柏 月，汪木蘭，周明虎，季 穎

(南京工程學(xué)院江蘇省先進(jìn)數(shù)控技術(shù)重點實驗室，江蘇 南京 211167)

虛擬現(xiàn)實技術(shù)是一種可以創(chuàng)建和體驗虛擬世界的計算機仿真技術(shù)，利用計算機生成模擬環(huán)境，是一種多源信息融合的交互式的三維動態(tài)視景和實體行為的系統(tǒng)仿真，可以使用戶沉浸在該環(huán)境中[1]?，F(xiàn)在虛擬現(xiàn)實技術(shù)逐漸應(yīng)用到制造業(yè)領(lǐng)域，尤其是自動化系統(tǒng)的數(shù)字化設(shè)計領(lǐng)域和虛擬仿真開發(fā)領(lǐng)域。企業(yè)可以將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用到新生產(chǎn)線設(shè)計、舊生產(chǎn)線整改、人力資源配置、生產(chǎn)過程仿真、靈活添加新品種到舊生產(chǎn)線等場景中。近年來，虛擬現(xiàn)實逐漸變成企業(yè)所追求的技術(shù)手段，縮短了企業(yè)的產(chǎn)品研發(fā)周期，完善了企業(yè)的工藝規(guī)劃，加快了新品的上市步伐，為企業(yè)發(fā)展帶來巨大幫助。

本文運用基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的智能制造平臺建立了一個三維可視化的智能制造單元，該單元由中央控制臺及其智能管理軟件、料倉、數(shù)控銑加工單元、數(shù)控車加工單元、檢測工位、傳送帶、桁梁式機器人、關(guān)節(jié)式機器人、合格品庫、不合格品庫等組成，能實現(xiàn)各種棒料型零件自動上料、銑削加工、車削加工、檢測、自動判別是否合格、分揀等全自動混流加工功能。首先應(yīng)用系統(tǒng)化設(shè)施布置規(guī)劃(systematic layout planning,SLP)理論對制造單元在車間的布局進(jìn)行合理設(shè)計，然后對各個工位的機械設(shè)備進(jìn)行數(shù)字化建模，導(dǎo)入到智能制造平臺軟件當(dāng)中，在平臺中按照設(shè)計布局對各工位進(jìn)行組裝，最后完成整個系統(tǒng)加工流程的仿真并對排產(chǎn)進(jìn)行優(yōu)化。

1 智能制造單元布局設(shè)計

車間布局是指將加工設(shè)備、工裝夾具和貨架等各類生產(chǎn)資源，合理地放置到有限的廠房空間內(nèi)的過程。合理的工廠布局可以提高空間利用率、節(jié)省成本、縮短物流路徑和提高設(shè)備使用效率。SLP方法由Richard Muther首次提出，該方法首先對研究目標(biāo)的基本數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、分析，然后對布局中相關(guān)作業(yè)單位的關(guān)系進(jìn)行整合比較，根據(jù)工作單元之間關(guān)系的密切程度進(jìn)行車間布局[2-3]。Richard Muther提出的這種方法不僅適合車間布局，對車間中制造單元的布局設(shè)計也同樣適用。

1.1 SLP布局模式

SLP方法的5個基本要素為產(chǎn)品(product,P)、產(chǎn)量(quantity,Q)、工藝流程(路線)(route,R)、輔助部門(service,S)和時間安排(time,T)，將這5個要素作為SLP方法的輸入[4]。根據(jù)Richard Muther對布局設(shè)計的研究，利用成組技術(shù)中聚類分析，通過5個要素作出SLP模式概念圖，如圖1所示。

1.2 布局設(shè)計方案

本文構(gòu)建的智能制造單元在車間內(nèi)占地約200m2，共有7個工位，分別為上料工位、下料工位、數(shù)控銑工位、數(shù)控車工位、傳送工位、檢測工位、庫存工位，主要加工直徑為50～80mm的硬鋁合金軸類工件。該智能制造單元主要是為完成a、b、c 3種棒料型工件的車加工和銑加工而設(shè)計的，工藝流程為：工業(yè)機器人上料—數(shù)控車加工—銑加工—三坐標(biāo)測量儀檢測成品是否合格—工業(yè)機器人送成品入庫。傳送帶上共放9個托盤，以6m/min速度運行，計劃每9min下線一個工件。根據(jù)SLP方法收集5個要素的完整信息，完成產(chǎn)品-產(chǎn)量(P-Q)分析、產(chǎn)品-工藝流程(P-R)分析，得到各工位綜合相關(guān)性如圖2所示，圖中A(4分)、E(3分)、I(2分)、O(1分)、U(0分)表示工位相關(guān)性的不同強度。運用成組技術(shù)初步設(shè)計了兩個智能制造單元布局方案——直線形布局方案及環(huán)形布局方案，如圖3所示。

圖1 SLP模式概念圖

圖2 制造單元工位相關(guān)性表

根據(jù)圖2中各工位之間的相關(guān)性強度來確定工位相互位置關(guān)系，越是綜合分值高的工位越接近智能制造單元中心區(qū)域。

由圖3可知，直線形布局和環(huán)形布局都能夠完成3種工件的混流加工，經(jīng)比較最終選擇環(huán)形布局方案。理由如下：1)環(huán)形布局可少布置1臺關(guān)節(jié)機器人，節(jié)省了企業(yè)成本；2)各工位環(huán)形布置，機器利用率較高；3)環(huán)形布局，可以添加工位，生產(chǎn)柔性較高。

2 數(shù)字化三維建模

三維模型最大優(yōu)勢在于可以直觀呈現(xiàn)三維造型，便于交互式訪問，是數(shù)字化車間仿真的基礎(chǔ)。構(gòu)建數(shù)字化車間，有大量的三維數(shù)字模型需要調(diào)用和處理，因此應(yīng)首先建立所有元素(車間、外景、設(shè)備、工裝、貨架等)的數(shù)字模型庫。

圖3 智能制造單元布局方案

采用常見三維建模軟件SolidWorks、UG、Pro/E等，以測量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)按1∶1比例搭建模型，保證虛擬仿真與現(xiàn)實場景之間的準(zhǔn)確映射。建模時將模型保存為STEP通用格式文件，再用Convertor軟件將STEP格式模型轉(zhuǎn)化為ive格式文件。對于設(shè)備中的細(xì)節(jié)部分可以進(jìn)行適當(dāng)簡化，以降低建模難度和對計算機配置的要求。將建好的模型加載到智能制造平臺軟件中，建立仿真模型庫，方便在布局過程中隨時調(diào)用。本文構(gòu)建的智能制造單元主要包括上下料工位、數(shù)控車工位、數(shù)控銑工位、環(huán)形傳送工位和檢測工位等。

2.1 上下料工位

上下料工位由毛坯料倉、關(guān)節(jié)式機器人、成品庫組成。料倉主要提供3種工件的毛坯料，成品庫分為合格品庫和不合格品庫，關(guān)節(jié)式機器人選用的是專用于搬運小型工件的德國KUKA/KR10R1420工業(yè)機器人，具有0.04mm的重復(fù)精度，可以完美實現(xiàn)工件的上料、搬運、下料、入庫等。上下料工位三維模型如圖4所示。

2.2 數(shù)控車工位

數(shù)控車工位由斜床身全功能數(shù)控車床、機內(nèi)自動對刀裝置、雙軸桁梁式機器人組成。自動對刀裝置是自動式BTHA對刀臂，可由數(shù)控系統(tǒng)直接控制，使用對刀臂能夠快速地確定刀具的尺寸和位置，在線檢測刀具磨損情況并在刀具破損或斷刀時報警。雙軸桁梁式機器人由伺服電機控制，手腕可180°擺動，使工件具有兩種姿態(tài)，能對兩臺設(shè)備進(jìn)行聯(lián)機生產(chǎn)，在機床與傳送帶之間取、送工件。通過SolidWorks建立的數(shù)控車工位三維模型如圖5所示。

2.3 數(shù)控銑工位

數(shù)控銑工位由數(shù)控加工中心、氣動平口鉗、雙軸桁梁式機器人組成。數(shù)控加工中心三軸聯(lián)動能自動進(jìn)行各種鉆、銑、鏜、鉸、攻絲等的加工，支持CAD/CAM，氣動平口鉗僅需很小的力就可以輕松夾緊所需加工工件。數(shù)控銑工位三維模型如圖6所示。

圖4 上下料工位 圖5 數(shù)控車工位 圖6 數(shù)控銑工位

2.4 環(huán)形傳送工位

環(huán)形傳送工位由環(huán)形柔性鏈板輸送機、RFID卡組件、托盤、阻擋氣缸裝置組成。工件放在隨行托盤卡槽上，托盤隨著環(huán)形柔性鏈板輸送機分段連續(xù)傳送，阻擋氣缸裝置可以根據(jù)PLC(可編程邏輯控制器)信號對托盤阻擋或放行。RFID卡組件分為RFID卡和射頻讀寫器，RFID卡固定在托盤上，當(dāng)RFID卡隨托盤傳送時被固定在輸送機上的射頻讀寫器識別，射頻讀寫器可以解讀或?qū)懭隦FID卡16個字符串的工件加工信息。環(huán)形傳送工位三維模型如圖7所示。

3 仿真結(jié)果及優(yōu)化

3.1 布局落位

完成智能制造單元布局圖設(shè)計和數(shù)字化三維建模后，便可在智能制造平臺軟件中進(jìn)行布局落位。將相應(yīng)的設(shè)備名稱與三維模型對應(yīng)起來，按照設(shè)備種類、功能等歸類劃分，建立虛擬資源庫，并把設(shè)備的相應(yīng)參數(shù)及設(shè)備之間的相互關(guān)聯(lián)屬性和其他的約束屬性與三維模型相互關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)屬性和模型的匹配。按照環(huán)境模型、物料與產(chǎn)品庫、生產(chǎn)系統(tǒng)庫、工業(yè)庫劃分，得到相應(yīng)的虛擬資源庫如圖8所示。

環(huán)境模型包括廠房、綠化區(qū)域等，物料與產(chǎn)品庫包括零件/毛坯庫和產(chǎn)品庫，生產(chǎn)系統(tǒng)庫包括構(gòu)建庫、設(shè)備庫、工位庫、生產(chǎn)線庫，工藝庫包括工序庫和工藝流程庫。

圖7 環(huán)形傳送工位 圖8 虛擬資源庫

根據(jù)設(shè)計布局方案，調(diào)用資源庫中的設(shè)備三維模型，按照落位規(guī)則將數(shù)字模型合理地放置在車間指定位置。從工藝流程、工藝內(nèi)容等方面出發(fā)，在三維虛擬車間中對各個功能區(qū)域進(jìn)行細(xì)節(jié)性的調(diào)整，保證實體設(shè)備和車間陳列設(shè)施之間不會發(fā)生干涉，生產(chǎn)設(shè)備之間以及生產(chǎn)設(shè)備與傳送機構(gòu)之間的最小間距不能夠小于安全間距[5]。

3.2 仿真分析及優(yōu)化

以現(xiàn)有3種工件加工工藝為基礎(chǔ)，基于智能制造平臺軟件對車間整個制造單元進(jìn)行虛擬仿真，仿真過程如圖9所示。通過仿真發(fā)現(xiàn)，設(shè)計的加工工藝流程基本合理，但是數(shù)控車工位存在托盤經(jīng)常堆積阻塞的問題，影響了整個制造單元預(yù)期產(chǎn)量。造成托盤堆積阻塞的主要原因為a、b兩種工件車加工工藝時間比銑加工工藝時間長，經(jīng)常需等待數(shù)控車床加工完成后才給阻擋氣缸裝置發(fā)送放行指令。為了提高生產(chǎn)效率，對a、b、c 3種工件排產(chǎn)進(jìn)行優(yōu)化，將原來a、b、c順序加工改為b、c、a、c加工順序，以一周40h工作時間為例，優(yōu)化前后的生產(chǎn)工件數(shù)量對比如圖10所示。優(yōu)化后解決了托盤堆積阻塞問題，約9min入庫一件成品工件，達(dá)到了智能制造單元設(shè)計要求。

圖9 虛擬制造單元仿真

圖10 一周工件生產(chǎn)數(shù)量對比

4 結(jié)束語

本文基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)在智能制造平臺仿真軟件中構(gòu)建了多種棒料型零件混合加工的智能制造單元，并對智能制造單元布局方案進(jìn)行驗證和對加工工藝的流程進(jìn)行仿真及優(yōu)化，對智能制造單元實施方案進(jìn)行直觀分析評價，為決策者提供全面可行的參考依據(jù)。智能制造單元是一個自動化系統(tǒng)，對其進(jìn)行控制和調(diào)試是所有自動化系統(tǒng)都需要面臨的挑戰(zhàn)[6]。下一步的研究工作是把虛擬智能制造單元中設(shè)備模型與外部控制PLC信號互聯(lián)互通，實現(xiàn)項目控制邏輯的預(yù)先調(diào)試。