基于Quest的生產(chǎn)線(xiàn)資源優(yōu)化研究

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(chē)間布局及生產(chǎn)節(jié)拍的控制對(duì)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(yùn)用傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，很難進(jìn)行車(chē)間方案的優(yōu)化。DELMIA/Quest是達(dá)索公司開(kāi)發(fā)的分析車(chē)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(duì)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(guò)物理建模和邏輯建模將實(shí)際生產(chǎn)線(xiàn)映射到虛擬環(huán)境中，可以建立反映實(shí)際生產(chǎn)線(xiàn)幾何和邏輯屬性的虛擬仿真模型[1,2]。

1 生產(chǎn)線(xiàn)工藝流程及設(shè)備平面布局

以某型號(hào)變速器的內(nèi)輸入軸加工工藝為例，毛坯從倉(cāng)庫(kù)進(jìn)入機(jī)加工車(chē)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(chē)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(guò)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(xiàn)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(jiàn)的DWG格式，所以我們需要將DWG格式的生產(chǎn)線(xiàn)布局圖轉(zhuǎn)化為Quest可以識(shí)別的DXF格式，導(dǎo)入即可。圖2中可以看到整個(gè)內(nèi)輸入軸的工藝路線(xiàn)以及物料由毛坯到成品的整個(gè)物流路線(xiàn)，整個(gè)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(xiàn)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(xiàn)Quest仿真建模

在Quest環(huán)境下需要對(duì)生產(chǎn)線(xiàn)進(jìn)行建模，提供以物料的輸送、處理和存儲(chǔ)為線(xiàn)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(xiàn)的運(yùn)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(xiàn)的仿真模型。

Quest模型可以分為兩個(gè)部分：物理模型和邏輯模型。CAD模型是用于建立真實(shí)的物理模型的，而真正控制仿真運(yùn)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(cāng)儲(chǔ)站（Sink）、自動(dòng)導(dǎo)向小車(chē)（Automated Guided Vehicles,簡(jiǎn)稱(chēng)AGV）、工人（Labor）及裝卸機(jī)器等生產(chǎn)資源，物理設(shè)備類(lèi)按其層次結(jié)構(gòu)關(guān)系將其派生出加工設(shè)備類(lèi)、物流設(shè)備類(lèi)和檢測(cè)輔助設(shè)備類(lèi)[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(gè)幾何模型移動(dòng)到另一個(gè)幾何模型的可視化連接線(xiàn)。仿真運(yùn)行時(shí)，quest將顯示零件的幾何模型沿連接線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)畫(huà)。

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(lèi)的屬性有控制器標(biāo)識(shí)、控制對(duì)象數(shù)量、邏輯運(yùn)行優(yōu)先級(jí)來(lái)控制生產(chǎn)線(xiàn)的工序能力[6]。通過(guò)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(guò)控制精車(chē)、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(shí)間下與資源對(duì)象進(jìn)行交互活動(dòng)的決策行為。通過(guò)以上的邏輯控制可以對(duì)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(yùn)行。

表1為內(nèi)輸入軸節(jié)拍時(shí)間、檢測(cè)時(shí)間、機(jī)器臺(tái)數(shù)、平均零件時(shí)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(cè)、物流和搬運(yùn)等也在此階段規(guī)劃進(jìn)來(lái)，但在這里的仿真中我們將不予以考慮；最后，將每臺(tái)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(guò)程中清洗、熱處理、清理噴丸和校直，屬于幾種軸類(lèi)零件共用工序，即變速器的四根軸均需在這幾臺(tái)設(shè)備上進(jìn)行工藝處理。在Quest仿真模型建立的時(shí)候，可以將這幾臺(tái)機(jī)床的工序能力控制模塊設(shè)置為無(wú)限能力，即可在仿真結(jié)果對(duì)比中將這幾個(gè)模塊的數(shù)據(jù)忽略。

表1 各個(gè)機(jī)床的節(jié)拍時(shí)間表

3 生產(chǎn)線(xiàn)模型的運(yùn)行與分析

通過(guò)建立虛擬生產(chǎn)線(xiàn)模型，對(duì)生產(chǎn)車(chē)間的布局和車(chē)間物流進(jìn)行仿真，將需要的工藝、資源和工時(shí)狀況等導(dǎo)入到Quest中。運(yùn)用物流系統(tǒng)的知識(shí)，合理安排各項(xiàng)零件在裝配線(xiàn)中的運(yùn)行路線(xiàn)，然后在Quest中進(jìn)行仿真運(yùn)行。圖3為建好的變速器生產(chǎn)線(xiàn)模型，通過(guò)Quest的仿真可以發(fā)現(xiàn)裝配線(xiàn)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(diǎn)，評(píng)估生產(chǎn)中關(guān)鍵設(shè)備能力、緩沖站數(shù)量或運(yùn)輸速度等對(duì)產(chǎn)能造成的影響。

圖3 改進(jìn)前運(yùn)行3000S的整體情況

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

圖4 改進(jìn)后運(yùn)行3000S的整體情況

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

結(jié)合對(duì)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(shí)間都有所增加，同時(shí)也可在計(jì)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(yùn)行結(jié)果。以提高企業(yè)生產(chǎn)計(jì)劃的準(zhǔn)確度，減少了技術(shù)決策風(fēng)險(xiǎn)，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(gè)設(shè)備相對(duì)于瓶頸工序的利用率的對(duì)比表

從表2中可以發(fā)現(xiàn)通過(guò)增加一臺(tái)鉆深孔、油孔設(shè)備之后，設(shè)備的工作時(shí)間都有所增加。同樣可以從虛擬生產(chǎn)線(xiàn)仿真模型中找出生產(chǎn)線(xiàn)不平衡的原因。通過(guò)生產(chǎn)線(xiàn)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(duì)生產(chǎn)線(xiàn)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，達(dá)到較理想的生產(chǎn)線(xiàn)運(yùn)行狀態(tài)。

4 結(jié)論

運(yùn)用Delmia/Quest工具，對(duì)變速器內(nèi)輸入軸生產(chǎn)線(xiàn)進(jìn)行資源動(dòng)態(tài)評(píng)估與優(yōu)化，找出了生產(chǎn)線(xiàn)瓶頸點(diǎn)、關(guān)鍵能力、緩沖站不足和運(yùn)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(shí)際生產(chǎn)線(xiàn)調(diào)整中資源的浪費(fèi)，為生產(chǎn)線(xiàn)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(mǎn)足不同用戶(hù)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(gè)新臺(tái)階。

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