規(guī)劃及自動化驗(yàn)證方法

圖4 數(shù)字化模擬流程

⑶為虛擬模型中的各運(yùn)動虛擬模型定義運(yùn)動屬性

所謂運(yùn)動屬性即與生產(chǎn)線生產(chǎn)時發(fā)生運(yùn)動的生產(chǎn)線組成部分的運(yùn)動特征，具體是指運(yùn)動機(jī)構(gòu)發(fā)生運(yùn)動的各項(xiàng)屬性數(shù)據(jù)，例如運(yùn)動的軌跡、頻率、加速度等。以沖壓生產(chǎn)線中壓力機(jī)對應(yīng)的運(yùn)動虛擬模型為例，該運(yùn)動虛擬模型的運(yùn)動屬性包括動作、種類、曲柄旋轉(zhuǎn)角度、延遲時間和加速度等。單獨(dú)設(shè)備個體的運(yùn)動屬性可以在建模過程中添加。相應(yīng)的特征數(shù)據(jù)是在其他生產(chǎn)線現(xiàn)場生產(chǎn)時，結(jié)合工藝過程采集和計算產(chǎn)生的。

不難理解，各運(yùn)動虛擬模型之間的運(yùn)動屬性不一定相同。例如，沖壓生產(chǎn)線中機(jī)械手對應(yīng)的運(yùn)動虛擬模型的運(yùn)動屬性，除了包括前述壓力機(jī)對應(yīng)的運(yùn)動虛擬模型的運(yùn)動屬性外，還包括機(jī)械手關(guān)節(jié)所處的位置、抓取部分和抓取件以及等待IO信號的種類和時間等。所以，該流程將根據(jù)各運(yùn)動虛擬模型對應(yīng)的生產(chǎn)線組成部分的類型，分別為各運(yùn)動虛擬模型定義運(yùn)動屬性。

⑷將所有虛擬模型組合成虛擬生產(chǎn)線

將所有虛擬模型按照生產(chǎn)線生產(chǎn)現(xiàn)場的工藝布局進(jìn)行場景布局得到虛擬生產(chǎn)線。首先，確定采用AutoCAD等軟件設(shè)計的生產(chǎn)線生產(chǎn)現(xiàn)場的二維平面位置圖，該二維平面位置圖包括生產(chǎn)線各組成部分的位置；其次，將該二維平面位置圖導(dǎo)入虛擬環(huán)境中，生成虛擬的包含生產(chǎn)線各組成部分的安裝基點(diǎn)的三維空間；然后，將所有虛擬模型定位安裝在對應(yīng)的生產(chǎn)線各組成部分的安裝基點(diǎn)。

值得說明的是，將所有虛擬模型組合成虛擬生產(chǎn)線的過程中，可對組合成的虛擬生產(chǎn)線進(jìn)行初步的環(huán)境干涉驗(yàn)證。例如，完成沖壓生產(chǎn)線的壓力機(jī)、機(jī)械手、工作臺和軌道等安裝后，直觀地判斷機(jī)械手的手臂或支座是否與壓力機(jī)立柱干涉、軌道是否與工作臺軌道相適應(yīng)等。通過初步的環(huán)境干涉驗(yàn)證，能夠規(guī)劃生產(chǎn)線生產(chǎn)現(xiàn)場的布局情況。

⑸通過虛擬生產(chǎn)線進(jìn)行虛擬的產(chǎn)品生產(chǎn)

虛擬生產(chǎn)前，需為各運(yùn)動虛擬模型設(shè)置時序，該時序建立在現(xiàn)場生產(chǎn)的工藝要求基礎(chǔ)上。其中，以沖壓生產(chǎn)線為例，包括：壓力機(jī)與上、下序機(jī)械手間發(fā)生需配合運(yùn)動所需的時間、等待點(diǎn)、速度、加速度，機(jī)械手或端拾器與模具間發(fā)生需配合運(yùn)動所需的時序等，可以根據(jù)配合的結(jié)果，將整條生產(chǎn)線的壓力機(jī)以及機(jī)械手的時序數(shù)據(jù)導(dǎo)入，進(jìn)行整條沖壓生產(chǎn)線路徑的編輯，并進(jìn)一步優(yōu)化運(yùn)動屬性。

⑹運(yùn)動虛擬模型進(jìn)行虛擬的聯(lián)動，完成生產(chǎn)模擬

一般來講，虛擬的產(chǎn)品生產(chǎn)將通過虛擬生產(chǎn)任務(wù)實(shí)現(xiàn)。虛擬生產(chǎn)任務(wù)是由各運(yùn)動虛擬模型的虛擬聯(lián)動構(gòu)成的，包括生產(chǎn)線現(xiàn)場生產(chǎn)的相應(yīng)的工藝流程。例如，在沖壓生產(chǎn)線中，設(shè)置的虛擬生產(chǎn)任務(wù)，可分為生產(chǎn)線首的板料拆垛及清洗涂油聯(lián)動過程、生產(chǎn)線中的板料沖壓聯(lián)動過程以及線尾的人員操作裝箱及叉車運(yùn)輸過程三個部分。前兩個部分的任務(wù)主要用于驗(yàn)證：板料拆垛和生產(chǎn)線節(jié)拍的配合，沖壓件成形過程中機(jī)械手抓取以及放置動作，以及在動作過程中壓力機(jī)、機(jī)械手和模具三者間的干涉和節(jié)拍。而線尾部分的任務(wù)主要用于驗(yàn)證：人員操作裝箱的姿態(tài)、力度、行走距離和時間，一箱工件從生產(chǎn)線尾到庫房的周轉(zhuǎn)時間。設(shè)置虛擬生產(chǎn)任務(wù)完成后，就可啟動生產(chǎn)任務(wù)，進(jìn)行虛擬的產(chǎn)品生產(chǎn)。

在整線生產(chǎn)模擬中還可以進(jìn)行干涉碰撞的驗(yàn)證。例如，壓力機(jī)與下序機(jī)械手間的運(yùn)動干涉碰撞、上下序機(jī)械手間的運(yùn)動干涉碰撞等。

⑺獲取虛擬的生產(chǎn)結(jié)果（圖5）

虛擬生產(chǎn)結(jié)果輸出的信息較多，例如可以獲取沖壓生產(chǎn)線中壓力機(jī)、機(jī)械手配合的節(jié)拍和沖次的參數(shù)；根據(jù)前述周轉(zhuǎn)過程可以估算出線尾所需規(guī)劃面積的大小，輸出相關(guān)工位的工藝文件等。

這些信息可以為生產(chǎn)線規(guī)劃過程提供一個很好的依據(jù)。例如，通過對虛擬的生產(chǎn)結(jié)果的分析，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)際生產(chǎn)線的人員數(shù)量規(guī)劃、場地周轉(zhuǎn)面積規(guī)劃和設(shè)備工作參數(shù)的初步確定等，所有的操作都以標(biāo)準(zhǔn)的輸出信息輸出，杜絕了個體差異，且大大的提高了工作效率和質(zhì)量。

數(shù)字化分析過程

數(shù)字化分析過程如圖6所示，具體包括如下步驟：

⑴繪制上游傳輸平臺、抓取端拾器總成以及壓力機(jī)工作環(huán)境的三維模型，并對端拾器、輔助工作臺、機(jī)器人、壓力機(jī)進(jìn)行三維幾何建模。

⑵在device building模塊中對端拾器、輔助工作臺、機(jī)器人、壓力機(jī)的運(yùn)動屬性進(jìn)行定義，并建立相應(yīng)的約束機(jī)制。

⑶在MSD模塊中根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況對端拾器、輔助工作臺、機(jī)器人、壓力機(jī)進(jìn)行設(shè)備布局。

⑷在device task definition模塊中，以端拾器、輔助工作臺、機(jī)器人、壓力機(jī)的運(yùn)動屬性為基礎(chǔ)，添加時序配合及任務(wù)定義。

圖6 數(shù)字化分析過程

⑸在workcell sequence模塊下，定義各任務(wù)之間的關(guān)系，將各任務(wù)組織起來完成工位的仿真動作，驗(yàn)證節(jié)拍、通過性、干涉碰撞情況以及設(shè)備可行性。

傳統(tǒng)的規(guī)劃及自動化驗(yàn)證手段僅依靠傳統(tǒng)的工程環(huán)境，借助于圖紙的布局，利用經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行分析、比對，最終得出規(guī)劃結(jié)果，其結(jié)果具有較多的不確定性和不準(zhǔn)確性，而數(shù)字化規(guī)劃方法依靠數(shù)字化軟件及相應(yīng)的功能模塊，能高效率地得出貼近現(xiàn)場的工藝布局及仿真結(jié)果，極大程度地減少分析時間，提高虛擬環(huán)境仿真精確性。

圖5 獲取仿真結(jié)果

結(jié)束語

隨著自動化程度的不斷提高，傳統(tǒng)的規(guī)劃及仿真模式也亟待提高和改進(jìn)，而如何通過以工藝為中心的技術(shù)來定義、監(jiān)測和控制各類生產(chǎn)系統(tǒng)，將數(shù)字化的產(chǎn)品設(shè)計數(shù)據(jù)在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中利用計算機(jī)仿真和優(yōu)化來虛擬制造，將成為后期推進(jìn)企業(yè)工藝創(chuàng)新和生產(chǎn)模式優(yōu)化的關(guān)鍵因素。