艾巍 李傳州 樸永燦

（機(jī)械工業(yè)第九設(shè)計(jì)研究院有限公司，長春130011）

1 前言

仿真是對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的過程或系統(tǒng)隨時(shí)間運(yùn)行的模擬。為了進(jìn)一步研究系統(tǒng)本身以及系統(tǒng)內(nèi)部各實(shí)體之間的關(guān)系，并對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行狀況進(jìn)行真實(shí)準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)，可以構(gòu)建一個(gè)真實(shí)系統(tǒng)或?qū)嶓w模型進(jìn)行試驗(yàn)[1]。然而，實(shí)際系統(tǒng)往往極為復(fù)雜，且造價(jià)即為昂貴，因此，我們需要新的手段來描述系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，預(yù)測(cè)系統(tǒng)行為。模擬仿真是以一種相對(duì)較少的數(shù)學(xué)假設(shè)來描述系統(tǒng)復(fù)雜行為的方法，在建立適當(dāng)?shù)姆抡婺Ｐ秃螅噪娔X進(jìn)行模擬，從而清楚準(zhǔn)確的了解系統(tǒng)的行為。

焊裝車間的生產(chǎn)物流系統(tǒng)是典型的離散型事件系統(tǒng)，具有隨機(jī)性、并發(fā)性等特點(diǎn)，而且焊裝工藝與涂裝、總裝工藝息息相關(guān)，焊裝車間的物流規(guī)劃設(shè)計(jì)復(fù)雜、工序多。

Plant Simulation是面向?qū)ο蟮膶哟位Y(jié)構(gòu)的仿真軟件，除了提供豐富的對(duì)象庫，還能通過Sim-Talk語言實(shí)現(xiàn)仿真控制策略。運(yùn)用該仿真軟件建立涂裝生產(chǎn)物流系統(tǒng)仿真模型并分析，能夠驗(yàn)證方案的合理性，并為制造型企業(yè)在生產(chǎn)管理方面做出有效的決策提供支持。

2 系統(tǒng)概述及工藝流程

2.1 系統(tǒng)概述

整個(gè)焊裝車間項(xiàng)目全線采用虛擬安裝、虛擬調(diào)試、虛擬仿真技術(shù)，通過數(shù)字化設(shè)計(jì)，測(cè)試從工藝到信號(hào)的可行性和可靠性，用虛擬測(cè)試實(shí)現(xiàn)從設(shè)計(jì)到現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)的無縫銜接[2]。

車間生產(chǎn)能力如下：設(shè)備開動(dòng)率為95%；焊裝車間合格產(chǎn)能為60 JPH（每小時(shí)整車產(chǎn)能）；返修率為5%。

2.2 工藝流程

a.焊裝車間的基本工藝流程主要是先將沖壓好的零件分別焊裝，其中包括地板線的焊裝、側(cè)圍線的焊裝、車身成型線的焊裝，最后是調(diào)整裝配線，在這里主要完成的是“四門兩蓋”的安裝，最后得到白車身送至涂裝生產(chǎn)線[3]。車間總體上是一個(gè)流水線式生產(chǎn)線（圖1）。

圖1 工藝流程

b.車間內(nèi)分為多層，車身和空滑橇通過升降機(jī)、滾床和移行機(jī)等設(shè)備，在多層之間形成循環(huán)。

c.側(cè)圍線采用EMS運(yùn)送。

d.系統(tǒng)受廠房面積和產(chǎn)能提升限制，方案存在不確定因素。

3 仿真目標(biāo)

根據(jù)業(yè)主的實(shí)際需求，以Plant Simunation三維仿真軟件為平臺(tái)進(jìn)行系統(tǒng)仿真，構(gòu)建焊裝車間及空中機(jī)運(yùn)線三維可視化仿真模型系統(tǒng)，將系統(tǒng)仿真作為方案評(píng)估和驗(yàn)證的重要手段[4]，可實(shí)現(xiàn)的預(yù)期目標(biāo)如下。

a.以三維仿真軟件為平臺(tái)，創(chuàng)建機(jī)械化輸送系統(tǒng)的三維離散動(dòng)態(tài)、模塊化的仿真模型；

b.驗(yàn)證現(xiàn)有的工藝方案是否能夠達(dá)產(chǎn)，若不能則需要分析原因并提出改進(jìn)的措施；

c.通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和仿真結(jié)果的數(shù)據(jù)分析，優(yōu)化焊裝車間的設(shè)計(jì)方案，評(píng)估合理的空中機(jī)運(yùn)線的緩存位置、滑撬及吊具數(shù)量設(shè)置，找出焊裝車間產(chǎn)能的瓶頸點(diǎn)所在；

d.通過長時(shí)間、多隨機(jī)數(shù)的不斷仿真驗(yàn)證，得出整個(gè)車身庫系統(tǒng)所需的最少滑撬、吊具數(shù)量和合理滑撬、吊具數(shù)量。

e.通過多媒體技術(shù)，利用虛擬化車間，制作三維全景式焊裝車間生產(chǎn)運(yùn)行動(dòng)畫。

4 仿真分析

4.1 仿真輸入

4.1.1 車間方案布局

通過AutoCAD軟件建立整個(gè)車間布局圖（圖2）。4.1.2 工藝參數(shù)

圖2 車間整體布局

工藝參數(shù)在業(yè)主給定產(chǎn)能和節(jié)拍的基礎(chǔ)上編制（表1）。

表1 工藝參數(shù)表

4.1.3 設(shè)備模型

使用設(shè)備的三維模型如下（圖3～圖6）。

圖3 滾床

圖6 旋轉(zhuǎn)臺(tái)

4.2 仿真過程

以焊裝生產(chǎn)線的布局圖為背景，按照工藝流程的順序，在PlantSimulation中分別建立焊裝車間的各工藝段的模型、EMS空中運(yùn)輸線及空中機(jī)械化運(yùn)輸線，然后在頂層模型中，用“Interface”接口將相互聯(lián)系的子模型連接起來，形成完整的焊裝車間仿真模型。

4.2.1 二維仿真效果

首先使用PlantSimunation建立二維模型（圖7～圖9）。

圖7 Plant仿真界面（一）

圖9 Plant仿真界面（三）

圖4 移行機(jī)

圖5 升降機(jī)

圖8 Plant仿真界面（二）

4.2.2 三維仿真效果

完成二維仿真編程后開始三維仿真建模（圖10～圖11）。

圖10 EMS三維效果

圖11 空中機(jī)械化運(yùn)輸線

5 仿真輸出

5.1 產(chǎn)能驗(yàn)證

考慮開動(dòng)率的情況下，打開時(shí)間控制器“Event Controller”使模型連續(xù)運(yùn)行31天，從第2天開始統(tǒng)計(jì)，取3次試驗(yàn)的平均結(jié)果作為仿真結(jié)果。產(chǎn)能驗(yàn)證結(jié)果顯示，提升方案的焊裝產(chǎn)能可以達(dá)到規(guī)劃的60 JPH，如圖12所示。

圖12 60 JPH產(chǎn)能驗(yàn)證表

5.2 滑撬數(shù)量實(shí)驗(yàn)

保持側(cè)圍吊具數(shù)量充足供應(yīng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，最優(yōu)的方案為滑橇280個(gè)，仿真前滑撬計(jì)劃生產(chǎn)數(shù)量為350個(gè)，根據(jù)仿真結(jié)果可以節(jié)約滑橇共計(jì)70個(gè)，如圖13及表2所示。

圖13 滑撬統(tǒng)計(jì)

表2 滑撬統(tǒng)計(jì)

5.3 吊具數(shù)量實(shí)驗(yàn)

確定滑撬數(shù)量為280個(gè)后，對(duì)吊具數(shù)量進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)的最優(yōu)結(jié)果為側(cè)圍外板吊具數(shù)量35個(gè)，側(cè)圍內(nèi)板吊具數(shù)量50個(gè)。仿真前計(jì)劃生產(chǎn)數(shù)量為側(cè)圍外板吊具數(shù)量50，側(cè)圍內(nèi)板吊具數(shù)量70，根據(jù)仿真結(jié)果可以節(jié)約吊具共計(jì)35個(gè)，如圖14及表3所示

表3 吊具統(tǒng)計(jì)

圖14 滑撬統(tǒng)計(jì)

5.4 空中機(jī)械化運(yùn)輸線緩存數(shù)量分析

UB1到UB2的緩存容量較小，容易被占滿和拉空（圖15），理想曲線呈正態(tài)分布；UB2到UB3，UB3到MB1，MB1到MB2的緩存容量偏大；其余空中線各路段緩存容量充足，呈理想狀態(tài)；滑撬分布均勻，沒有堆積和等待現(xiàn)象（表4、表5）。

表5 滑撬分布情況統(tǒng)計(jì)

圖15 UB1到UB2緩存數(shù)量

表4 滑撬分布情況統(tǒng)計(jì)

6 結(jié)論

6.1 建立技術(shù)路線，確定仿真流程

a.仿真輸入：方案布局圖、系統(tǒng)邏輯、線體速度、節(jié)距節(jié)拍、設(shè)備預(yù)估數(shù)量、時(shí)序圖等；

b.仿真分析：建立模型、編寫程序、輸入?yún)?shù)、驗(yàn)證方案；

c.方案調(diào)整：重新仿真、再驗(yàn)證、直到最優(yōu)解；

d.仿真結(jié)論：編寫報(bào)告、制作視頻[4]。

6.2 模型總結(jié)

a.產(chǎn)能達(dá)標(biāo)，可以達(dá)到60 JPH的要求；

b.UB1到UB2緩存容量較小。

6.3 提效降本

根據(jù)仿真結(jié)果，可以指導(dǎo)設(shè)計(jì)空中線緩存區(qū)的大小，在可以達(dá)產(chǎn)的情況下，減少不必要的緩存，提高空間利用率，降低成本。

6.4 質(zhì)量提升

a.通過仿真局部調(diào)整方案，對(duì)于空中線的緩存數(shù)量，存儲(chǔ)策略提出指導(dǎo)意見；

b.指導(dǎo)電控系統(tǒng)及空中線仿真策略，節(jié)約時(shí)間成本。