基于知識模型和仿真分析的涂裝車間生產(chǎn)時序優(yōu)化研究

閆勇斌，董淼，任澤兵，金弋清

（東風(fēng)設(shè)計研究院有限公司，武漢 430000）

0 引言

涂裝作為汽車生產(chǎn)的四大工藝之一，通常包含前處理電泳、電泳烘干、電泳打磨、密封膠、膠烘干、中涂、面漆、清漆、漆烘干、精飾、檢查報交等眾多工序[1-2]。涂裝車間作為涂裝工藝的實現(xiàn)場所，相比于沖壓、焊裝、總裝車間，其生產(chǎn)具有明顯的特點，主要為在下班時不允許電泳線、烘干線、噴漆線進行在線緩存，需要排空在線車輛進各個中間緩存區(qū)，而上班時為了保證各工序線體能同時啟動且連續(xù)作業(yè)，需要先從各個中間緩存區(qū)拉入在制品車輛，再過渡到各工序的連續(xù)作業(yè)[3]。

某汽車工廠涂裝車間為了減少前期投資，將中涂和面漆共線生產(chǎn)，受產(chǎn)能節(jié)拍限制和線體切換需要，只能進行批量共用生產(chǎn)，即可先中涂一批車，再面漆一批車，循環(huán)交替。基于以上中涂和面漆共線的工藝路線設(shè)置，結(jié)合涂裝生產(chǎn)特點，如何制定合理的生產(chǎn)時序表是生產(chǎn)管理人員面臨的一個重要問題。人工憑借以往經(jīng)驗制定該生產(chǎn)時序表，需要耗費大量的時間和精力，且人工制定無法考慮移行機等設(shè)備實際運行情況，眾多工序之間的銜接無法考慮周全，導(dǎo)致制定的生產(chǎn)時序難以驗證可行性[4]。

本文提出采用知識建模和系統(tǒng)仿真方法，在三維仿真軟件平臺中對涂裝車間進行建模仿真[5-7]。通過對生產(chǎn)線相關(guān)指標(biāo)數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計和分析，驗證人工制定的生產(chǎn)時序表的可行性，并提出改進意見，人工修改完善后再次仿真運行和數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，直至優(yōu)化完善后的生產(chǎn)時序表能滿足生產(chǎn)要求。

1 工藝及生產(chǎn)現(xiàn)狀分析

某汽車工廠涂裝車間的主要工藝流程如圖1所示，由于中涂和面漆共線，人工憑經(jīng)驗制定的滿足日產(chǎn)160臺車的初步生產(chǎn)時序表如圖2所示。通過仿真建模與分析的方法對生產(chǎn)時序表進行驗證和優(yōu)化，驗證優(yōu)化的評價指標(biāo)為：1）所有工序的進車時間安排，在滿足各個工序的節(jié)拍前提下，線體上不出現(xiàn)“堵車”現(xiàn)象或缺少在制品車現(xiàn)象；2）所有工序的生產(chǎn)時間需盡量安排在8:00—17:00的時間段內(nèi)；3）在生產(chǎn)完160臺車后，整個車間狀態(tài)回到8:00時的狀態(tài)；4）滿足以上3條的前提下，在最短時間內(nèi)將160臺車生產(chǎn)完成。

圖1 某涂裝車間工藝流程圖

圖2 某涂裝車間人工制定的生產(chǎn)時序表

2 基于知識模型的仿真建模

2.1 知識模型構(gòu)建

通過工藝流程分析、結(jié)構(gòu)化整理和系統(tǒng)性抽象對涂裝車間工藝形式進行歸納總結(jié)，形成設(shè)備知識模型和線體知識模型。

設(shè)備知識模型主要是指對設(shè)備三維模型、運動邏輯關(guān)系、運動參數(shù)等設(shè)備相關(guān)知識屬性進行梳理整合。其中設(shè)備三維模型需滿足各自由度能獨立運動，運動參數(shù)需滿足衡量單位統(tǒng)一，運動邏輯關(guān)系需滿足復(fù)雜多機構(gòu)動作拆分成多個直線或旋轉(zhuǎn)動作描述，如表1所示。設(shè)備知識模型可為后續(xù)仿真軟件中設(shè)備模塊開發(fā)提供依據(jù)。

表1 空橇堆垛機運行邏輯關(guān)系

線體知識模型主要是指對生產(chǎn)線設(shè)備的啟動、停止、作業(yè)判斷、互鎖等邏輯關(guān)系以圖結(jié)構(gòu)式網(wǎng)狀模型進行構(gòu)建表達(dá)，如圖3所示。線體知識模型可為后續(xù)仿真軟件中各模塊集成和接口開發(fā)提供依據(jù)。

圖3 中間緩存出庫到主線的輸送邏輯圖

2.2 仿真模型開發(fā)

根據(jù)設(shè)備知識模型和線體知識模型，在三維仿真軟件中選擇合適的元素進行仿真模型系統(tǒng)框架搭建、模塊化開發(fā)、系統(tǒng)集成。

系統(tǒng)框架搭建是指將整個涂裝車間系統(tǒng)分割成數(shù)個子系統(tǒng)或模塊，以便于分模塊開發(fā)，同時保證模型層次架構(gòu)清晰，提高模型的可讀性，便于后期進行修改或擴展等。

模塊化開發(fā)包括設(shè)備模塊開發(fā)和功能子系統(tǒng)模塊開發(fā)兩層，設(shè)備模塊是整個仿真模型的最基礎(chǔ)單元，是現(xiàn)實設(shè)備在仿真軟件中的虛擬表達(dá)，能映射現(xiàn)實設(shè)備的三維外觀、運動特性、運動參數(shù)等特征，開發(fā)流程包括分運動機構(gòu)導(dǎo)入三維模型、三維模型裝配和自由度設(shè)置、設(shè)備動作時序邏輯代碼開發(fā)、設(shè)備啟停接口開發(fā)、參數(shù)界面開發(fā)等。功能子系統(tǒng)模塊是根據(jù)實際工藝需要，將多個設(shè)備模塊組合形成能完成某個子系統(tǒng)功能的模塊，開發(fā)流程包括設(shè)備定位和互聯(lián)、系統(tǒng)調(diào)用接口開發(fā)等。

系統(tǒng)集成是將各個功能子系統(tǒng)模塊按照工藝流程進行拼接和集成，并通過開發(fā)系統(tǒng)性功能模塊來實現(xiàn)模型的集中控制、初始化設(shè)置和數(shù)據(jù)統(tǒng)計等，同時最終完成仿真模型的開發(fā)建立和調(diào)試。系統(tǒng)性功能模塊包括系統(tǒng)參數(shù)輸入模塊、初始化模塊、控制模塊和數(shù)據(jù)統(tǒng)計模塊等。其中系統(tǒng)參數(shù)輸入模塊主要用于生產(chǎn)節(jié)拍、初始緩存量、工作時間等系統(tǒng)性參數(shù)的定義及數(shù)據(jù)導(dǎo)入；初始化模塊主要用于緩存區(qū)、線體上的空橇或帶車身橇的初始產(chǎn)生；控制模塊主要用于線體按工作時間或其它規(guī)則進行啟動、停止、切換等系統(tǒng)性的控制；數(shù)據(jù)統(tǒng)計模塊主要用于關(guān)鍵評價指標(biāo)數(shù)據(jù)的實時運算和記錄。

圖4 某涂裝車間仿真模型系統(tǒng)框架圖

圖5 旋轉(zhuǎn)輥床和升降機設(shè)備模塊

圖6 焊涂轉(zhuǎn)接功能子系統(tǒng)模塊

圖7 某涂裝車間仿真全貌

3 仿真統(tǒng)計分析與優(yōu)化

3.1 初始方案

對人工初始制定的生產(chǎn)時序表進行仿真預(yù)演和數(shù)據(jù)統(tǒng)計，如圖8所示，可得到：

1）電泳緩存區(qū)在14:40庫容量已達(dá)最大，導(dǎo)致前序的電泳烘干出車無法入庫，從而導(dǎo)致電泳烘干因堵塞停線；

2）中涂前緩存區(qū)在14:30時庫容量已達(dá)最大，導(dǎo)致前序的密封膠出車無法入庫，從而導(dǎo)致電泳打磨、UBS、UBC、密封膠因堵塞而停線。

3.2 優(yōu)化方案一

針對以上問題，在不改變車間工藝及設(shè)備方案的前提下，通過優(yōu)化生產(chǎn)組織方式來實現(xiàn)160臺車的正常生產(chǎn)，因此對初步生產(chǎn)組織提出以下優(yōu)化措施，并得到優(yōu)化方案一：

1）推遲前處理電泳進車時間，與電泳打磨進車時間配合，保證電泳緩存區(qū)大小能滿足電泳出車。

2）減少電泳緩存預(yù)存量，63臺改為22臺，使其存車量與中涂前緩存預(yù)存量相加恰好能滿足第一次中涂要車，從而減少電泳緩存區(qū)初始占用量。

3）使電泳打磨進車時間滿足第一次中涂進車需求，密封膠出車時恰好開始進入中涂前緩存庫，從而最大限度減少電泳打磨及密封膠后對中涂前緩存庫區(qū)的占用。

對優(yōu)化方案一進行仿真預(yù)演和數(shù)據(jù)統(tǒng)計，如圖10所示，可得到：a.電泳緩存區(qū)在11:50庫容量已降為0，導(dǎo)致無法按計劃繼續(xù)進行電泳打磨；b.焊裝緩存量的最小值為34臺，因此原來焊裝車間預(yù)存的50臺白車身存在富余量，可將焊裝預(yù)存量改為16臺。

圖10 電泳緩存區(qū)和焊裝緩存區(qū)容量變化曲線

3.3 優(yōu)化方案二

針對優(yōu)化方案一的問題，將電泳打磨在中午停線1.5 h，使得電泳緩存區(qū)的積累量能滿足后續(xù)連續(xù)生產(chǎn)，得到優(yōu)化方案二，如圖11所示。

圖11 生產(chǎn)時序表優(yōu)化方案二

對優(yōu)化方案二進行仿真預(yù)演和數(shù)據(jù)統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)優(yōu)化方案二能順利完成生產(chǎn)作業(yè)，線體上無堵塞也沒有缺在制品車現(xiàn)象發(fā)生，且總生產(chǎn)時間比初始方案有所縮短，已符合生產(chǎn)要求。同時，經(jīng)仿真預(yù)演發(fā)現(xiàn)，電泳橇最小需求量為130個，面漆橇最小需求量為202個。

圖9 生產(chǎn)時序表優(yōu)化方案一

4 結(jié)語

某汽車工廠涂裝車間由于生產(chǎn)工序較多、部分工序（電泳線、烘干線、噴漆線）下班時不允許在線緩存、中涂和面漆線需共線生產(chǎn)等特點，導(dǎo)致其生產(chǎn)時序排定需要耗費大量的時間和精力來進行思考和手工推演，且排定結(jié)果仍難以驗證可行性。

本文提出采用知識建模和系統(tǒng)仿真的方法，在仿真軟件中建立物理涂裝車間的虛擬映射，導(dǎo)入設(shè)備運行參數(shù)和初始生產(chǎn)時序表，通過仿真預(yù)演和數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，對初始生產(chǎn)時序表進行仿真驗證，并根據(jù)仿真結(jié)果調(diào)整生產(chǎn)時序表，再次進行仿真預(yù)演分析，如此反復(fù)，直至所制定的生產(chǎn)時序表能順利執(zhí)行，且所需生產(chǎn)時間最短。