基于DELMIA的汽车装配工艺仿真与优化

林金+关铭东

摘 要：介绍了DELMIA系统的结构和功能，提出以工艺规划为核心的汽车虚拟装配流程，利用DELMIA系统分析优化汽车装配的三维数字化工艺，重点讨论工艺的可操作性和操作便利性，结合人因分析，真实准确地反映实际工艺操作过程。实践表明，利用DELMIA系统结合以上方法制定汽车装配工艺，实现了CAD＼CAPP＼CAM的并行化，能够及早地发现工艺缺陷、减少新产品的开发周期、提高资源的利用率，具有重大的工程意义。

关键词：DELMIA；虚拟装配；工艺优化；人因分析

中图分类号：TH391.9 文献标识码：A

长期以来，CAD 技术的应用和推广，提高了新产品的开发速度，缩短了新产品推向市场的时间，提高了产品质量，极大地推动着制造业的发展。但目前，数字化制造技术出现一个症状：工艺制定技术远远落后于产品设计技术和产品制造技术，严重阻碍了CAD＼CAPP＼CAM的集成化、并行化[1]。即便是复杂结构的产品（如飞机、汽车等）的装配工艺设计仍停留在二维的基础上。工艺、工装设计员对产品结构和装配过程的理解只能通过头脑想象二维图纸的表达内容，这需要丰富的实践经验，而且即便是经验丰富的工程师，制定装配工艺时难免缺乏周密考虑和疏漏，从而导致了工艺设计不合理、零件返修、工装返修的情况层出不穷。

在现代的制造业中，装配工作量占整个产品生产工作量的20%～70%，平均百分比为45%[2]，而且装配费用占制造总费用的20%～30%，若在装配中发生问题，还会增加50%的费用[3]，因此，如何提高装配质量和装配效率，是企业迫切所要解决的问题。虚拟装配技术是沟通信息系统与制造系统的桥梁，为沟通信息系统与制造系统提供了有效的工具和环境使装配系统的产品及其装配过程数字化，以便计算机系统处理[4]。 国外已有好多成功地利用虚拟装配技术的案例，其中以波音777的研制最为典型，其整机设计、部件测试、整机装配以及各种环境下的试飞均在计算机上完成，使其开发周期从过去8年时间缩短到5年，出错返工率减少了75%，成本降低了25%，成为数字化设计制造与并行工程技术成功应用的典范。然而，国内对虚拟制造技术应用研究还只停留在理论研究阶段[5]，尚未形成工程化应用，企业对新产品的开发基本上都是采用传统的工艺规划方法。

基于此，本文结合某轿车的开发，在DELMIA系统中对整车装配工艺进行可行性验证和人机操作舒适性分析，通过虚拟装配对轿车进行三维数字化工艺制定，得到了很好的实际效果。

1 DELMIA系统简介[6]

DELMIA是达索公司开发的一套基于“数字化工厂”概念的软件，旨在能够实现对生产过程中的工艺信息进行协调的统一管理。它的底层是一个PPR-HUB，用来储存和集成产品信息、资源信息和工艺过程信息。在PPR-HUB 的支持下建立了工艺模型，用来存储产品信息（Product）、工艺过程信息（Process）、资源信息（Resource）和之间的关系。这种信息间的集成平台为全系统的信息共享进而实现并行工程和协同作业提供了便利[7]。

DELMIA软件是三个相互关联的软件组成：DPE（Digital Process Engineer）、DPM（Digital Process Manufacture）以及QUEST（物流分析工具）。DPE能够有效地将产品、资源、工艺数据统一管理，实现产品数字化工艺规划、评估、优化。同时，DPE是基于Oracle数据库的协同工艺设计管理的信息平台，用户可以建立几个子项目分工执行、集中管理，实现工艺分析的并行化、集成化，缩短项目开发周期，提高工作效率。DPM提供工艺细节规划和验证的应用环境，它包括许多模块，功能十分强大，主要包括：生产线、车间、工厂的3D布局、优化；装配过程设计、仿真；人因工程分析仿真；自动规划机械加工解决方案；实现质量控制解决方案等等。QUEST是数值化工程及离散事件仿真软件，实现工厂生产系统集成、工艺流程设计和可视化解决方案，是用于对生产工艺流程的准确性与生产效率进行仿真与分析的全三维数字工厂软件。

2 汽车虚拟装配工艺分析

2.1 虚拟装配工艺分析流程

企业对汽车装配工艺的制定需密切联系设计部门及资源管理部门，结合企业的资源和产品规划方案，制定适合本企业及相应车型的工艺方案。对汽车的虚拟装配过程，提出以工艺规划为核心。图1为汽车虚拟装配工艺制定的流程图。首先将从产品管理部门与资源管理部门得到的数模导入DPE，然后工艺设计部门根据所提供的产品和资源信息规划出初步工艺，在DPM中进行具体的工艺分析，最后分析比较所有合格工艺选择最优，倘若发现工艺不可行，可以通过改工艺或与产品设计部门或者资源管理部门讨论改产品或改工装夹具来解决问题，改后的新数模需重新导入DPE进行新一轮的工艺验证，直至达到满意的效果。

2.2 工艺可行性分析

在汽车装配工艺制定时，我们往往关心的不是各零部件装配后是否会影响后面零部件的安装（这个在一般的三维软件中可以通过零部件隐藏和显示也能够观察），而更加关心的是装配的过程。因为在实际的装配过程中往往会出现因为安装空间的限制或安装路径的不正确，从而导致了装配过程干涉或者须通过敲打强制装配，这样就严重影响了安装精度，从而影响产品的性能和质量。DELMIA系统为此提供了很好的解决方案。我们在做完准备工作之后（准备工作就是完善PPR结构的过程），模拟实际安装路径规划虚拟装配路径，再运行装配过程仿真，就可以很直观地观察产品的安装过程。若打开干涉分析，可以高亮显示干涉，同时还可以输出装配过程的干涉报告。

2.3 工艺在人机模块下的验证与优化

要完善装配工艺的制定方法，我们必须引入人因分析。因为有时候虽然在进行装配过程仿真时不会出现干涉现象，但是在实际进行装配时却出现由于装配空间的限制造成人无法进行操作、可执行性差等情况而影响了装配质量和装配效率，这时我们利用DELMIA的人因分析，模拟现实装配过程就可以提前发现产品设计中的缺陷。另外，装配工艺师在制订工艺时经常会提出几种工艺方案而且经验证后都能满足工艺可行性要求，这就需要进行人因分析计算人的负荷度、疲劳度等来综合评价工艺的优劣，DELMIA集成了RULA分析，根据工人的作业姿势，可以进行快速评价，为工人的舒适性打分，综合最高为7分，分数越高舒适性越差。通过工人作业方式的舒适性对比，确定工艺实现的作业方式。

3 总结

长期以来，汽车企业对装配工艺的制定都采用传统的二维模式，经常出现工艺问题。本文通过DELMIA数字化三维仿真系统，结合汽车装配工艺，分析三维数字化工艺制定方法。通过采用此方法，实现了产品、资源、工艺数据的统一管理，同时可以实现CAD＼CAPP＼CAM的并行化，在轿车的试制时很少发现装配工艺问题，缩短了开发周期，节约了开发成本，因而汽车企业可以借鉴。

另外，将人因分析应用到汽车装配工艺的仿真优化过程中，调整优化工艺方案，充分有效地利用人力资源。

参考文献

[1] 贾朝定.基于DELMIA的虚拟装配技术[C]//铸剑.国防科技工业虚拟制造技术高层论坛论文集. 西安：中国航空学会，2007：97～101.

[2] 肖田元.虚拟制造及其在轿车数字化工程中的应用[J]. 系统仿真学报，2002，14（3）：342～347.

[3] 宁汝新，郑轶. 虚拟装配技术的研究进展及发展趋势分析[J].中国机械工程，2005，16（15）：1398～1404.