DELMIA在机器人生产线仿真中的应用

DELMIA在机器人生产线仿真中的应用
陈世钟;宋健;黄卓;窦正伟;管贻生
【摘要】Industrial robot is characteristic of high speed, high precision and low cost, so it is widely used in modern industry. The simulation of robot automation production line can be used to improve the technology level and competiveness of enterprise and re-duce the production cost. Through a specific case, this paper describes the application of DELMIA in the robot production line simula-tion, and then models and simulates the whole production line equipment, analyses the dynamic interference between the equip-ment, optimizes the layout and production flow and introduces the notion of man-machine .The result shows that the application of this system can help the enterprises to improve the ability in response to the market and the overal benefit.%对机器人自动化生产线进行
仿真，有助于企业提高其技术能级，降低生产制造成本，提升竞争力。

通过一个具体事例阐述DELMIA在机器人生产线仿真中的应用情况，并对整条生产线进行了
建模及动态仿真，分析设备间的动态干涉性，优化布局及生产节拍，还引入了人机工程概念。

分析结果得出，这一系统的应用切实有助于提高企业对市场的响应能力，提高企业的总体效益。

【期刊名称】《机械制造与自动化》
【年(卷),期】2016(000)004
【总页数】4页(P157-160)
【关键词】机器人;生产线仿真;数字化企业精益制造集成式解决方案
【作者】陈世钟;宋健;黄卓;窦正伟;管贻生
【作者单位】华南理工大学机械与汽车工程学院广东广州510641;广州数控设备有限公司智能制造工程中心广东广州510530;广东工业大学机电工程学院广东
广州510006;广州数控设备有限公司智能制造工程中心广东广州510530;广东工业大学机电工程学院广东广州510006
【正文语种】中文
【中图分类】TP242
随着工业机器人向高速、高精度、低成本等方向发展，在各行各业得到了广泛的应用。

中国现阶段的工业机器人需求主要集中在劳动强度大、动作单一、具有一定危险性的行业。

主要应用于如汽车制造业中的焊接、喷涂，卫浴设备的一些打磨、抛光，以及一些自动化装备线上。

对机器人自动化生产线进行仿真，建立整条生产线的数字化仿真环境，可提高企业技术水平，降低制造成本，提高制造过程的自动化、智能化[1]。

机器人自动化生产线仿真内容包括生产线布局分析、工艺规程规划分析、整体性能评估等。

其中机器人仿真是机器人生产线仿真的核心内容。

机器人仿真技术是计算机技术、机器人学和计算机图形学相结合的产物[2]。

通过机器人仿真，再现运动
过程，可对生产线布局及机器人轨迹进行优化，防止碰撞、干涉等。

同时机器人生产线不仅可用于新生产线的设计，也适用于对已有生产线的性能评估，是构建数字化工厂的重要组成部分。

随着机器人研究的不断深入，机器人生产线仿真作为一种设计、预判、评估生产线性能的有效工具，势必会发挥更加重要的作用。

我国从20世纪70年代后期便开始进行机器人仿真方面的研究，国内很多高校及
研究所在机器人仿真方面做了很多研究。

如上海交通大学机器人研究所的俞文伟和邓建一研制开发了一套机器人图形仿真软件ROSIDY[3]，中国航天科工集团第二
研究院研制了ICSL仿真语言，国防科大研制了YHSIM仿真软件等[4]。

虽然我国在仿真软件研发方面有了很大的进步，但这些软件大多只是实现了单一的功能，而且大多只是根据某种机器人开发，通用性不够，与离线编程的具体要求还有很大距离。

目前在市面上还没有成熟的国产商品化仿真软件出现。

国外对工业机器人仿真系统的研究相对成熟很多。

已经有了一些比较成熟的生产制造仿真软件，如Show Flow、eM-Plant、Arena、Witness、ABB的RobotStudio、ROBCAD。

这些系统中有些因为功能不完备或者专业性太强而不
能方便使用。

其中以色列Tec2nomatix公司在1986年推出的ROBCAD机器人
仿真软件具有一定的代表性，它功能完备，集完整化、智能化、商品化为一体，已在一些实际工业系统上得到了应用[5]。

但其由于软件界面与windows系统操作界面风格不同，造成人们使用不习惯而没有得到广泛的运用，而且可供学习的资料也不充裕，因而只有一些专门人员掌握。

经过多次尝试，我们选择了法国达索系统公司(Dassault System)为数字化制造开
发提供的一套软件 DELMIA[6]。

DELMIA又称“数字化工厂”，它可与 CAD、PDM 和 ERP 系统集成[7]。

根据已有的生产工艺信息，运用 DELMIA 的具体功能，模拟整个生产线的运行状况，分析各个工位的工艺动作，检测各构件间的动态干涉性，完善生产线。

DELMIA 具有强大的功能。

如图1所示。

1.1 DELMIA 的体系结构
DELMIA是“数字化企业精益制造集成式解决方案”的缩写[8]。

它在航空、航天、汽车以及船舶等方面应用广泛，是一个集设计、制造、维护、人机过程为一体的仿真平台。

虽其只是达索 PLM(Product Life Management) 的子系统，但其本身具有一个完善的体系结构[4]。

包括：
1) 面向制造过程设计的DPE；
2) 面向物流过程分析的QUEST；
3) 面向装配过程分析的DPM；
4) 面向人机分析的Human；
5) 面向机器人仿真的Robotics；
6) 面向虚拟数控加工仿真的VNC。

可见DELMIA体系丰富，可贯穿整个产品开发周期的始终。

机器人生产线仿真的作用是通过结合已有的工艺信息，运用三维模型，形象地对整个生产制造过程进行动态仿真，分析生产线布局，干涉，生产节拍优化等方面的信息，使企业缩短产品制造的周期，降低生产成本。

在实际应用设备和机器人之前进行模拟，减少不必要的浪费，可以为企业带来实实在在的益处。

应用DELMIA进行仿真的流程如图2所示。

下面以某企业的凸轮轴加工为例，来具体阐述DELMIA在机器人生产线仿真中的实际应用。

3.1 生产线设备的实体建模
选用的仿真软件平台DELMIA与CATIA软件有很好的兼容性，可方便地进行三维建模。

虽然DELMIA的零件格式后缀为.CATPart，装配体格式为.CATProduct，但是现在专业的三维几何建模软件如UG、Pro/E、Solidworks等提供STEP、IGES、Parasolid等多种数据交换格式,可方便地导入DELMIA,如图3所示，为模型的建立提供了便利条件。

DELMIA软件本身带有一个丰富的模型库，里面包含约500个机器人模型，如ABB、MOTOMAN、KUKA、FANUC、ADEPT、STAUBLI、YAMAHA，几乎包含了当今所有常用的工业机器人。

此外还提供了大量的人体模型。

从而可以根据自身的需求，将一些模型添加进这个模型库，不断丰富，为之后的应用提供便利。

如
今这个模型库除包含软件自带的模型外，还有广州某公司的RB系列机器人、BIRL 实验室五自由度模块机器人，以及大量的各类虚拟机床及加工中心，防护栏，各种工作台以及其他一些周边设备。

如图4所示。

3.2 运动模型建立
已建立好的三维模型，必须添加运动副才能进行动态仿真。

在DELMIA中可以通
过“Device Building”命令，给零部件添加各种运动副，如常用的旋转副、平面
移动副，以及其他的棱柱副、圆柱副、球面副、刚性连接等。

通过添加这些运动副，可使得零部件间按指定的约束运动，用于运动分析。

此外，在DELMIA里还可以
通过“Inverse Kinematic”命令很方便地定义机器人的逆运动学参数，使得机器人的动作更加符合实际。

3.3 生产线布局
生产线布局的优劣关系到整条线的生产效率、厂房的利用率、人力物力的合理配置等，很大程度影响企业的总体效益。

高效的布局有助于提升生产效率，合理利用资源，降低生产成本。

现代企业都渐渐开始重视布局设计，希望在布局的初期就将成本控制在最优。

DELMIA软件具有优异的生产线布局功能。

进行布局时先将格式
后缀名为.CATProduct的文件导入DELMIA，然后按照工作要求可很方便地移动
装配体对生产线进行布局，结果如图5所示。

此外DELMIA可以检测机器人的工作空间，如图6所示，随时检查机器人的可达
范围是否满足工作要求，设备布局间是否发生干涉；若不符要求，及时调整机器人摆放的位置，更改生产线布局。

由于已经建立了一个完善的模型库，当需要对另一个新生产线进行仿真时，常用的设备可以根据需要方便地从模型库中调用，而只需要对一些专用设备进行建模，再将这些专用设备添加进模型库，进一步丰富模型库，这为以后的生产线设计及改造提供了极大的方便。

图7为一条快速调用模型库模型生成的新生产线。

图5与图
7两者的布局方式不同。

但其中用到的一些设备，如机床、机器人、人体模型等是相同的。

因而可方便地从模型库中调用生成。

3.4 生产线的运行分析
布局完成后就需要对机器人的动作进行设置，规划机器人的运动路径，对生产线进行仿真，仿真过程中需要对机器人的运动进行管理。

这时就要用到DELMIA软件
的PERT图功能。

PERT 图能协调整条生产线的各道工序，以便合理安排人力、物力。

PERT图是一种类似流程图的箭线图，由一系列节点组成。

每个节点表示需要执行的任务，节点之间通过箭头指向表示任务执行的先后顺序。

规划好的执行顺序可以在软件模型树上显示出来，如图8所示。

DELMIA中的甘特图也是一种有效的项目管理工具。

甘特图又叫横道图、条状图，是一种可以根据时间进度表示工件活动的图表。

其中，横轴表示时间，纵轴表示项目，线条表示整个时间段内计划与实际项目的完成情况。

项目实际进展情况可以通过甘特图直观地表示出来，可以清楚地知道，哪些任务没有完成，哪些任务是否提前完成或滞后。

如图9所示。

可以通过PERT图直观地调整一个复杂零件的加工路线，通过甘特图来衡量生产线是否平衡。

在给定的订单周期下，协同使用PERT图和甘特图可调整整体工艺路线，获取最优的生产节拍。

生产节拍确定后，每个人和每台机器就可保证分配稳定的工作量。

这使得整条生产线在一定程度上得到了优化，为实际的制造提供了管理数据。

3.5 设备干涉检查
机器人在搬运仿真过程中可能发生相互碰撞、接触等现象。

及时检查出零部件间的这种相互干涉,并输出其结果,为修改工艺方案做准备,是仿真作业的一个重要目的。

DELMIA 提供了运动仿真中所需要的实时碰撞干涉检查功能, 利用该功能进行动态干涉检查, 当其在仿真运动过程中检验出零部件间或零部件与设备工装间的干涉时会以红色线条显示干涉区域，此时可设置仿真动画自动停止，检查发生干涉的原因，
重新调整不合理的设备布局或重新规划机器人运动轨迹，避免碰撞的产生。

这个干涉检测功能由仿真分析工具栏上的碰撞分析命令获得。

可以指定任意2个零件至全部零件作为碰撞待检测物体，最后可将分析结果导出生成分析报告。

如图10所示为检测机器人在工作过程中产生碰撞干涉的工具栏。

3.6 人机工程分析
实际生产过程中人是必不可少的，因而在仿真过程中要考虑人的参与。

人机工程对于重大设备，安全级别高的设备是非常必要的[9]。

DELMIA自带有人体模型库，可供调用。

根据实际需要可定义人体模型的不同姿态，人体移动的路径以及添加一些动作来仿真工人的实际工作状态(如搬运物品、操作设备等)。

在仿真中考虑人机工程技术，模拟工人实际的工作状况，不仅可以帮助设计人员预先察觉生产实际中的不恰当环节，而且使得操作工人作业在效率、安全、舒适等方面得到提高。

DELMIA的人机工程仿真可完成可达性检验和可视性检验。

可达性检验内容类似于机器人的可达空间，指的是人体肢体在活动范围内，工人是否能够或者比较舒畅的完成指定作业。

可视性检验指的是工人作业时零部件的位置是否在工人的可见范围之内[10]。

在DELMIA 中可以通过研究人体的视野范围来完成可视性检验。

在仿真过程中可实时显示人体模型视野中的景象，设计人员可以通过这一功能确定需要执行的任务是否在工人的视野范围内，从而决定是否调整布局或者更改作业任务。

图11为工人视野范围内的景象。

3.7 仿真结果的输出
DELMIA自带有生成录像的功能，可将整个仿真过程记录下来，生成视频，保存仿真结果。

一是可用于工程人员设计工艺的参考资料，并用于指导生产实践。

二是当与客户洽谈时，可用视频形象的展示设计方案。

三是可用于工人培训之用。

通过具体事例分析，给出了机器人自动化生产线的仿真和优化过程。

通过
DELMIA 软件的应用，可直观观察机器人在工作过程中运动状况，对机器人及设备的运动轨迹进行建模仿真，可很好地指导生产实际，极大提升工程设计人员的设计效率，减轻设计人员的工作强度，缩短工艺规划时间，优化生产布局，避免机器人与设备间的干涉情况，减少不必要的浪费。

还可用于与客户洽谈时通过仿真视频方便形象地展示方案。

为整条生产线的正常运行提供了可靠保障，切实提高企业生产效益，提升企业竞争力。

【相关文献】
[1] 黄雪梅，赵明扬，陈书宏. 机器人生产线仿真系统开发相关技术研究[J]. 组合机床与自动化加工技术,2003(3):30-33.
[2] 张小江，高秀华，张永智. 基于DELMIA/IGRIP的工业机器人仿真[J]. 机械与电子,2007(2):60-62.
[3] 张小江. 机器人仿真研究及运动学动力学分析[D]. 长春, 吉林大学, 2006.
[4] 王鹏飞. 基于DELMIA的高速冲压生产线运动仿真与优化[D]. 长沙, 湖南大学, 2012.
[5] 张继禹，蔡鹤皋，王树国,等. 一个大型机器人仿真系统-ROBCAD[J]. 哈尔滨工业大学学
报,1993,25(3):108-113.
[6] 崔冬. DELMIA在机械加工领域中的应用[J]. 航空制造技术,2007(12):99-102.
[7] 陈仲泽. DELMIA在生产线设计中的应用[J]. 科技创新导报,2010(2):107-108.
[8] 谭慧猛，朱文华，王琛，等. DELMIA在支线飞机概念总装仿真中的应用[J]. 机械设计与制造,2010(1):86-88.
[9] 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.
[10] 杨明，尹明德. 基于DELMIA的虚拟装配中人机工程仿真与应用[J]. 理论探究,2009(4):12-15.。