基于數字化的工藝布局設計研究

王 亮，劉國正

(大連科技學院 機制教研室，遼寧 大連 116052)

針對二維或三維模型，采用數字化的工藝布局設計，使工廠的建設更加高效，智能布局具備可視化優勢.專業設計或專業技術人員可根據現場狀況，通過標準模型或實踐性設計，展現區域或整體的布局優化方案，使動態模型更直觀、準確地展示出來，體現可視化并行工程設計的優勢[1].

1 現代工廠工藝布局的仿真設計

現代工廠工藝布局要求設計過程做到既好又快，注重效率；同時要求虛擬建立工藝布局所需的相關模型，且模型應可調、可仿真，以適應不同狀態的布局要求[2].

通過對實際生產過程中人員、設備、物料、環境等因素的虛擬設定，最大限度地平衡理論設計和實際問題的沖突，并根據參數用盡可能短的時間進行校驗.建立較為完備的信息存儲及交換系統，同時使用2D/3D 模型，以獲得良好的數據模型.對運行成本及相關物料、設備的使用率進行有針對性的評估，使整體工藝布局設計進程大為提升，工廠建設更為客觀合理，并發現前期建設中存在的實際問題[3].進一步完善相關能力指標，如區域承載能力、空間使用效率、物資流動速率等[4].

通過仿真設計能夠建立完整的三維工廠模型，估算模型成本，提供離散的事件仿真模型，實現二維設計與三維設計的轉換[5].

仿真設計的數字化生產線如圖1所示.

圖1 仿真設計的數字化生產線

2 現代工廠工藝布局的功能分析

2.1 強大的模型庫及二次開發功能

針對不同企業要求的現場定置管理標準，結合實際生產過程，可采用完備的模型庫方案.對標準的 2D 特征如線、弧和圓等，采用工藝布局設計能夠進行精確的模型規劃，快速建立 2D/3D 模型[6].同時，它具有強大的二次開發能力，用戶可定制符合自身要求的設備模型、設備符號等(圖2)，納入統一的仿真設計模型庫，進行管理、查詢和引用.

圖2 物料存儲的設備模型

2.2 精確的工具模型——輸送機

以工業現場比較常用的滾筒式輸送機(圖3)為例，在虛擬設計階段能夠進行幾乎所有參數的調節，如上升高度、寬度和長度等，并且有直的、彎曲的、分散的和集中的等多種形式；同時能夠非常便捷地實現虛擬拆卸和組裝.采用獨立系統支持相對獨立的 2D、3D 視圖和已渲染視圖，并可根據指定的運動方向進行輸送整體或局部的操作.同時對于其他輔件，如架子、懸掛裝置和惰輪等可進行說明，并進行動力參數和位置的選擇[7].

圖3 滾筒輸送機模型

數字化設計的帶式輸送機(圖4)由雙軌、三軌轉換輸送機和轉換工作臺等部件組成，具有V型帶、直線拖動和板條裝備等驅動模式，可進行中心樞軸和末端樞軸的工作臺轉換.用戶可在電氣、電動球、液壓等方式中根據工業現場要求進行選擇，也可加裝橫穿走廊、底部轉換裝置、輪胎滾筒及高架有軌輸送機(圖5)，并能進行單軌的節點連接.采用數字化方式，可定義輸送機的上升高度、軌道尺寸、水平、垂直、傾斜度，也可進行夾具功能及繩索的收合定義.

圖4 帶式輸送機模型

圖5 高架有軌輸送機模型

2.3 空間分析功能

工藝布局的空間分析主要針對生產物料架、周轉箱及相關地面工具等，采用數據庫或電子表格輸入相關承載工具的基本信息，同時設定生產物資擺放要求及裝配過程，就可建立生產物料的基本空間需求.生產地面使用狀況表包含：空間使用情況；陰影面積及標簽確認；走廊和設備、工具占用空間報告(圖6)；設備使用狀況等[8].

圖6 工具占用空間報告示意圖

2.4 數據庫及數據接口

采用 Access 或者 Oracle 進行定義，使設備相關信息與 CAD 模型之間形成關聯，并形成動力需求分析報告等表單，使其具有識別其他文件格式的能力.利用ASCII 形式的文件對工藝過程的制造信息和位置信息進行描述.使用 SDX 文件格式進行智能工廠模型與數字化場景模型之間的模擬鏈接，并利用已形成的中間文件格式展示模擬工廠的工藝布局狀態.通過數據庫及數據接口，能夠對初期的工廠工藝布局進行完善和細化，識別相關的工藝過程或工藝裝備，包括加工過程、緩沖作業以及安全通道、高架通道、高架 EMS、升降機等[9].

3 現代工廠工藝布局的優化

現代工廠工藝布局的優化采用系統化、標準化、精細化的分析方案，主要以生產物料、運輸設備和物體存貯的具體需求帶動整體工藝主線的優化[10].

優化過程以生產物料為載體，注重分析、衡量、改進，以確認方案的優劣.通過生產物料流動過程的串接展現工藝流程、物料路徑和安全生產狀況，從而建立具有針對性的生產活動方案及其評估再評估體系.專業技術人員利用信息數字化手段，可以輕易地識別工藝過程、關鍵節點以及危險控制對象.同時，其可視化輸出方案使非專業技術人員也能夠進行常識性方案的鑒別[11].

在產品宏觀裝配(層次結構)中建立物料的路徑及屬性信息，可顯示或編輯裝配流程圖，并能進行增刪、修改及缺省設置.

合理有效地計算距離、成本、移動次數和取放物體的時間，可進行各種條件下的工藝布局優化.通過優化，生產物料及相關設備的屬性信息能夠在裝配層次結構中得到具體體現，同時可在工作區域設置工作活動點，并以工作點串接工作目標.顏色標識用以區分物料及其種類、相關取放設備、操作人員及路徑通道等，并可用于根據顏色深度進行的相關參數計算[12].通道功能能夠對物料實際流轉路徑產生指示作用，通過估算生產物料的相關流動參數，對流量較大的區域進行識別，進而調節通道的擁塞狀況，增強其運輸承載能力[13].對比工藝布局的相關屬性和數據信息，采用點到點的流程圖方案形成最初的工藝布局圖，并利用物流仿真設計，根據物料架和周轉箱的相關屬性識別信息及具體執行的工藝流程，可制定生產物料自動組裝的技術方案.經過工藝布局優化的流水作業模型如圖7所示.

圖7 經過工藝布局優化的流水作業模型

建立廠房空間利用狀態報告，并以陰影和標簽對相關生產物料或生產區域如通道、設備和工位器具等在某一生產時刻的使用率或利用率進行標識[14].通過生產庫存需求報告及物料運輸能力評估，確保路徑最優.針對局部區域(生產班組)形成材料需求報告及設備清單，使設備、庫房、活動區域和通道等空間環境得以確認，以形成最佳的作業路徑布局[15].

4 數字化工藝布局的應用

數字化工藝布局利用生產實際仿真技術及信息化技術，從現場定置管理、工藝作業標準及質量控制入手，合理有效地對工藝系統進行布局，增強其可溝通性，減少分析與調整時間、工程浪費，降低開發成本[16].數字化工藝布局使企業管理人員能夠快速準確地評估產品的工藝流程.從工程設計角度而言，它降低了工程冗余，使得布局質量明顯提升，無論是整體性還是局部性設計都更加貼近實際狀況，更有利于工程評估[17].模擬的汽車生產線如圖8所示.

圖8 模擬的汽車生產線

現代工廠工藝布局優化過程中的一些質量因子如噪音、灰塵、復雜設備以及物料密度等，可根據關聯關系進行優化，使整體生產活動關系形成圖表框架，以展現更貼合實際的布局模式[18].通過啟用密度數據設計過程，體現最優且最接近實際生產活動的塊狀布置圖，能夠獲得最優的算法平衡[19].

生產物料的特征表述功能如下：基于物料傳輸的路徑及使用頻率；基于特定任務的特征對話；實際生產重要度和工作區邊界位置估算；由重力關系、物料密度產生的能力分析；結合實際生成的布局優先選項，根據輸入特征進行優化，得到最佳的設計方案；結合生產區域管理情況和重點需求信息、規定的運算法則，通過優化設計得到最佳的布局方案；結合OPT，通過自動完善產生初期的布局配置；通過物料關聯建立聚合體系，產生精細化工藝作業過程；建立健全評估設置體系，產生協作設計和優化評估方案[20].通過這些功能設計布局機構，能夠減少布局設計工作量及調試成本，提高工藝布局的效率[21].

5 結束語

現代工廠數字化工藝布局設計能夠有效地提升企業的核心競爭力，節約設計初期的技術成本和人力成本，減少工程冗余，淘汰缺乏技術合理性的解決方案，改善協作方之間的溝通與信任狀況.同時，它能夠從大量合理的方案比對中找出更優、更具針對性、更有潛力的設計方案，提升企業的管理水平.