基于數(shù)字化的工藝布局設(shè)計研究

王 亮，劉國正

(大連科技學(xué)院 機(jī)制教研室，遼寧 大連 116052)

針對二維或三維模型，采用數(shù)字化的工藝布局設(shè)計，使工廠的建設(shè)更加高效，智能布局具備可視化優(yōu)勢.專業(yè)設(shè)計或?qū)I(yè)技術(shù)人員可根據(jù)現(xiàn)場狀況，通過標(biāo)準(zhǔn)模型或?qū)嵺`性設(shè)計，展現(xiàn)區(qū)域或整體的布局優(yōu)化方案，使動態(tài)模型更直觀、準(zhǔn)確地展示出來，體現(xiàn)可視化并行工程設(shè)計的優(yōu)勢[1].

1 現(xiàn)代工廠工藝布局的仿真設(shè)計

現(xiàn)代工廠工藝布局要求設(shè)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(guān)模型，且模型應(yīng)可調(diào)、可仿真，以適應(yīng)不同狀態(tài)的布局要求[2].

通過對實際生產(chǎn)過程中人員、設(shè)備、物料、環(huán)境等因素的虛擬設(shè)定，最大限度地平衡理論設(shè)計和實際問題的沖突，并根據(jù)參數(shù)用盡可能短的時間進(jìn)行校驗.建立較為完備的信息存儲及交換系統(tǒng)，同時使用2D/3D 模型，以獲得良好的數(shù)據(jù)模型.對運行成本及相關(guān)物料、設(shè)備的使用率進(jìn)行有針對性的評估，使整體工藝布局設(shè)計進(jìn)程大為提升，工廠建設(shè)更為客觀合理，并發(fā)現(xiàn)前期建設(shè)中存在的實際問題[3].進(jìn)一步完善相關(guān)能力指標(biāo)，如區(qū)域承載能力、空間使用效率、物資流動速率等[4].

通過仿真設(shè)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(xiàn)二維設(shè)計與三維設(shè)計的轉(zhuǎn)換[5].

仿真設(shè)計的數(shù)字化生產(chǎn)線如圖1所示.

圖1 仿真設(shè)計的數(shù)字化生產(chǎn)線

2 現(xiàn)代工廠工藝布局的功能分析

2.1 強(qiáng)大的模型庫及二次開發(fā)功能

針對不同企業(yè)要求的現(xiàn)場定置管理標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合實際生產(chǎn)過程，可采用完備的模型庫方案.對標(biāo)準(zhǔn)的 2D 特征如線、弧和圓等，采用工藝布局設(shè)計能夠進(jìn)行精確的模型規(guī)劃，快速建立 2D/3D 模型[6].同時，它具有強(qiáng)大的二次開發(fā)能力，用戶可定制符合自身要求的設(shè)備模型、設(shè)備符號等(圖2)，納入統(tǒng)一的仿真設(shè)計模型庫，進(jìn)行管理、查詢和引用.

圖2 物料存儲的設(shè)備模型

2.2 精確的工具模型——輸送機(jī)

以工業(yè)現(xiàn)場比較常用的滾筒式輸送機(jī)(圖3)為例，在虛擬設(shè)計階段能夠進(jìn)行幾乎所有參數(shù)的調(diào)節(jié)，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(xiàn)虛擬拆卸和組裝.采用獨立系統(tǒng)支持相對獨立的 2D、3D 視圖和已渲染視圖，并可根據(jù)指定的運動方向進(jìn)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(jìn)行說明，并進(jìn)行動力參數(shù)和位置的選擇[7].

圖3 滾筒輸送機(jī)模型

數(shù)字化設(shè)計的帶式輸送機(jī)(圖4)由雙軌、三軌轉(zhuǎn)換輸送機(jī)和轉(zhuǎn)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(qū)動模式，可進(jìn)行中心樞軸和末端樞軸的工作臺轉(zhuǎn)換.用戶可在電氣、電動球、液壓等方式中根據(jù)工業(yè)現(xiàn)場要求進(jìn)行選擇，也可加裝橫穿走廊、底部轉(zhuǎn)換裝置、輪胎滾筒及高架有軌輸送機(jī)(圖5)，并能進(jìn)行單軌的節(jié)點連接.采用數(shù)字化方式，可定義輸送機(jī)的上升高度、軌道尺寸、水平、垂直、傾斜度，也可進(jìn)行夾具功能及繩索的收合定義.

圖4 帶式輸送機(jī)模型

圖5 高架有軌輸送機(jī)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(chǎn)物料架、周轉(zhuǎn)箱及相關(guān)地面工具等，采用數(shù)據(jù)庫或電子表格輸入相關(guān)承載工具的基本信息，同時設(shè)定生產(chǎn)物資擺放要求及裝配過程，就可建立生產(chǎn)物料的基本空間需求.生產(chǎn)地面使用狀況表包含：空間使用情況；陰影面積及標(biāo)簽確認(rèn)；走廊和設(shè)備、工具占用空間報告(圖6)；設(shè)備使用狀況等[8].

圖6 工具占用空間報告示意圖

2.4 數(shù)據(jù)庫及數(shù)據(jù)接口

采用 Access 或者 Oracle 進(jìn)行定義，使設(shè)備相關(guān)信息與 CAD 模型之間形成關(guān)聯(lián)，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(jìn)行描述.使用 SDX 文件格式進(jìn)行智能工廠模型與數(shù)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(tài).通過數(shù)據(jù)庫及數(shù)據(jù)接口，能夠?qū)Τ跗诘墓S工藝布局進(jìn)行完善和細(xì)化，識別相關(guān)的工藝過程或工藝裝備，包括加工過程、緩沖作業(yè)以及安全通道、高架通道、高架 EMS、升降機(jī)等[9].

3 現(xiàn)代工廠工藝布局的優(yōu)化

現(xiàn)代工廠工藝布局的優(yōu)化采用系統(tǒng)化、標(biāo)準(zhǔn)化、精細(xì)化的分析方案，主要以生產(chǎn)物料、運輸設(shè)備和物體存貯的具體需求帶動整體工藝主線的優(yōu)化[10].

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

在產(chǎn)品宏觀裝配(層次結(jié)構(gòu))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(jìn)行增刪、修改及缺省設(shè)置.

合理有效地計算距離、成本、移動次數(shù)和取放物體的時間，可進(jìn)行各種條件下的工藝布局優(yōu)化.通過優(yōu)化，生產(chǎn)物料及相關(guān)設(shè)備的屬性信息能夠在裝配層次結(jié)構(gòu)中得到具體體現(xiàn)，同時可在工作區(qū)域設(shè)置工作活動點，并以工作點串接工作目標(biāo).顏色標(biāo)識用以區(qū)分物料及其種類、相關(guān)取放設(shè)備、操作人員及路徑通道等，并可用于根據(jù)顏色深度進(jìn)行的相關(guān)參數(shù)計算[12].通道功能能夠?qū)ξ锪蠈嶋H流轉(zhuǎn)路徑產(chǎn)生指示作用，通過估算生產(chǎn)物料的相關(guān)流動參數(shù)，對流量較大的區(qū)域進(jìn)行識別，進(jìn)而調(diào)節(jié)通道的擁塞狀況，增強(qiáng)其運輸承載能力[13].對比工藝布局的相關(guān)屬性和數(shù)據(jù)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(shè)計，根據(jù)物料架和周轉(zhuǎn)箱的相關(guān)屬性識別信息及具體執(zhí)行的工藝流程，可制定生產(chǎn)物料自動組裝的技術(shù)方案.經(jīng)過工藝布局優(yōu)化的流水作業(yè)模型如圖7所示.

圖7 經(jīng)過工藝布局優(yōu)化的流水作業(yè)模型

建立廠房空間利用狀態(tài)報告，并以陰影和標(biāo)簽對相關(guān)生產(chǎn)物料或生產(chǎn)區(qū)域如通道、設(shè)備和工位器具等在某一生產(chǎn)時刻的使用率或利用率進(jìn)行標(biāo)識[14].通過生產(chǎn)庫存需求報告及物料運輸能力評估，確保路徑最優(yōu).針對局部區(qū)域(生產(chǎn)班組)形成材料需求報告及設(shè)備清單，使設(shè)備、庫房、活動區(qū)域和通道等空間環(huán)境得以確認(rèn)，以形成最佳的作業(yè)路徑布局[15].

4 數(shù)字化工藝布局的應(yīng)用

數(shù)字化工藝布局利用生產(chǎn)實際仿真技術(shù)及信息化技術(shù)，從現(xiàn)場定置管理、工藝作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及質(zhì)量控制入手，合理有效地對工藝系統(tǒng)進(jìn)行布局，增強(qiáng)其可溝通性，減少分析與調(diào)整時間、工程浪費，降低開發(fā)成本[16].數(shù)字化工藝布局使企業(yè)管理人員能夠快速準(zhǔn)確地評估產(chǎn)品的工藝流程.從工程設(shè)計角度而言，它降低了工程冗余，使得布局質(zhì)量明顯提升，無論是整體性還是局部性設(shè)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(chǎn)線如圖8所示.

圖8 模擬的汽車生產(chǎn)線

現(xiàn)代工廠工藝布局優(yōu)化過程中的一些質(zhì)量因子如噪音、灰塵、復(fù)雜設(shè)備以及物料密度等，可根據(jù)關(guān)聯(lián)關(guān)系進(jìn)行優(yōu)化，使整體生產(chǎn)活動關(guān)系形成圖表框架，以展現(xiàn)更貼合實際的布局模式[18].通過啟用密度數(shù)據(jù)設(shè)計過程，體現(xiàn)最優(yōu)且最接近實際生產(chǎn)活動的塊狀布置圖，能夠獲得最優(yōu)的算法平衡[19].

生產(chǎn)物料的特征表述功能如下：基于物料傳輸?shù)穆窂郊笆褂妙l率；基于特定任務(wù)的特征對話；實際生產(chǎn)重要度和工作區(qū)邊界位置估算；由重力關(guān)系、物料密度產(chǎn)生的能力分析；結(jié)合實際生成的布局優(yōu)先選項，根據(jù)輸入特征進(jìn)行優(yōu)化，得到最佳的設(shè)計方案；結(jié)合生產(chǎn)區(qū)域管理情況和重點需求信息、規(guī)定的運算法則，通過優(yōu)化設(shè)計得到最佳的布局方案；結(jié)合OPT，通過自動完善產(chǎn)生初期的布局配置；通過物料關(guān)聯(lián)建立聚合體系，產(chǎn)生精細(xì)化工藝作業(yè)過程；建立健全評估設(shè)置體系，產(chǎn)生協(xié)作設(shè)計和優(yōu)化評估方案[20].通過這些功能設(shè)計布局機(jī)構(gòu)，能夠減少布局設(shè)計工作量及調(diào)試成本，提高工藝布局的效率[21].

5 結(jié)束語

現(xiàn)代工廠數(shù)字化工藝布局設(shè)計能夠有效地提升企業(yè)的核心競爭力，節(jié)約設(shè)計初期的技術(shù)成本和人力成本，減少工程冗余，淘汰缺乏技術(shù)合理性的解決方案，改善協(xié)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(yōu)、更具針對性、更有潛力的設(shè)計方案，提升企業(yè)的管理水平.