基于Flexsim仿真技術(shù)在輪輻沖壓生產(chǎn)線上應(yīng)用

李 峰

（湖北汽車工業(yè)學(xué)院 機(jī)械工程系，十堰 442002）

0 引言

東風(fēng)車輪廠旋壓輪輻沖壓生產(chǎn)線進(jìn)行生產(chǎn)線改造，該線日生產(chǎn)輪輻2000件，整個(gè)輪輻沖壓生產(chǎn)線由自動(dòng)化的板鏈輸送線、輥道輸送線、自動(dòng)送料裝置、機(jī)器人組成的物料系統(tǒng)和由各類沖床構(gòu)成的加工系統(tǒng)以及儲料倉構(gòu)成。輪輻沖壓工藝主要由兩道工序組成。分別為：工序1：沖壓輪輻上的各類螺栓孔；工序2：沖壓輪輻上的各類散熱孔。

圖1為新線設(shè)計(jì)圖（CAD圖）。輪輻生產(chǎn)流程如下：輪輻半成品先運(yùn)送到1250噸壓力的大型沖床的暫存區(qū)，然后在J31-1250沖床上沖壓各類螺栓孔，工序1完成后，由板鏈輸送機(jī)，經(jīng)過單層動(dòng)力輥道1、單層動(dòng)力輥道2、單層動(dòng)力輥道3、單層動(dòng)力輥道4傳送到兩臺JA11-250小型沖床上加工各類散熱孔。兩臺小型沖床完成工序內(nèi)容一樣。新線設(shè)計(jì)了儲料倉，原因：1）大沖工作速度快，小沖慢，如果不設(shè)置儲料倉，輥道很塊會堆滿工件；2）大沖加工其他產(chǎn)品時(shí)需要停機(jī)換模，此外還為其他生產(chǎn)線生產(chǎn)產(chǎn)品，本身還有故障停機(jī)，為了充分提高小沖的利用率，新線設(shè)計(jì)思想是：當(dāng)輥道上輪輻堆積到一定數(shù)量時(shí)，機(jī)器人開始工作，把大沖流過來的零件抓取到儲料倉，當(dāng)流向小沖的輪輻數(shù)量少到一定數(shù)量時(shí)，機(jī)器人開始把儲料倉的零件搬運(yùn)到輥道，流向小沖加工。

圖1 輪輻沖壓線布局圖

表1 設(shè)備基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

機(jī)器人取料動(dòng)作信號由設(shè)置在輥道3入口和輥道2的出口的光電開關(guān)及其PLC控制電路發(fā)出。取料規(guī)則如下：當(dāng)輥道3的入口處和輥道2的出口處同時(shí)檢測到有零件時(shí)，表示輥道3已經(jīng)有零件堆積，機(jī)器人開始抓取工件放入儲料倉，同時(shí)輥道2停線，單層動(dòng)力輥道1由四節(jié)輥道組成，每節(jié)4米長，且都是自帶動(dòng)力輥道。每一節(jié)上的工件當(dāng)運(yùn)行到末端時(shí)，都會檢測前面輸送線的狀態(tài)，如果檢測到前面輸送線停線，本傳送線也將停止運(yùn)行。如果檢測到前面?zhèn)魉途€開始運(yùn)作，本傳送線也開始運(yùn)行。這樣的控制目的防止零件堆積擠壓。

新線設(shè)計(jì)好壞的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和要解決的問題如下：

1）新線能否滿足產(chǎn)能要求？生產(chǎn)是否流暢？盡量減少工序2的停機(jī)等待時(shí)間；控制策略是否合適？

2）目前的控制策略下，輸送線不發(fā)生嚴(yán)重堆積，同時(shí)儲料倉設(shè)置多大合適？

3）為了減少儲料倉的面積，產(chǎn)量大時(shí)，按批量生產(chǎn)，批量多少合適？

旋壓輪輻沖壓新線看似簡單，但是因?yàn)樯婕暗蕉嗥贩N生產(chǎn)，產(chǎn)品換模，還要考慮設(shè)備故障和開動(dòng)率，因此評價(jià)這類產(chǎn)線問題難以通過簡單計(jì)算確定，并且一旦產(chǎn)線購買安裝生產(chǎn)后，發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)參數(shù)不匹配，一些問題沒有考慮到，再修改代價(jià)就很大。

本文擬通過利用系統(tǒng)仿真技術(shù)，全面仿真產(chǎn)線運(yùn)行情況，對輪輻生產(chǎn)線進(jìn)行評價(jià)和優(yōu)化。

Flexsim是采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)開放式系統(tǒng)仿真軟件，通過三維可視化工具，進(jìn)行系統(tǒng)仿真建模，功能強(qiáng)大，本文將采用Flexsim技術(shù)對輪輻生產(chǎn)線進(jìn)行研究。

1 旋壓輪輻沖壓生產(chǎn)線基礎(chǔ)數(shù)據(jù)收集

相關(guān)設(shè)備數(shù)據(jù)如表1所示。輥道數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 輥道數(shù)據(jù)

機(jī)器人數(shù)據(jù)：機(jī)器人取料入庫節(jié)拍為：6s/件，取料出庫節(jié)拍6s/件。

2 旋壓輪輻沖壓生產(chǎn)線仿真模型的建立方法和步驟

2.1 生產(chǎn)線仿真模型的建立方法和步驟

2.1.1 CAD布局圖導(dǎo)入

最新Flexsim7.3版本生產(chǎn)系統(tǒng)仿真軟件可以直接把工廠車間布局圖導(dǎo)入到Flexsim場景中，可以在場景中拖入一個(gè)地板圖做為模型背景，再把CAD工廠布局圖導(dǎo)入到地板圖上，場景顯示效果非常逼真。導(dǎo)入之前有兩點(diǎn)注意：一個(gè)是盡量消除所有不必要的信息，CAD文件通常包括許多不必要的信息，消除這些信息可以使模型更加簡潔，減少顯卡負(fù)擔(dān)。另外導(dǎo)入時(shí)，F(xiàn)lexsim的設(shè)置單位和CAD布局圖的繪圖單位要一致，否則圖形失真。

2.1.2 建立模型

在導(dǎo)入的CAD圖上建立仿真模型，這樣一方面建?？旖?，另一方面可以使模型布局和CAD布局圖一致。此外還可以調(diào)節(jié)模型大小和尺寸，盡量使模型尺寸和實(shí)際機(jī)床、傳送鏈尺寸一致。使仿真更加逼真。

2.1.3 參數(shù)設(shè)置

包括傳送輥道的速度、沖床加工時(shí)間，機(jī)器人取放料速度，設(shè)備開動(dòng)率等參數(shù)在實(shí)體中直接設(shè)置。設(shè)置要和設(shè)計(jì)一致，其中設(shè)備開動(dòng)率是指在某時(shí)間段內(nèi)（如一班、一天等）開動(dòng)機(jī)器生產(chǎn)所占的時(shí)間比率，設(shè)備開動(dòng)率=設(shè)備實(shí)際開動(dòng)時(shí)間/設(shè)備正常工作時(shí)間×100%，為簡化模型，設(shè)置時(shí)可把這個(gè)參數(shù)和設(shè)備故障率參數(shù)一起考慮設(shè)置，設(shè)置在機(jī)床實(shí)體的MTBF和MTTR中。

2.2 關(guān)鍵功能實(shí)現(xiàn)和代碼編寫

包括大沖、小沖換模功能和時(shí)間，機(jī)器人取放料邏輯、生產(chǎn)計(jì)劃、生產(chǎn)順序和批量的實(shí)現(xiàn)通過編程實(shí)現(xiàn)。

2.2.1 生產(chǎn)計(jì)劃、生產(chǎn)順序和批量的實(shí)現(xiàn)

旋壓輪輻沖壓生產(chǎn)線產(chǎn)量比較大的有三種輪輻，為A型、B型、C型，可以設(shè)置三個(gè)source，每個(gè)Source生產(chǎn)一種品種，source設(shè)置臨時(shí)實(shí)體到達(dá)方式為“達(dá)到時(shí)間間隔”，到達(dá)時(shí)間間隔為6s。此外在Flexsim中生產(chǎn)計(jì)劃事先錄入到數(shù)據(jù)庫、Excel表或者全局表中，三種方式都可行，程序運(yùn)行時(shí)，對生產(chǎn)計(jì)劃數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取。本項(xiàng)目中，生產(chǎn)計(jì)劃存于名為“outputtable”的全局表中，如表3所示。

表3 生產(chǎn)計(jì)劃全局表

表3說明：

1）可以根據(jù)每天各產(chǎn)品的類型和產(chǎn)量在全局表中設(shè)置投產(chǎn)順序；

2）如某產(chǎn)品數(shù)量為800，批次數(shù)為2，則大沖每批連續(xù)生產(chǎn)800/2=400件后停機(jī)，生產(chǎn)線開始消耗儲料倉中的零件，當(dāng)消耗完畢時(shí)，大沖開始開機(jī)繼續(xù)生產(chǎn)，有助于減少產(chǎn)線上零件堆積和儲料倉庫存。

達(dá)到批量后沖床自動(dòng)停機(jī)，這個(gè)功能使用stopobject(current,STATE_BREAKDOWN)；語句實(shí)現(xiàn)，到達(dá)批量后停止source產(chǎn)生新的實(shí)體，當(dāng)批量消耗完畢后使用resumeobject(current)語句恢復(fù)source生產(chǎn)。

2.2.2 換模功能實(shí)現(xiàn)

換模功能主要由source、處理器14（小沖1）、處理器22（小沖2）中的senddelayedmessage(current,3600,cur rent,10,0,0)延遲語句實(shí)現(xiàn)；如：當(dāng)sourceA產(chǎn)生的A產(chǎn)品生產(chǎn)完畢后，延遲1個(gè)小時(shí)換模時(shí)間后，同時(shí)如果小沖也延時(shí)換模完畢后，才開始恢復(fù)生產(chǎn)其他品種零件。

2.2.3 機(jī)器人取放料邏輯實(shí)現(xiàn)

旋壓輪輻沖壓生產(chǎn)線在設(shè)計(jì)時(shí)，在輥道3的入口處和輥道2的出口處安裝有光電傳感器，機(jī)器人抓取輥道上零件的判斷依據(jù)是：當(dāng)輥道3的入口處和輥道2的出口處同時(shí)檢測到有零件時(shí)，表示輥道3已經(jīng)有零件堆積，機(jī)器人開始截取工件放入儲料倉，否則表示輥道3沒有零件堆積，機(jī)器人把料倉中的零件搬運(yùn)到輥道上。

這項(xiàng)功能由傳送鏈上的設(shè)置的虛擬光電傳感器實(shí)現(xiàn)。在Flexsim中可在傳送帶上全長的任意位置設(shè)置任意數(shù)量的虛擬光電傳感器，邏輯關(guān)系在光電傳感器中的onCover和Uncover觸發(fā)器中編程實(shí)現(xiàn)。當(dāng)傳送帶上的零件遮擋住光電傳感器時(shí)會觸發(fā)OnCover觸發(fā)器，執(zhí)行OnCover中的代碼，當(dāng)零件通過后，不再遮擋光電傳感器時(shí)，會觸發(fā)Uncover觸發(fā)器?？稍谳伒?和輥道2光電傳感器中的OnCover中設(shè)置標(biāo)志變量，程序隨時(shí)讀取這兩個(gè)變量，當(dāng)標(biāo)志都為1時(shí)（遮擋狀態(tài)），給機(jī)器人發(fā)送消息，進(jìn)行相應(yīng)出入庫作業(yè)。

2.2.4 雙向推送料裝置實(shí)現(xiàn)

雙向堆送料裝置是一個(gè)自帶動(dòng)力的，可升降的單層動(dòng)力輥道。初始狀態(tài)是落下狀態(tài)，比輥道3低，當(dāng)來自輥道3的輪輻落到雙向堆送料裝置后，送料裝置抬升，并根據(jù)左右輥道4的狀態(tài)（是否有空位），把輪輻傳送到相應(yīng)工位。產(chǎn)線設(shè)計(jì)時(shí)，其設(shè)計(jì)速度為抬升2s，落下2s在功能實(shí)現(xiàn)上采用基本傳送帶BasicConveyor加運(yùn)動(dòng)學(xué)實(shí)現(xiàn)其功能。BasicConveyor是一個(gè)雙向傳輸?shù)膫魉蛶?，可任意改變方向、速度大小和啟?dòng)、停止。其關(guān)鍵語句如下：

Bcsetdirection(object,num direction)；

其中：direction值為1時(shí)向前，為0時(shí)向后。

Bcsetitemconveystate(object,item,startpoint,startspeed,targetspeed,accdec)

其中startpoint為在傳送帶上工件被開始測量的起始位置，其他參數(shù)分別為：起始速度、目標(biāo)速度，加速度。

雙向堆送料裝置升降功能實(shí)現(xiàn)：該動(dòng)作可由Flexsim的運(yùn)動(dòng)學(xué)功能實(shí)現(xiàn)。Flexsim的運(yùn)動(dòng)學(xué)允許模型場景中任何一個(gè)實(shí)體對象或多個(gè)對象根據(jù)不同的速度要求同時(shí)實(shí)現(xiàn)多個(gè)移動(dòng)操作、旋轉(zhuǎn)操作。實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)學(xué)主要是對以下三個(gè)函數(shù)調(diào)用使用。

Initkinematics（相關(guān)參數(shù)）；addkinematic（相關(guān)參數(shù)）；updatekinematics（相關(guān)參數(shù)）；

其中：Initkinematics（相關(guān)參數(shù)）命令，該命令為運(yùn)動(dòng)初始化數(shù)據(jù)，保存對象的起始位置、起始角度。初始化完畢后，調(diào)用addkinematic（相關(guān)參數(shù)）命令為對象添加平移或旋轉(zhuǎn)動(dòng)作。最后調(diào)用updatekinematics（相關(guān)參數(shù)）命令在運(yùn)動(dòng)過程中不斷計(jì)算對象當(dāng)前的位置和旋轉(zhuǎn)角度，不斷刷新視圖5、仿真過程中的相關(guān)參數(shù)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示。

仿真過程中一些相關(guān)重要參數(shù)需要實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示，如：計(jì)劃要生產(chǎn)的數(shù)量、當(dāng)前正在生產(chǎn)的品種和數(shù)量，儲料倉的當(dāng)前庫存、最大庫存、生產(chǎn)時(shí)間等信息需要?jiǎng)討B(tài)實(shí)時(shí)顯示，以便隨時(shí)掌握仿真過程。在最新flexsim7.3版本中，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示可由視覺類實(shí)體的文本實(shí)體、布告板實(shí)體、平面實(shí)體等視覺類實(shí)體實(shí)現(xiàn)。

3 旋壓輪輻沖壓生產(chǎn)線仿真結(jié)果分析

使用Flexsim對旋壓輪輻沖壓生產(chǎn)線進(jìn)行建模，模型如圖2所示， 模擬實(shí)際生產(chǎn)線的加工情況。

圖2 輪輻沖壓線建模圖

1）從仿真過程和結(jié)果看，輥道傳送線流動(dòng)相對流暢，沒有發(fā)生4個(gè)輥道都堵塞堵滿的情況，說明各傳送鏈的設(shè)計(jì)速度，機(jī)器人的工作速度，基本匹配。

2）以該生產(chǎn)線平均每天產(chǎn)量2000件，每天平均開動(dòng)率為70%來計(jì)算，總生產(chǎn)時(shí)間為：10個(gè)小時(shí)35分，每天需要加班兩個(gè)半小時(shí)才能完成產(chǎn)量。

3）當(dāng)改變投產(chǎn)先后順序，如：先生產(chǎn)B型輪輻600件，然后再生產(chǎn)C型輪輻200件，最后再生產(chǎn)A型輪輻1200件時(shí)，總生產(chǎn)時(shí)間也為：12個(gè)小時(shí)41分，總生產(chǎn)時(shí)長基本不變，可知改變投產(chǎn)順序?qū)ιa(chǎn)無影響。

4）仿真后，得到產(chǎn)量、批量、最大庫存、大沖沖壓時(shí)間、庫存消耗時(shí)間如表4所示。

表4 批量-庫存-消耗時(shí)間關(guān)系表

表中數(shù)據(jù)說明：以產(chǎn)量1200件為例，如果不采用批量投產(chǎn)方式，大沖一次性全部加工完1200件，則大沖沖壓時(shí)間為2小時(shí)48分，儲料倉最大庫存量為535件輪輻，而小沖消耗完儲料倉這些庫存需要2小時(shí)22分。而如果采用分批投料，如：1200件輪輻分3批投料。每次投料400件，當(dāng)大沖加工完400件后，休息一段時(shí)間，等儲料倉的料基本消耗完，再進(jìn)行第二個(gè)批次生產(chǎn)，這種情況下，每批加工完平均最大庫存為180件左右，大沖平均沖壓工作時(shí)間為56分，而庫存平均消耗時(shí)間為48分?？紤]到頻繁啟動(dòng)生產(chǎn)的成本，批量數(shù)量設(shè)置為500較好，一方面儲料倉庫存小，占用空間小，另一方面，大沖備一次料時(shí)間也約為1小時(shí)，可在停工這段是時(shí)間進(jìn)行備料。另外儲料倉大小設(shè)置為能放置230個(gè)庫存大小的儲料倉為宜。

5）從仿真過程可以看出，整個(gè)輥道傳送線長度33米太長，即便把輥道長度縮短到20米，也不會發(fā)生輥道堵塞。應(yīng)該減少輥道長度，減少占地面積。

6）從仿真結(jié)果看，管理水平較低，設(shè)備開動(dòng)率70%較低，即設(shè)備OEE較低，應(yīng)該設(shè)法提高設(shè)備開動(dòng)率，仿真結(jié)果表明，如果設(shè)備開動(dòng)率提高到80%，同樣加工2000件輪輻，總加工時(shí)間可以縮短到9小時(shí)20分。提升設(shè)備OEE可以從減少停機(jī)損失、換裝和調(diào)試損失、暫停機(jī)損失、減速損失、廢品返工損失等方面入手解決。

7）從仿真結(jié)果看，產(chǎn)品換模時(shí)間較長，生產(chǎn)3種產(chǎn)品，換2次模，要停機(jī)2小時(shí)，應(yīng)該減少換模時(shí)間，如果單次換模時(shí)間從1小時(shí)縮短到0.5小時(shí)，則全天換模時(shí)間減少1個(gè)小時(shí)，同樣加工2000件輪輻，總加工時(shí)間可以縮短到8小時(shí)20分。

4 結(jié)論

生產(chǎn)線設(shè)計(jì)的優(yōu)劣，涉及到的因素很多，尤其是復(fù)雜多品種生產(chǎn)線，很難用簡單的數(shù)學(xué)公式進(jìn)行精確評價(jià)，而現(xiàn)代仿真技術(shù)的運(yùn)用為生產(chǎn)線評價(jià)提供了一個(gè)直觀精確的手段。本文通過對輪輻生產(chǎn)線進(jìn)行仿真，闡述了用Flexsim進(jìn)行建模、仿真和分析的方法，其結(jié)果對實(shí)際生產(chǎn)線設(shè)計(jì)和評價(jià)有指導(dǎo)意義。

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