李增增 李 琳

上海電氣風(fēng)電集團(tuán)股份有限公司 上海 200233

1 研究背景

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的裝配工藝種類多,吊裝過程復(fù)雜,質(zhì)量要求高,呈現(xiàn)多機(jī)型、小批量、更改頻繁、輔助工裝工具多等特點(diǎn)。當(dāng)前,風(fēng)力發(fā)電機(jī)組制造面臨兩大方面的挑戰(zhàn),一是不斷研發(fā)升級(jí)大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組,二是已有型號(hào)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組不斷降本。傳統(tǒng)做法是通過樣機(jī)實(shí)際裝配和首件試裝,連接設(shè)計(jì)工藝和量產(chǎn)制造,發(fā)現(xiàn)被忽略的問題,避免出現(xiàn)重大損失。但是,這種做法已經(jīng)越來越不能適應(yīng)時(shí)代的發(fā)展和激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭,需要積極研究采用新的方法和工具。

工藝仿真技術(shù)在汽車、航空等領(lǐng)域的應(yīng)用,有效證明了通過工藝仿真可以快速實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)裝配運(yùn)維全生命周期,從而提高研發(fā)效率,降低制造成本。工藝仿真技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)每一步裝配操作的仿真,在計(jì)算機(jī)中以可視化的方式展示產(chǎn)品的實(shí)際裝配過程,通過產(chǎn)品資源導(dǎo)入,工藝規(guī)劃和布局,工裝工具、車間設(shè)備、人體模型導(dǎo)入仿真,基于計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和仿真技術(shù),實(shí)現(xiàn)裝備過程的可視化操作與演示。以工藝仿真代替現(xiàn)場(chǎng)樣機(jī)的裝配試裝,能夠檢驗(yàn)整個(gè)裝配過程的可行性,提供裝配干涉的檢查與報(bào)警,實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品快速、準(zhǔn)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(zhì)量[1-4]。

Process Simulation軟件已經(jīng)廣泛應(yīng)用于汽車、航空等領(lǐng)域,顯示出良好的應(yīng)用效果[5-6]。筆者公司引入Process Simulation軟件,對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組整機(jī)車間裝配和風(fēng)場(chǎng)并網(wǎng)裝配全過程進(jìn)行模擬,目的是通過過程仿真,提前發(fā)現(xiàn)新機(jī)型設(shè)計(jì)問題、工裝使用可行性問題[7]、車間裝配行車設(shè)備可達(dá)性問題、工人操作可達(dá)性問題等,從而減少樣機(jī)設(shè)計(jì)制造問題,縮短制造周期,降低成本。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組車間整機(jī)裝配和風(fēng)場(chǎng)并網(wǎng)裝配過程中,包含很多不規(guī)則體的吊裝,不規(guī)則體吊裝發(fā)生在不同空間和氣候條件下,如何真實(shí)展現(xiàn)不規(guī)則體的吊裝過程,是Process Simulation軟件應(yīng)用過程中的重點(diǎn)和難點(diǎn)問題。筆者對(duì)不規(guī)則體吊裝過程的仿真方法進(jìn)行研究。

2 不規(guī)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(jī)器人,可以實(shí)現(xiàn)的仿真運(yùn)動(dòng)包括上下運(yùn)動(dòng)和吊鉤360°旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。行車仿真運(yùn)動(dòng)如圖1所示。

圖1 行車仿真運(yùn)動(dòng)

在應(yīng)用Process Simulation軟件進(jìn)行吊裝過程仿真時(shí),被吊裝的不規(guī)則體只會(huì)以操作者最初放置的狀態(tài)進(jìn)行機(jī)械跟隨式運(yùn)動(dòng),如圖2所示。

圖2 不規(guī)則體機(jī)械跟隨式運(yùn)動(dòng)

在現(xiàn)實(shí)裝配過程中,當(dāng)使用行車吊裝不規(guī)則體時(shí),不規(guī)則體會(huì)因?yàn)樽陨碇亓Φ纫蛩赜绊?狀態(tài)不斷發(fā)生變化。因此,在Process Simulation軟件中同樣需要能夠呈現(xiàn)出這種狀態(tài)變化,這樣才能仿真出不規(guī)則體在裝配過程中的真實(shí)狀態(tài)。

只有實(shí)現(xiàn)真實(shí)狀態(tài)的仿真,才能對(duì)現(xiàn)實(shí)裝配過程有指導(dǎo)作用,并且真正監(jiān)測(cè)出不規(guī)則體在裝配過程中的干涉,進(jìn)而衡量工裝是否適用,并且工裝使用是否便捷等,這是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組裝配過程仿真的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

3 仿真步驟

筆者通過創(chuàng)建輔助旋轉(zhuǎn)設(shè)備,將其作為行車的外部軸,與行車運(yùn)動(dòng)連接起來,仿真不規(guī)則體的吊裝過程,呈現(xiàn)出與現(xiàn)實(shí)裝配幾乎相同的過程。通過真實(shí)的仿真,提高裝配過程仿真結(jié)果的有效性,為實(shí)現(xiàn)數(shù)字雙胞胎技術(shù)打下基礎(chǔ)。

(1) 創(chuàng)建輔助旋轉(zhuǎn)設(shè)備,定義輔助旋轉(zhuǎn)設(shè)備為運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。

第一步,新建設(shè)備資源。在Process Simulation軟件中,新建一個(gè)設(shè)備資源作為輔助旋轉(zhuǎn)設(shè)備,命名為Sim_Revolution_Device,如圖3所示。

圖3 新建設(shè)備資源界面

第二步,創(chuàng)建坐標(biāo)。進(jìn)入建模模式,通過創(chuàng)建坐標(biāo)系命令,創(chuàng)建一個(gè)坐標(biāo),命名為fr1,然后復(fù)制此坐標(biāo),并將此坐標(biāo)沿X軸方向平移100 mm,命名為fr2,如圖4所示。

第三步,創(chuàng)建直線。通過曲線下的創(chuàng)建多段線命令,根據(jù)fr1坐標(biāo)和fr2坐標(biāo)之間的距離創(chuàng)建一條直線,命名為Polyline1,如圖5所示。

第四步,創(chuàng)建運(yùn)動(dòng)連接。在運(yùn)動(dòng)學(xué)設(shè)備下的運(yùn)動(dòng)學(xué)編輯器中,選擇Polyline1直線作為固定部件,創(chuàng)建運(yùn)動(dòng)連接,命名為lnk1,然后選擇fr1坐標(biāo)創(chuàng)建運(yùn)動(dòng)連接,命名為lnk2,如圖6所示。

第五步,創(chuàng)建關(guān)節(jié)。在lnk1運(yùn)動(dòng)連接和lnk2運(yùn)動(dòng)連接之間創(chuàng)建關(guān)節(jié),命名為j1,設(shè)置關(guān)節(jié)軸為X方向,關(guān)節(jié)類型選擇旋轉(zhuǎn),設(shè)置限制類型信息,如圖7所示。

圖4 創(chuàng)建坐標(biāo)界面

圖5 創(chuàng)建直線界面

圖6 創(chuàng)建運(yùn)動(dòng)連接界面

第六步,設(shè)置要保留的對(duì)象。通過設(shè)置要保留的對(duì)象命令,將polyline1直線和fr1坐標(biāo)作為在外顯示的對(duì)象,兩者在非建模模式下也能夠看到,至此建模結(jié)束。

(2) 定位Sim_Revolution_Device輔助旋轉(zhuǎn)設(shè)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(xiàn)。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(zhuǎn)設(shè)備定位至卸扣。通過重定位命令,選擇Sim_Revolution_Device輔助旋轉(zhuǎn)設(shè)備,重定位至卸扣,如圖9所示。

圖7 創(chuàng)建關(guān)節(jié)界面

第三步,設(shè)定附著關(guān)系。通過附加命令,將工裝附著到Sim_Revolution_Device輔助旋轉(zhuǎn)設(shè)備中的link2運(yùn)動(dòng)連接上,并將Sim_Revolution_Device輔助旋轉(zhuǎn)設(shè)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(jī)器人屬性下的外部軸命令,添加Sim_Revolution_Device輔助旋轉(zhuǎn)設(shè)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(jī)器人操作。通過新建操作下的創(chuàng)建通用機(jī)器人操作命令,選擇行車,定義名稱和范圍,創(chuàng)建一個(gè)機(jī)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(yùn)動(dòng)。通過操作下的添加當(dāng)前位置命令,新建行車仿真運(yùn)動(dòng)的起始點(diǎn),然后在起始點(diǎn)后選取一個(gè)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(zhuǎn)設(shè)備定位至卸扣界面

第三步,設(shè)置外部軸值。當(dāng)行車仿真運(yùn)行至起吊位置時(shí),首先檢查附著關(guān)系。滿足附著關(guān)系后,通過機(jī)器人下的設(shè)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(zhuǎn)設(shè)備,并選中接近值進(jìn)行數(shù)值設(shè)置,如圖14所示。

第四步,設(shè)置階梯式外部軸值,實(shí)現(xiàn)起吊過程真實(shí)仿真。通過在后面添加位置和設(shè)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(xiàn)出工裝在不斷抬升的過程中因?yàn)樽陨碇亓υ蛐螒B(tài)不斷變化的情況,實(shí)現(xiàn)仿真的真實(shí)性。行程起吊過程仿真如圖16所示。

4 仿真技巧與要點(diǎn)

4.1 輔助旋轉(zhuǎn)設(shè)備定位至卸扣

筆者采用的仿真方法本質(zhì)是將輔助旋轉(zhuǎn)設(shè)備作為被吊裝不規(guī)則體的旋轉(zhuǎn)軸,即使被吊裝的不規(guī)則體繞著輔助旋轉(zhuǎn)設(shè)備設(shè)定的旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)。將Sim_Revolution_Device輔助旋轉(zhuǎn)設(shè)備定位至卸扣時(shí),需要確定兩個(gè)定位位置完全重合。其一,Sim_Revolution_Device輔助旋轉(zhuǎn)設(shè)備旋轉(zhuǎn)軸和卸扣自身坐標(biāo)系X軸完全重合。其二,卸扣自身坐標(biāo)系X軸和工裝吊孔旋轉(zhuǎn)軸完全重合。這樣間接保證Sim_Revolution_Device輔助旋轉(zhuǎn)設(shè)備旋轉(zhuǎn)軸和工裝吊孔旋轉(zhuǎn)軸完全重合,這是仿真中最關(guān)鍵的一步。

圖11 為行車添加外部軸界面

4.2 設(shè)定附著關(guān)系

附著關(guān)系也可以在機(jī)器人通用操作下通過離線編程命令進(jìn)行設(shè)定,如圖17所示。設(shè)定附著關(guān)系時(shí),注意需要拆除之前預(yù)設(shè)的附著關(guān)系。

4.3 設(shè)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(shè)定的外部軸值,并且可以進(jìn)行數(shù)值編輯,提高操作的方便性。

圖12 新建通用機(jī)器人操作界面

圖13 新建行車仿真運(yùn)動(dòng)界面

通過設(shè)置外部軸值命令設(shè)置的外部軸值,本質(zhì)上是不規(guī)則體繞輔助旋轉(zhuǎn)設(shè)備旋轉(zhuǎn)的角度。外部軸值設(shè)置越多,仿真的結(jié)果越真實(shí),即外部軸值設(shè)置為-5°、-10°、-15°、-20°、-25°、-30°,仿真效果要好于設(shè)置為-10°、-20°、-30°。盡可能多地設(shè)置外部軸值,有助于輸出更加真實(shí)的仿真效果。

圖14 設(shè)置外部軸值界面

圖15 設(shè)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(shè)定附著關(guān)系界面

圖18 添加外部軸屬性列至路徑編輯器界面

5 擴(kuò)展應(yīng)用

工藝仿真的充分應(yīng)用是實(shí)現(xiàn)數(shù)字雙胞胎技術(shù)的前提。數(shù)字雙胞胎技術(shù)可以通過傳感器和實(shí)況顯示屏實(shí)時(shí)檢查裝配情況、裝配數(shù)據(jù)、事故點(diǎn)位。數(shù)字雙胞胎技術(shù)一方面可以通過可視化指導(dǎo)裝配操作[8],實(shí)現(xiàn)操作報(bào)錯(cuò)和傻瓜式裝配,另一方面可以基于人工智能進(jìn)行事故原因分析,最終實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)裝配和維護(hù)[9-10]。由此可見,探索不同的仿真方法,提升仿真結(jié)果的有效性和指導(dǎo)性,是實(shí)現(xiàn)工業(yè)4.0、企業(yè)數(shù)字化、工廠智能化的重要途徑。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組車間整機(jī)裝配和風(fēng)場(chǎng)并網(wǎng)裝配過程中包含大量不規(guī)則體的吊裝過程,如變槳控制柜吊至輪轂內(nèi)部安裝等。變槳控制柜屬于不規(guī)則體,通過吊環(huán)從地面放置位置吊起至空中的過程中,會(huì)因?yàn)樽陨碇亓υ蛐螒B(tài)不斷變化,可以采用筆者所介紹的方法進(jìn)行仿真。變槳控制柜安裝在輪轂內(nèi)部底部側(cè)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(gè)過程在狹小不規(guī)則的空間中進(jìn)行,極易發(fā)生碰撞和干涉。對(duì)這一過程進(jìn)行仿真,對(duì)前期設(shè)計(jì)而言具有警示意義,對(duì)后續(xù)實(shí)際安裝而言具有指導(dǎo)意義。

對(duì)于同樣需要進(jìn)行大量吊裝的大型設(shè)備制造行業(yè),運(yùn)用筆者所述方法進(jìn)行工藝過程仿真,能夠充分提高仿真過程的真實(shí)性,并且提高輸出結(jié)果的有效性,進(jìn)而提高研發(fā)效率,降低制造成本。