汽車底盤裝配線運(yùn)行參數(shù)仿真分析與優(yōu)化*

肖海寧，秦德金，周臨震，武 星，翟晶晶

(1. 鹽城工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 鹽城 224051；2. 南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，南京 210016)

0 引言

總裝車間是新能源汽車制造的四大工藝車間之一，主要由車身儲(chǔ)運(yùn)線、內(nèi)飾裝配線、底盤裝配線等主線[1]及相應(yīng)的物料輸送輔線[2]組成。如何優(yōu)化各線運(yùn)行參數(shù)實(shí)現(xiàn)規(guī)劃產(chǎn)能是當(dāng)前總裝車間規(guī)劃設(shè)計(jì)的一大難題[3]。然而，目前總裝車間的運(yùn)行參數(shù)往往以經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)為主，導(dǎo)致實(shí)際產(chǎn)能與規(guī)劃相差較大，極易出現(xiàn)產(chǎn)能不足或資源浪費(fèi)現(xiàn)象。近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)虛擬建模仿真技術(shù)的發(fā)展，為總裝車間運(yùn)行參數(shù)的分析與優(yōu)化提供了極大的可能[4]。

Plant Simulation 軟件是一款面向?qū)ο蟮目梢暬锪鞣抡孳浖詭Т罅康奈锪髟O(shè)備和生產(chǎn)單元模型庫(kù)，并通過(guò)內(nèi)嵌的Simtalk 語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)對(duì)各對(duì)象及過(guò)程的精細(xì)化控制，準(zhǔn)確模擬生產(chǎn)線的運(yùn)行過(guò)程，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)線運(yùn)行狀態(tài)和效率的預(yù)測(cè)和分析[5]。近年來(lái)，已有不少研究人員應(yīng)用該軟件實(shí)現(xiàn)了對(duì)多種復(fù)雜制造系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)或性能分析。如：林巨廣等[6]利用該軟構(gòu)建了汽車側(cè)圍焊裝線仿真模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)焊裝線產(chǎn)能及瓶頸工位的分析。李巖等[7]以某型號(hào)導(dǎo)彈產(chǎn)線為研究對(duì)象，利用該軟件實(shí)現(xiàn)了對(duì)工位分配、產(chǎn)能平衡等問(wèn)題的研究。童小英等[8]借助該軟件研究了城市軌道車輛混流裝配線排產(chǎn)問(wèn)題。陳杰等[9]以柴油機(jī)缸體生產(chǎn)線為例，提出了一種結(jié)合遺傳算法和仿真技術(shù)的緩存區(qū)容量?jī)?yōu)化方法。李慧等[10]針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片機(jī)加生產(chǎn)線，建立了基于Plant Simulation的仿真模型，從產(chǎn)能、設(shè)備利用率、緩存區(qū)設(shè)置等方面進(jìn)行產(chǎn)線性能分析，并依此提出了優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。肖海寧等[11-12]應(yīng)用該軟件研究了FMS應(yīng)用環(huán)境下的AGVS交通管理、任務(wù)調(diào)度及路徑網(wǎng)絡(luò)集成設(shè)計(jì)問(wèn)題，取得了較好的研究效果。然而，設(shè)備故障在實(shí)際生產(chǎn)中是無(wú)法避免的，但以上研究均未考慮設(shè)備故障對(duì)生產(chǎn)線開動(dòng)率、產(chǎn)能等性能指標(biāo)的影響，也未依此對(duì)生產(chǎn)線的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行必要的調(diào)整優(yōu)化。

針對(duì)這一現(xiàn)狀，本文以處于規(guī)劃階段的某新能源汽車底盤裝配輸送線為研究對(duì)象，首先根據(jù)其工作原理及運(yùn)行流程，采用Plant Simulation軟件構(gòu)建其仿真模型；其次，通過(guò)仿真模型，考慮相關(guān)設(shè)備故障信息對(duì)產(chǎn)能、開動(dòng)率等性能的影響，對(duì)某公司規(guī)劃部門提供的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行性能評(píng)估；最后，針對(duì)評(píng)估中發(fā)現(xiàn)的因預(yù)估開動(dòng)率過(guò)高導(dǎo)致實(shí)際產(chǎn)能不足的問(wèn)題，對(duì)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。

1 新能源汽車底盤裝配輸送線及其仿真模型的構(gòu)建

1.1 底盤裝配輸送線簡(jiǎn)介

底盤裝配線主要完成對(duì)變速器、輪胎、前/后懸等部件的裝配。以某新能源汽車底盤裝配線為例，其布局如圖1所示，由2個(gè)工藝段(B-C,D-E)及4個(gè)快速輸送段(A-B,C-D,E-F,F-A)組成。

圖1 某新能源汽車底盤裝配輸送線布局

該裝配線采用懸掛輸送技術(shù)，通過(guò)電動(dòng)單軌系統(tǒng)(Electric Monorail System，EMS)小車將車身輸送至各工位。輸送流程簡(jiǎn)述如下：空置EMS小車?？坑贏點(diǎn)，待上線升降機(jī)將內(nèi)飾線送達(dá)的車身轉(zhuǎn)接其中后，高速駛至B點(diǎn)。之后，EMS小車以工藝段速度通過(guò)各工位，直至C點(diǎn)后再高速運(yùn)行，并于D點(diǎn)再以工藝段速度運(yùn)行至E點(diǎn)，再高速駛至F點(diǎn)等待。直至下線升降機(jī)將車身轉(zhuǎn)接至最終裝配線。空置EMS小車再以高速駛至A點(diǎn)，進(jìn)入下一輪循環(huán)。該底盤裝配線的規(guī)劃產(chǎn)能Pp為60 000輛/年，按照該產(chǎn)能需求，某公司規(guī)劃部門按照經(jīng)驗(yàn)預(yù)估開動(dòng)率ηp為90%，依此確定了裝配線運(yùn)行參數(shù)。然而，由于實(shí)際開動(dòng)率ηs受所有設(shè)備故障信息的影響，難與預(yù)估開動(dòng)率ηp一致，甚至多數(shù)情況下差異較大，導(dǎo)致實(shí)際產(chǎn)能與規(guī)劃相差甚遠(yuǎn)，需要借助仿真對(duì)運(yùn)行參數(shù)分析及優(yōu)化。

1.2 底盤裝配輸送線仿真模型的構(gòu)建

在生產(chǎn)線仿真中，建模的恰當(dāng)與否直接決定仿真系統(tǒng)可信度。底盤裝配輸送線中主要有軌道、上/下線升降機(jī)、EMS小車等設(shè)施及物流設(shè)備，需要根據(jù)其運(yùn)行特性，在Plant Simulation中選擇合適的對(duì)象模擬其運(yùn)行過(guò)程，各物流設(shè)備的運(yùn)行特性及選擇的仿真對(duì)象介紹如下。

(1)軌道

軌道是底盤裝配輸送線的基礎(chǔ)設(shè)備，它直觀地顯示了EMS小車的運(yùn)行路徑，因此，對(duì)軌道的建模應(yīng)真實(shí)反映軌道的尺寸、半徑、位置等信息。在Plant Simulation中，可以表示軌道的對(duì)象有 Line 和 Track兩種，分別對(duì)應(yīng)有動(dòng)力和無(wú)動(dòng)力軌道。因此，采用Track對(duì)象表示軌道，并根據(jù)EMS小車運(yùn)行流程合理分配各區(qū)段軌道長(zhǎng)度，以減少后續(xù)編程工作。

(2)上/下線升降機(jī)

上/下線升降機(jī)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)車身的升降，還需要與底盤線EMS小車、內(nèi)飾線滑板或最終線隨行機(jī)對(duì)接。在Plant Simulation中沒有直接能夠模擬該類升降機(jī)的對(duì)象，本文采用Line對(duì)象與Container的組合模擬升降機(jī)的升降功能，并根據(jù)升降機(jī)高低限位設(shè)置對(duì)應(yīng)的傳感器(Sensor),通過(guò)傳感器觸發(fā)Method程序?qū)崿F(xiàn)車身進(jìn)出升降機(jī)的功能。升降機(jī)與其他設(shè)備的對(duì)接時(shí)間及車身進(jìn)出升降機(jī)的時(shí)間以軟件延遲時(shí)間替代。

(3)EMS小車

EMS小車不僅能夠自主在軌道上滑行，而且能夠?qū)崿F(xiàn)車身的升降。針對(duì)這一特性，本文采用Transporter對(duì)象表示EMS小車，而且Transporter對(duì)象只能模擬EMS小車沿軌道的滑行，車身的升降功能無(wú)法直接模擬。因此，本文在軌道(Track對(duì)象)需要升降車身的位置添加傳感器(Sensor)，通過(guò)傳感器觸發(fā)Method軟件延時(shí)表示車身升降時(shí)間TD，TD的計(jì)算公式如下：

(1)

式中,HS為車身升降距離；aH為車身升降加速度；VH為車身最大升降速度。

根據(jù)圖1的底盤裝配線布局，最終構(gòu)建的仿真模型如圖2所示。

圖2 某新能源汽車底盤裝配線仿真模型

2 新能源汽車底盤裝配線仿真分析

2.1 底盤裝配線運(yùn)行參數(shù)及仿真目的

該底盤裝配線的規(guī)劃產(chǎn)能Pp為60 000輛/年，按照該產(chǎn)能需求，某公司規(guī)劃部門按照經(jīng)驗(yàn)預(yù)估開動(dòng)率ηp為90%，依此確定了生產(chǎn)節(jié)拍、EMS小車工藝段速度、最佳EMS小車數(shù)等運(yùn)行參數(shù)，各參數(shù)含義、理論計(jì)算公式及規(guī)劃部門給定值分別介紹如下：

(1)生產(chǎn)節(jié)拍T

T為每輛車在各個(gè)工位裝配時(shí)長(zhǎng)，單位為s。理論公式為：

(2)

式中，Pp為年規(guī)劃產(chǎn)能，為60 000輛/年；D為年工作基數(shù)，規(guī)劃為250天/年；H為每天有效作業(yè)時(shí)間，規(guī)劃為8小時(shí)/天；ηp為裝配線預(yù)估開動(dòng)率，規(guī)劃部門預(yù)估為90%。按照以上參數(shù)，規(guī)劃部門確定的生產(chǎn)節(jié)拍為108 s。

(2)工藝段速度V

V是EMS小車在工藝段的移動(dòng)速度，其計(jì)算公式如下：

(3)

式中，L為工位間距，該線的工位間距為6.3 m；T為生產(chǎn)節(jié)拍。因此，規(guī)劃部門確定的工藝段速度為0.058 33 m/s。

(3)線體滿足生產(chǎn)節(jié)拍所需的最少EMS小車數(shù)Nmin

線體中的EMS小車數(shù)過(guò)少，將難以保證車身輸送的連續(xù)性，無(wú)法達(dá)到規(guī)劃的生產(chǎn)節(jié)拍和產(chǎn)能，Nmin的理論計(jì)算公式如下：

(4)

(4)線體最佳EMS小車數(shù)Nbest

為了保證車身輸送的連續(xù)性，系統(tǒng)中的EMS小車數(shù)不得少于Nmin，多投入的EMS小車用于快速輸送段的緩沖，以減少個(gè)別設(shè)備臨時(shí)故障對(duì)工藝段造成影響。規(guī)劃部門估算的Nbest范圍為62～70。

如式(2)所示，底盤裝配線預(yù)估開動(dòng)率ηp是決定生產(chǎn)節(jié)拍的關(guān)鍵因素之一，而生產(chǎn)節(jié)拍直接影響其他運(yùn)行參數(shù)。然而，裝配線的實(shí)際開動(dòng)率ηS受所有設(shè)備故障信息的影響，難與ηp一致。甚至在多數(shù)情況下差異較大，導(dǎo)致實(shí)際產(chǎn)能與規(guī)劃相差甚遠(yuǎn)，最終出現(xiàn)產(chǎn)能不足或資源浪費(fèi)現(xiàn)象。因此，該裝配線仿真主要關(guān)注3個(gè)方面:

(1) 根據(jù)設(shè)備故障信息，通過(guò)仿真模型，確定系統(tǒng)在該運(yùn)行參數(shù)下的實(shí)際開動(dòng)率。

(2) 某公司規(guī)劃部門提供的運(yùn)行參數(shù)能否實(shí)現(xiàn)規(guī)劃產(chǎn)能？

(3) 確定最佳EMS小車數(shù)Nbest。

2.2 仿真實(shí)施及仿真結(jié)果分析

由于裝配線的實(shí)際開動(dòng)率ηS受所有設(shè)備故障信息的影響，因此，在仿真前，需要首先設(shè)置相關(guān)設(shè)備的故障信息。在Plant Simulation中，需設(shè)置設(shè)備可用性ω及設(shè)備可靠性指標(biāo)MTTR。該裝配線中所有設(shè)備的故障信息如表1所示，其中，設(shè)備可用性ω的計(jì)算公式為：

(5)

式中，MTTR(Mean Time To Failure)為設(shè)備平均無(wú)故障時(shí)間；MTTR(Mean Time To Repair)為設(shè)備平均故障恢復(fù)時(shí)間。

表1 設(shè)備故障信息

首先分析該生產(chǎn)線連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的實(shí)際開動(dòng)率及產(chǎn)能指標(biāo)。按照之前給定的年工作基數(shù)和單日有效作業(yè)時(shí)間，該線每年需運(yùn)行2000 h。因此，為了保證統(tǒng)計(jì)的指標(biāo)是在生產(chǎn)線穩(wěn)定狀態(tài)下的輸出，首先讓仿真模型運(yùn)行2000 h，此時(shí)系統(tǒng)已達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，記錄此刻系統(tǒng)的產(chǎn)量。再記錄仿真模型運(yùn)行22 000 h的產(chǎn)量，兩者差值即為底盤線10年的產(chǎn)量。進(jìn)而統(tǒng)計(jì)底盤線10年的實(shí)際開動(dòng)率ηs及年平均產(chǎn)能Ps，系統(tǒng)在不同EMS小車數(shù)下的仿真結(jié)果如表2所示，表中：Eη為ηp與ηs的偏差率，計(jì)算公式為：

(6)

表2 仿真結(jié)果

如表2所示，當(dāng)EMS數(shù)量低于Nmin時(shí)，隨著EMS數(shù)量的增加，開動(dòng)率上升較明顯；但當(dāng)EMS數(shù)量多于Nmin時(shí)，隨著EMS數(shù)量的增多，開動(dòng)率提升幅度較?。挥绕涫钱?dāng)EMS數(shù)量多于62時(shí)，開動(dòng)率的提升幅度幾乎可以忽略；因此，建議投入系統(tǒng)的EMS小車數(shù)在62～66臺(tái)，此時(shí)，仿真系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)的實(shí)際開動(dòng)率為86.3%，低于規(guī)劃部門預(yù)估的90.0%的開動(dòng)率，實(shí)際產(chǎn)能約為57 558.6輛/年，達(dá)不到60 000/年的規(guī)劃產(chǎn)能，有必要降低預(yù)估開動(dòng)率，從而優(yōu)化生產(chǎn)節(jié)拍、工藝段速度等運(yùn)行參數(shù)，實(shí)現(xiàn)規(guī)劃產(chǎn)能。

3 新能源汽車底盤裝配線仿真優(yōu)化

由于底盤裝配線預(yù)估開動(dòng)率(ηp)是設(shè)計(jì)系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)的主要依據(jù)，直接影響生產(chǎn)節(jié)拍、工藝段速度和最少EMS小車數(shù)。因此，為了提高規(guī)劃產(chǎn)能與實(shí)際產(chǎn)能的一致性, 有必要在實(shí)際開動(dòng)率ηs可能的區(qū)間內(nèi)設(shè)置一定的預(yù)估開動(dòng)率(ηp)試探值。通過(guò)式(2)～式(4)計(jì)算各試探值對(duì)應(yīng)的生產(chǎn)節(jié)拍、工藝段速度和最少EMS小車數(shù)。借助仿真模型，統(tǒng)計(jì)各預(yù)估開動(dòng)率(ηp)試探值對(duì)應(yīng)的實(shí)際產(chǎn)能、實(shí)際開動(dòng)率等指標(biāo)。通過(guò)分析確定最佳的預(yù)估開動(dòng)率及運(yùn)行參數(shù)。由表2所示，當(dāng)EMS小車數(shù)為64時(shí)，實(shí)際開動(dòng)率在86.3%左右。因此，將實(shí)際開動(dòng)率的區(qū)間設(shè)置為[85.5%,87.0%],設(shè)置的預(yù)估開動(dòng)率試探值及相應(yīng)的運(yùn)行參數(shù)如表3所示，對(duì)應(yīng)的實(shí)際產(chǎn)能和Eη如圖3所示。

表3 各預(yù)估開動(dòng)率(ηp)試探值對(duì)應(yīng)的運(yùn)行參數(shù)

如圖3所示，當(dāng)Eη小于0時(shí)，由于預(yù)估開動(dòng)率低于實(shí)際開動(dòng)率，使得實(shí)際產(chǎn)能高于規(guī)劃產(chǎn)能。反之，則實(shí)際產(chǎn)能低于規(guī)劃產(chǎn)能。另外，Eη越接近0，則實(shí)際產(chǎn)能越接近規(guī)劃產(chǎn)能。為了在保證規(guī)劃產(chǎn)能的基礎(chǔ)上，最大限度地減少庫(kù)存，選用預(yù)估開動(dòng)率為86.1%時(shí)的參數(shù)為優(yōu)化后的運(yùn)行參數(shù)。此時(shí)，統(tǒng)計(jì)的實(shí)際開動(dòng)率為86.4%，實(shí)際產(chǎn)能為600 175.5。與優(yōu)化前相比，預(yù)估產(chǎn)能與實(shí)際產(chǎn)能的偏差率降低了約4%，產(chǎn)能提升了2617輛/年，占規(guī)劃產(chǎn)能的4.36%。優(yōu)化后的運(yùn)行參數(shù)既保證了規(guī)劃產(chǎn)能，又避免了因庫(kù)存積壓造成浪費(fèi)。

圖3 預(yù)估開動(dòng)率試探值對(duì)應(yīng)的實(shí)際年產(chǎn)能和Eη

4 結(jié)束語(yǔ)

本文應(yīng)用Plant Simulation 建立了某新能源汽車底盤裝配線仿真模型。應(yīng)用該仿真模型，在考慮設(shè)備故障影響的基礎(chǔ)上，對(duì)某公司規(guī)劃部門提供的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行性能評(píng)估。針對(duì)實(shí)際產(chǎn)能達(dá)不到規(guī)劃產(chǎn)能的問(wèn)題，對(duì)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，優(yōu)化后的產(chǎn)能提升了4.36%，提高了實(shí)際產(chǎn)能與規(guī)劃產(chǎn)能的一致性。該研究可為類似產(chǎn)線的性能分析與優(yōu)化提供參考，具有較好的工程應(yīng)用價(jià)值。