不规则体吊装过程仿真方法的研究

李增增 李 琳

上海电气风电集团股份有限公司 上海 200233

1 研究背景

风力发电机组的装配工艺种类多,吊装过程复杂,质量要求高,呈现多机型、小批量、更改频繁、辅助工装工具多等特点。当前,风力发电机组制造面临两大方面的挑战,一是不断研发升级大型风力发电机组,二是已有型号风力发电机组不断降本。传统做法是通过样机实际装配和首件试装,连接设计工艺和量产制造,发现被忽略的问题,避免出现重大损失。但是,这种做法已经越来越不能适应时代的发展和激烈的市场竞争,需要积极研究采用新的方法和工具。

工艺仿真技术在汽车、航空等领域的应用,有效证明了通过工艺仿真可以快速实现产品设计装配运维全生命周期,从而提高研发效率,降低制造成本。工艺仿真技术能够实现对每一步装配操作的仿真,在计算机中以可视化的方式展示产品的实际装配过程,通过产品资源导入,工艺规划和布局,工装工具、车间设备、人体模型导入仿真,基于计算机图形学和仿真技术,实现装备过程的可视化操作与演示。以工艺仿真代替现场样机的装配试装,能够检验整个装配过程的可行性,提供装配干涉的检查与报警,实现产品快速、准确装配,有利于缩短装配周期,提高装配成功率,并提高装配质量[1-4]。

Process Simulation软件已经广泛应用于汽车、航空等领域,显示出良好的应用效果[5-6]。笔者公司引入Process Simulation软件,对风力发电机组整机车间装配和风场并网装配全过程进行模拟,目的是通过过程仿真,提前发现新机型设计问题、工装使用可行性问题[7]、车间装配行车设备可达性问题、工人操作可达性问题等,从而减少样机设计制造问题,缩短制造周期,降低成本。

风力发电机组车间整机装配和风场并网装配过程中,包含很多不规则体的吊装,不规则体吊装发生在不同空间和气候条件下,如何真实展现不规则体的吊装过程,是Process Simulation软件应用过程中的重点和难点问题。笔者对不规则体吊装过程的仿真方法进行研究。

2 不规则体吊装过程分析

笔者仿真采用Process Simulation软件,这一软件将行车定义为机器人,可以实现的仿真运动包括上下运动和吊钩360°旋转运动。行车仿真运动如图1所示。

图1 行车仿真运动

在应用Process Simulation软件进行吊装过程仿真时,被吊装的不规则体只会以操作者最初放置的状态进行机械跟随式运动,如图2所示。

图2 不规则体机械跟随式运动

在现实装配过程中,当使用行车吊装不规则体时,不规则体会因为自身重力等因素影响,状态不断发生变化。因此,在Process Simulation软件中同样需要能够呈现出这种状态变化,这样才能仿真出不规则体在装配过程中的真实状态。

只有实现真实状态的仿真,才能对现实装配过程有指导作用,并且真正监测出不规则体在装配过程中的干涉,进而衡量工装是否适用,并且工装使用是否便捷等,这是风力发电机组装配过程仿真的重点和难点。

3 仿真步骤

笔者通过创建辅助旋转设备,将其作为行车的外部轴,与行车运动连接起来,仿真不规则体的吊装过程,呈现出与现实装配几乎相同的过程。通过真实的仿真,提高装配过程仿真结果的有效性,为实现数字双胞胎技术打下基础。

(1) 创建辅助旋转设备,定义辅助旋转设备为运动机构。

第一步,新建设备资源。在Process Simulation软件中,新建一个设备资源作为辅助旋转设备,命名为Sim_Revolution_Device,如图3所示。

图3 新建设备资源界面

第二步,创建坐标。进入建模模式,通过创建坐标系命令,创建一个坐标,命名为fr1,然后复制此坐标,并将此坐标沿X轴方向平移100 mm,命名为fr2,如图4所示。

第三步,创建直线。通过曲线下的创建多段线命令,根据fr1坐标和fr2坐标之间的距离创建一条直线,命名为Polyline1,如图5所示。

第四步,创建运动连接。在运动学设备下的运动学编辑器中,选择Polyline1直线作为固定部件,创建运动连接,命名为lnk1,然后选择fr1坐标创建运动连接,命名为lnk2,如图6所示。

第五步,创建关节。在lnk1运动连接和lnk2运动连接之间创建关节,命名为j1,设置关节轴为X方向,关节类型选择旋转,设置限制类型信息,如图7所示。

图4 创建坐标界面

图5 创建直线界面

图6 创建运动连接界面

第六步,设置要保留的对象。通过设置要保留的对象命令,将polyline1直线和fr1坐标作为在外显示的对象,两者在非建模模式下也能够看到,至此建模结束。

(2) 定位Sim_Revolution_Device辅助旋转设备至装配位置,并连接到行车作为外部轴。

以行车通过吊带、卸扣、起吊工装这一过程为例展现。第一步,将吊带、卸扣定位至工装。使用重定位命令,将吊带重定位至卸扣,然后将吊带和卸扣一起重定位至工装,如图8所示。

第二步,将Sim_Revolution_Device辅助旋转设备定位至卸扣。通过重定位命令,选择Sim_Revolution_Device辅助旋转设备,重定位至卸扣,如图9所示。

图7 创建关节界面

第三步,设定附着关系。通过附加命令,将工装附着到Sim_Revolution_Device辅助旋转设备中的link2运动连接上,并将Sim_Revolution_Device辅助旋转设备、吊带一起附着到行车的吊钩上,将卸扣附着到吊带上,如图10所示。

第四步,为行车添加外部轴。通过机器人属性下的外部轴命令,添加Sim_Revolution_Device辅助旋转设备作为行车外部轴,如图11所示。

(3) 吊装过程仿真操作。

第一步,新建通用机器人操作。通过新建操作下的创建通用机器人操作命令,选择行车,定义名称和范围,创建一个机器人仿真操作,并添加至路径编辑器,如图12所示。

第二步,新建行车仿真运动。通过操作下的添加当前位置命令,新建行车仿真运动的起始点,然后在起始点后选取一个位置,重定位为起吊位置,如图13所示。

图8 吊带卸扣重定位至工装界面

图9 辅助旋转设备定位至卸扣界面

第三步,设置外部轴值。当行车仿真运行至起吊位置时,首先检查附着关系。满足附着关系后,通过机器人下的设置外部轴值命令,选择之前添加的作为行车外部轴的Sim_Revolution_Device辅助旋转设备,并选中接近值进行数值设置,如图14所示。

第四步,设置阶梯式外部轴值,实现起吊过程真实仿真。通过在后面添加位置和设置外部轴值命令,仿真行车起吊工装过程,如图15所示。由此呈现出工装在不断抬升的过程中因为自身重力原因形态不断变化的情况,实现仿真的真实性。行程起吊过程仿真如图16所示。

4 仿真技巧与要点

4.1 辅助旋转设备定位至卸扣

笔者采用的仿真方法本质是将辅助旋转设备作为被吊装不规则体的旋转轴,即使被吊装的不规则体绕着辅助旋转设备设定的旋转轴旋转。将Sim_Revolution_Device辅助旋转设备定位至卸扣时,需要确定两个定位位置完全重合。其一,Sim_Revolution_Device辅助旋转设备旋转轴和卸扣自身坐标系X轴完全重合。其二,卸扣自身坐标系X轴和工装吊孔旋转轴完全重合。这样间接保证Sim_Revolution_Device辅助旋转设备旋转轴和工装吊孔旋转轴完全重合,这是仿真中最关键的一步。

图11 为行车添加外部轴界面

4.2 设定附着关系

附着关系也可以在机器人通用操作下通过离线编程命令进行设定,如图17所示。设定附着关系时,注意需要拆除之前预设的附着关系。

4.3 设置阶梯式外部轴值

通过定制列命令,添加外部轴Ext1属性列至路径编辑器,如图18所示,可以观察行车起吊过程仿真中设定的外部轴值,并且可以进行数值编辑,提高操作的方便性。

图12 新建通用机器人操作界面

图13 新建行车仿真运动界面

通过设置外部轴值命令设置的外部轴值,本质上是不规则体绕辅助旋转设备旋转的角度。外部轴值设置越多,仿真的结果越真实,即外部轴值设置为-5°、-10°、-15°、-20°、-25°、-30°,仿真效果要好于设置为-10°、-20°、-30°。尽可能多地设置外部轴值,有助于输出更加真实的仿真效果。

图14 设置外部轴值界面

图15 设置阶梯式外部轴值界面

图16 行车起吊过程仿真

图17 通过离线编程命令设定附着关系界面

图18 添加外部轴属性列至路径编辑器界面

5 扩展应用

工艺仿真的充分应用是实现数字双胞胎技术的前提。数字双胞胎技术可以通过传感器和实况显示屏实时检查装配情况、装配数据、事故点位。数字双胞胎技术一方面可以通过可视化指导装配操作[8],实现操作报错和傻瓜式装配,另一方面可以基于人工智能进行事故原因分析,最终实现精准装配和维护[9-10]。由此可见,探索不同的仿真方法,提升仿真结果的有效性和指导性,是实现工业4.0、企业数字化、工厂智能化的重要途径。

风力发电机组车间整机装配和风场并网装配过程中包含大量不规则体的吊装过程,如变桨控制柜吊至轮毂内部安装等。变桨控制柜属于不规则体,通过吊环从地面放置位置吊起至空中的过程中,会因为自身重力原因形态不断变化,可以采用笔者所介绍的方法进行仿真。变桨控制柜安装在轮毂内部底部侧面,安装工艺要求从轮毂上部口吊入,然后慢慢落至底部,最后在操作人员辅助外力下完成安装。整个过程在狭小不规则的空间中进行,极易发生碰撞和干涉。对这一过程进行仿真,对前期设计而言具有警示意义,对后续实际安装而言具有指导意义。

对于同样需要进行大量吊装的大型设备制造行业,运用笔者所述方法进行工艺过程仿真,能够充分提高仿真过程的真实性,并且提高输出结果的有效性,进而提高研发效率,降低制造成本。