基于DELMIA的汽車裝配工藝仿真與優化

林金+關銘東

摘 要：介紹了DELMIA系統的結構和功能，提出以工藝規劃為核心的汽車虛擬裝配流程，利用DELMIA系統分析優化汽車裝配的三維數字化工藝，重點討論工藝的可操作性和操作便利性，結合人因分析，真實準確地反映實際工藝操作過程。實踐表明，利用DELMIA系統結合以上方法制定汽車裝配工藝，實現了CAD＼CAPP＼CAM的并行化，能夠及早地發現工藝缺陷、減少新產品的開發周期、提高資源的利用率，具有重大的工程意義。

關鍵詞：DELMIA；虛擬裝配；工藝優化；人因分析

中圖分類號：TH391.9 文獻標識碼：A

長期以來，CAD 技術的應用和推廣，提高了新產品的開發速度，縮短了新產品推向市場的時間，提高了產品質量，極大地推動著制造業的發展。但目前，數字化制造技術出現一個癥狀：工藝制定技術遠遠落后于產品設計技術和產品制造技術，嚴重阻礙了CAD＼CAPP＼CAM的集成化、并行化[1]。即便是復雜結構的產品（如飛機、汽車等）的裝配工藝設計仍停留在二維的基礎上。工藝、工裝設計員對產品結構和裝配過程的理解只能通過頭腦想象二維圖紙的表達內容，這需要豐富的實踐經驗，而且即便是經驗豐富的工程師，制定裝配工藝時難免缺乏周密考慮和疏漏，從而導致了工藝設計不合理、零件返修、工裝返修的情況層出不窮。

在現代的制造業中，裝配工作量占整個產品生產工作量的20%～70%，平均百分比為45%[2]，而且裝配費用占制造總費用的20%～30%，若在裝配中發生問題，還會增加50%的費用[3]，因此，如何提高裝配質量和裝配效率，是企業迫切所要解決的問題。虛擬裝配技術是溝通信息系統與制造系統的橋梁，為溝通信息系統與制造系統提供了有效的工具和環境使裝配系統的產品及其裝配過程數字化，以便計算機系統處理[4]。 國外已有好多成功地利用虛擬裝配技術的案例，其中以波音777的研制最為典型，其整機設計、部件測試、整機裝配以及各種環境下的試飛均在計算機上完成，使其開發周期從過去8年時間縮短到5年，出錯返工率減少了75%，成本降低了25%，成為數字化設計制造與并行工程技術成功應用的典范。然而，國內對虛擬制造技術應用研究還只停留在理論研究階段[5]，尚未形成工程化應用，企業對新產品的開發基本上都是采用傳統的工藝規劃方法。

基于此，本文結合某轎車的開發，在DELMIA系統中對整車裝配工藝進行可行性驗證和人機操作舒適性分析，通過虛擬裝配對轎車進行三維數字化工藝制定，得到了很好的實際效果。

1 DELMIA系統簡介[6]

DELMIA是達索公司開發的一套基于“數字化工廠”概念的軟件，旨在能夠實現對生產過程中的工藝信息進行協調的統一管理。它的底層是一個PPR-HUB，用來儲存和集成產品信息、資源信息和工藝過程信息。在PPR-HUB 的支持下建立了工藝模型，用來存儲產品信息（Product）、工藝過程信息（Process）、資源信息（Resource）和之間的關系。這種信息間的集成平臺為全系統的信息共享進而實現并行工程和協同作業提供了便利[7]。

DELMIA軟件是三個相互關聯的軟件組成：DPE（Digital Process Engineer）、DPM（Digital Process Manufacture）以及QUEST（物流分析工具）。DPE能夠有效地將產品、資源、工藝數據統一管理，實現產品數字化工藝規劃、評估、優化。同時，DPE是基于Oracle數據庫的協同工藝設計管理的信息平臺，用戶可以建立幾個子項目分工執行、集中管理，實現工藝分析的并行化、集成化，縮短項目開發周期，提高工作效率。DPM提供工藝細節規劃和驗證的應用環境，它包括許多模塊，功能十分強大，主要包括：生產線、車間、工廠的3D布局、優化；裝配過程設計、仿真；人因工程分析仿真；自動規劃機械加工解決方案；實現質量控制解決方案等等。QUEST是數值化工程及離散事件仿真軟件，實現工廠生產系統集成、工藝流程設計和可視化解決方案，是用于對生產工藝流程的準確性與生產效率進行仿真與分析的全三維數字工廠軟件。

2 汽車虛擬裝配工藝分析

2.1 虛擬裝配工藝分析流程

企業對汽車裝配工藝的制定需密切聯系設計部門及資源管理部門，結合企業的資源和產品規劃方案，制定適合本企業及相應車型的工藝方案。對汽車的虛擬裝配過程，提出以工藝規劃為核心。圖1為汽車虛擬裝配工藝制定的流程圖。首先將從產品管理部門與資源管理部門得到的數模導入DPE，然后工藝設計部門根據所提供的產品和資源信息規劃出初步工藝，在DPM中進行具體的工藝分析，最后分析比較所有合格工藝選擇最優，倘若發現工藝不可行，可以通過改工藝或與產品設計部門或者資源管理部門討論改產品或改工裝夾具來解決問題，改后的新數模需重新導入DPE進行新一輪的工藝驗證，直至達到滿意的效果。

2.2 工藝可行性分析

在汽車裝配工藝制定時，我們往往關心的不是各零部件裝配后是否會影響后面零部件的安裝（這個在一般的三維軟件中可以通過零部件隱藏和顯示也能夠觀察），而更加關心的是裝配的過程。因為在實際的裝配過程中往往會出現因為安裝空間的限制或安裝路徑的不正確，從而導致了裝配過程干涉或者須通過敲打強制裝配，這樣就嚴重影響了安裝精度，從而影響產品的性能和質量。DELMIA系統為此提供了很好的解決方案。我們在做完準備工作之后（準備工作就是完善PPR結構的過程），模擬實際安裝路徑規劃虛擬裝配路徑，再運行裝配過程仿真，就可以很直觀地觀察產品的安裝過程。若打開干涉分析，可以高亮顯示干涉，同時還可以輸出裝配過程的干涉報告。

2.3 工藝在人機模塊下的驗證與優化

要完善裝配工藝的制定方法，我們必須引入人因分析。因為有時候雖然在進行裝配過程仿真時不會出現干涉現象，但是在實際進行裝配時卻出現由于裝配空間的限制造成人無法進行操作、可執行性差等情況而影響了裝配質量和裝配效率，這時我們利用DELMIA的人因分析，模擬現實裝配過程就可以提前發現產品設計中的缺陷。另外，裝配工藝師在制訂工藝時經常會提出幾種工藝方案而且經驗證后都能滿足工藝可行性要求，這就需要進行人因分析計算人的負荷度、疲勞度等來綜合評價工藝的優劣，DELMIA集成了RULA分析，根據工人的作業姿勢，可以進行快速評價，為工人的舒適性打分，綜合最高為7分，分數越高舒適性越差。通過工人作業方式的舒適性對比，確定工藝實現的作業方式。

3 總結

長期以來，汽車企業對裝配工藝的制定都采用傳統的二維模式，經常出現工藝問題。本文通過DELMIA數字化三維仿真系統，結合汽車裝配工藝，分析三維數字化工藝制定方法。通過采用此方法，實現了產品、資源、工藝數據的統一管理，同時可以實現CAD＼CAPP＼CAM的并行化，在轎車的試制時很少發現裝配工藝問題，縮短了開發周期，節約了開發成本，因而汽車企業可以借鑒。

另外，將人因分析應用到汽車裝配工藝的仿真優化過程中，調整優化工藝方案，充分有效地利用人力資源。

參考文獻

[1] 賈朝定.基于DELMIA的虛擬裝配技術[C]//鑄劍.國防科技工業虛擬制造技術高層論壇論文集. 西安：中國航空學會，2007：97～101.

[2] 肖田元.虛擬制造及其在轎車數字化工程中的應用[J]. 系統仿真學報，2002，14（3）：342～347.

[3] 寧汝新，鄭軼. 虛擬裝配技術的研究進展及發展趨勢分析[J].中國機械工程，2005，16（15）：1398～1404.