汽车变速器装配线可视化装配工艺仿真技术的研究与应用*

周尔民 徐翔斌 潘 磊

（华东交通大学）

1 前言

目前，我国部分汽车制造企业在产品开发设计阶段引入了CAD/CAE/CAM/PDM等系统；在制造上采用了机器人、各种数控机床等设备；在生产管理上使用MIS/ERP/PLM/CIMS等软件。然而，上述系统虽然提高了企业产品开发能力和加工能力，但其生产调整能力及工艺规划水平并未相应提升，由此产生的瓶颈效应极大地限制了汽车企业效能，耗费了时间和费用。

在虚拟制造环境下基于数字工程的工艺流程仿真是一门新兴学科，仿真系统的应用确保了高度的规划可靠性、优化性及实施时间和成本。DELMIA是达索公司面向生产过程物流仿真与分析的三维数字化工厂开发软件，其中面向对象的离散事件仿真工具DELMIA D5（QUEST）是对生产工艺流程的准确性和生产效率进行仿真与分析的三维数字工厂环境[1]。通过QUEST的仿真可确定生产装配线布局规划是否合理，并可预先发现装配物流系统的不足，提前做出修正并进行改善设计，使数字工厂效益最大化，建立和完善企业数字化制造体系[2]。

以某传动公司汽车变速器生产装配线为例，在三维数字化工厂仿真软件DELMIA/QUEST中，针对变速器虚拟装配线对象建模方法、装配工艺仿真环境的规划和搭建进行研究，对装配线中存在的瓶颈、不平衡、物流运送不顺畅等问题进行分析，结合仿真数据对装配线进行优化和调整。

2 装配线对象建模

根据产品装配线的层次结构关系，从装配线类中派生出物理设备类、工艺类、逻辑控制类。物理设备类对应现实装配线中有形的实体，如装配设备、物流设备等；工艺类在现实装配线中没有有形的实体对应，仅包括循环工艺、装载工艺、卸载工艺、生产计划和任务等内容；逻辑控制类描述对象间的逻辑关系，如自动导向小车（AGV）控制逻辑、工人控制逻辑、传送带控制逻辑等。

2.1 装配线物理建模

虚拟物理模型的生产资源包括机床、原料站、缓冲站、卸料（仓储）站、AGV、工人和装卸机器等。物理设备类按其层次结构关系将派生出加工设备类、物流设备类和检测辅助设备类。

加工设备类除继承物理设备类的物理、过程、功能、状态等基本属性外，其物理属性还包括设备标识、设备规格、失效率、修复率等，过程属性还包括设备利用率等[3]。物流设备负责设备间工件物料的运输和存储，如AGV、传送带、悬挂链、机器人、仓储设备等，完成传送工件和搬运物料的工人也可抽象地看作为物流设备。检测辅助设备主要完成检测等工作，以辅助加工工艺的顺利进行，如外圆跳动仪、销孔跳动仪、探伤仪、卡尺等设备。根据检测项目的不同，辅助设备类派生出量具类、粗糙度测量类、传感器类等。

2.2 装配线工艺建模

为描述装配工艺，用工艺类作为工艺建模的基类，包括标识、名称、工艺内容等属性，其派生出工序类、生产计划类、生产安排类、工艺规程类和加工工艺参数类等。

工序类的属性包括工序标识、名称、内容、工序优先级、装配工件数量、需求工人数量、需求AGV数量、需求加工设备数量、平均循环装配时间、循环装配时间分布等；生产计划类的属性包括标识、名称、内容、生产计划描述、产量、交货期、成本等；生产安排类的属性包括标识、名称、生产安排描述、班次数量、换班时间、准备终结时间等；工艺规程类的属性包括标识、名称、装配流程编码、成本、产量、重组时间、可用度等；加工工艺参数类的属性包括标识、名称、主轴转速、横向进给速度、纵向进给速度、切削深度等[4]。

2.3 装配线逻辑建模

逻辑控制完成生产资源的选择和调度等功能，用逻辑控制类可抽象地描述发生在特定时间不同资源对象交互活动的决策行为。逻辑控制类的属性包括控制器标识、控制对象数量、逻辑运行优先级等。逻辑控制类的行为方法包括定义初始化逻辑、加工工艺逻辑、工件路由逻辑、资源选择逻辑、队列逻辑等模式。其中，加工工艺逻辑主要用于定义加工工艺对象（或装配工艺对象）的先后顺序、工艺对象处理的比例关系等；工件路由逻辑主要用于定义工件选择路由下端对象的方式；队列逻辑主要用于定义工件从缓冲站对象向其它生产资源对象的排队方式等。

3 变速器装配线仿真环境搭建

3.1 变速器虚拟装配模型的建立与转化

以某传动公司汽车变速器装配线为对象，对该装配线的建模、规划仿真与仿真优化实现等过程进行研究。由于QUEST软件在全三维环境下进行仿真，所以对于变速器装配线的虚拟装配仿真，除必须提供车间装配设备、物流设备、辅助设备外，还需提供装配过程中所需零部件的三维模型，即变速器所有零部件的数字化模型。

变速器模型可采用PRO/E、UG、CATIA等三维建模软件进行建立，所建立的三维模型需转化到DELMIA/QUEST软件环境下进行仿真。QUEST提供了 IGES、VRML、STL、ACAD、VDA、PRO 等数据输入格式，QUEST可直接与PRO/E软件进行数据转化，只要按照规定的参数设定两者的转换通道即可，这样就可直接在QUEST软件环境下读取PRO/E的.prt格式文件，然后保存为QUEST软件下的模型格式。图1为转化到QUEST自定义模型库中的变速器零部件模型库。

3.2 变速器虚拟装配线车间的整体规划

要实现虚拟装配线的仿真运行，必须按照实际变速器装配线的装配工艺来规划装配线及安排虚拟车间环境。

变速器箱体内零部件主要由一轴部装总成、二轴部装总成、中间轴部装总成和移动轴部装总成组成，在变速器总装线上实现总装。实际变速器装配线中的零部件较多，装配工序繁琐，若完全按照实际变速器装配层次结构由下而上规划将是一个非常庞大的虚拟装配线仿真流程，且对硬件的要求非常高，为此，以二轴部装总成的装配线为例来进行变速器虚拟装配线的仿真规划。

3.3 二轴子装配线的虚拟装配环境规划

二轴部装主要完成以下装配：二轴1挡齿轮总成，1、2挡同步器总成和滚针轴承，1、2挡齿毂卡簧和二轴2挡齿轮总成，1、2、3挡同步器齿环和 3、4挡同步器总成，3挡衬套，二轴倒挡齿轮总成，五倒挡同步器齿环，滚针轴承，齿毂卡簧，五倒挡同步器总成和二轴5挡齿轮总成等。

为实现二轴部装，在不影响仿真结果的情况下进行简化处理，即零件在原料站产生后直接自动加载到缓冲站上。首先由2位工人完成由传送带输送来零件的卸料工作，将零件分类放置在3个缓冲站上，再由另外的装配工人按照装配工艺拿取零件并与装配所需的不需清洗烘干处理的零件（如标准件、卡簧等）共同放置在部装工作台上，完成二轴的前期部装，之后由另外的工人在装配机床上进行压装，完成一轴和二轴的总成装配。

车间中模型元件的连接为：悬挂链卸料关键点—传送带—3个缓冲站—装配工作台—缓冲站—压装机床—下游传送带，其中装配工作台有3个输入连接元件，即其上游的3个零件缓冲站；压装机床有1个输入连接元件，即其上游的1个零件缓冲站。为保证装配仿真开始时装配工人即开始同步工作，所有缓冲站都分别设置了一定数量的工件原始库存，并给缓冲站配置了一定的缓冲容量，以利于后续装配线平衡的调整。

除上述物理模型的规划布置外，还有零部件的摆放位姿、工人拿取工件的位姿、工人行走路径的规划与调整。特别是工人的行走路径，因为有些模型元件同时设置了2个或2个以上的工人站立点，而同1个模型元件又有多个工人参与工作，如传送带输送的清洁零件就有2个工人来负责卸料，而每个工人又将各自搬运的工件放置于不同的缓冲站，其中1位工人要同时负责2个缓冲站工件的上料工作，所以类似这样较为复杂的任务分配可能造成仿真过程中人员模型的重叠交叉，所以要注意工人路径的布置与调整。图2为二轴部装作业区内车间调整后工人路径规划图。

4 变速器装配线的仿真优化

4.1 运用DELMIA/QUEST软件对变速器装配线进行仿真

在搭建好变速器虚拟装配线的所有物理模型后，根据装配工艺要求定义各生产资源的仿真模型参数和逻辑事件，在此基础上进行装配线仿真。仿真的初始参数为：前、后箱体的原料站按照55 s节拍供应工件，2个清洗烘干作业区的所有原料站都按照38 s的节拍供应要清洗烘干的工件，变速器总装线旁的其它原料站按照55 s速率提供工件，总装线上每个工位工人按照8 s的装配节拍进行装配，定义仿真时间为2 000 s。

当仿真2 000 s结束时，得到如图3和图4所示的装配线仿真车间的现场截图，由图3和图4可看出，几乎每个工件缓冲站都堆积了大量零件，达到了各自缓冲站的缓冲容量，运送零件的传送带上也有不少零件堆积，物流已经被阻塞，二轴和中间轴部装作业区的工人无法休息，处于繁忙状态。

图5为装配线系统机床设备利用率直方图，从图5可看出，装配线系统中各机床设备的利用率很不平衡，有待优化和调整。

4.2 变速器装配线仿真优化

为更好地发挥装配线的生产能力，消除瓶颈问题和装配线不平衡问题，必须对前期搭建的装配线仿真模型进行优化。从仿真数据分析可知，装配线系统中的原料站提供各自工件的节拍不一致，二轴部装作业区的装配效率偏低，导致其上游零件供应的大量集压而阻塞了传送带等物料运送系统，并同时导致其对下游总装线供应零部件的速率缓慢，使得总装线上其它零部件大批积压，阻塞缓冲站和其它物流系统，最终导致变速器装配线系统的不平衡，以及机床、工人等仿真模型的忙闲度差异过大和利用率差异过大的生产线不平衡现象。

经过反复运行仿真模型与调整，确定将总装线上的生产节拍控制在92～96 s，生产线获得了较理想的平衡状态。QUEST系统分别对装配线进行了1 800 s、3 600 s、14 400 s和 28 800 s （1 个标准工作日）仿真后发现,装配线上没有零部件的过渡滞留、阻塞物流运送系统、充满缓冲站等不良现象发生。装配线仿真现场情景分别如图6和图7所示。从图中可看出，在仿真28 800 s结束时，不管是总装线还是部装作业区，在零部件的物料运送系统中均未出现阻塞现象，缓冲站中只有少数零部件处于缓冲状态，属正常工作状态，传送带上也均未出现零部件阻塞现象，即装配线的物流系统处于顺畅状态。

为了能更好地说明装配线状况，系统输出了仿真结果统计数据。用直方图分别表示装配线中机床设备利用率、操作工人利用率和总装线AGV利用率等情况。图8为调整后装配线机床设备利用率直方图，图中仿真元素（设备）包括闲置、繁忙、阻塞、失效、下班、忽略等几种状态。对比优化前装配线机床利用率（图5）可知，优化前机床利用率差别很大，优化调整后机床的利用率基本一致。同时，优化后的装配线操作工人的忙闲程度差别缩小，整体上趋于平衡，总装线上的AGV利用率也基本一致，这也说明经过调整后的装配线整体上是基本平衡的。

5 结束语

利用三维数字化工厂仿真软件DELMIA/QUEST对汽车变速器生产线进行了可视化装配工艺仿真，找出并解决了装配线中存在的瓶颈、不平衡、物流运送不顺畅等问题。经多次仿真和优化调整后，得出了较佳的装配线平衡和优化方案。该技术可应用于汽车制造企业实际生产系统的各个环节，如工艺过程设计、工艺装备、生产线或加工单元布局等，可使企业在自身制造资源数量不变的情况下，最大程度地提高设备利用率，降低成本，提高产能。

1 张丽，郭佳，刘春，等.基于Delmia/Quest的钣金零件生产线的仿真与分析.机械工程师，2011（1）:48～50.

2 陈宁，解彦琦，吕庆伦.基于DELMIA的发动机装配过程可视化仿真.计算机辅助工程， 2010（14）:66～69.

3 崔东.DELMIA在机械加工领域中的应用.航空制造技术，2007（12）:100～102.

4 郑力，卢继平，徐家球.虚拟制造技术与数字化工艺.China－Machine.com， 2006.