轨道车辆车体组焊过程模拟仿真探讨

高 岩

（中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东青岛266111）

0 前言

当前，企业必须不断提高效率以应对竞争。这就要求更短的交付时间、更低的运作成本、优化利用生产力、优化物流和信息流。轨道车辆产品结构复杂，装配精度要求高，但其装配的工艺设计目前仍以手工方式为主，工艺设计水平很大程度取决于工艺人员本身的工作经验和知识积累。因此在车体装配制造中存在诸多难以避免的工艺问题，包括工艺过程不顺畅、作业空间受限、工艺环境布局不合理和工人作业强度大等[1]，使得组装工作异常繁杂，严重影响组装进程。预先发现并解决这些问题最有效的方法之一是运用数字化技术和系统开展装配过程的模拟。

在数字化平台上，根据产品装配工艺，首先构建虚拟制造工作环境，建立产品部件的CAD模型以及工艺装备、工具、工作平台以及各种辅助装置等几何模型，在此环境中真实地模拟装配过程，在过程模拟中，能够及时发现工艺设计中存在的各种结构性和空间性等问题，根据模拟、分析和装配工效评估的结果对工艺方法、工装结构和生产线布局等进行修改和优化。达索公司DELMIA系统为开展轨道车辆制造过程模拟提供了强有力的工具，其3D数字化制造解决方案确保了产品工艺设计和工艺资源配备的合理性[2]。

1 创建车体组焊模拟仿真环境

以数字化3D模型代替装配现场实体在计算机虚拟环境下进行装配过程的模拟及工艺流程分析，确保产品的可装配性，合理规划及布置装配资源，以下以车体总组装工序为例说明。

1.1 数字化建模

分为产品建模和资源建模，产品建模主要由产品设计人员完成，根据项目合同订单要求，利用三维设计软件（CATIA等）建立产品的三维模型。车体钢结构是由底架钢结构、侧墙钢结构、端墙钢结构、车顶钢结构4大部件组成，车体总组装工序的目标就是将各大部件组装焊接成一个完整的车体。分别创建车体的三维模型及各个部件的模型，车体三维模型如图1所示。

图1 车体三维模型

资源建模主要是建立工艺装备、设备、辅助工装夹具的模型，利用CATIA V5系统中的机械设计进行零部件的造型和组件的装配约束定义。工作量庞大，为后期构建虚拟制造工作环境打好基础，将施工现场各种工装、设备、工具及辅助装置建立三维模型，设置资源库（虚拟工装库）[3]，以便在构建虚拟制造环境时直接调用。机械设备构建完成模型后，还要在资源详细信息模块中的“装置构建”对机械设备的运动机构进行设定，使其与现场真实的设备具有相同的运动机构和可达限度。对数控设备进行反向运动设定，以便后期进行点焊定义仿真。

1.2 创建组焊仿真环境

（1）插入资源和产品。

在“PDM组装过程”模块分别插入待组装的产品以及所需要的资源。利用上述所建立的数字化模型，根据车体装配工艺执行需要，创建数字化装配生产线，对工装、工作台、工具箱、辅助装置和工人等进行合理布局。为此，首先运用“AEC厂房布置”模块建立数字车间中的基本设施地板，如占地面积的构建。利用“MSD制造系统定义”模块插入已经建立的厂房面积、资源模型等，并对资源属性进行定义，定义其为“设备”“台位”“辅助装置”等性质。

（2）资源布局。

利用“资源布局”模块进行资源布局规划。利用“环境工具”和“布置工具”将插入组装的产品，装配工装、环境资源及人员活动空间等进行有序布置，调整装配所需要的环境元素之间的相对空间关系，以保证合理的生产工艺流程及装配工作的顺利进行，车体总装工序作业环境布局如图2所示。

图2 车体总装工序作业环境布局

由图2可知，总装工序是由工装、两侧可移动工作走台、点焊设备、车体支撑杆及车体固定拉紧工装以及需组装的产品等几部分组成，调整各个资源之间的位置及空间关系。

2 车体组焊过程模拟仿真

2.1 组焊工艺流程仿真分析及创建工艺流程

车体组装工艺是装配模拟所需要的最重要的文件，其主要任务是采用合理的工艺方法和工艺装备来确定生产工艺流程。工艺流程设计是车体组装的基础工作之一，是整个制造流程中的重要环节。组装过程中需要专用工装，且以手工装配方式为主，在工艺设计中需要考虑装配的空间开敞性、设备、工具的可达性等，以及劳动生产率和人机工效具有重要影响的各种工艺因素。主要设计以下几个方面：①合理划分工艺分离面和装配单元，如各大部件之间的结合关系；②选定必要的通用制造装备和专用工艺装备；③施工现场合理的工艺布局；④确定装配基准、定位方法及装配顺序等；⑤编制施工工艺流程及工艺要点。将以上工艺信息在工艺过程“属性”中进行设置。

车体总组装在总装台位进行，确定组装流程为：①底架吊入台位定位、拉紧；②一二位外端墙吊入定位；③一二位侧墙吊入定位；④车顶吊入定位；⑤车体焊接。

首先新建Process Library工艺流程库文件，在此创建总组装工序的工艺流程，并将规划设计的流程保存到指定的库文件夹内，以便后续将工艺流程插入组装过程。车体总组工艺流程规划见图3。

图3 车体总组工艺流程规划

在“PDM组装过程”模块中创建工艺流程，将已经保存在工艺流程库中的工艺流程插入Processlist工艺目录下，也可在结构树中的过程列表增加工艺过程行为，并在每个动作节点的属性中对过程节点进行命名，记录此过程的说明描述。工艺流程创建如图4所示。

利用“资料视图”工具开启波特图，可以直观观察设计的工艺流程逻辑关系，可对流程的顺序、走向进行调整。车体总组装工艺过程波特图如图5所示。

每一步行为所需要的作业时间可以在“资料视图”工具甘特图中设定，控制每道工序作业时间及开工时间。甘特图作业时间控制如图6所示。

图4 工艺流程创建

图5 车体总组装工艺过程波特图

图6 甘特图作业时间控制

2.2 车体组焊过程模拟仿真

2.2.1 工艺验证

在制造的数字化处理DPM组装工艺中的“工艺过程仿真”模块，将工艺规划每步过程与对应产品或资源建立联系，用“行为管理”工具中的“指派产品或资源”图标指派每步过程所对应的产品部件或工艺资源。然后用“模拟”工具条中“过程验证”功能进行“工艺验证”，依据装配工艺顺序模拟各部件、工件的装配过程，即在虚拟装配环境中动态直观地装配顺序、路径和方法等。通过视觉观察，可实时发现装配过程中各种工装、设备、产品、工具、人员和其他环境元素间的空间干涉和碰撞情况，以便及时调整，得到较为合理的装配顺序和装配路径，车体组焊过程验证如图7所示。

图7 车体组焊过程验证

2.2.2 行为模拟

将前期设计的工艺规划每步添加行为动作，利用“创建模拟行为”工具条创建。（1）视点：通过设定某个特殊视角观察装配过程；（2）移动轨迹：装配过程中零部件的运动轨迹设定；（3）装置运动：机械设备、工艺装备的动作设定，例如自动化点焊设备工作时的动作；（4）文字说明：需要通过文字进行描述的过程。还有显示、延迟、创建暂停等行为，进行动作行为定义。运用“模拟”工具条中的“程序模拟”真实演示装配及自动焊接过程。

车体组装过程如下：

第一步，底架钢结构吊入台位定位并拉紧。通过观察，分析底架吊入台位路径是否与周围的上下点焊设备、工艺走台有干涉情况，底架下部支撑与下部零部件是否有干涉碰撞，以此来确定各个支撑点的位置，以往曾多次发生因底架下部与工装干涉碰撞而停止组装，临时对台位进行调整，装配效率降低。

利用“分析工具”工具条进行干涉分析检查，可以轻易发现干涉点，从而进行工装的位置调整。观察图4可知，拉紧工装的拉钩与底架横梁之间存在干涉碰撞。通过干涉分析可以得到所有的干涉点，得出精确的干涉的具体位置和干涉量，并展示结果的3D图形。干涉分析结果如图8所示。

第二步，一二位外端吊入定位。观察外端与上部工装及点焊设备之间的位置关系，确定点焊设备的停靠位置及焊枪位置。

第三步，侧墙吊入定位。分析在侧墙落入的过程中，与走台、焊枪之间的位置关系，确定侧墙落入的运行轨迹。为控制焊接变形及车体的几何尺寸，车内布置大量支撑杆，通过模拟分析，合理调整支撑杆的分布位置，确定支撑杆的数量及长度尺寸。

第四步，车顶的安装定位，观察车顶与设备及走台高度之间的关系，雨檐位置高度适当便于操作。

第五步，上部及下部点焊设备的可达性验证，运用机构装置调整上部C型焊钳的各种姿态，观察与车体之间的位置关系。端部焊接确定点焊与塞焊的分界线。分析各个焊点焊钳是否能够到达位置及干涉状态。确定焊钳的坐标点及各点的倾斜角度，为后期的点焊程序输出做好准备。

以上各步完成所有行为设置之后，可以在装配仿真模块用模拟工具条进行实时仿真，连续视觉播放。可以采用交互编辑仿真定义，将每一步的动作内容进行定义设置，并用播放功能动态演示整个装配过程，进行同步干涉检查，编辑好的动画录像可用于操作者的工艺培训。

图8 干涉分析结果

2.2.3 人机工程分析

运用“人机工程学设计与分析”模块构建人体模型并插入作业环境，定性和定量分析装配过程中工人的作业姿态行为。观察人与工装设备及产品之间的空间关系，作业空间的合理性与舒适性是人机工程分析中一项重要评价指标。目的是检查作业空间是否符合人体作业需要，总体布局是否合理，组焊操作是否舒适。人在各个操作位置焊接可达性及视觉范围分析，评估劳动生产率及生产安全性。视觉分析可以发现操作者在操作过程中的视觉盲点，提前改进操作方案[4]。人员操作空间及视野见图9。

3 输出仿真工艺文件

可根据仿真过程编制输出AVI格式视频文件及工艺作业图文档，输出HTML格式的工艺文档。利用3DVIA Composer软件生成3D作业指导文档，这些文件可用于现场操作的技术工艺文件编制[5]。

图9 人员操作空间及视野分析

4 结论

提出运用DELMIA模拟车体组装过程的方法，结合车体总组装的制造工艺说明了该方法的应用。通过对装配焊接过程的仿真模拟和分析，基本上可以发现工艺方法、工装结构和制造环境中利用传统方法难以应对的问题，也可对其他不同的装配过程进行模拟分析，修改和优化制造工序和工装结构等，最后输出三维工艺文档，改善工艺设计质量和制造效率。

参考文献：

[1]高举红，陈思宇，刘晓宇.基于精益设计的生产能力分析与现场物流改善[J].工业工程，2010，13（1）：90-96.

[2]肖珺，谢曦鹏.数字化三维工艺设计[J].数字技术与应用，2010（12）：9.

[3]叶宏，崔亚新，宁鑫，等.轨道客车企业数字化制造平台选型研究[J].科技致富向导，2012（20）：12.

[4]盛选禹，盛选军.DELMIA人机工程模拟教程[M].北京：机械工业出版社，2009：131-142.

[5]田文胜，谭一炯.基于DELMIA的三维装配作业指导书生成方法研究[J].中国制造业信息化，2012，4（11）：44-46.