基于柔性自动化加工生产线三维虚拟动画 仿真设计的应用

李 滨 张险峰 刘兴卓

（沈阳机床（集团）有限责任公司，辽宁 沈阳 110142）

近年来，我国航空航天产业发展迅速，国内面对航空航天领域的自动化生产线尚不成熟，很难满足日益增长的市场需求，急需升级生产方式，提高生产效率。自动化生产线取代单机设备生产是航空航天领域零件生产的发展趋势。柔性自动化加工生产线，具有批量零件生产的能力，同时提高零件加工的可靠性、高效性、加工精度等方面的要求，满足国内航空航天行业零件加工高效、高精、低成本的市场需要。

1 柔性自动化加工生产线的组成

本文所研究的柔性自动化加工生产线具有高刚性、高精度、高可靠性等特点，适合加工以钛合金、合金钢等难加工材料制成的各种复杂型面典型零件。产线由五轴卧式加工中心2台、四轴卧式加工中心2台、自动化生产线系统1套（含自动化物流运输系统1套、生产线总控系统1套、集中排屑处理系统1套、集中切削液处理系统1套、集中刀具配送系统）组成，如图1所示。

图1 柔性自动化加工生产线平面布局图

生产线布置空间大小：长45m×宽15m×高6m，生产线宽度方向一侧设置AGV刀具运输车通道，装卸站区域设置工件缓存区。

零件进入装夹区域后，整个零件的定位、装夹、完成卸载满足人工装卸，运输移动、缓存存放、加工等过程均采用自动化方法进行。

2 自动化加工生产线工作流程

生产线总控系统接收上层系统或人工导入的批次订单，在精准管控线内资源状况的前提下（包括机床、工件、托盘、刀具、NC程序），根据订单信息，结合设备使用情况，自主决策，并对线内设备进行任务排程，合理分配生产资源，调度运输小车实现托盘及工件的配送，AGV刀具托盘输送系统实现刀具的配送。

根据任务排程，提醒操作人员进行工装、物料等资源准备，准备完毕后，运输小车将物料及托盘配送至各个工位，运输小车与各设备单元具有安全互锁逻辑，动作安全可靠。

对涉及生产质量和生产效率的设备参数、故障报警等数据，进行采集、监控和展示。

精准协调各类设备实现自动化加工，对加工设备进行工作负荷评价，提升生产效能，提高设备利用率，缩减生产准备时间，如图2所示。

图2 柔性自动化加工生产线工作流程图

3 柔性自动化加工生产线三维虚拟动画仿真

3.1 三维调整

在进行三维虚拟动画仿真前，要先针对产品研发设计完成的三维文件重新打包-添加前缀或后缀，以免改变原文件的装配关系，然后将新保存的装配体关系拆分整理。在三维柔性自动化加工生产线调整时，主要利用场景树型图的概念和方法，根据树型结构改变自动化加工生产线内各三维以及其从属部件之间的逻辑关系，将柔性自动化加工生产线实体分为自动化产线场地、CNC机床组、卧式加工中心、运输小车、仓储中心、托盘待转位、存储站、人工装卸站、AGV刀具运输车以及集中排屑处理系统等结构，根据所属关系对每部分进行细分，如图 3所示。

图3 三维虚拟柔性自动化加工生产线树型图

3.2 三维导入动画

根据设计的三维文件，在导入动画仿真制作软件时，有4种方法。

（1）普通导入：此导入方法适合文件规模小的三维装配体，即装配体可以完全以非轻化状态打开的装配体，在时间充足的情况，根据三维环境坐标轴选择对应的坐标轴进行导入。

（2）快速导入：此导入方法适合文件结构复杂，零件数量多的大规模三维装配体，即三维装配体有部分或完全是以轻化状态打开时，此类三维装配体包含数据量大，非轻化时造成电脑非常大的负担，时间紧张的情况下则启动快速导入功能，节省导入时间。

（3）调整格式导入：如果出现导入失败的情况，则可能是由于装配体文件出现异型面零件的情况，此时可在三维软件环境内另存为X_T或STEP格式，即可成功导入，但导入后场景项目显示内会出现名称乱码的情况，需要后期逐一调整。

（4）分批混合导入：如果快速导入仍无法实现文件导入，则可根据三维装配体的部件组成关系进行分批导入。如机床部分、AGV部分等，此方法需要在导入后调整位置关系。

3.3 赋予材质、贴图、环境和灯光

在动画仿真软件中，在场景项目中，选定已进行分组编辑的树型图装配体，在材质面板中赋予装配体或零件对应材质。材质主要有金属、玻璃、油漆、塑料等。为更真实地表现场景中三维的细节，在材质上对物体进行贴图，贴图可主要有漫反射贴图、凹凸贴图、视频贴图等。所选择图片的质量与表达的效果有直接影响，高品质的贴图可以使最终效果更接近于真实物体。

3.3.1 漫反射贴图

在柔性自动化加工生产线装配体中， 需要对4台卧式加工中心的产品型号进行漫反射贴图，在图像设计软件中，完成产品型号的制作，保存为PNG格式，在材质项目面板的标签选项内，导入产品型号图片，通过移动纹理调整位置，同时关闭双面和同步选项。

3.3.2 凹凸贴图

卧式加工中心右侧站台表面的材质为扁豆花纹钢板，表面凸起，要进行凹凸贴图，在软件自带纹理贴图中，找到该贴图，对其进行表面凹凸贴图处理，通过缩放模型改变宽度，高度调整素材的大小和角度，同时开启重复、双面和同步选项，如图4所示。

图4 凹凸贴图

3.3.3 视频贴图

卧式加工中心CRT面板在动画仿真时，需要实时模拟电气控制和机床运动过程，此处设置视频贴图，在将实现录制好的CRT面板视频文件导入，通过缩放尺寸调整素材的大小和角度，同时关闭重复、双面和同步选项，如图5所示。

图5 视频贴图

在环境面板中，选择适合的环境文件，赋予到场景内，根据相机的角度，进行光源的补充，完成动画仿真动作前的制作。

3.4 动画仿真设计

三维动画仿真通过对场景内对象进行连续运动动作的设计，渲染出多张连续动作的图像序列表现其运动过程的方式。

3.4.1 自动交换系统的三维动画仿真

仿真目标：机床前放置2套工作台自动交换系统，工作台自动交换系统为托盘的中转站，用于存放待加工/已加工零件托盘，减少托盘交换时间，提高生产线工作效率；

仿真设置：此处动画仿真选择工作台自动交换系统配置托盘自动装卸机构，将加工零件从运输小车上移动至工作台上，设置零件与工作台的位移和初始时间、持续时间、结束时间，由工件加工完成后，机床X轴移动至交换位置，装卸机构伸出，链条旋转，传动滚轮与托盘上的挂钩连接，托盘随链条移动至工作台自动交换系统。

3.4.2 运输小车三维动画仿真

仿真目标：运输小车用于工作台自动交换系统、存储站和装卸站三者之间托盘的运输。运输小车主要由轨道底座、小车主架体、桥架组成。轨道底座通过地脚与地基固定，直线导轨及齿条通过螺钉固定在轨道底座上；小车主架体使用伺服电机带动减速机/齿轮齿条驱动，并在其行程范围内移动；桥架传动机构固定在小车主架体上，使用丝杠驱动。

运输小车的动画仿真，在初始位置赋予小车的位移行程，设定小车运行至目标工作台的参数。

仿真设置：设定运输小车沿机床X轴方向做横向运动的位移参数，传动方式为伺服电机驱动减速机/齿轮沿齿条运动，体现小车空载运行最大速度30m/min，满载运行最大速度20m/min；运输小车在水平平面内沿机床X轴的垂直方向做纵向运动，传动方式为丝杠和链条组合传动，均由伺服电机控制；横、纵向移动均采用直线导轨；小车轨道的两侧末端配备机械限位装置。

3.4.3 装卸站三维动画仿真

仿真目标：装卸站由2个装卸工位、1套悬臂吊及1个RFID读写器组成。2个装卸工位中心间距3000mm，与周边结构最小距离800mm，空间开敞，便于人工装卸零件。交换工作台与装卸站保护操作人员在装卸操作时的安全；装卸站配置液、屑自动收集装置，收集的液、屑最终排放至集中排屑管道。

仿真设置：通过动画仿真设置悬臂吊将零件、工装夹具等吊装至装卸站的动作参数，表现通过RFID读写器，实现零件与托盘信息的绑定；当装/卸工件时，装卸站配置的安全互锁机构将可交换工作台锁住。

3.4.4 可交换工作台三维动画仿真

仿真目标：生产线配置18套可交换工作台，可交换工作台主要由1件托盘、10套支撑滚轮机构、2套挂钩、10套侧导向滚轮机构、6套零点定位拉钉、2套粗定位块、2套精定位、一套母锁紧块组成。

仿真设置：通过动画仿真对工作台上的工件进行位移设置，进行交换工作台动画仿真。

3.4.5 存储站三维动画仿真

仿真目标：存储站包括18套托盘存储位，用于放置待加工和已加工的零件托盘，方便操作者批量装夹工件。

仿真设置：通过动画仿真展示存储站配置安全互锁机构，防止托盘滑移。设置存储站配置液、屑自动收集装置，收集的液、屑最终排放至集中排屑管道的位移参数。

3.4.6 AGV小车三维动画仿真

仿真目标：AGV小车车体采用整体的焊接件结构；供电系统选用自动充电装置；具备自动控制和人工手动操作两种工作模式。在断电或设备故障特殊情况下，可将电机抱闸解锁，可以进行支持人工解锁和移动功能。

仿真设置：通过位移变化的动画仿真，表现AGV小车驱动装置由2组驱动轮和4组万向轮组成，进行驱动；具备防撞防护功能，具备激光避障、安全触边、警示灯、音乐扬声器等多种安全防护方式；AGV采用激光自动导航；体现AGV小车的运动轨迹。

以上仿真动作设计完成后，经过渲染及后期视频处理，得到柔性自动化加工生产线的动画仿真，如图6所示。

图6 柔性自动化加工生产线的动画仿真图

4 结语

本文通过对柔性自动化加工生产线生产流程进行仿真模拟，在虚拟的三维环境中，模拟其生产加工流程，从零件加工的可靠性等方面，为产品研发中可能出现的问题提供了生产前的技术支持与保障，提高产品的成熟度。