基于柔性自動化加工生產線三維虛擬動畫 仿真設計的應用

李 濱 張險峰 劉興卓

（沈陽機床（集團）有限責任公司，遼寧 沈陽 110142）

近年來，我國航空航天產業發展迅速，國內面對航空航天領域的自動化生產線尚不成熟，很難滿足日益增長的市場需求，急需升級生產方式，提高生產效率。自動化生產線取代單機設備生產是航空航天領域零件生產的發展趨勢。柔性自動化加工生產線，具有批量零件生產的能力，同時提高零件加工的可靠性、高效性、加工精度等方面的要求，滿足國內航空航天行業零件加工高效、高精、低成本的市場需要。

1 柔性自動化加工生產線的組成

本文所研究的柔性自動化加工生產線具有高剛性、高精度、高可靠性等特點，適合加工以鈦合金、合金鋼等難加工材料制成的各種復雜型面典型零件。產線由五軸臥式加工中心2臺、四軸臥式加工中心2臺、自動化生產線系統1套（含自動化物流運輸系統1套、生產線總控系統1套、集中排屑處理系統1套、集中切削液處理系統1套、集中刀具配送系統）組成，如圖1所示。

圖1 柔性自動化加工生產線平面布局圖

生產線布置空間大?。洪L45m×寬15m×高6m，生產線寬度方向一側設置AGV刀具運輸車通道，裝卸站區域設置工件緩存區。

零件進入裝夾區域后，整個零件的定位、裝夾、完成卸載滿足人工裝卸，運輸移動、緩存存放、加工等過程均采用自動化方法進行。

2 自動化加工生產線工作流程

生產線總控系統接收上層系統或人工導入的批次訂單，在精準管控線內資源狀況的前提下（包括機床、工件、托盤、刀具、NC程序），根據訂單信息，結合設備使用情況，自主決策，并對線內設備進行任務排程，合理分配生產資源，調度運輸小車實現托盤及工件的配送，AGV刀具托盤輸送系統實現刀具的配送。

根據任務排程，提醒操作人員進行工裝、物料等資源準備，準備完畢后，運輸小車將物料及托盤配送至各個工位，運輸小車與各設備單元具有安全互鎖邏輯，動作安全可靠。

對涉及生產質量和生產效率的設備參數、故障報警等數據，進行采集、監控和展示。

精準協調各類設備實現自動化加工，對加工設備進行工作負荷評價，提升生產效能，提高設備利用率，縮減生產準備時間，如圖2所示。

圖2 柔性自動化加工生產線工作流程圖

3 柔性自動化加工生產線三維虛擬動畫仿真

3.1 三維調整

在進行三維虛擬動畫仿真前，要先針對產品研發設計完成的三維文件重新打包-添加前綴或后綴，以免改變原文件的裝配關系，然后將新保存的裝配體關系拆分整理。在三維柔性自動化加工生產線調整時，主要利用場景樹型圖的概念和方法，根據樹型結構改變自動化加工生產線內各三維以及其從屬部件之間的邏輯關系，將柔性自動化加工生產線實體分為自動化產線場地、CNC機床組、臥式加工中心、運輸小車、倉儲中心、托盤待轉位、存儲站、人工裝卸站、AGV刀具運輸車以及集中排屑處理系統等結構，根據所屬關系對每部分進行細分，如圖 3所示。

圖3 三維虛擬柔性自動化加工生產線樹型圖

3.2 三維導入動畫

根據設計的三維文件，在導入動畫仿真制作軟件時，有4種方法。

（1）普通導入：此導入方法適合文件規模小的三維裝配體，即裝配體可以完全以非輕化狀態打開的裝配體，在時間充足的情況，根據三維環境坐標軸選擇對應的坐標軸進行導入。

（2）快速導入：此導入方法適合文件結構復雜，零件數量多的大規模三維裝配體，即三維裝配體有部分或完全是以輕化狀態打開時，此類三維裝配體包含數據量大，非輕化時造成電腦非常大的負擔，時間緊張的情況下則啟動快速導入功能，節省導入時間。

（3）調整格式導入：如果出現導入失敗的情況，則可能是由于裝配體文件出現異型面零件的情況，此時可在三維軟件環境內另存為X_T或STEP格式，即可成功導入，但導入后場景項目顯示內會出現名稱亂碼的情況，需要后期逐一調整。

（4）分批混合導入：如果快速導入仍無法實現文件導入，則可根據三維裝配體的部件組成關系進行分批導入。如機床部分、AGV部分等，此方法需要在導入后調整位置關系。

3.3 賦予材質、貼圖、環境和燈光

在動畫仿真軟件中，在場景項目中，選定已進行分組編輯的樹型圖裝配體，在材質面板中賦予裝配體或零件對應材質。材質主要有金屬、玻璃、油漆、塑料等。為更真實地表現場景中三維的細節，在材質上對物體進行貼圖，貼圖可主要有漫反射貼圖、凹凸貼圖、視頻貼圖等。所選擇圖片的質量與表達的效果有直接影響，高品質的貼圖可以使最終效果更接近于真實物體。

3.3.1 漫反射貼圖

在柔性自動化加工生產線裝配體中， 需要對4臺臥式加工中心的產品型號進行漫反射貼圖，在圖像設計軟件中，完成產品型號的制作，保存為PNG格式，在材質項目面板的標簽選項內，導入產品型號圖片，通過移動紋理調整位置，同時關閉雙面和同步選項。

3.3.2 凹凸貼圖

臥式加工中心右側站臺表面的材質為扁豆花紋鋼板，表面凸起，要進行凹凸貼圖，在軟件自帶紋理貼圖中，找到該貼圖，對其進行表面凹凸貼圖處理，通過縮放模型改變寬度，高度調整素材的大小和角度，同時開啟重復、雙面和同步選項，如圖4所示。

圖4 凹凸貼圖

3.3.3 視頻貼圖

臥式加工中心CRT面板在動畫仿真時，需要實時模擬電氣控制和機床運動過程，此處設置視頻貼圖，在將實現錄制好的CRT面板視頻文件導入，通過縮放尺寸調整素材的大小和角度，同時關閉重復、雙面和同步選項，如圖5所示。

圖5 視頻貼圖

在環境面板中，選擇適合的環境文件，賦予到場景內，根據相機的角度，進行光源的補充，完成動畫仿真動作前的制作。

3.4 動畫仿真設計

三維動畫仿真通過對場景內對象進行連續運動動作的設計，渲染出多張連續動作的圖像序列表現其運動過程的方式。

3.4.1 自動交換系統的三維動畫仿真

仿真目標：機床前放置2套工作臺自動交換系統，工作臺自動交換系統為托盤的中轉站，用于存放待加工/已加工零件托盤，減少托盤交換時間，提高生產線工作效率；

仿真設置：此處動畫仿真選擇工作臺自動交換系統配置托盤自動裝卸機構，將加工零件從運輸小車上移動至工作臺上，設置零件與工作臺的位移和初始時間、持續時間、結束時間，由工件加工完成后，機床X軸移動至交換位置，裝卸機構伸出，鏈條旋轉，傳動滾輪與托盤上的掛鉤連接，托盤隨鏈條移動至工作臺自動交換系統。

3.4.2 運輸小車三維動畫仿真

仿真目標：運輸小車用于工作臺自動交換系統、存儲站和裝卸站三者之間托盤的運輸。運輸小車主要由軌道底座、小車主架體、橋架組成。軌道底座通過地腳與地基固定，直線導軌及齒條通過螺釘固定在軌道底座上；小車主架體使用伺服電機帶動減速機/齒輪齒條驅動，并在其行程范圍內移動；橋架傳動機構固定在小車主架體上，使用絲杠驅動。

運輸小車的動畫仿真，在初始位置賦予小車的位移行程，設定小車運行至目標工作臺的參數。

仿真設置：設定運輸小車沿機床X軸方向做橫向運動的位移參數，傳動方式為伺服電機驅動減速機/齒輪沿齒條運動，體現小車空載運行最大速度30m/min，滿載運行最大速度20m/min；運輸小車在水平平面內沿機床X軸的垂直方向做縱向運動，傳動方式為絲杠和鏈條組合傳動，均由伺服電機控制；橫、縱向移動均采用直線導軌；小車軌道的兩側末端配備機械限位裝置。

3.4.3 裝卸站三維動畫仿真

仿真目標：裝卸站由2個裝卸工位、1套懸臂吊及1個RFID讀寫器組成。2個裝卸工位中心間距3000mm，與周邊結構最小距離800mm，空間開敞，便于人工裝卸零件。交換工作臺與裝卸站保護操作人員在裝卸操作時的安全；裝卸站配置液、屑自動收集裝置，收集的液、屑最終排放至集中排屑管道。

仿真設置：通過動畫仿真設置懸臂吊將零件、工裝夾具等吊裝至裝卸站的動作參數，表現通過RFID讀寫器，實現零件與托盤信息的綁定；當裝/卸工件時，裝卸站配置的安全互鎖機構將可交換工作臺鎖住。

3.4.4 可交換工作臺三維動畫仿真

仿真目標：生產線配置18套可交換工作臺，可交換工作臺主要由1件托盤、10套支撐滾輪機構、2套掛鉤、10套側導向滾輪機構、6套零點定位拉釘、2套粗定位塊、2套精定位、一套母鎖緊塊組成。

仿真設置：通過動畫仿真對工作臺上的工件進行位移設置，進行交換工作臺動畫仿真。

3.4.5 存儲站三維動畫仿真

仿真目標：存儲站包括18套托盤存儲位，用于放置待加工和已加工的零件托盤，方便操作者批量裝夾工件。

仿真設置：通過動畫仿真展示存儲站配置安全互鎖機構，防止托盤滑移。設置存儲站配置液、屑自動收集裝置，收集的液、屑最終排放至集中排屑管道的位移參數。

3.4.6 AGV小車三維動畫仿真

仿真目標：AGV小車車體采用整體的焊接件結構；供電系統選用自動充電裝置；具備自動控制和人工手動操作兩種工作模式。在斷電或設備故障特殊情況下，可將電機抱閘解鎖，可以進行支持人工解鎖和移動功能。

仿真設置：通過位移變化的動畫仿真，表現AGV小車驅動裝置由2組驅動輪和4組萬向輪組成，進行驅動；具備防撞防護功能，具備激光避障、安全觸邊、警示燈、音樂揚聲器等多種安全防護方式；AGV采用激光自動導航；體現AGV小車的運動軌跡。

以上仿真動作設計完成后，經過渲染及后期視頻處理，得到柔性自動化加工生產線的動畫仿真，如圖6所示。

圖6 柔性自動化加工生產線的動畫仿真圖

4 結語

本文通過對柔性自動化加工生產線生產流程進行仿真模擬，在虛擬的三維環境中，模擬其生產加工流程，從零件加工的可靠性等方面，為產品研發中可能出現的問題提供了生產前的技術支持與保障，提高產品的成熟度。