装配过程仿真

2024-07-06

装配过程仿真（共9篇）

装配过程仿真篇1

0 引言

柔性薄板类零件广泛应用于汽车、飞机等机械产品的生产中,其常用的装配连接形式为铆接和点焊。装配过程中的零件制造和夹具定位误差的存在会导致零件连接配合区域存在间隙或理论上的干涉现象。柔性件装配是一个经过定位及夹紧消除间隙后,施加连接操作的过程。不同于刚性零件,柔性件在装配过程中会因为过定位夹紧和连接力的作用而导致其弹性变形以及接触状态的不断变化,已有的刚体装配模型不适应于柔性薄板零件装配偏差的分析。因此,构建柔性薄板装配过程仿真模型,进而确定装配偏差的影响因素对于保证产品质量至关重要。

典型的薄板装配通常分为定位、夹紧、连接和夹具释放4个步骤[1],国内外众多学者对其装配过程和偏差分析进行了大量研究。Liu和hu[2,3]将有限元与统计分析相结合,采用影响系数法建立了零件偏差与装配回弹之间的线性关系,掀起了对薄板装配偏差分析的热潮,但其不足在于未考虑装配过程中零件间的接触现象。Liao和wang[4]研究了薄板装配中零件接触力对装配偏差的非线性影响,借助ANSYS有限元软件实现了基于非线性接触模型的钣金件装配偏差计算。Kang xie[5]等研究了装配过程中考虑接触情况下的尺寸偏差传递,结合有限元软件,采用增强的维数减小方法,建立了零件偏差与装配偏差统计特征之间的关系。国内林忠钦、来新民[6]对车体装配偏差的基本概念和国外基于偏差流理论的偏差控制方法进行了概括和归纳,掀起了国内对汽车柔性装配偏差分析和控制的研究帷幕。张媛媛[7]采用ABAQUS对装配接触问题进行建模,提出了有限元建模中干涉消除和接触力建模方法,进而分析接触存在情况下的柔性薄板件装配偏差。

基于ABAQUS有限元分析软件,运用重启动分析、数据传递以及自由度耦合的功能,构建柔性薄板装配过程仿真模型,分析零件接触以及摩擦现象对于最终装配偏差的影响,通过与薄板装配实验数据对比验证仿真模型的准确性。

1 柔性薄板装配模型

依据柔性薄板实际的装配过程及工艺特点,采用ABAQUS有限元分析软件构建装配过程仿真模型。

1.1 薄板装配定位方式及连接形式

对于刚体零件装配,一般在夹具上设置6个支撑点分别限制零件的6个自由度即可完成定位,通常称为3-2-1定位原理。6点的配置为:3点确定第一基准面以面接触方式对零件定位;2点确定第二基准面以线接触的方式对工件进行定位;一点所在的平面以点接触的方式对工件进行定位。不同于刚性零件,柔性零件刚度低,装配过程中受力易变性,因此柔性零件通常采用N-2-1的过定位方案,即在第一基准面上选择N(N>3)个定位点对零件充分定位,通常选取薄板零件的最大投影面作为第一基准面。

薄板连接装配通常采用点焊或铆接方式,从工艺角度出发,设计时需要在零件接头处保留一定的重叠区域称为配合区。典型的配合区连接方式包括搭接、对接及角接等(图1)。搭接接头可通过沿零件表面方向的滑动减小误差的传递,因此薄板零件装配多采用该种配合形式,对于装配过程的研究亦采用该连接形式。

1.2 柔性薄板装配过程

根据实际装配过程,柔性薄板装配通常情况下可以分为如下4个连续的步骤(图2)。

1)待装配零件定位,消除刚体位移。此处可采用3-2-1的定位方案,对于大尺寸薄板零件,可采用N-2-1的定位方案,以此充分约束零件的6个自由度,达到消除刚体位移的目的。

2)将零件夹持到名义装配位置。由于零件不可避免地存在制造偏差,定位后的零件可能偏移名义的装配位置,导致零件之间及零件与夹具之间存在间隙,采用过定位夹具及连接工具(铆枪或焊枪)施加夹紧连接力将零件夹持到名义连接位置,消除间隙。

3)连接,将待装配零件连接在一起。

4)释放夹具及连接工具,装配体自由回弹,装配完成。

1.3 ABAQUS柔性薄板装配过程仿真

对于柔性薄板装配过程的仿真,其关键问题在于:1)对连接工艺的模拟;2)对夹紧消除连接配合区域间隙之后施加连接紧固过程的实现。

针对连接工艺的模拟,因连接接触作用对于整体装配尺寸偏差影响较小,仅将连接操作简化为两结点之间的6个自由度耦合。ABAQUS中能实现此操作的有TIE绑定或MPC多点约束中的梁约束。但以上2种自由度耦合只能定义在初始分析步中,在后续分析步中继承,而柔性件装配是一个定位、夹紧消除间隙后施加连接的过程。因此,薄板装配的连续过程无法在一个分析模型中实现。

针对夹紧消除连接配合区域间隙之后施加连接紧固过程的实现,根据装配过程的实际需求以及重启动分析与数据传递的技巧,将装配过程分为2个分析模型。分析1对待装配零件施加定位、压紧到连接前的理想位置,并在分析末尾设置重启动分析参数,实现装配中的定位和夹紧步骤;分析2以分析1仿真结果作为本次分析的开始,定义连接,使装配后模型在夹紧后的弹性势能的作用下回弹至平衡位置,完成连接、回弹步骤。至此即通过2个仿真模型完成柔性件装配的全过程。

基于以上对柔性薄板装配过程中相关问题的有限元方法的处理,对基于ABAQUS的柔性薄板装配过程仿真做总结与归纳,如图3为ABAQUS柔性薄板装配仿真流程图,具体实施分为如下4个步骤。

1)构建带有制造偏差的装配零件模型,网格划分,选择定位点,采用3-2-1或N-2-1的方案对零件定位;对于可能在装配过程中发生接触的区域定义接触对,可采用点-面或面-面的接触模式,并在接触切向设置摩擦因数,完成定位。

2)选取过定位夹紧点及装配连接点,施加夹紧连接位移将零件压紧到理想连接位置,此处亦可通过调整位移数值模拟夹具及连接工具的定位偏差,因接触为典型的非线性现象以及零件制造偏差的存在,在夹紧过程中可能存在大位移现象,此处采用静力通用非线性分析,创建分析、求解完成整体过程中的定位、夹紧两步骤。

3)建立新的分析模型,采用数据传递操作导入前一分析夹紧完成后的网格模型,预定义初始状态场导入与变形后的网格匹配的夹紧完成后的计算结果,采用与前一分析相同的定位方案对零件定位,并设置接触属性,选取连接点,采用TIE或MPC约束模拟铆接或点焊连接,完成连接。

4)创建分析,让装配完成后的模型在上一分析夹紧完成后产生的弹性势能的作用下自由回弹,完成回弹步骤。此处采用仅释放夹紧夹具及连接工具的过定位释放方案。

2 实例分析

运用ABAQUS对柔性薄板装配过程进行仿真,在柔性薄板装配试验台上完成柔性薄板装配实验并采用三坐标测量机测得最终装配偏差。将仿真数据与实验数据进行对比,分析接触以及摩擦现象对于装配偏差的影响。

2.1 Z型板与平板装配仿真

图4为Z型板与平板零件几何模型,两板厚度均为1 mm,其中Z型板装配连接一端翘曲5°用以模拟零件制造偏差。各装配零件材料属性如表1所示。

采用ABAQUS建立装配零件的有限元网格模型,单元类型为S3,图5为薄板装配方案。Z型板采用4-2-1的过定位方案,具体实施为定位点F11、F12、F13和F14约束y向自由度,约束z向自由度的有点F12和F13,F11约束x向自由度;平板选取定位点F21和F22约束x、y和z三个方向自由度,以上各定位点约束自装配开始至最终均不释放。因本实例尺寸相对较大,另在Z型板折边上选取夹紧点C11和C12在x方向上施加位移约束,在平板上选取C21和C22约束y向自由度实现过定位夹紧。以上4个过定位点在装配完成之后释放约束。因此,本实例采用的是过定位释放方案。

图5在2块薄板零件连接配合区域选取4对连接点,以Z型板上连接点为主结点约束平板上对应点的全6个自由度模拟连接操作,各连接点匹配关系为W11/W21、W12/W22、W13/W23和W14/W24。因Z型板配合区域的翘曲导致其上各连接点在y向上偏离理想连接位置,另在C11和C12上分别施加1 mm和0.5 mm的位移约束模拟过定位夹具偏差,施加方向为x向。如表2所示为各连接点处制造偏差与夹紧点处定位偏差数值。

在下列3种情况下对装配过程进行分析仿真:1)不考虑接触作用;2)考虑法向接触现象不计摩擦影响;3)同时考虑接触法向接触与切向摩擦现象。当考虑摩擦现象时,摩擦系数取f=0.3。以薄板法向尺寸作为最终装配质量评估方向。各关键测点为:Z型板上点K11、K12,平板上点K21、K22,装配后两板共有的连接点W11/W21、W12/W22、W13/W23和W14/W24。表3为3种假设下所得各关键测点处装配偏差。

2.2 Z型板与平板装配实验

为验证本文采用ABAQUS对柔性薄板装配过程进行仿真的可行性,设计柔性薄板装配试验台(图6),对Z型板与平板进行装配实验。

根据图4实例几何模型及表1相关材料参数制作薄板零件并设计装配过程实验,实验中相关数据采集使用三坐标测量机(型号为MISTRAL070705)。如图7为薄板零件实物。各零件预制直径为22 mm的圆孔与装配实验台定位杆配合,实现确定性定位。点焊与铆接均为不可拆卸连接,为实现零件的重复利用,采用直径为5 mm的螺栓连接模拟点焊或铆接工艺连接。Z型板预制8 mm直径连接孔,因定位及夹紧误差,很难确定两板连接的准确位置,因此,平板采用长度为18 mm的槽孔配合圆孔连接,保证在小滑动情况下板件亦可实现连接。

a)根据柔性薄板装配工艺,装配实验通过如下4步实现:

1)零件定位:采用N-2-1定位理论对薄板零件定位。因制造偏差的存在,待装配零件连接配合区域存在间隙,如图8所示。

2)过定位及连接夹紧:采用夹紧夹头配合定位夹头将零件夹紧到理想连接位置,消除装配间隙。如图9所示,两板连接配合区域已完成闭合。

3)连接紧固:实验中采用螺栓与弹簧垫圈配合以保证连接的可靠性,如图10为连接完成后示意图。

4)过约束及连接夹头释放:释放连接及过定位夹头,因各夹头处夹紧力消失,装配体会发生一定的回弹现象。运用三坐标测量机测量各关键点处回弹后坐标,确定最终装配偏差。如图11为回弹后所需个关键点示意图。表4为装配完成后各关键测点处的装配偏差。

b)从3个方面对实验及仿真数据进行分析:1)分析接触现象对于装配偏差的影响;2)研究摩擦现象对于装配过程的影响机制;3)验证本文构建的薄板装配过程模型的有效性。分析数据来源于表3和表4。

不考虑接触现象时,ABAQUS仿真相对于实验数据在各关键点处装配偏差的平均相对误差为53.9%,因此,接触现象对装配偏差有较大影响,由图12同样可以看出仿真数据相对实验结果相差较大。

仅考虑法向接触时平均相对误差为15.3%,取摩擦系数f=0.3时平均相对误差为11.0%。即考虑摩擦作用时仿真结果更贴近真实值。由图12和图13可以发现2种假设前提下装配偏差与实验数据均有相近的数值。因此,仅考虑法向接触、同时考虑法向接触与切向摩擦采用ABAQUS仿真柔性薄板装配过程均可较准确的对装配偏差进行预测,但要更精确的得到计算结果,应充分考虑切向摩擦作用的影响。

c)经分析,结论如下:1)接触现象对于装配偏差有较大影响,其作用不可忽略;2)切向摩擦现象对于装配偏差有一定影响;3)本文基于ABAQUS的柔性薄板装配过程仿真可较准确的模拟装配过程,预测装配偏差。

3 结语

柔性薄板类零件广泛应用在汽车及飞机制造领域,准确预测装配尺寸偏差对于保证产品质量具有重要意义。基于ABAQUS有限元分析软件,运用重启动分析、数据传递技术和自由度耦合技巧,构建了柔性薄板装配过程仿真模型,分析了法向接触以及切向现象对于装配偏差的影响。通过仿真与实验所得装配偏差数据的对比分析,验证了仿真技巧的正确性。

参考文献

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[2]Liu,S.Variation Simulation for Deformable Sheet Metal Assembly[D].USA:University of Michigan,Ann Arbor,1995.

[3]Liu,S.C.,Hu,J.S.Variation Simulation for Deformable Sheet Metal Assemblies Using Finite Element Methods[J].Journal of Manufacturing Science and Engineering,1997(119):368-374.

[4]Liao X.,Wang G G.Non-linear dimensional variation analysis for sheet mental assemblies by contact model[J].Finite Elements in Analysis and Design,2007,44(10):34-44.

[5]Kang Xie,Lee Wells,Jaime A.Camelio.Variation Propagation Analysis on Compliant Assemblies[J].Considering Contact Interaction,2007(129):934-942.

[6]来新民,林忠钦,陈关龙.轿车车体装配尺寸偏差控制技术[J].中国机械工程,2000,11(11):1215-1221.

[7]张媛媛.柔性薄板件装配偏差建模分析及应用研究[D].上海:上海交通大学,2009.

装配过程仿真篇2

摘要：通过对某接线板装配生产线布局的分析，发现其工序安排不合理、空间分配不合理和设备摆放不符合人因等问题。运用5W1H和ECRS方法对该装配生产线的工序流程，人员空间布局，作业工具及配件的空间布局进行了改善。运用ED仿真软件针对此装配生产线的布局进行仿真优化，可减少该流水线的作业人员，降低用工成本，缩短生产线长度及作业时间，提高作业效率。

关键词：ED仿真；生产线；布局优化

中图分类号： TH16 文献标识码： A 文章编号： 1673-1069（2016）19-147-2

0 引言

生产线的合理布局能较好地响应精益化大批量生产、JIT、敏捷制造、成组技术等思想，同时消除由于建设时期对企业发展战略和产能规划预想不足，整体物流规划、产线布局考虑不完善而导致的半成品、成品、配件等随意摆放的现象。实现生产线合理布局，不仅有助于合理利用空间、人力、物力，降低企业成本，还能提高企业生产效率，保证产品质量与稳定性。某新型接线板装配生产线是传统的直线型流水线作业，通过程序分析、作业分析及作业空间分析，发现其在工艺流程、空间布局和物件摆放等方面存在问题，影响作业效率。运用基本改善方法，提出合理的优化方法并运用ED 仿真软件进行可行性分析，从而达到合理利用空间，节约人力物力的改善目的。

1 装配生产线布局现状及存在问题

1.1 接线板装配生产线布局现状

本次研究的新型接线板共有三条流水式手工组装生产线，每条生产线有18名作业员工，较其他生产线，它的生产能力较低。因此选择该产品的新型接线板装配生产线（JR）为研究对象并进行研究改善。

其装配流程包括以下工序：①开关点焊电源线；②开关电源线组件铜片点焊；③铜片焊接LED灯；④底座装铜片和开关；⑤上盖装保护门；⑥理线和盒盖；⑦打螺丝（6个）；⑧检查外观并贴合格标签；⑨装下装饰条；⑩耐压测试；11接地电阻导通测试；12装上装饰条；13装电源插座保护套；14最终检查并贴标签；15装袋封口；16装箱封箱。共由16道工序组成，作业人数需18人，共耗时290.90S。其中工序4需要附加件铜片和开关，工序7需要附件螺丝，工序9和12需要附件装饰条，工序8和14需要合格标签。每道工序间为传统直线型流水线作业，通过采集每道工序的作业用时发现，在作业过程中存在等待空闲和紧张作业的工序，流水线存在不平衡。装配生产线布局规划现状图如图1所示。

1.2 接线板装配生产线布局存在问题分析

针对该装配流水线的装配流程、工位大小位置、工人作业方式等，结合装配生产线布局现状图，运用程序分析、操作分析、动作分析、布局分析和模特分析等发现主要存在以下几点问题：

①接线板装配生产线工序安排存在不合理。

部分工序作业压力大，部分作业空闲。装下装饰条和装电源插座保护套这两个工序的作业时间明显短于平均作业时间。

由图1可以看出工序2、3、4之间没有遵循最短路径原则，形成了工件的逆流。

②接线板装配生产线空间分配存在不合理。

作业人员空间分配不均，个别工位距离间隔特别大，个别工位距离间隔特别小，没有实现标准化。

配件工具的摆放位置占据空间过大，虽然不影响作业，但是形成浪费。

③接线板装配生产线摆放没有符合人因。

工序6作业过程中使用的插座盖自带包装壳，出于回收思想，在作业人员的右侧放置垃圾袋。但每次将包装壳丢进垃圾袋中都需要一手将袋口打开，一手丢入，既浪费时间，也使作业人员易产生疲劳感。

2 装配生产线布局的改善

2.1 装配工序流程改善

运用5W1H和ECRS思想对该装配生产线的工序流程进行改善。通过5W1H逐一对生产流程各个步骤进行分析，结合ECRS进行必要优化，改善后装配生产线布局图如下图2。

工序9、10和工序12、13的作业时间较短，作业方式简单不会互相产生干扰，可以合并为一个作业，既平衡生产线，又节约人力成本。

2.2 装配生产线人员空间布局

运用模特分析法以及作业空间分析，将工位距离标准化，使作业空间既不会太狭小导致设备位置不好，流水线作业过程中作业不便，又不会浪费作业空间。

在合理分配流水线作业空间后，流水线上有足够的空间将工序3的作业位置放于流水线上。这样既避免了工序2、3、4形成的流水线逆流现象，也有效的减少工位3在流水线外侧所占用的空间。

2.3 装配生产线作业工具及配件的空间布局

在安排好作业人员位置以后，根据模特作业分析法，将作业动作分解。根据作业方式最轻松、作业距离最短、作业范围最小的原则，合理摆放作业工具，并采用器具上挂的方式，方便作业也节约空间。

改进工序6中的垃圾袋，将其敞口设置改为固定开口，将双手作业变成轻松的单手操作。

2.4 装配生产线布局改善方案可行性分析

在确立改善方案以后，为确保方案的可行性与合理性，借助Enterprise Dynamics（ED）仿真软件，对改善方案进行模拟仿真。仿真模型建立如下图3所示。

通过ED仿真，减少人力、时间、资金的浪费，提高生产效率，节约运行周期以及缩短决策时间。仿真在企业设施规划中扮演着越来越重要的角色，也正是用这种虚拟手段，更直观地反应改善方案的可行性。

3 结语

通过对新型接线板装配生产线（JR）布局的改善结合ED仿真软件的可行性分析，可减少该流水线的作业人员2名，降低用工成本；将原长为18米的生产线缩短为16米并且解决生产线中存在的逆流；缩短流水线作业时间20秒，可提高该装配生产线的作业效率。

参考文献

[1] 龚全胜，李世其.基于虚拟仿真的制造系统布局设计[J].机械科学与技术，2004，23（7）：857-859.

[2] 桑红燕，潘全科，潘玉霞，等.求解批量流水线调度问题的离散差分进化算法[J].计算机仿真，2010，27（7）：292-295.

[3] 蔡临宁.物流系统规划—建模及实例分析[M].北京：机械工业出版社，2008.

[4] 卢海洋，栗继祖.工业工程在F公司生产线平衡中的应用[J].物流技术，2014，12（03）：295-299.

装配过程仿真篇3

产品仿真装配技术在产品的设计、制造过程中发挥着越来越大的作用,多应用于汽车、飞机装配领域。装配仿真主要用于解决装配路径规划、装配序列规划、可装配性分析、装配线优化等问题。潘燕春等[1]以Arena为仿真工具,对车间生产线作业的排序建模和生产线优化进行了研究;邹冀华等[2]对应用于飞机大部件的柔性数字化装配技术进行了研究,提出了适合于飞机装配的柔性工装数字化解决方案;Wirabhuana等[3]研究了货车的装配仿真过程,但其研究仍然集中于生产线的平衡、设备布局、工艺优化等方面。在使用复杂柔性工装的生产线上,柔性工装在转产过程中的行为是发挥柔性工装快速转产能力而需要着重考虑的一个方面,目前针对生产线上的柔性工装的转产过程仿真的研究还较少[4,5,6,7,8]。

1 铁路货车装配仿真分析

1.1 铁路货车装配概述

铁路货车的主要车种有平车、敞车、棚车、矿石车、毒品车、罐车等,每个车种又包括若干车型。铁路货车产品在设计上多采用改型设计,同车种下的不同车型在结构上具有较大的相似性,这使得采用柔性工装成为可能[9]。图1显示了敞车车厢的一般装配流程。

1.2 仿真问题分析

相比传统的刚性工装,柔性工装具有更多的可调整单元,这意味着有更多的工装设备调节参数。以适用于敞车车体底架的柔性工装为例,它的调节几何参数超过200个,如再考虑与生产线布局、生产工艺、仿真设置相关的参数,整条柔性装配线需要设置、调节的参数数量大,调节的复杂程度相对较高。

表1列出了柔性装配线仿真涉及到的部分参数,仿真的任务是快速获取柔性工装的调整参数以加速转产过程、评估生产线运行状况,从而有目的地对生产线进行优化。实现该仿真装配的模型主要划分为物理模型和工艺模型,如图2所示。

(1)物理属性模型Mph描述仿真对象的直观可见特征,例如外形尺寸、结构、颜色、空间位姿等。物理模型在仿真运行过程中不断被更新,以描述最新的仿真对象状态,物理属性模型是建立工艺模型的基础。

(2)工艺属性模型Mpr描述仿真的运行逻辑,定义各类仿真对象对事件响应的行为及规则,如工件的输入输出方式、工序安排、工时设置等,是装配仿真的核心内容。

2 仿真装配模型

2.1 仿真装配物理模型

根据在仿真装配中所起作用的不同,将仿真对象分为产品零部件(Product)和工装设备(Equipment)两类,并以此为基础建立两种不同的物理模型。它们包含的公共属性Mbase描述为

其中,首行元素分别为对象类别(Product或Equipment)、标识号、设计者、设计日期等设计信息;从第二行开始的是物理属性数据,具体描述如下:

(1)Namei。Namei为第i个零部件仿真对象的名称,在获取仿真对象的属性时,对象名称作为标识仿真对象的唯一标志。

(2)Origin。仿真对象上存在多个坐标系(用于标示特殊位置),比如表示仿真对象的位置或某些特征的位置等,其中,表示仿真对象位置的坐标系记作Origin,它与整个仿真空间联系,是外部坐标系。

(3)Loc。Loc为仿真对象的Origin坐标系位置,其形式为(x,y,z,Rx,Ry,Rz),x、y、z分别为Origin坐标系在仿真空间坐标系中的X、Y、Z轴的位置分量,Rx、Ry、Rz分别为绕X、Y、Z轴的转动分量。

(4)BBox。BBox用于表示仿真对象的空间占用。由于仿真对象结构较为简单,可结合OBB层次包围盒和解析法来表达。这种表示方法形成的表达树如图3所示。以类似CSG树的方式拆解,在较高的表述层次上一般仅需求取定性的相交判断,为减小计算量,选择包围盒表达;当需要实现准确量化的相交判断时,使用低层的面片结构表达仿真对象的空间占用。

在表达树的较高层次上,按照仿真对象的几何元素遵循层次OBB包围盒的描述方法进行分解。低层的面片表达采用三角形面片,因而需要人为地在仿真对象的棱边上取点来构造三角形面片,并且附加面片的方向信息,以指向对象外部为正方向。

2.1.1 产品零部件物理模型

铁路货车部分车型的底架组成结构具有相似性,仅有细小差别:(1)尺寸差别,如C70T敞车的中梁总成部件的OBB包围盒尺寸为13 010mm×2900mm×240mm,而P70棚车的中梁成部件的OBB包围盒尺寸为16 650mm×2800mm×300mm;(2)数量差别,如C70T敞车底架使用了小纵梁,而P70棚车底架不使用小纵梁;(3)结构上的细小差别,如C70T的小纵梁设计在底架中段,而C80设计在底架两端,如图4所示。

对产品零部件的物理模型表述采用Mbase的形式,即

2.1.2 工装设备物理模型

货车底架装配仿真需要的工装设备主要包括柔性夹具、焊接机器人和吊车等。柔性夹具如图5所示,是由基础底座和横向支撑梁组成的桁架结构。基础平台、支撑单元、定位单元、夹紧单元及导向单元等组成了该夹具。夹具的模块单元能够调整和拆卸,以满足不同型号底架的装夹需求。

在仿真环境下使用柔性工装进行装配的准备工作可描述为:(1)装配任务获取。初始化工艺状态,获取与装配任务相关的装配对象结构和装配工艺;(2)工装准备。根据获取的装配对象结构文件初始化柔性工装结构状态,如确定支承、定位模块的数量,实现模块位置的变更等。

柔性工装模块的位置变更需要经历下列过程:定位件If在定位零部件Ip时,为了将If移动至准确位置,需要一系列相关部件进行动作。如图6所示,结合零部件几何结构及相关属性查询,A点位置可以通过A点对坐标系OXYZ的垂直投影来定义,也可以通过OA长度和绕坐标轴的转角来定义,不同的定义方式中OA表达式如下:

其中,am为m(m=x,y,z)轴上的坐标值分量;rm为绕m轴转动的角度值分量;rj、rk的动作具有先后顺序。类似地,可以表示AIf和OIp。

由此,形成定位关系需要满足OA+AIf=OIp,满足该式的OA和AIf不是唯一的,因而需要限定OA和AIf的可变位置分量,确保有唯一解,从而确定工装状态。

以Mbase为基础,描述工装设备的物理属性:

其中,Mext为工装的运动定义,它的元素含义如下:JogType描述工装零部件的自由度情况,由6位0、1编码组成,自左向右依次表示X方向、Y方向、Z方向是否可移动,绕X轴、Y轴、Z轴是否可转动,对应位置值为1则表示该方向可运动。JogLimit为自由度极值,限制工装零部件在自由度方向上的可动范围,保证仿真可靠运行。

2.2 仿真装配工艺模型

铁路货车底架的装配经历3个工位,3个工位的任务分别为底架粗装、地板铺装、检测与校正,底架的装配流程如图7所示。

该装配流程以底架装配工艺单为基础,工艺单较详细地描述了实际条件下的装配工艺过程,为了适合仿真环境下的装配过程,对工艺单作了修改,形成仿真工艺设置单,如表2所示。

基于该仿真工艺设置单的装配工艺模型表达为

Mpr的首行描述了仿真附加信息和设置信息。从第二行开始,各元素的含义如下:Namei为装配工序对应的装配零部件名称;Count为该装配零部件的数量;零部件装配需要实现定位,Fix描述了在某一工序下需要实现定位功能的定位件名称;O ffset为定位件上用于定位的元素相对坐标系Origin的偏移值,用以确定定位元素的位置;零部件装配需要实现夹紧,Clap描述了某一工序下需要实现夹紧功能的夹紧元件名称;Time为工序时间。

在虚拟装配运行前需要排除仿真对象之间的干涉,在仿真过程中需要作基于离散时间的动态干涉检测,防止对象之间产生干涉。

基于离散时间的动态干涉检测认为,在时间t至t+Δt的时间内,只有发生运动的对象需要与其他对象作干涉检测,干涉检测的重点在于工装设备调整、零部件定位、装夹件夹紧等过程中零部件之间、工装模块之间、工装和零部件之间的干涉。因而需建立一系列关键检测点,在零部件未到达工装时,每隔固定的间隔时间Δt完成一次干涉检测;当零部件到达工装时,每发生一次动作就在工装空间范围内实施一次干涉检测。

仿真对象A1和A2之间的干涉检查过程如下:

(1)由A1和A2的0层包围盒(分别记作A10和A20)作基于分离轴理论的干涉检测。若A10和A20之间不存在干涉(A10∩A20=),则干涉检测终止,否则转入(2)。

(2)由A10={A1i1 i=1,2,…,n},将A1包围盒分解至1层,得到n个包围盒A1i1,记A1i1与A20相交的集合为A1j1(j=1,2,…,p),p为满足条件的记录数,即{A1j1 j=1,2,…,p}={A1i1A11i∩A20≠,i=1,2,…,n}。

(3)继续分解A1j1,重复(2),直至A1不能细分,记录{A1ke A1ke∩A20≠}。其中,e表示A10包围盒分解树上叶子节点的包围盒层次,k为满足条件的记录数。

(4)同样分解A20包围盒,将A2包围盒分解至1层得到m个1层包围盒,即A20={A2a1 a=1,2,…,m},记录1层包围盒中与A1ke相交的包围盒集合A2b1(b=1,2,…,q)。其中,q为满足条件的记录数,即{A2b1 b=1,2,…,q}={A2a1A2a1∩A1ke≠,a=1,2,…,m}并且剔除满足A2b1∩A1ke≡的元素A1ke。

(5)重复(4),直到A2不能细分,记录{A2 lf A2 lf∩A1ke≠},其中,f表示A20包围盒分解树上叶子节点的包围盒层次,l为满足条件的记录数。

经过包围盒的干涉判别,确定了可能的干涉发生在包围盒A2le与A1ke之间。为了更精确表达该部分特征的空间占用,在小范围内使用面片结构描述空间占用,以占用的空间是否重叠确定是否干涉。

3 仿真模块结构与实例

3.1 仿真模块结构

利用Quest生产线仿真工具,基于物理模型和工艺模型的定义构造装配线仿真模型,结合Quest提供的二次开发功能,实现了用于铁路货车车体底架装配仿真的软件模块。该模块包含两部分:Quest仿真环境及与仿真环境进行通信的外部操作控制模块。两者之间利用通过Quest提供的Client/Server机制进行数据交换和指令传递。

Quest仿真环境的作用是实现装配逻辑、显示装配状态、维护仿真装配数据;操作控制模块则实现方案选择、相关配置文件的调入、仿真控制与参数配置、数据读取等。另外构建有维护货车产品结构、工装结构、产品工艺的数据库。该装配仿真模块的结构如图8所示。

3.2 装配实例

3.2.1 实例选取

C70型敞车于2005年研发成功,是铁道部顺应铁路高速重载趋势而大力推广的主力车型,具有较强的代表性,选择的装配产品为C70T敞车底架,目的是获取转产至C70T时的工装调整参数。对于柔性工装来说,需要确定各个工装模块的数量及位置;对于整条生产线来说,零部件的情况(种类、数量、平均到达时间等)及工艺信息(工作时间、工艺流程等)需要重新配置。通过仿真可以获取装配线效率、单个工位上的效率和生产线的瓶颈等信息。基于这些信息,结合手动调整或自动调整以实现装配线的优化。

3.2.2 物理属性模型

C70T敞车底架的物理属性描述矩阵Mph由式(2)表达,以中梁零部件为例:

Mph(Name)=中梁//零部件名称

Mph(Origin)=Coorsys 1//基础坐标系

Mph(Loc)=0,0,0,0,0,0//基础坐标系位置

Mph(BBox)=Link C70T中梁//包围盒

其中,Loc表示当前中梁处于仿真空间原点,故其值为零。在仿真运行过程中由于中梁位置、位姿的变化,该值会不断被更新。

中梁的层次OBB包围盒构造过程和Link C70T中梁结构如图9所示。

工装设备的物理属性状态由式(3)表达,中梁的定位件的物理属性描述如下:

基础坐标系位置

3.2.3 工艺属性模型

C70T底架工位1装配工艺单(部分)如表3示。

根据上述的物理、工艺模型与设置运行仿真,运行过程典型界面如图10所示。

使用货车装配仿真操作控制模块从Quest仿真环境模块中提取仿真数据,仿真数据包括零部件位置位姿、工位的工作时间与等待时间、利用率、处理的零部件数量等。表4列出了从C70T装配仿真过程中提取的部分相关数据。

注:坐标值为仿真空间中的位置坐标)

根据上述从仿真环境中获取的C70T转产时柔性工装位置调整参数,可以快速实现工装的准备;根据从仿真环境中获取的仿真统计信息(效率、利用率等),结合仿真图形界面的直观显示,可以针对性地手动调整生产线工艺参数(库存量、零件吊装速度等),以优化生产线。

4 结语

本文针对柔性工装在铁路货车装配中的应用,描述了进行装配线仿真的一般过程。通过仿真的物理模型、工艺模型构建了生产线虚拟装配仿真模型,利用层次OBB包围盒和面片结构实现了干涉检查。并以C70T底架装配仿真为例,获取了柔性工装调整参数、生产线统计参数等数据。后续的研究可在装配的精度控制、生产线参数的灵敏度分析与装配线的自动优化等方面展开。

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装配过程仿真篇4

关键词：发动机装配线；MES；控制策略

生产制造执行系统（简称MES）是一种实时、集成化的生产管理平台，实时监控生产状态，采集关键质量数据，对品质进行控制，服务于厂内制造、物流及质量等。

在发动机装配线上需要对质量数据进行采集，而一些关键的工位需要MES的参与运行才能保证生产线的自动化和数据采集的完整性，对于防错和返修等问题也需要MES提供相应的控制策略。

本文结合某发动机公司实际在MES开发实施过程遇到的关键问题的解决方法进行总结，提出相应的控制策略。

一、数据采集控制

（一）产品队列跟踪策略。由于装配线部分工位没有配备RFID读写头，MES无法根据每个工位的电子标签中的发动机号实现整个装配线发动机队列的完整再现，针对该问题，可通过以下方案解决：1、MES系统可将整条装配线划分为n个队列跟踪区域，每个装配区域配置一个起始队列跟踪点和一个终止队列跟踪点（RFID控制点）。2、當发动机经过第i个队列跟踪区域终止队列控制点时刷新第i个和第i+1个队列跟踪区域，根据信号检错出对应的工位，并将获得的工位、产品ID、产品状态等写入数据库对应数据表中，更新队列序号，监控画面中实时显示出装配线的生产状态、在制品队列、在制品所处位置等信息。

（二）取决前道工序的装配工位数据采集方案。对于需要经过电子标签向下一个工位传送计算数据的工位，设备对于自治性要求非常高，不允许存在较多的数据传输环节。1、对于工位的参数计算和工位测量等需要前道工位的计算参数，设备厂商一般选择的传递方式是电子标签，读写头控制和线体控制由设备厂商自行控制，避免传输过程中数据的误传导致选配和测量的不准。2、对于完全依靠PC设备的工位，且其测量值直接判定发动机是否合格。托盘到位，MES发送发动机号给设备，设备将测量结果与发动机号绑定存入本地及MES系统，MES系统将结果反馈给线体后写入电子标签合格位，并将检查值和发动机号绑定存储，流经合格判定位可直接判定是否需要下线返修。

（三）基于数据库的采集方式。对于检查数据较多的设备，如冷试设备、热试设备等，MES系统PLC无法将检测值全部保存到PLC中进行实时采集，因此可通过本地数据库存储解决该问题；1、托盘到位，设备读取托盘电子标签发动机信息，自动选择相应程序。2、测量结束后，将设备检查值与发动机ID号绑定存入设备数据库中。3、MES系统读取设备数据库服务器中检测数据，并将已抓取的检测数据进行标识，防止重复抓取。

（四）基于PLC的质量数据采集。对于整机加油、泄漏量检测等一次性检查数据较小的工位，采用基于PLC的检测数据实时采集方案。该方式需配置PLC检测数据采集项配置工位检测值参数为依据，应具备一次性全配置和基于配置参数的柔性组态，根据工艺需求选择需要采集的质量数据，通过MES系统PLC与设备PLC的实时交互，最终完成基于PLC的质量数据采集，实现质量检测数据实时采集。

二、防错及返修控制策略

（一）拧紧机重复拧紧解决方案。由于发动机返修下线或者再上线后到达拧紧机工位时经常出现重复拧紧的现象，该问题导致发动机二次拧紧，影响装配质量，可通过MES防止该问题发生：1、电子标签中规划拧紧机操作位，用以标识当前发动机在该工位已经进行了拧紧操作；2、当发动机在拧紧结束后，MES系统根据所传送的信息将当前发动机所对应的托盘TAG中的工位拧紧机操作状态修改为1；3、当发动机下线返修时，MES系统对当前发动机所对应的电子标签中所有发动机数据进行转移，返修合格上线时，MES系统根据员工手动输入的发动机号，将当前返修发动机对应的数据全部转移到托盘TAG中。4、当返修发动机流经拧紧机，拧紧机判断本工位是否已操作，如果为1，拧紧机停止并报警和提示，在手动模式下，人员可以进行操作，操作结束后也要写入合格到电子标签中。

（二）电动拧紧工具数据采集及防错方案。相同套筒针对不同机型所要求的拧紧参数不同是电动拧紧工具采集和防错的难点，通过在MES中设定机型与程序的对应关系，在上线时将相应工位的电动拧紧工具的程序号写入到TAG，托盘到位后，线体将发动机ID和程序号发送给电动工具，拧紧结束后，将拧紧值和ID号绑定存储到数据库，MES到数据库中取数据。

（三）产品补号及补号上线策略。在装配过程中因各种原因导致发动机需要重新上线进行二次拆卸和装配，为了不影响现有正在执行任务单执行情况，MES系统采用如下方案：1、对于正在执行任务单的发动机需要重新补号上线，直接进行补号即可，MES系统可根据发动机序列最小号原则对已经补号的发动机进行操作。2、对于不属于正在执行任务单的发动机需要补号时，MES系统在缸体上线模块提供“补号模式”操作功能，员工只需要一键切换界面，在“补号模式”下操作即可。3、补号结束后，一键切换至“正常模式”MES系统根据发动机序列最小号原则对已经补号的发动机进行上线操作。

（四）售后机处理流程。发动机号是发动机装配过程和出厂的唯一标识，售后机信息和发动机第一次装配信息属于重复，如何区分发动机售后机信息和发动机第一次装配是关键所在。1、售后机数据采集方案，从电子标签中获取发动机号和售后机标识，如果当前发动机是售后机，则将该售后机在不同工位的装配数据用售后机标识位区分。2、扫码枪或手动录入发动机号，MES系统需要判断数据库中同一个发动机号是否存在多条记录，如果有多条，以序号最大原则判断发动机号为售后机，并将所装配的关键件标识为售后机关键件。3、售后机质量数据采集，由于质量数据的采集方式采用同一发动机号不同状态下的全部质量检测数据全保存的方式，并使用新旧对检测数据进行标识，系统提供同一发动机号检测数据按最新数据和全部数据的显示方式，方便查询。

三、总结

装配过程仿真篇5

推进剂加注设备是火箭发射系统的重要组成部分,操作、维修人员的业务水平对火箭发射活动具有重要影响。操作失误和维修不当轻则造成设备故障,延误发射,重则引起推进剂泄漏事故,造成人员和装备损失。利用虚拟现实技术进行加注设备装配操作训练,有助于操作和维修人员熟练地掌握加注设备的操作和维修技能,避免利用实际加注设备进行训练的种种限制。本文研究加注设备虚拟装配仿真训练系统的开发过程。

1 系统功能和技术框架

加注设备虚拟装配仿真训练系统具备以下三项主要功能:

1) 加注设备基础知识学习功能。

以帮助文档和虚拟场景相结合的形式讲解加注设备的功用、结构、原理、操作使用和维护修理等知识。设备知识包括系统级和部件级两个层级。系统级知识的学习在完整的加注设备虚拟场景中进行,用户进入场景“实地”观察系统构成、设备功用与布置、管路走向等,并可通过弹出菜单项选择进入相关帮助文档,学习系统工作流程、操作使用方法和维护修理知识。在系统级虚拟场景中可点选重要设备进入部件级学习,部件级学习在单个设备虚拟场景中进行,可观察各设备的三维实体结构和装配关系,也可选择进入相应帮助文档,学习设备的工作原理和使用维护方法。操作、维修人员通过这些知识的学习,获得加注设备工作原理和操作维护的基本知识。

2) 加注设备装配模拟训练功能。

以动画演示和虚拟交互操作相结合的形式练习加注设备的拆卸和装配工艺过程。在系统级虚拟场景中,可以选择观摩零部件更换和维护保养演示,这种演示为顺序动画形式,用户不能干预或参与装配;也可选择交互拆装操作,用户可通过鼠标、键盘对设备进行选择、旋转、拖动和释放,进行零部件更换和维护保养的操作训练,此时用户完全自主拆装。用户还可点选重要设备进入单个设备的拆装训练环境,同样可选择观摩单个设备的拆装演示或自主进行设备的交互拆装训练,此时可将设备完全拆卸成零部件。通过交互拆卸和装配训练,用户可熟悉设备拆装的工艺流程。

3) 加注设备装配工艺规划。

以装配工艺规划算法[1]为基础,提供拆装序列规划、路径规划和特定故障拆装训练平台。针对加注设备的特定故障,用户可通过此平台拟定维修方案并进行维修训练。当某设备发生故障后,维修人员初步确定拆卸的方案(通常只需拆卸少量零部件),再利用此平台规划拆卸序列和路径,得出最优的拆卸工艺方案。再以此拆卸工艺方案为基础,生成操作、维修综合实验环境,人员通过此环境,针对具体的故障和维修方案,采用最优的装配工艺进行拆装训练,有针对性地获得特定故障的维修技能,提高维修的工作效率。

图1所示是推进剂加注设备虚拟装配仿真训练系统的技术框架,分为界面层、应用层和支撑层三部分。界面层是对仿真应用的集成和调度,实现用户功能,并为用户提供友好的操作界面。应用层是面向特定需求的仿真实现,通过设备知识的搜索和综合、装配过程仿真和装配工艺规划三部分实现加注设备知识学习、拆装过程演示和交互操作、拆装工艺方案规划和训练环境生成等核心功能。支撑层包括仿真应用所需的三维模型和数据库、系统开发和运行所需的支撑软件等。

2 建立三维实体模型

为实现装配仿真训练系统,首先要建立加注设备的几何模型,模型必须真实地表达设备的结构,即模型尺寸要准确,配合间隙要精确,装配关系要与实际相符,而且外观必须逼真。本文选用Autodesk Inventor建立加注设备的几何模型,它基于特征进行参数化的实体造型,建立的模型既有直观的外形,又有精确的尺寸配合。

加注设备包括各种管道、阀门、泵、推进剂贮罐和操纵台等,使用Inventor建模[2],首先根据零件的尺寸参数,画出零件的特征草图,然后使用特征操作,如拉伸、旋转、扫掠、阵列等构建出零件的几何特征。当建好设备的所有零件几何模型以后,通过各种约束,如配合约束、角度约束、相切约束等约束零件间的相互位置关系,组成设备的整体模型。如图2所示是的安全阀的几何建模过程。

建立好各种分离设备的几何模型后,根据加注设备真实连接关系组合成系统模型,利用Multigen Creator[3]进行渲染,构建加注系统各工作区域场景,如图3所示为泵房和罐室场景。

3 加注设备的装配仿真

装配仿真是加注设备虚拟装配训练的核心功能,本文采用VP[4]进行仿真开发,在VP中通过对场景(scene)、观察者(observer)、观察通道(channel)、环境变量(environment)、运动方式(motion)等参数进行设置,构建推进剂加注设备装配仿真的虚拟环境。利用VP所提供的功能模块和程序开发接口,实现加注设备的装配过程演示和交互装配操作。

给模型设定一系列的路径控制点,通过路径控制点控制模型在通过此路径控制点时的位置、姿态,然后利用导航器Navigatror连接路线中的各个散布控制点,形成一条完整的运动路径,模型可以自动地按照指定的运动路径在场景中运动。通过对PathNavigator中的setStartDelayTime,setKinematicstate等参数的设定,确定零件拆卸的先后顺序和拆卸动作的快慢。对点的位置或拆卸时间等参数进行修改,可以改变拆卸过程演示方案。图4(a)所示是电磁阀的拆卸演示过程。

通过鼠标的拖动改变零件在场景中的位置,来实现装配的交互操作。首先获取鼠标在计算机屏幕上的位置坐标(x,y)和零件的三维空间位置坐标(x',y',z'),并通过设置观察者坐标和姿态,获得装配场景的正视图,用鼠标的(x,y)坐标来改变零件的(x',y')坐标值,然后切换到装配场景的侧视图,固定零件的x',y'的值,利用鼠标的x坐标信息来改变零件的z'坐标值,实现零件的拖动。如图4(b)所示是球阀的虚拟交互装配的过程。

4 装配工艺规划

装配工艺规划针对特定的加注设备出现的特定故障,分析修理过程中的拆卸和装配方案,并通过对不同装配方案的比较,得出最优的装配方案,为维修工作提供指导。装配工艺规划分为装配序列规划和装配路径规划。

4.1 装配序列规划

装配序列规划[6]即产生一个装配顺序,在经济最优化的前提下,把分离的零件装配在一起,形成目标产品。

本文采用的装配序列规划原理为:采用联结图法建立加注设备的装配模型,表达零件的装配信息。采用子装配体的概念对装配模型进行简化。然后利用零件间的优先约束关系分析拆卸模型,建立设备的优先关系矩阵。通过对设备装配模型和优先约束关系矩阵的分析,生成设备可行的拆卸序列。采用遗传算法对设备的拆卸序列进行优化,优选出最佳的装配序列。

对图5所示的闸阀进行装配序列规划,得到一组最佳拆卸序列为:1,6,2,3,7,9,10,8,4,5,11。

4.2 装配路径规划

装配路径规划[5]就是寻求一条装配零件从装配起点到装配目标点的空间运动无碰路径。本文采用粒子群优化算法进行装配路径规划。图6是在有三个障碍物的空间中,采用粒子群优化算法从起点S到终点T寻找的一条最短无碰路径,路径长度为205.945。

5 系统开发

本文利用VC++2003.net编程实现仿真训练系统界面程序[6],通过进程调用的方式对各功能模块进行调度和集成,形成加注设备虚拟装配仿真训练系统。图7(a)所示是设备知识学习界面,图7(b)所示是设备拆装演示界面。

6 结论

本文设计了推进剂加注设备虚拟装配仿真训练系统的功能和技术框架,建立了设备的几何建模,开发了加注设备的装配演示、交互操作仿真以及工艺规划模块,并对系统进行了集成。开发的虚拟装配仿真训练系统对加注设备操作和维修人员的业务学习和技能训练有重要帮助。

摘要：设计了火箭推进剂加注设备虚拟装配仿真训练系统的功能和技术框架,建立了加注设备的三维实体模型,开发了加注设备的拆装演示、交互装配操作和装配工艺规划模块,并编制了功能模块调度与管理界面程序。设计的系统对加注设备操作和维修人员的业务学习和技能训练有重要帮助。

关键词：加注设备,虚拟装配,训练系统,设计

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装配过程仿真篇6

关键词：虚拟装配,仿真动画,快速生成,装配路径

0引言

在一个产品的生产环节中,装配是个很重要的节点。装配的工作效率和工作质量对产品的制造周期和产品的质量都有着极大的影响。随着数控机床的广泛应用,装配工作却仍是以人为主,主要依赖于工作人员的技艺水平。因此,装配质量又成了提高产品精度的瓶颈环节,利用计算机进行装配工艺设计成了现代制造系统计算机应用的难点。提高装配的工作效率和工作质量,降低装配成本,提高装配的规范化程度是虚拟装配的重要任务[1]。

本文所研究的用于虚拟装配培训的虚拟装配仿真动画的快速生成技术在保证建模软件强大的装配仿真优势的情况下,针对VRML动画编码制作过程进行分析总结,最终在CAD软件装配仿真开发环境下使用插件式开发平台的方式实现了VRML动画生成,大大提高了机械产品虚拟装配仿真动画的开发与应用范围。

1系统平台的总体设计

1.1系统平台的功能架构

根据VRML动画的开发需要,本文所述的虚拟装配培训仿真动画生成平台总共分为三大功能模块,三维模型导出、虚拟动画定义、虚拟动画导出。如图1所示。三维模型导出是通过二次开发获取零件模型在整个机械装配体中的三维关系,并根据模型结构树录入零部件间的装配关系信息,并自动生成虚拟场景三维模型。虚拟动画定义是通过可视化操作定义或输入运动参数等信息,制作机械产品的VRML仿真动画。

1.2系统平台的流程设计

针对机械设备的VRML动画开发进行调研,总结了制作的一般过程,根据实际存在的问题及需求确立课题研究的总体思路,制定如图2所示的开发设计流程图。首先,CAD软件中建立模型并导入; 其次,将CAD系统中运动仿真关键参数转换成VRML场景中的参数,实现场景衔接; 然后,将转换后的参数填入标准格式代码中,实现了VRML运动仿真代码生成; 最后,将VRML运动仿真动画代码从生成系统中导出,成为一个. wrl文件。

2装配仿真动画制作的装配路径动画原理与碰撞检查

2.1装配路径动画原理

虚拟场景中的装配运动是有其物理运动规律的,多是以平移、旋转为主,以及既有平移又有旋转的运动,因此,装配运动可以看作是一系列具有确定运动规律的运动段的总和,即:

这里的相邻运动段mi与mi + 1之间的转折点就是运动关键点。为了便于分析与制作动画,本文将装配运动从一个关键点到另一个关键点之间的任何一种运动均简化为平动与转动或平动加转动的合成,才能适用于装配运动的实现[3]。以螺栓螺帽的装配为例,图3中螺帽从P0位置到预定装配位置P3要发生了三次变换,P0到P1位置是一次平移变换,P1到P2是旋转变换,P2到P3是平移变换,共确定出四个关键点。

根据用户和虚拟环境的交互方式,装配路径生成有两种方式: 用户预先指定装配路径的关键点,装配路径以离散点的形式进行定义与记录,通过离散点插值产生连续的装配路径; 将输入设备( 如鼠标、激光笔、操纵杆等) 的运动与部件的运动关联,用户通过虚拟环境交互,直接控制装配路径[4]。在虚拟装配仿真动画的开发过程中,主要通过前者来生成装配路径,首先指定各部件在空间若干关键点处的平移、旋转、缩放的变化量,然后将这些数据连同模型一起导出,以VRML格式文件存储。装配路径随模型加载到场景中,用户在场景中选择要装配的部件,部件就沿装配路径运动,实现装配仿真[5]。

如果只记录关键点位置,还不足以精确描述装配的细节,所以在演示过程中采用插值法细化关键点之间的位移变化,以图3关键点为例,在“P0 → P1”的路径段设置装配时间后,就会作匀速直线运动,同理在“P1→P2”的路径段作匀速旋转运动。通过插值法运算就能使用户更流畅地观看整个装配过程,不会有跳跃感。

2.2碰撞检查

碰撞检测用于监测两对象的接触关系,以及何时、何处形成碰撞,根据机械设备物理外形的复杂性和检测精度,计算两几何模型间的相互位置。因此对简单模型例如平面与球状物体的判断比较容易, 而对自由曲面等复杂结构碰撞所需的计算量较大。

目前常用的碰撞检测算法有四种[6]: 几何分析法、扫描法、包围盒法、空间分解法。在VRML中Collision节点的碰撞检测实际上采用的是包围盒法。VRML利用Collision节点简单地实现了碰撞检测,当一个给定的节点经过某些变换( 例如被平移、旋转、缩放等) 时,测定是否会遭遇以另一个节点形式存在的障碍物,通过ECMAScript接口,利用Collidee和Collision对象实现VRML环境下物体之间的碰撞检测。前者作为被变换的节点的代理物,包含有变换矩阵等相关参数,承载了变换矩阵的参数和其它相关数据; 后者描述了在一次碰撞的情况下, 和另一个节点相撞的一个节点的要点[7],存储有每一个待检测是否产生碰撞的表面的位置,法线,面的序号以及路径等信息。具体的属性以及成员函数如表1 - 2所示。

3虚拟装配仿真动画的快速生成技术的实现

3.1基于模板的代码生成模块的流程

基于模板的代码生成模块的流程如图4所示。实现生成的VRML代码包括四部分: 模型节点代码、动画原型节点PROTO、动画代码和动画连续播放脚本代码。模型节点代码中包含了模型描述信息; 动画原型节点定义了动画的参数和内部的逻辑运算关系,在此,定义一个生成模块使用的模板,来完成原型节点的封装; 数据定义文件是通过键码定义或者对话框输入的形式,对动画参数设定,由于该部分参数数据量不是很大,所以,在程序实现中,并没有采用数据库单独存放,而是直接定义了一个矩阵存放; 动画代码也就是将动画原型节点输入参数进行实例化,生成了一步装配动画的动画代码; 动画连续播放脚本代码是指制作虚拟装配仿真动画时, 动画是按照装配步骤来制作的,每一步的装配对应着一步动画,在每步动画之间需要实现连续播放,这就需要生成动画连续播放脚本代码。动画连续播放脚本代码是根据每一步动画节点引用以及每步动画的持续时间来生成的。

写出代码文件功能最终将模型节点代码、动画原型节点PROTO、动画代码、动画连续播放脚本代码整合到一个VRML文件中。具体的整合方法是: 通过函数creat VRML( ) 新建VRML文档,然后通过参数赋值的方式将模型节点代码、动画原型节点PROTO、动画代码、动画连续播放脚本代码分别赋给四个文本参数,将这四个参数的内容写入新建的VRML文档。

3.2虚拟装配仿真动画的快速生成的实现

3.2.1最小运动单元装配仿真动画生成的实现

生成模板中对应的变量实际上在Solidworks运动仿真中都具有一个对应参数,生成一步装配仿真动画的过程,实际上就是将对应的参数赋予给模板中的变量的过程。其对应关系如表3所示。

由此可知,生成程序抛去赋予的过程,还必须要有获取Solidworks中对应参数的功能,以实现鼠标选取的零部件包含空间位姿信息的变换矩阵的功能,其代码实现如下:

在实际开发过程中,坐标属性会出现偏差,究其原因,是Solidworks软件与VRML的空间坐标系的不同,这有必要实现两者坐标系的统一,然后进行赋值生成。为此,设计一个输入界面来完成,如图5所示。

3.2.2由Solidworks向VRML场景坐标转换及完整装配仿真动画生成

Solidworks环境下,用卡氏右手立体坐标系统描述空间位置,三维模型相对于世界坐标系原点的位置和方向可以用一个包含16个元素的4 × 4阶矩阵表示。如图6所示,从变换功能上可将此4阶方阵分为四个子矩阵,其中左上角的3 × 3矩阵可产生比例、旋转等变换; 左下方三个ti变量分别产生沿x轴、y轴、z轴的平移变换; 右下角的s产生全局比例变换; 右侧pi可实现投影变换。

本课题研究的是机械产品的虚拟动画,针对其中的刚性物体而言,运动形式主要有两种形式: 平移和旋转,绝大多数的运动都是以这两种运动形式复合而成。位于坐标( x,y,z) 的几何模型,平移到原点,并绕过坐标原点的任意倾斜轴线旋转 θ 角时,其变换矩阵为:

其中,θ 代表零件在装配体中绕任意轴旋转的角度, n1,n2,n3为该轴的方向余弦,x,y,z分别为该零件的在空间中的位置。

在VRML场景中通过利用Solidworks API函数获取矩阵中每个元素的值,并通过Vrml Pad编辑器的API函数接受所有的值,从而获得虚拟场景中所需要的translation和rotation的值。部分代码如下:

这样,就把Solidworks三维场景中三维模型的位置关系,转换成VRML虚拟场景中识别的参数, 实现了两者坐标变换方式的统一。

单个零部件装配的过程,是由数个最小运动单元组成的,他们之间需要有脚本文件链接起来,才能使得装配仿真动画可以连贯地运行下去。

连续播放脚本实际上是一种逻辑上的关联顺序,可以实现上一步最小运动单元动画运行之后跳转到下一步动画。这种逻辑上的关系,使得完成该步最小运动单元装配动画的编辑后,点击下一步 ( 如图5所示) ,生成程序将自动在该步动画代码后面追加连续播放脚本,并给对应变量赋值。通过对单个零部件装配过程分解出的最小运动单元装配仿真动画进行串联,可以得出单个零部件的完整装配仿真动画。

4机械手虚拟装配仿真动画生成实例应用

根据虚拟装配仿真动画生成的理论,结合机械手的虚拟装配动画的生成过程,验证该理论的可行性。首先,用Solidworks打开定义约束关系的机械手的三维模型,运行“vrml动画制作”模块,系统会自动通过遍历装配体的形式把机械手的零件的名称按照一定的规则列在界面中,以方便虚拟装配动画的制作,用户可以点击相应的零件进行该零件装配动画制作时相关参数的设置,最后确定生成虚拟装配动画文件。具体操作如图7所示。

5结束语

基于仿真的装配线平衡优化研究篇7

如今市场竞争激烈, 企业要提高竞争力必须降低生产成本实现高效生产。如何提高装配线的效率尽量减少加工时间实现生产同步化受到生产商的重视, 进行装配线平衡设计是实现这一目标的手段之一。在中小企业的装配线中, 普遍存在着工序安排不合理、在制品过多、生产周期长、人员待工时间多等一系列的问题。所以一个成功的制造企业其中一点是实施敏捷生产概念即成本最小化和减少变化。

1 国外仿真进展

国外研究现状:

目前关于仿真的国外研究有Faisal Aqlan在配置订单生产环境下实施仪表盘来优化生产线模型;Nooshin Rahmani使用基于仿真优化技术去设计汽车厂的润饰线, 通过求解优化模型来建议设施和工作站的最佳数量;Rami Musa在优化—仿真—优化基础上使装配上减少主动变化;魻ncüHazr在流水线在不确定条件下提出了新的模型和基于精确算法开发的分解从而设计组装线生产速率会更加可靠。

2 国内电动车企业现状

组装线改善前的状态:

大安电动车企业是国内生产电动三轮车的大型专业企业之一, 其组装车间的主生产线每日有效工作时间为8小时采用成批投产同时装配生产线以花鼎电动车为例其组装的流程这19个步骤配上每个工位所需要的时间。如表1。

通过现场观察企业目前存在着, 线上在制品过多, 堵塞状况颇为严重, 影响前一工位已完成的工序无法顺利传送到下一工位。工作人员较多, 工作流程复杂, 部分工位的工人操作存在动作浪费, 以及部分工位布局混乱, 物料摆设杂乱导致工时延长及出现待工现象。

3 分析并改善

3.1 差速器预装动作分析报告

用Vidio Analysis APP对差速器预装进行动作分析, 由于成品车距离工作台较远, 各种原料车分布分散造成无效走动, 改善后可将差速器预装总时间从88s减少到81s如表2, 每台差速器降低7s。

通过上述方法分别进行了坐垫靠背, 左右贴花, 砸碗, 车架倒装, 后桥安装, 调节拉杆, 吊耳整体的改善以及顺线过程的改善。

3.2 改善并实施

通过对连续流的组装线发现的一系列问题进行改善例如砸碗工由两人减少为一人, 接替车架倒装处的安装过线圈和减震皮的工作;差速器预装人员和砸碗工同步作业, 同时负责把装好弓字板的差速器抬到流水线上, 省去了原来搬运后桥的两人;流水线上第一道序的员工负责安装两侧吊耳即螺栓并紧固;预装继电器的工序交给顺线束的员工, 原装继电器的员工到第6工位紧固控制器、装充电座;原紧固控制器、安装充电座的员工到第7工位压线槽、紧固继电器、座筒;下车处放配件、拿支架的员工改到第7工位放座筒、扎线束、验电、装座筒。省去此工序处原来验电、压线槽、紧固座筒的两人;装拉臂一端、搬车厢的工序与装车厢的工序合并, 省去一人;装前挡风、钉铭牌的工作上线;一人负责装前挡风、钉铭牌, 另一人负责装挡风、放配件, 省去了原来钉铭牌的一人;验车工负责下车, 省去了原来专门的一名下车工。加以整理规划并用VISIO图呈现出来, 总工位由20个合并减少为15个, 总人数由42名削减为34名。改善后的平衡率

4 em-plant仿真结果统计分析

通过观察一整天 (8小时) 的仿真运行结果看出改善后总吞吐量也就是组装完成的电动车由改善前的512辆增加到了542辆增长了30辆, 表2为仿真输出结果比较。

根据仿真输出结果得知产量提升、在线员工减少、工人利用率提高, 节约了成本、改变了原有的不平衡现象, 更加有利于工厂的发展。

5 总结和今后研究

仿真优化方法虽然能体现改善成果但是仅仅是展现、发现问题而已, 而不是通过软件内部操作来更加细致方便地更改生产系统, 与此同时, 还得通过人为的方法去依次解决导致生产率低下的原因。当然搬运物料的距离、频率以及所需搬运物料人员的数量也应逐渐减少, 这也是今后需要改善的一个重要部分。

当前的目标是实现降低检查成本和组装成本使其最小化, 今后工作人员还需要通过降低部件匹配整体检查计划的变化来使生产最终装配的失败率降到最低。

摘要：仿真经常用于生产过程的建模以达到理解和改进它们的目的, 使文字流程自动化从而发展可视化, 并使用人机工程原理和工艺布局原理加以改善后再借助Em-plant仿真软件对改善结果进行建模后分析, 从而证实优化的可行性以及更利于管理者对生产现状的了解。

关键词：组装,仿真,改善,平衡

参考文献

[1]郭锭锋, 严伟.基于EM-PLANT的发动机装配线平衡研究[J].装备制造技术, 2010, 3:90-91.

[2]宋林, 张则强.基于em-plant的汽车变速箱总装线的仿真与优化[J].机械管理开发, 2010, 25 (1) :32-33.

[3]Faisal Aqlan.An integrated simulation–optimization study for consolidating production lines in a configure-to-order production environment[J].Int.J.Production Economics, 2014, 148:51-61.

[4]OncüHaz r.Assembly line balancing under uncertainty:Robust optimization models and exact solution method[J].Computers&Industrial Engineering, 2013, 65:261-267.

装配过程仿真篇8

螺栓组连接是阀门法兰连接常用的连接形式。阀门螺栓组的装配质量是影响阀门产品综合性能的重要因素。随着螺栓连接在阀门法兰装配中的广泛应用, 阀门螺栓组装配工艺越来越引起人们的关注[1]。对阀门螺栓组装配工艺的探究也变得越来越重要。螺栓法兰连接的正确安装对保证法兰接头的结构完整性和连接密封性两者都具有重要意义[2]。螺栓法兰连接的螺栓安装工艺直接影响着垫片及法兰面的变形, 从而影响了法兰的密封性。针对阀门法兰螺栓装配的上述问题, 采用有限元分析对阀门环形螺栓组装配工艺进行分析。

1 阀门法兰有限元仿真总体方案

目前国内外阀门法兰螺栓组装配工艺较多, 而且针对不同的工况装配工艺也不尽相同。本文拟定4种装配顺序对阀门环形螺栓组装配工艺的影响进行分析。阀门环形螺栓组装配工艺有限元仿真整体方案如图1所示。

2 阀门法兰螺栓组三维模型及边界条件

由于阀门螺栓组装配模型有上法兰、下底座、垫片、螺栓等多个零部件组成, 而且螺栓装配的接触问题是典型的非线性问题, 如果每个零件建立完整的模型所占用的计算机资源较多, 计算时间过长。因此, 对不影响主要分析结果的零件特征简化, 建立简化的螺栓组装配模型模拟实际的装配[3]。将螺栓螺纹部分去掉, 采用ANSYS自带的螺栓预紧力来模拟通过螺纹实际加载到螺栓上的力。阀门法兰的三维模型如图2所示。

阀门法兰整个装配整体的刚度依赖于阀门法兰的接触状态, 在上法兰与螺栓、上法兰与垫片、垫片与下法兰等接触表面其相互依存的依赖关系并不是线性的。阀门法兰螺栓的接触问题是典型的非线性接触, 本文定义阀门法兰主要接触如图3所示。

3 阀门环形螺栓组装配工艺有限元分析

阀门环形螺栓组装配的方式主要有两种:一种是手工装配, 即螺栓按照规定的次序逐个装配;一种是自动化装配, 可以满足几个螺栓的同时装配。为了便于分析装配顺序对于法兰变形和应力的影响, 给阀门法兰的螺栓进行顺时针标号如图4所示。

1) 依次加载装配工艺。

阀门螺栓组依次加载时每个螺栓按临近次序装配, 顺序按顺时针装配, 总共分10步装配完成。每个螺栓的加载力均为10k N。

阀门螺栓组依次加载时引起法兰和垫片的变形和应力分布极其不均匀, 对于整个装配体, 在螺栓处应力和变形较大, 其他位置的变形相对较小 (如图5) 。在螺栓头出现应力集中, 在螺栓杆处中间部分的应力在200MPa左右, 其受力规律符合螺栓受力随螺纹距离的不同而不同。通过图6分析可知减小每次施加的预紧力, 逐步加载可以改善变形的均匀性, 在一定预紧力的前提下, 拧紧次数越多, 变形就越均匀, 最大应力也有所减小, 但拧紧次数增加降低了劳动生产率。

2) 对角加载装配工艺。

从图7可以看出对角加载时, 上法兰面的变形区域由原来的不规则趋向半偏的变形变为向两侧拉长的菱形变形。对角加载相对于顺序加载的情况, 在加载过程中出现的最大应力和最大变形有所减小, 但减小的幅度不大。整体的应力值大小与位置分布情况和顺序加载时大体相同。在多次加载的过程中, 对角加载和顺序加载一样表现出随着拧紧次数的增多, 最大应力逐渐减小, 最大变形也逐渐减小, 但减小幅度不大。

3) 同时加载装配工艺。

从图8中可以看出同时加载时, 装配体整体变形的均匀程度有所不同, 上法兰面的变形区域由原来的不规则的半偏变形和菱形变形转变为圆形变形, 但整体的应力值的大小与位置分布情况和顺序加载时大体相同。相对于对角加载而言, 同时加载的最大应力和最大变形略小于对角加载时的最大应力和最大变形, 且最大应力出现的位置仍然有所变化。随着加载次数的增多, 最大应力逐渐减小, 最大变形也逐渐减小, 但减小幅度不大。

虽然同时装配时, 法兰整体的变形均匀, 但考虑到同时装配螺栓的数目不同可能对法兰整体变形有所影响, 因此分析同时加载的螺栓个数不同的情况, 得出如图9所示的变形结果。2个螺栓同时装配时法兰整体变形仍然表现出略微的不对称, 如图9 (a) ;而5个螺栓同时装配时法兰整体变形为较为规则的五边形, 如图9 (b) ;10个螺栓同时装配时法兰整体变形为完全规则的圆形, 如图9 (c) 。

4 结语

1) 针对阀门法兰整体而言, 在螺栓加载的过程中, 下法兰的应力、变形、应变相对较小;上法兰、垫片和螺栓的应力、变形、应变相对较大, 最大应力出现在螺栓处。

2) 顺序装配时, 引起法兰变形不均匀, 变形偏向一侧。对角顺序装配的法兰变形的不均匀程度要好于逐个顺序装配的不均匀程度, 变形区域呈菱形。同时加载时的变形均匀程度最好, 变形区域呈圆形。

3) 顺序装配、对角装配时, 同等预紧力的情况下, 采用的拧紧次数越多, 最大应力逐渐减小, 最大变形也逐渐减小。

4) 同时加载时, 螺栓数目越多, 载荷对称度越好, 则产生偏载荷越小, 法兰的变形越均匀。

参考文献

[1]陈凯.螺栓紧固力分析[J].科学实践, 2010 (25) :309-310.

婴儿培养箱装配流水线仿真设计篇9

从福特使用流水线生产,到许多大型制造企业通过使用流水线生产方式来提高生产效率都很好地验证了流水线生产在企业发展中的重要性。在流水线设计优化中,计算机仿真是非常关键的环节。通过仿真可以解决实际生产中的诸多问题,降低企业的成本。为此越来越多的企业使用仿真软件来模拟实际生产,使得仿真软件得到了广泛应用。徐芳[1]在涂装流水线设计及仿真优化问题中对设计的方案采用Au To Mod仿真软件进行流水线仿真,有效地解决了涂装流水线出现的问题;宝斯琴塔娜[2]根据生产物流的特点及其仿真技术的功能,利用Flexsim软件对流水线生产物流仿真优化的方法,成功优化一个工厂四条流水线;田双[3]以某重工业履带挖掘机装配线设计为基础,规划装配车间的平面布局图,运用Simio仿真软件研究设计了挖掘机装配流水线模型,不仅提高了生产效率,也提高了车间管理效率。

针对婴儿培养箱的装配流水线设计问题,本文将通过仿真软件进行仿真与优化,为制造型企业装配流水线设计提供依据。

1 问题描述

通过对A公司婴儿培养箱产品装配过程进行观察,发现目前还是纯手工装配,生产效率低,并且装配车间布局分布不合理,装配过程中浪费太多,员工工作效率低下。针对这些问题,结合目前大多数制造企业的生产方式,决定针对婴儿培养箱产品进行生产流水线设计,划分工位,并通过仿真软件Flexsim对设计的流水线进行优化处理。

2 流水线设计

本文在设计流水线时充分研究流水线生产的各个要素,对装配过程进行仔细分析,以达到合理设计的要求。

2.1 装配过程分析

本文以YP-90A婴儿培养箱为例进行流水线设计,其产品主要由输液架、恒温室、控温箱、手摇床机构以及I型机座5大部件组成。装配流程如图1所示。

2.2 工位划分

对产品每个部件的每道工序进行装配工序时间的测定,根据每一部分的装配顺序及所需时间绘制各部件的装配流程,如图2~图6,图中工序上数字表示完成该工序所需的操作时间。

根据设计的装配流程进行工位划分,记录各个工位的人数和所需时间,然后通过生产线平衡率的计算来判断流水线是否可行,计算流水线的平衡率B:

式中:ti——完成工序所需的时间;

N——流水线总人数;

CT——流水线节拍。

计算上述流水线的平衡率为

正常情况下, 一条生产线的平衡率应大于0.75[4],可见,本设计基本符合要求。