基于Quest的天線制造過程三維虛擬仿真實驗

王 佩, 賀 華, 陳改革

(西安電子科技大學(xué) 機電工程學(xué)院, 陜西 西安 710071)

天線是機械電子工程的主要研究對象之一,其結(jié)構(gòu)設(shè)計、制造和測試過程涉及機、電、熱等多專業(yè)知識,具有理論與實踐高度結(jié)合、微觀與宏觀高度結(jié)合等特點。實驗是培養(yǎng)天線復(fù)雜機電裝備人才的重要手段。然而天線尺寸大、種類多、更新?lián)Q代快,以及個性化、定制化特點,通過真實實驗完成實驗和實踐教學(xué)的難度較大,迫切需要通過虛擬仿真綜合實驗補充和豐富實驗教學(xué)和理論教學(xué)內(nèi)容。

虛擬仿真實驗教學(xué)在高等教育中具有重要應(yīng)用,是教育信息化的重要組成部分[1-2]。通過虛擬仿真實驗教學(xué)共同體實行課堂教學(xué)與虛擬空間教學(xué)協(xié)同運行,突破傳統(tǒng)實驗教學(xué)模式的時空制約,已成為一種新的實驗教學(xué)模式[3-13]。

基于Quest的天線制造過程的三維虛擬仿真實驗項目,可以幫助學(xué)生更好地理解典型天線復(fù)雜機電裝備裝配制造過程中生產(chǎn)線節(jié)拍、工位瓶頸等內(nèi)容。學(xué)生可以在虛擬環(huán)境中針對作業(yè)流程不流暢、設(shè)備利用率不均、作業(yè)計劃不合理、空間利用率低、緩沖區(qū)設(shè)置不合理等問題進(jìn)行仿真分析與驗證,并針對不同問題的解決辦法進(jìn)行規(guī)律總結(jié)。

1 虛擬仿真實驗過程設(shè)計

天線制造過程三維虛擬仿真實驗包括車間布局、參數(shù)設(shè)計、生產(chǎn)物流等內(nèi)容,在實驗過程中以三維實驗環(huán)境取代傳統(tǒng)實驗過程中的二維工藝布局規(guī)劃,在三維虛擬仿真環(huán)境中對典型天線裝配車間的物流過程以及各個設(shè)備、工裝的運作時間和規(guī)律進(jìn)行仿真設(shè)置。在虛擬仿真環(huán)境中,學(xué)生可以對車間布局、生產(chǎn)計劃、生產(chǎn)節(jié)拍、產(chǎn)能瓶頸、產(chǎn)線平衡進(jìn)行分析,驗證天線裝配工藝規(guī)劃的合理性及其對車間物流的影響,并通過改進(jìn)設(shè)計,得到更為合理的裝配工藝路線、裝配工位BOM(bill of materia)和車間物流路線。

通過對導(dǎo)入的生產(chǎn)計劃進(jìn)行仿真,可以得到生產(chǎn)計劃及排產(chǎn)的一系列評估指標(biāo)(包括瓶頸評估、各工位的設(shè)備利用率、等待時間、次品率等),最后得出虛擬裝配過程仿真實驗的綜合仿真結(jié)果。裝配過程仿真實驗原理如圖1所示。

圖1 裝配過程仿真實驗原理圖

在Quest虛擬環(huán)境中,導(dǎo)入生產(chǎn)線輕量化模型對生產(chǎn)線以及物流進(jìn)行布局；依據(jù)生產(chǎn)工藝和生產(chǎn)約束對布局、工藝、物流方案、資源配置方案等進(jìn)行綜合分析、驗證和優(yōu)化；通過物流仿真算法,動態(tài)分析生產(chǎn)資源空間布局的合理性、可視化物流及其密度,對資源利用率進(jìn)行量化評估。

裝配過程仿真實驗設(shè)計過程如下：

(1) 根據(jù)要求在虛擬仿真環(huán)境中建立生產(chǎn)計劃、資源模型、工藝參數(shù)、工藝邏輯、物流參數(shù)、制造資源布局等數(shù)據(jù)邏輯模型,并存儲到數(shù)據(jù)表中。利用Excel工具建立工藝參數(shù)數(shù)據(jù)接口,實現(xiàn)與三維工藝、生產(chǎn)計劃以及物料等數(shù)據(jù)的交換；利用Excel工具可以轉(zhuǎn)換不同格式目標(biāo)文件的功能,實現(xiàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動下三維物流仿真模型的自動生成,建模過程如圖2所示。可以通過VBA(Visual Basic for Applications)格式或其他格式接口,將相關(guān)數(shù)據(jù)自動錄入?yún)?shù)化配置界面中,借助解析器生成批量控制和仿真控制文件,并通過仿真工具執(zhí)行上述文件,從而快速自動生成三維仿真模型。

圖2 仿真模型參數(shù)描述與邏輯建模

(2) 建立三維物流仿真模型,模擬加工設(shè)備、物料緩存區(qū)、物流設(shè)備等的運作狀態(tài),分析和發(fā)現(xiàn)物料阻塞、節(jié)拍不平衡、設(shè)備等待等問題。

(3) 進(jìn)行生產(chǎn)線平衡仿真分析,如圖3所示。將定義的工藝流程(工序的串并行關(guān)系)、每道工序的工時、安裝或加工的零部件、所需的資源及其料箱/料架信息添加到生產(chǎn)線平衡仿真分析功能中,輸入預(yù)定義的節(jié)拍信息(包含節(jié)拍時間、工作效率等),在定義單一工位的長寬、物料區(qū)的寬度等信息后,該實驗?zāi)軌蜃詣佑嬎愠龉に嚵鞒痰纳a(chǎn)線排布信息,即在生產(chǎn)線節(jié)拍、工藝流程、單一工位及物料區(qū)面積等諸多約束條件下,將工序合理地分配到生產(chǎn)線的工位上的計算。計算結(jié)果包括需要多少工位、每個工位的工序、每個工位需要的資源(主要指人、加工設(shè)備等)、每個工位的物料區(qū)所需放置的料箱/料架等信息。同時,也生成統(tǒng)計分析信息,如工位利用率、所需的總的資源數(shù)、生產(chǎn)線總面積、有效工作時間占比等信息,供學(xué)生在實驗過程中進(jìn)行分析。

圖3 生產(chǎn)線平衡分析過程

2 虛擬仿真實驗實現(xiàn)過程

2.1 車間布局三維建模

根據(jù)二維AutoCAD車間工藝布局圖、現(xiàn)場拍攝的設(shè)備外觀照片和參照圖片,以及相關(guān)的產(chǎn)品設(shè)計規(guī)劃文檔,建立三維天線裝配線制造資源數(shù)字模型,包括廠房、設(shè)備、工裝、物流工具、在制產(chǎn)品等。具體包括兩個步驟：

(1) 利用三維建模軟件對制造資源進(jìn)行三維數(shù)字建模。根據(jù)廠房的結(jié)構(gòu)尺寸、鋼結(jié)構(gòu)尺寸、現(xiàn)場調(diào)研照片等,用虛擬仿真軟件對生產(chǎn)線制造資源進(jìn)行快速三維建模(見圖4),包括對廠房主體結(jié)構(gòu)、梁柱、門窗、房頂衍架、行車、軌道、燈、輸送線等的建模,對設(shè)備、工裝、物流容器、標(biāo)識線、輸送線等生產(chǎn)資源的建模。

圖4 天線生產(chǎn)線三維數(shù)字模型

(2) 導(dǎo)入二維車間工藝布局AutoCAD圖,進(jìn)行生產(chǎn)線制造資源的定位。將平面位置圖保存成DXF文件,再導(dǎo)入三維建模軟件中,實現(xiàn)對制造資源的準(zhǔn)確定位,如圖5所示。

圖5 車間布局建模界面

2.2 產(chǎn)線及物流基礎(chǔ)數(shù)據(jù)收集與整理

收集生產(chǎn)計劃、工藝加工順序、機器設(shè)備、工裝種類、工藝參數(shù)、物流參數(shù)、車間生產(chǎn)布局等相關(guān)參數(shù)信息。其中工藝參數(shù)包括各工位的加工時間及準(zhǔn)備時間、操作員工數(shù)量等；物流參數(shù)應(yīng)該包括物流輔助設(shè)備的運行速度、分揀組件的時間、部分物料搬運的時間等；車間布局相關(guān)參數(shù)應(yīng)該包括工廠的占地面積等。

建模基礎(chǔ)數(shù)據(jù)主要包括：

(1) 生產(chǎn)線產(chǎn)能規(guī)劃及現(xiàn)狀：包括設(shè)備/工裝的生產(chǎn)能力、生產(chǎn)大綱等；

(2) 生產(chǎn)工藝：工藝流程、工藝邏輯等數(shù)據(jù)；

(3) 生產(chǎn)線緩沖區(qū)信息：設(shè)計人員提供各工位物料容器劃分、緩沖區(qū)的種類和數(shù)量；

(4) 生產(chǎn)線物料及物流信息：生產(chǎn)線物料分類及物流配送方式等；

(5) 生產(chǎn)調(diào)度規(guī)則：生產(chǎn)任務(wù)與生產(chǎn)資源的調(diào)度規(guī)則與相關(guān)經(jīng)驗。

通過對收集數(shù)據(jù)的整理,構(gòu)建典型天線裝配工位的物料打包信息表。

將物料打包信息表進(jìn)行處理,轉(zhuǎn)化成離散事件仿真軟件可識別的信息,主要包括物料存儲的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)、上下料位置(決策點)、物料對應(yīng)加工的工序等。

采用Excel建立工藝參數(shù)數(shù)據(jù),通過Excel表格進(jìn)行模型中生產(chǎn)對象(如Part、托盤、Buffer、工序等)的整理。用Excel整理后的數(shù)據(jù),通過Excel VBA編程與仿真軟件進(jìn)行批處理與參數(shù)化。通過VBA二次開發(fā),將相關(guān)工藝數(shù)據(jù)、物料數(shù)據(jù)、生產(chǎn)計劃數(shù)據(jù)等錄入到參數(shù)化配置界面中,并生成批量控制和仿真控制文件。仿真工具可以執(zhí)行上述文件,并快速自動生成三維仿真模型。

通過生產(chǎn)計劃對物料的上線、生產(chǎn)順序進(jìn)行模擬,根據(jù)物料的打包信息表和消耗時間順序,把物料的生成順序做成一個發(fā)貨順序,其中打包信息表中含有物料名稱、物料來源點、物料產(chǎn)生時間點、物料數(shù)量、物料到達(dá)檢測時間等5個信息。通過物料的打包信息表將物料信息參數(shù)化,將物料信息導(dǎo)入Quest仿真模型中,也方便修改發(fā)貨順序與仿真實驗同步。

通過VBA對Excel表格信息進(jìn)行編程,可以生成導(dǎo)入Quest軟件的數(shù)據(jù)文件,然后在Quest中建立工藝參數(shù)、物流參數(shù)、制造資源布局等的數(shù)據(jù)邏輯模型,包含生產(chǎn)計劃、資源模型、工藝參數(shù)、工藝邏輯、物流參數(shù)、仿真結(jié)果等內(nèi)容。

2.3 設(shè)計三維物流仿真模型

建立的物流仿真模型主要包括行車建模,地面平板車、AGV小車建模,生產(chǎn)設(shè)備用工位建模。每個工位由一個以緩沖區(qū)為模型的設(shè)備和一進(jìn)一出兩個決策點構(gòu)成。車間內(nèi)通過緩沖區(qū)組成線邊庫,其中有接收來自AGV小車的物料托盤(如在制品),并進(jìn)行分揀工作(按照工號進(jìn)行擺放)。廠房布局圖由AutoCAD中布局圖簡化后導(dǎo)入。

(1) 定義零件/物料。定義每個工位所需的不同關(guān)鍵物料,分別對應(yīng)不同的Part。

(2) 定義裝配工位設(shè)備。定義裝配工位設(shè)備模型,與鄰近兩個決策點連接為進(jìn)物料出半成品。

(3) 定義Buffer。Buffer為控制工序按期望進(jìn)行的重要環(huán)節(jié),重點在其Route Logic上。每個盛放關(guān)鍵物料的Buffer都具有一個自定的屬性Route_Flag作為出貨的標(biāo)志位,通過配合Process相應(yīng)的邏輯控制其按需輸出,以達(dá)到部分拉動式生產(chǎn)的目的。

(4) 定義工藝過程。一個工位對應(yīng)有多個工序,仿真中表現(xiàn)為一個工位上的Machine對應(yīng)多個相應(yīng)的Process。為保證多個Process按照順序依次進(jìn)行,對應(yīng)Machine的Process Logic需要設(shè)置為Precedence Process模式,并且每個Process需要設(shè)置其對應(yīng)的前置Process。根據(jù)產(chǎn)品加工過程的變化,對每個Process的輸入Parts與輸出Products進(jìn)行一定的設(shè)置。最后將Attached Popups與相應(yīng)的Logic進(jìn)行關(guān)聯(lián),以實現(xiàn)和Buffer配合控制工序的實施。另外,為便于Logic的實施,若當(dāng)前工位的第一個工序不需要吊裝物料,則需要設(shè)置一個處理時間為0的虛擬Process(dummy process),作為當(dāng)前真實第一工序的前置工序。

(5) 定義行車。行車的布置根據(jù)CAD圖上行車的位置而定,行車主要由決策點的設(shè)置來控制其運行,暫不牽涉邏輯編寫。

(6) 定義AGV小車。AGV線路鋪設(shè)如下,每個工位附近有一個橫跨彎道,一般情況有2個決策點：一個用于AGV卸貨至分揀區(qū)Buffer,另一個用于回收AGV托盤。為了模擬按調(diào)度策略定時配送相應(yīng)的物料到相應(yīng)的位置,AGV的裝卸貨需要使用Sub Resource的托盤,進(jìn)行組盤與拆盤。

2.4 物流仿真分析

采用預(yù)置的仿真參數(shù),學(xué)生對建立的物流仿真模型進(jìn)行仿真分析,根據(jù)選定的仿真方案輸出仿真結(jié)果。主要的分析結(jié)果包括：

(1) 在制品緩存區(qū)的設(shè)計、空間布置、最優(yōu)大小控制策略；

(2) 物流轉(zhuǎn)運策略的評估與優(yōu)化,包括行車的調(diào)度策略、物流配送模式、物流配送推/拉界面設(shè)計；

(3) 工位間能力平衡分析與改善；

(4) 缺件對生產(chǎn)線計劃、緩存區(qū)占用的影響分析。

3 實驗結(jié)果

天線裝配生產(chǎn)過程車間布局如圖6所示。以典型天線部件裝配為例,其物流設(shè)備包含1臺平板車(HLCC1)和3臺行車(STCC、STCC2和DPCC1),其中平板車負(fù)責(zé)將完成的物料運輸?shù)窖b配區(qū),3臺行車分別負(fù)責(zé)天線部件索網(wǎng)上線、片材的下料等工作。對裝配區(qū)4臺物流運輸工具的利用率進(jìn)行對比分析,結(jié)果如圖7所示。

圖6 車間布局仿真結(jié)果

圖7 物流運輸工具仿真實驗結(jié)果

學(xué)生根據(jù)仿真實驗結(jié)果可以看到：平板車的利用率較低,而3臺行車的利用率較高。這是由于平板車可以按工號,一次運輸多個工單的在制品；而3臺行車負(fù)責(zé)5條天線裝配線的上下料,起吊頻繁,因而利用率偏高。尤其是靠近預(yù)裝配區(qū)的行車DPCC1,已經(jīng)成為瓶頸資源,學(xué)生可以得出需要增加該處的行車和人員的結(jié)論。實驗結(jié)果還表明：卷料半成品緩存區(qū)和2個板料半成品緩存區(qū)的利用率已經(jīng)超過90%,其中板料半成品1緩存區(qū)的利用率已經(jīng)達(dá)到100%,引起物料的阻塞,這與教師給出的案例場景狀態(tài)相符。為了解決物料阻塞問題,應(yīng)該在現(xiàn)場各生產(chǎn)線周邊設(shè)置板料的臨時存放區(qū)。

學(xué)生根據(jù)工位BOM、生產(chǎn)計劃、物流配送等參數(shù)進(jìn)行仿真,得到初始生產(chǎn)計劃、物流配送方案下的工位利用率,可以看出工位之間利用率不平衡、產(chǎn)線節(jié)拍不合理,需要重新分配工位物料、調(diào)整工位的計劃。經(jīng)過仿真可以得到調(diào)整后的工位利用率如表1所示,可以看出產(chǎn)線運行得到了平衡。

表1 仿真得到的工位利用率和調(diào)整后的工位利用率結(jié)果對比 %

天線制造過程三維虛擬仿真實驗,要求學(xué)生通過改變天線裝配工藝和過程設(shè)計的關(guān)鍵參數(shù),完成不同參數(shù)下的天線裝配工藝仿真和物流仿真,能夠針對不同裝配生產(chǎn)過程中的異常問題提出有效的解決措施并予以驗證。虛擬制造過程仿真實驗通過生產(chǎn)過程的仿真操作和實驗過程的三維動態(tài)再現(xiàn),不但能活躍教學(xué)氣氛、提高天線制造過程仿真的教學(xué)效果,而且大大提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)效率,降低了教學(xué)成本。學(xué)生在虛擬環(huán)境中可以反復(fù)進(jìn)行生產(chǎn)過程的虛擬操作,很好地解決了因?qū)嶒炦^程中設(shè)備和生產(chǎn)環(huán)境不足的問題,使學(xué)生能夠“一人一機”地學(xué)習(xí)。

4 提高虛擬仿真教學(xué)效果的措施

為保證天線制造過程課程虛擬仿真教學(xué)效果,采用了以下一些措施：

(1) 針對實驗過程中設(shè)計的BOM分配不均衡問題,在實驗中要發(fā)現(xiàn)瓶頸工位,分析瓶頸產(chǎn)生的原因,給出解決方案,并自主修改實驗參數(shù),解決瓶頸問題,最終實現(xiàn)順暢的天線制造虛擬仿真。

(2) 針對生產(chǎn)計劃,設(shè)計一個批次產(chǎn)品的生產(chǎn)計劃、各工位用時、產(chǎn)線節(jié)拍、設(shè)備故障情況。學(xué)生在實驗過程中依據(jù)參數(shù)設(shè)置進(jìn)行實驗,如發(fā)現(xiàn)該產(chǎn)品在計劃時間內(nèi)不能完成,分析不能完成的原因(比如設(shè)備故障、節(jié)拍設(shè)置不合理),給出解決方案,并自主設(shè)計實驗,解決問題,實現(xiàn)仿真中的順暢生產(chǎn)的模擬。

(3) 學(xué)生通過產(chǎn)線節(jié)拍的虛擬仿真實驗,得到產(chǎn)線裝配一套天線產(chǎn)品的耗時并生成報表,作為產(chǎn)線調(diào)整的基礎(chǔ)。模擬車間內(nèi)物流的流轉(zhuǎn)情況,輸出物料流轉(zhuǎn)周期,作為物流調(diào)整的決策支持。學(xué)生通過仿真實驗操作,理解生產(chǎn)計劃、排產(chǎn)、資源配置等概念,了解產(chǎn)線的節(jié)拍、瓶頸及物料流轉(zhuǎn)的影響因素。

(4) 本實驗通過虛擬仿真環(huán)境指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行工藝規(guī)劃、物流分析,指導(dǎo)學(xué)生分析制造設(shè)備忙閑不均、設(shè)備整體利用率不高的問題；指導(dǎo)學(xué)生針對物料搬運手段多、搬運方式方法不規(guī)范等問題,在虛擬仿真實驗環(huán)境中設(shè)計更加合理、有效的搬運規(guī)劃,并進(jìn)行量化評估,有效節(jié)省人力、物力。通過演示視頻,使學(xué)生在虛擬仿真環(huán)境了解整個天線裝配生產(chǎn)過程、物流情況,減少物理裝備的使用,同時更新方便,適應(yīng)技術(shù)的發(fā)展。

5 結(jié)語

本實驗在天線制造過程教學(xué)中意義在于：

(1) 在天線復(fù)雜機電裝備制造相關(guān)專業(yè)課程的教學(xué)中,虛擬仿真實驗?zāi)軌虬烟炀€裝備(特別是大型天線)制造過程生動形象地式呈現(xiàn)出來,使學(xué)生加深對典型天線復(fù)雜機電裝備的理解,提高動手能力,是對實驗教學(xué)和理論教學(xué)的有效補充和拓展。

(2) 通過典型天線復(fù)雜機電裝備虛擬制造仿真實驗,可以補充和豐富理論教學(xué)內(nèi)容,并可擴展到天線結(jié)構(gòu)設(shè)計、測試等領(lǐng)域,具有覆蓋學(xué)科、專業(yè)多,實踐性強等特點,幫助學(xué)生熟悉電子裝配產(chǎn)品的設(shè)計生產(chǎn)過程,并指導(dǎo)學(xué)生通過仿真手段分析設(shè)計和生產(chǎn)管理問題,開拓學(xué)生的學(xué)習(xí)思路,指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行多種設(shè)計、裝配及生產(chǎn)計劃方案設(shè)計和驗證,通過虛擬仿真對特定參數(shù)進(jìn)行可量化的對比,全面提升學(xué)生的實驗?zāi)芰蛯嵺`能力。

(3) 解決了實驗教學(xué)過程中存在實驗周期長、成本高、實際操作復(fù)雜度高、對實驗環(huán)境要求苛刻、存在安全隱患以及能源和實驗材料消耗大的問題。