周爾民，鄭亞波，彭小劍

（華東交通大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，南昌 330013）

0 引言

工廠/車間布局及生產(chǎn)節(jié)拍的控制對生產(chǎn)效率高低和資源利用率高低等有直接的影響，并直接影響到企業(yè)生產(chǎn)是否可順利進(jìn)行。由于生產(chǎn)系統(tǒng)的復(fù)雜程度高，運用傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，很難進(jìn)行車間方案的優(yōu)化。DELMIA/Quest是達(dá)索公司開發(fā)的分析車間布局和工藝流程的柔性的、面向?qū)ο蟮碾x散事件仿真工具，是對生產(chǎn)工藝流程的準(zhǔn)確性與生產(chǎn)效率進(jìn)行仿真與分析的三維數(shù)字工廠環(huán)境。通過物理建模和邏輯建模將實際生產(chǎn)線映射到虛擬環(huán)境中，可以建立反映實際生產(chǎn)線幾何和邏輯屬性的虛擬仿真模型[1,2]。

1 生產(chǎn)線工藝流程及設(shè)備平面布局

以某型號變速器的內(nèi)輸入軸加工工藝為例，毛坯從倉庫進(jìn)入機(jī)加工車間后加工流程如圖1所示。

圖1 內(nèi)輸入軸的加工工藝圖

精車內(nèi)輸入軸外圓表面，之后進(jìn)行滾齒&去毛刺&擠棱（數(shù)控機(jī)床的功能集成）、滾軋花鍵和鉆孔的工藝處理，至此工件熱處理前工藝加工完成，之后進(jìn)行熱處理以改變工件內(nèi)部金相組織增加軸表面硬度；熱后工序噴丸（清理和強(qiáng)化軸表面的過程）、校直、磨齒、為進(jìn)一步增加內(nèi)輸入軸齒輪的精度采用強(qiáng)力珩加工工件，最后超精加工和清洗。內(nèi)輸入軸所有工藝完成，之后軸將進(jìn)入待裝配區(qū)。

根據(jù)工藝路線在CAD中建立設(shè)備布局圖是元素建模的基礎(chǔ)。 由于 Quest 不支持 CAD 下常見的DWG格式，所以我們需要將DWG格式的生產(chǎn)線布局圖轉(zhuǎn)化為Quest可以識別的DXF格式，導(dǎo)入即可。圖2中可以看到整個內(nèi)輸入軸的工藝路線以及物料由毛坯到成品的整個物流路線，整個工廠的布局采用單元式布局，提取其中的內(nèi)輸入軸生產(chǎn)線的布局進(jìn)行生產(chǎn)能力的討論[3]。

圖2 內(nèi)輸入軸平面布局圖

2 內(nèi)輸入軸生產(chǎn)線Quest仿真建模

在Quest環(huán)境下需要對生產(chǎn)線進(jìn)行建模，提供以物料的輸送、處理和存儲為線索的仿真環(huán)境，包含機(jī)床、緩沖區(qū)、處理工藝、故障率、維修、操作者、路徑和物料出口等快速建模的素材元素[4]。利用建立好的模型可以直觀的發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)線的運作與物流情況。根據(jù)現(xiàn)有的工藝流程，建立內(nèi)輸入軸生產(chǎn)線的仿真模型。

Quest模型可以分為兩個部分：物理模型和邏輯模型。CAD模型是用于建立真實的物理模型的，而真正控制仿真運行的是邏輯模型。

可以建立虛擬物理模型的生產(chǎn)資源包括機(jī)床、原料站（Source）、緩沖站（Buffer）、卸料 (倉儲站（Sink）、自動導(dǎo)向小車（Automated Guided Vehicles,簡稱AGV）、工人（Labor）及裝卸機(jī)器等生產(chǎn)資源，物理設(shè)備類按其層次結(jié)構(gòu)關(guān)系將其派生出加工設(shè)備類、物流設(shè)備類和檢測輔助設(shè)備類[5]。

將建立好的幾何模型元素—連接(connection)，先后選擇零件的流入幾何模型和流出幾何模型，這樣就建立起零件從一個幾何模型移動到另一個幾何模型的可視化連接線。仿真運行時，quest將顯示零件的幾何模型沿連接線運動的動畫。

Source1_1-＞Buffershort_1-＞Machine1_1-＞BufferLong1_1-＞Machine2_1-＞ BufferShort_2-＞Sink 1_1

同樣的連接：

Source2_1-＞Buffershort_3-＞Machine3_1-＞BufferLong_2-＞Machine4_1-＞ BufferShort_4-＞Sink 2_1

邏輯控制類的屬性有控制器標(biāo)識、控制對象數(shù)量、邏輯運行優(yōu)先級來控制生產(chǎn)線的工序能力[6]。通過邏輯控制完成內(nèi)輸入軸的生產(chǎn)資源的選擇和調(diào)度等功能，同樣通過控制精車、滾齒機(jī)、鉆孔機(jī)、清洗機(jī)和珩齒機(jī)等加工機(jī)械在特定時間下與資源對象進(jìn)行交互活動的決策行為。通過以上的邏輯控制可以對已經(jīng)建立的幾何模型加載邏輯關(guān)系從而控制仿真的準(zhǔn)確運行。

表1為內(nèi)輸入軸節(jié)拍時間、檢測時間、機(jī)器臺數(shù)、平均零件時間的數(shù)據(jù)；將表1中的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到圖2中羅列的工藝，映射到制造概念中的資源中。非增值功能例如：質(zhì)量檢測、物流和搬運等也在此階段規(guī)劃進(jìn)來，但在這里的仿真中我們將不予以考慮；最后，將每臺設(shè)備在每道工序中分派，能精確地確定其工作與利用率。

受產(chǎn)量和加工工藝的影響，在加工過程中清洗、熱處理、清理噴丸和校直，屬于幾種軸類零件共用工序，即變速器的四根軸均需在這幾臺設(shè)備上進(jìn)行工藝處理。在Quest仿真模型建立的時候，可以將這幾臺機(jī)床的工序能力控制模塊設(shè)置為無限能力，即可在仿真結(jié)果對比中將這幾個模塊的數(shù)據(jù)忽略。

表1 各個機(jī)床的節(jié)拍時間表

3 生產(chǎn)線模型的運行與分析

通過建立虛擬生產(chǎn)線模型，對生產(chǎn)車間的布局和車間物流進(jìn)行仿真，將需要的工藝、資源和工時狀況等導(dǎo)入到Quest中。運用物流系統(tǒng)的知識，合理安排各項零件在裝配線中的運行路線，然后在Quest中進(jìn)行仿真運行。圖3為建好的變速器生產(chǎn)線模型，通過Quest的仿真可以發(fā)現(xiàn)裝配線布局規(guī)劃是否合理，是否有阻滯現(xiàn)象或機(jī)床閑置現(xiàn)象發(fā)生，尋找出瓶頸點，評估生產(chǎn)中關(guān)鍵設(shè)備能力、緩沖站數(shù)量或運輸速度等對產(chǎn)能造成的影響。

圖3 改進(jìn)前運行3000S的整體情況

工件在機(jī)器之間運轉(zhuǎn)是以托盤為單位流入到下一道工序，仿真同樣也以托盤為單位流入下一道工序，模型運行3000S之后得到的庫存現(xiàn)狀圖及機(jī)器的空閑狀態(tài)。

圖4 改進(jìn)后運行3000S的整體情況

通過對現(xiàn)有的瓶頸 “鉆深孔、油孔”工序增加一臺設(shè)備之后，工序5 的零件加工時間變?yōu)?2.3S，對比改變前后改變之后可以發(fā)現(xiàn)在圖4中的庫存量有明顯的減少。

結(jié)合對內(nèi)輸入軸仿真，我們可以發(fā)現(xiàn)調(diào)整之后的設(shè)備整體利用時間都有所增加，同時也可在計算機(jī)數(shù)字環(huán)境中隨意調(diào)整生產(chǎn)工藝，相關(guān)設(shè)備配置，資源規(guī)劃，得到運行結(jié)果。以提高企業(yè)生產(chǎn)計劃的準(zhǔn)確度，減少了技術(shù)決策風(fēng)險，降低了技術(shù)協(xié)調(diào)成本，提高了產(chǎn)品質(zhì)量，縮短了產(chǎn)品交付周期，產(chǎn)生可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

表2 各個設(shè)備相對于瓶頸工序的利用率的對比表

從表2中可以發(fā)現(xiàn)通過增加一臺鉆深孔、油孔設(shè)備之后，設(shè)備的工作時間都有所增加。同樣可以從虛擬生產(chǎn)線仿真模型中找出生產(chǎn)線不平衡的原因。通過生產(chǎn)線機(jī)床設(shè)備的閑置（Idle）狀態(tài)、繁忙狀態(tài)、阻塞狀態(tài)、利用率、添加工件數(shù)、制成產(chǎn)品數(shù)和產(chǎn)品生產(chǎn)率等參數(shù)，可對生產(chǎn)線進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，達(dá)到較理想的生產(chǎn)線運行狀態(tài)。

4 結(jié)論

運用Delmia/Quest工具，對變速器內(nèi)輸入軸生產(chǎn)線進(jìn)行資源動態(tài)評估與優(yōu)化，找出了生產(chǎn)線瓶頸點、關(guān)鍵能力、緩沖站不足和運輸速度不夠等環(huán)節(jié)，并以此作為后序分析基礎(chǔ)，可減少實際生產(chǎn)線調(diào)整中資源的浪費，為生產(chǎn)線的改造擴(kuò)建和調(diào)整提供了參考。從而提高企業(yè)快速應(yīng)變能力，滿足不同用戶需求，產(chǎn)生可觀的經(jīng)濟(jì)效益，使企業(yè)數(shù)字化邁上一個新臺階。

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