剎車盤柔性制造生產線的仿真優化

侯鵬,廖映華,劉福華

(1.四川輕化工大學機械工程學院，四川宜賓 644000；2.四川省移動終端結構件全制程先進制造技術工程研究中心，四川宜賓 644000；3.宜賓職業技術學院，四川宜賓 644000)

0 前言

隨著“工業4.0”“中國制造2025”與“數字化生產”的提出，企業逐漸開始重視生產線的智能化、數字化水平，并且開始著手車間生產線的數字化升級與改造。如何快速、準確地設計一條全新的生產線或對已有生產線進行升級改進以滿足新產品制造的需求，是生產企業需要面對的一個重要問題。尤其是在規劃設計階段，中小型企業往往缺乏車間生產線規劃設計的實踐經驗，投入了大量的時間和資金成本對生產線進行布局規劃、工藝流程設計、系統控制策略設計等，結果卻不理想。同時，存在生產線調試耗時長、機器人位姿軌跡規劃困難、對操作水平要求較高的問題，這些問題對企業提出了巨大的考驗。因此，如何在規劃、調試階段對生產線進行有效的設計或升級改進，優化生產流程，縮短生產線搭建時間，成為亟待解決的問題。

對此，國內外學者進行了大量的研究。Saint Loui大學開發了基于虛擬仿真技術的食品壓縮輸送線的設計系統，以實現對食品壓縮輸送線的布局進行優化評估，并獲得了良好的經濟效益[1]。QUYEN等[2]針對鞋類公司縫紉線生產線平衡問題，提出了動態規劃算法，求解最優解來解決資源受限的生產線平衡問題。韓雪等人[3]根據ECRS原則對裝配線的瓶頸工序進行改善，用Plant Simulation仿真軟件對裝配線改善前后進行對比分析，結果表明：優化后的裝配線節拍降低，提高了日最大產能和平衡率。靳舒琪[4]定義了H-OOPN理論模型到Plant Simulation仿真模型的映射規則，制定了仿真控制器并分析了仿真結果，驗證了優化方案的合理性和有效性。李慧等人[5]對航空發動機葉片機械加工生產線進行了仿真分析與優化，達到了節約投資成本和縮短設計周期的目的。但是，對于一些企業迫待解決的問題，上述研究仍然未給出解決辦法，例如如何選擇最適用的生產線優化方式、如何避免生產加工過程中的碰撞干涉、如何有效縮短生產線規劃調試耗時。

針對上述問題，本文作者以剎車盤柔性制造生產線為對象，建立具有制造過程仿真、工藝流程優化、機器人軌跡規劃和碰撞檢測的生產線仿真模型。對工藝流程優化和平衡優化2種方式下生產線的產能、設備利用率、生產節拍等進行對比和分析，提出2種生產線優化方式的選擇建議；優化機器人運動軌跡與生產線碰撞檢測，避免生產過程的不合理情況及碰撞干涉；對該生產線進行建模、仿真、試驗，縮短生產線規劃、調試和物流耗時。

1 剎車盤柔性制造生產線建模與渲染

1.1 車間生產線布局

剎車盤柔性制造生產線主要設備包括：CK3050數控車床、VMC655H數控加工中心、機器人、物料臺、輥道輸送機等，主要完成盤類零件的車削、鉆孔和鏜孔加工。車間布局如圖1所示。

圖1 車間布局

1.2 生產線建模與渲染

根據物理車間生產線布局搭建生產線虛擬模型，在SolidWorks中分別對生產線相關設備進行三維建模。在零件模塊建模完成后，根據零件的幾何空間約束關系，對零件進行部件裝配。為便于管理與運動編程，將各部件裝配成有層次的整體設備模型。為保證虛擬模型的真實性，使用1∶1的比例搭建剎車盤柔性制造生產線三維模型，如圖2所示。

圖2 生產線虛擬模型

在SolidWorks中完成建模后，將模型文件以.wrl格式導入到CINEMA 4D環境中，進行貼圖、材質渲染與坐標變換。為增添虛擬模型的真實感和沉浸感，通過各種類型的貼圖，表現出物理真實實體的顏色、質地和紋理等特征，描述物理真實對象周圍的環境和光線效果。操作如下：添加sky；添加light；添加材質球(包括color、reflection、specular等參數)；表面貼圖；渲染設置。同樣，為保證渲染效率以及減少計算機性能消耗，生產線部分內部不可見零件(如液壓缸等)不進行渲染，渲染效果如圖3所示。

圖3 虛擬模型渲染效果

1.3 生產線Unity 3D運動建模

虛擬模型在CINEMA 4D渲染完成后，以Unity 3D最兼容的.fbx格式導出，選擇單位為cm。導出完成后，將.fbx模型拖拽至Unity 3D完成模型導入。

生產線設備運動行為視覺上主要分為：移動副、轉動副、彈性形變(防塵罩)、復雜運動(拖鏈)。調用Unity 3D腳本中Rigidbody、Transform類下的Translate()、MoveTowards()、Rotate()、AddForce()等函數，可滿足運動部件的移動、旋轉等基本運動需求。采用面向對象的模塊化技術對生產線設備主要運動模塊進行運動編程。

2 生產線運動仿真

2.1 生產線工藝流程

剎車盤柔性制造生產線主要完成盤類零件的車削、鉆孔和鏜孔加工。首先在數控車床對工件(毛坯)一端粗車，然后機器人下料到物料臺，手動翻轉工件，換另一端在數控車床粗車；粗車后工件進入加工中心進行鉆孔和鏜孔加工，完成后下料到物料臺，翻轉工件，再進入數控車床精車(精車同樣也需要對兩端分別加工)。剎車盤柔性制造生產線連續運行模式如表1所示[8]。

表1 剎車盤柔性制造生產線連續運行模式

2.2 生產線的控制流程

工件(毛坯)經輥道輸送機到達物料臺，由機器人抓取進入數控車床、加工中心等加工單元和料倉。機器人上料數控車床和加工中心前，工控機需要判斷此時加工單元是否準備妥當，若不滿足加工條件，則需準備相應條件，如：刀具換刀、切換加工程序等。加工中心加工完成后，呼叫機器人，機器人下料至料倉，至此完成一次生產流程。下料完成，再準備開始下一次的加工，控制流程如圖4所示。

圖4 生產線控制流程

2.3 虛擬仿真模型建立

根據生產線控制流程，將生產線機器人和加工中心、數控車床等設備主要運動模塊通過Unity 3D腳本串聯起來，以動態模擬生產線運行。建立生產線虛擬仿真模型，實現生產線制造過程仿真，如圖5所示。

圖5 生產線制造過程仿真

生產線虛擬仿真模型可直觀展示出生產車間的生產布局、加工流程。通過制造過程仿真，注意到在數控車床運行時，加工中心處于等待狀態；在加工中心加工時，數控車床處于等待狀態，設備利用率不高，生產線停滯時間較長，延長了加工時間，同時造成了設備資源浪費。

3 生產線工藝流程優化與控制流程優化

為提高生產線的流暢性及設備使用率，利用Plant Simulation軟件優化生產線工藝流程，進而優化剎車盤柔性制造生產線的控制流程[9]。

3.1 生產線物流仿真

生產線共有數控車床加工、數控加工中心加工2個工作站，生產線每批次進入2個工件，上料的輥道輸送機與工件產生源(Source)相連，存儲生產線成品的料倉采用緩存(Buffer)建立，并與物料終結(Drain)連接。生產線中利用方法(Method)進行工序判斷，使用@.move()方法確定工件下一個工序的物流方向。加入信息模塊，用于統計生產線在一個生產周期中的產量，通過柱狀圖和表格統計設備利用率，通過建立圖表顯示對物流仿真結果的統計；最后添加時間控制器，以控制仿真運行過程。仿真模型如圖6所示。

圖6 生產線物流仿真模型

在Method中，設置各個設備的加工時間以及工件各道工序的物流方向，設備故障率設置為2%。通過計算整個加工過程時間，調整后設定Source間隔46 min 20 s生成，物料生成間隔時間即為生產線節拍。設定仿真控制器的時間為13天(設置一個月31天為生產周期，每天工作10 h，總時間為13天整)。針對一個生產周期運行仿真，得到仿真結果為：一個周期中剎車盤生產線的產量為807個，平均加工一個工件耗時為23 min 12 s，生產節拍為46 min 20 s，設備利用率如圖7所示。

圖7 設備利用率

以上結果表明，在整個生產周期中，數控車床工作時間比例較合理，但存在車削工位不足和物料堵塞的問題。數控車床加工完成后，數控加工中心仍處于工作狀態，工件在數控車床處滯留，不能繼續進行下一步工序；數控加工中心的工作時間占比低于50%，設備利用率太低，降低了生產線的加工效率，大大減少了出口產量。

3.2 基于ECRS原則的工藝流程優化

綜合上述分析，剎車盤柔性制造生產線加工過程中，數控加工中心設備利用率較低，數控車床上鎖時間長，存在工件滯留的情況。本文作者基于ECRS原則[6]，提出一種合并重排的方法，重新排序粗車、鉆孔、鏜孔工藝路線，新增料倉半成品緩存區，在粗車和鉆孔、鏜孔工序間添加以下工序：

(1)若數控車床加工完成，而加工中心未準備妥當，數控車床則下料半成品至料倉；

(2)若數控車床未加工完成，而加工中心準備妥當，加工中心則從料倉上料半成品；

(3)若數控車床加工完成，加工中心準備妥當，數控車床則直接下料至加工中心。

優化后生產線的控制流程如圖8所示。根據優化后的控制流程，重新在Plant Simulation中進行物流仿真。仿真結果表明：一個周期內剎車盤生產線的產量為836個，平均加工一個工件耗時為22 min 24 s，生產節拍為44 min 40 s，設備利用率如圖9所示。

圖8 工藝流程優化的控制流程

圖9 工藝流程優化后的設備利用率

以上結果表明：加入料倉半成品緩存區后，數控車床的利用率顯著提高，工件滯留情況得到有效緩解；產能提高了3.6%，平均加工一個工件耗時縮短了48 s。但數控加工中心設備利用率依舊處于較低狀態，與數控車床設備利用率的差值高達60%，生產線存在平衡問題。

3.3 基于精益生產的生產線平衡優化

對剎車盤柔性制造生產線工藝路線重排優化后，新增的料倉半成品緩存區對于生產線產能的提升不明顯，對生產節拍的縮短和數控加工中心設備利用率的提高能力也相對有限。數控車床加工工序最多，設備使用時長最長，是生產線易出現瓶頸工序的主要工位。

為提升生產線的平衡率，引入精益生產的設計理念[7]，主要目標是消除數控加工中心設備浪費。在數控車床工位加入一臺新車床，新車床的默認參數與原車床同樣設置，生產線的其余組成部分不變，仿真模型如圖10所示。

圖10 平衡優化物流仿真模型

加入新車床后，工件的車削工序可以選擇其中一臺車床進行，同時另一臺車床進行其他的車削工序。工件按工序到達數控車床工位后，通過Method選擇算法，并選擇其中一臺車床進行加工。算法邏輯如圖11所示。

圖11 數控車床選擇算法邏輯

加入數控車床選擇算法后，根據優化后的控制流程，重新在Plant Simulation中進行物流仿真。經測試，設定Source生成時間間隔26 min 50 s，運行事件控制器，得到的仿真結果為：生產線優化后的產量為1 392，平均加工一個零件耗時為13 min 27 s，生產節拍為26 min 50 s，設備利用率如圖12所示。

圖12 平衡優化后的設備利用率

以上分析表明：通過新增設備，優化易發生瓶頸工序的工位后，生產線的平衡率大大提高；生產線產能顯著提升，數控加工中心設備利用率提高，單個工件生產耗時有效縮短；生產線設備間運行流暢，優化效果明顯。優化前后對比如表2所示。

表2 剎車盤柔性制造生產線工藝優化對比

對于小型企業，若無較大資金流的支撐，基于ECRS原則的生產線工藝路線優化對生產線的產出有一定幫助。對于中型企業或者有較大資金流的小型企業，若希望生產線平衡率更高或者對產能有更高要求，可選擇基于精益生產的生產線平衡優化方法，有助于產能的大幅提升,顯著減少單個工件生產耗時。

4 機器人位姿軌跡規劃

在生產線虛擬仿真模型的基礎上，制作機器人示教器，進行虛擬仿真試驗。在機器人示教器虛擬環境中測試機器人位姿以及關節旋轉角度，優化機器人運動軌跡。將位姿角度等信息用于物理車間實際生產線的機器人位姿角度控制，以減少實際生產線設備調試階段耗時，同時能有效避免生產過程的不合理情況和碰撞干涉。

4.1 機器人示教器GUI繪制

根據機器人運動軸數據類型和個數，繪制機器人示教器位姿數據GUI面板。然后，通過腳本獲取機器人各運動軸的位置和角度數據，并在Update()函數內部實時更新數據。最后，將機器人各軸數據轉換成string格式，在GUI面板左側顯示。

對機器人示教器中的機器人進行單機控制，首先對機器人進行運動分析：(1)機器人第7軸可以前后移動；(2)第1～6旋轉軸可以正轉和反轉；(3)機器人可以單軸旋轉，也可以多軸合成運動。根據設計需求，前后移動和正反轉恰好是一對相反的運動邏輯，可以通過一正一反兩個按鈕和bool數據類型實現。為實現機器人多軸合成運動，可以選用復選框的形式。繪制機器人示教器GUI如圖13所示。

圖13 機器人示教器GUI

4.2 機器人示教器仿真

機器人示教器可以單軸運動也可以多軸聯動，只需在復選框中選中相應的運動軸。在按下“-”或 “+”按鈕時，判斷軸是否選中，調用復選框選中運動軸對應的運動控制函數，實現指定運動軸的正向或反向運動。最終，將生產線虛擬仿真平臺封裝成機器人示教器程序。

通過在示教器中模擬機器人運動軌跡，即可在GUI面板上獲取機器人的位姿數據。同時，通過模擬運動過程，可以得到各運動關節的極限位姿，以規避車間調試時發生碰撞干涉。若機器人發生碰撞，改變碰撞物體顏色示警[10]，碰撞檢測如圖14所示。

圖14 機器人碰撞檢測

在生產線虛擬模型調試過程中，采用控制變量的方式，分別調試各旋轉軸的旋轉角度和極限位姿角度，并將最終結果反饋給物理車間實際生產線的機器人[11]。針對生產線的上下料過程，通過運動控制，選擇一條較優的運動軌跡，節省了設備調試時間，同時縮短了生產物流階段的耗時。

5 總結

本文作者以剎車盤柔性制造生產線為研究對象，通過研究生產線仿真優化，得到如下結論:

(1)通過動態模擬生產線運行過程與物流仿真優化，調整生產線工藝流程，能提升生產線產能、縮短單個工件生產耗時、平衡生產線的利用率，對生產線搭建和改進有積極意義；

(2)對于不同規模的中小型企業，可以根據企業實際狀況選擇最適合的生產線優化方式，驗證生產線布局、論證設計方案的可行性、彌補生產線規劃設計階段經驗不足的缺陷；

(3)機器人示教器的使用，可以避免生產加工過程中的碰撞干涉；優化后的工藝流程與機器人運動軌跡能有效縮短生產線規劃、調試和物流耗時。