基子DELMIA的搅拌车装配过程仿真研究

随着计算机仿真技术的不断发展与成熟，虚拟仿真技术的应用也越来越广泛，从飞机、船舶、汽车到电子生产处处可见仿真的身影。虚拟仿真技术相较于传统的样机验证有着无法比拟的优势，传统的样机验证方式是在产品设计后，调用大量的设备与人员生产少量样机，利用样机对新产品设计合理性进行验证，这样会产生巨大的资源和时间浪费。而如果采用在虚拟现实环境中对产品进行设计、生产、装配、使用和调试仿真，直观分析产品的可装配性，以及量化的人机工效分析和评估，对其装配工艺方法进行必要的调整和优化，这样可在完成更多分析验证的同时省去样机制造和验证的巨大资源和时间浪费，节省大量的物力、人力成本，并缩短大量制造和调试时间，提高企业的市场竞争力。

本文重点介绍在DELMIA平台上进行搅拌车的虚拟装配过程，并利用DELMIA的强大分析功能，对搅拌车的整个装配进行装配可行性分析和人因分析，由此可对搅拌车的结构设计以及装配工艺进行改进和优化。

1 DELMIA简介

DELMIA是法国Dassault公司推出的一套数字化设计、制造、维护、数据管理的PLM平台，它提供目前市场上最完整的3D数字化设计、制造和数字化生产线解决方案。

DELMIA主要由3个部分组成，分别为DPE(DELMIA Process Engineer)、DPM(Digital Process of Manufacturing)和DELMIA/QUEST(Queuing Event Simulation Tool)，其中DPE负责制定制造工艺和资源规划，DPM进行制造过程工艺仿真分析，DELMIA/QUEST进行生产线和物流过程的设计仿真分析，这3个相对独立的部分通过DELMIA的结构核心PPR(Process-Product-Resource)Hub连接到一起。

另外，目前制造业中广泛使用的CATIA软件与DELMIA使用同一产品内核，这样便可在两个软件之间实现电子样机的无缝连接，简化了数据转化的工作，避免信息的丢失。

2 搅拌车的虚拟装配仿真

基于DELMIA的仿真分析流程如图1所示，包括前期模型的构建、装配过程仿真、仿真分析与优化、结果输出。下面以某搅拌车装配仿真项目为例，具体说明虚拟仿真技术在工程机械中的应用。

2.1 前期模型构建

前期模型的构建包括产品模型的构建、资源模型的构建和装配工艺的设计构建。利用CATIA的机械设计、AEC Plant、HBR等不同模块分别构建装配过程中必需的搅拌车模型（如图2所示）、工人模型、工具模型、工作环境以及其它模型。

图2 搅拌车模型

在DPE中，根据设计产品特征设计产品的装配工艺过程创建和编辑子工艺，如装拆运动(Move Activity)、视角变换(Viewpoint Activity)、显示/隐藏(Visibility Activity)、延时等待(Delay Activity)等装配工艺规划设计，最后将所有的模型和工艺数据通过PPR Hub导入到DPM中。

2.2 装配过程仿真

将所有的Product、Resource导入到PPR Tree中，利用DELMIA里面的DPM Assembly hocess Simulation以及Human Task Simulation(HTS)等模块对装配过程进行三维动态仿真。仿真中根据主体的不同可以将运动仿真分为两类：物体的运动仿真和人的运动仿真。

物体的运动仿真：主要有两种方式来实现，一种是利用HTS里面人的Pick或者Grab动作，使人抓取物体后产生约束，使之随人体运动；另一种是先将物体的运动在DPM模块中单独完成，然后在HTS模块中将人关联到物体上，使人的动作随物体运动而运动。

人的运动仿真：在HTS模块中提供了基本的人体动作，如MovetoPosture Activity、Walk Activity、Pick-Place Activity、Grab-Release Activity，利用这些功能的组合，几乎可以完成所有的装配动作。同时还可用Posture Editor来具体编辑人体各部位的自由度，创建各种人体姿势。

例如拿取扳手动作，直接使用Movetoposture Activity、Pick Activity等行为，并通过其它姿势调整工具进行细节调整，以此完成每个细节动作，最后通过关键帧融合技术组成完整的动作。

利用上述方法便可完成单个人体或部件的运动仿真，下一步便开始处理生产中，的多人协调作业。多人协调作业可通过PERT图来进行设计和调整，PERT图中每一个图标框代表一个人或物体的动作，在图标框间用箭头连接来代表动作的次序信息，通过调整箭头和图标框的位置来设置各个工人和不同动作间的串并联关系。同时利用甘特图对仿真中的每个工艺进行时间调整，使之与现实生产中的时间一致或者等比例，以便增加仿真的真实性。

另外，在仿真中根据需要设置不同的视角、注释、显示/隐藏等，通过不同视觉角度、文字注释以及显示，隐藏对装配过程进行完美的宏观和细节的展示。

2.3 装配可行性及人因分析

在完成基本的装配工艺过程仿真后；便可对装配进行工艺分析和人因分析及优化。

笔者利用DELMIA提供的强大分析工具对搅拌车的装配工艺和产品结构设计进行细致的分析，例如通过碰撞检测(Clash Analysis)和干涉分析(Interactive Analysis)找出装配中发生干涉的零部件，通过距离和带分析(Distance and Band Analysia)进行间隙检测，通过横截面分析(Sectioning Analysis)检查产品内部是否发生干涉，通过波及体积分析(Swept Volume Analysis)检测零件装配空间是否满足要求，通过这一系列的检验判断来分析产品的装配工艺可行性，找出设计中存在的问题，及时进行再设计，不断完善产品设计。

人员作业的人因分析主要是对人员作业的姿态进行定量和定性的分析（如图所示），使人体模型的作业姿态更符合人因工程学和人体运动学。

图3 人体仿真分析流程

在DELMIA中，人因工程分析主要包括人体的姿态分析(Posture Analysis)和人体的运动分析(Activity Analysis)。人体模型的姿态评估(Poatural Analysis)用来衡量姿态的舒适程度。快速上肢分析RULA是分析在一定负荷下，上肢运动的某个姿态是否可以接受，并给出该状态下有关人因工程的评价。而搬运分析、升降分析、生物力学分析等，可以得到人员作业的安全负荷大小，保证人员作业安全，充分满足人因工程学的要求。通过编辑身体各个部位的不同活动角度，对人体运动进行整体优化，使人体模型的活动界定在“舒适的区域内”，达到人因优化的目的。同时，可通过升降分析、搬运分析、生物力学动作分析，来优化作业人员的动作，提供工人的舒适性，减少工人的动作消耗，提高工作效率，达到企业和工人双赢的结果。

2.4 结果输出

在完成优化处理后，将所做仿真以视频的形式输出，可将其用于产品的生产展示或员工的培训学习；另外还可将分析数据以报表的形式导出，辅助工艺人员进行作业标准的制定。

3 结论

利用DELMIA软件对设计产品的生产工艺进行仿真，避免产品设计后直接使用样机生产验证的巨大资源浪费，节约成本和时间。在虚拟仿真环境中检测出产品设计在生产和装配中存在的问题，并及时修改产品设计和工艺方案，实现生产工艺与制造资源的虚拟协同设计，缩短大量制造和调试时间。另外，利用DELMIA里面人机工程模块强大的分析功能，对工人的整个装配过程进行定性的人因分析，帮助工艺人员设计出满足动作经济原则和操作舒适原则的作业标准，提高工作效率。实践证明，利用DELMIA进行虚拟装配仿真的研究具有很好的实用性和研究价值。