裝配線物流合流節(jié)點(diǎn)控制策略研究*

任永強(qiáng)，方力平，蘇 鵬

(1.合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，合肥 230009;2.東風(fēng)柳州汽車有限公司 研發(fā)中心，廣西柳州 545005)

0 引言

裝配線作為自動(dòng)化裝備系統(tǒng)的重要組成部分，具有基本的物流控制和數(shù)據(jù)追蹤功能。在一些只涉及到簡(jiǎn)單物流控制的裝配線中，自動(dòng)化物流控制往往被忽視。但是，當(dāng)制造系統(tǒng)的復(fù)雜化和高度自動(dòng)化［1］以及用戶對(duì)上層系統(tǒng)(如MES等)的需要變得迫切時(shí)，自動(dòng)化物流控制所占用成本越來越高。隨著市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，企業(yè)在成本、質(zhì)量、快速的市場(chǎng)反應(yīng)等諸方面面臨著前所未有的壓力，在自動(dòng)化裝備系統(tǒng)中，以裝配線為基礎(chǔ)的自動(dòng)化物流控制越來越受到企業(yè)的重視［2-3］。不合理的物流控制很可能會(huì)降低系統(tǒng)效率，增加零件等待的時(shí)間，嚴(yán)重的會(huì)造成堵塞，使得企業(yè)在生產(chǎn)過程中付出更多的時(shí)間，影響企業(yè)效益。在許多生產(chǎn)系統(tǒng)仿真中，往往只注重加工工位的仿真，而忽略了合流等節(jié)點(diǎn)的仿真，這時(shí)如果發(fā)送時(shí)間不合理，合流節(jié)點(diǎn)前就會(huì)停留許多負(fù)載單元，增加不必要的緩沖工位，為使合流節(jié)點(diǎn)輸送的負(fù)載單元盡量多，在合流節(jié)點(diǎn)前停留的盡可能少，對(duì)負(fù)載單元在合流節(jié)點(diǎn)的控制策略研究就顯得尤為重要。

1 控制策略及其理論分析

1.1 控制策略

合流節(jié)點(diǎn)主要有輪轂式輸送機(jī)、接近開關(guān)、旋轉(zhuǎn)工位等組成，在實(shí)際的生產(chǎn)過程中，每個(gè)合流節(jié)點(diǎn)的輸入端口一般為兩個(gè)，這時(shí)規(guī)定一條輸送機(jī)為主路，而另一條規(guī)定為支路，從而可以在節(jié)點(diǎn)安排通過順序時(shí)制定相應(yīng)的控制策略?？尚械目刂撇呗匀缦拢?/p>

策略一：通過權(quán)平等策略：按“先到先服務(wù)”的原則，處理已到達(dá)入口的負(fù)載單元。

策略二：限制行駛策略：來自支路路段的負(fù)載單元只有在主路路段信息識(shí)別點(diǎn)I沒有檢查到有負(fù)載單元到達(dá)時(shí)，才能送到服務(wù)區(qū)［4］。

策略三：絕對(duì)優(yōu)先策略：按照“絕對(duì)優(yōu)先”策略，主路上的負(fù)載單元有絕對(duì)先行的權(quán)力。旋轉(zhuǎn)工位平時(shí)處于接通主路的位置上，當(dāng)支路路段上的負(fù)載單元已到達(dá)信息識(shí)別點(diǎn)，但主路路段上的負(fù)載單元到達(dá)信息識(shí)別點(diǎn)的時(shí)間小于等于合流節(jié)點(diǎn)的換向時(shí)間，合流節(jié)點(diǎn)還應(yīng)停留在原位置，等待主路路段上的負(fù)載單元通過。

1.2 控制策略理論分析

圖1所示為具有兩個(gè)合流節(jié)點(diǎn)時(shí)的簡(jiǎn)圖，設(shè)主路負(fù)載單元發(fā)送時(shí)間間隔為T主，支路負(fù)載單元發(fā)送時(shí)間間隔為T支，合流節(jié)點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)時(shí)間和通過時(shí)間分別為T旋和T通。根據(jù)策略一的原則，當(dāng)主路負(fù)載單元P1已到達(dá)輸送機(jī)末端，假定支路上的負(fù)載單元P3到達(dá)輸送機(jī)末端還有T通時(shí)間，則P1通過旋轉(zhuǎn)工位后，P3恰好也剛到達(dá)支路輸送機(jī)末端，合流節(jié)點(diǎn)旋轉(zhuǎn)到支路方向后可以馬上輸送P3到合路;將P3輸送完畢后P2也恰好到達(dá)主路輸送機(jī)末端，如此循環(huán)，可使得合流節(jié)點(diǎn)所發(fā)送的負(fù)載單元最多的同時(shí)合流節(jié)點(diǎn)前只會(huì)有支路上負(fù)載單元的短暫停留，則T主和T支所需最小時(shí)間間隔必須滿足為：

且支路比主路到達(dá)節(jié)點(diǎn)的時(shí)間滯后T通。

圖1 兩個(gè)合流節(jié)點(diǎn)簡(jiǎn)圖

同理，對(duì)于策略二和策略三，支路上的負(fù)載單元只有在不妨礙主路負(fù)載單元通過時(shí)，才能進(jìn)入合流節(jié)點(diǎn)并發(fā)送到合路。為了使主路和支路上的負(fù)載單元盡快通過合流節(jié)點(diǎn)，不造成支路的堵塞，它們所需的最小時(shí)間間隔也必須滿足(1)式，但支路上的負(fù)載單元比主路上的負(fù)載單元到達(dá)合流節(jié)點(diǎn)的時(shí)間滯后T旋+T通。此時(shí)在阻塞個(gè)數(shù)接近于零的情況下，一個(gè)負(fù)載單元輸送完成，另一個(gè)負(fù)載單元也剛好到達(dá)合流節(jié)點(diǎn)，合流節(jié)點(diǎn)處于不停地旋轉(zhuǎn)并輸送負(fù)載單元中。

在裝配線中，合流節(jié)點(diǎn)往往不止一個(gè)，當(dāng)有兩個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí)，發(fā)送時(shí)間間隔必比只有一個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí)要大，負(fù)載單元可以順利通過第一個(gè)節(jié)點(diǎn)，因此可以不考慮第一個(gè)節(jié)點(diǎn)的堵塞情況(參見圖4)。當(dāng)?shù)谝粋€(gè)節(jié)點(diǎn)前的主、支路和第二個(gè)節(jié)點(diǎn)前的支路發(fā)送時(shí)間間隔相同時(shí)，第二個(gè)節(jié)點(diǎn)前主路上的發(fā)送個(gè)數(shù)相當(dāng)于支路的兩倍，即節(jié)點(diǎn)發(fā)送兩個(gè)主路負(fù)載單元時(shí)，支路上的負(fù)載單元只發(fā)送了一個(gè)，按照前面的分析方法，可以得出策略一到策略三各個(gè)主、支路最小發(fā)送時(shí)間間隔為：

當(dāng)合流節(jié)點(diǎn)有多個(gè)時(shí)，可以根據(jù)(1)式和(2)式推導(dǎo)出各條主、支路的最小發(fā)送時(shí)間間隔為：

式中：n—主路上合流節(jié)點(diǎn)總的個(gè)數(shù)。

2 仿真驗(yàn)證及分析

2.1 QUEST軟件建模

QUEST(Queuing Event Simulation Tool，排隊(duì)事件仿真工具)是法國(guó)達(dá)索公司的一款面向制造業(yè)的離散事件仿真軟件［5］，能夠?qū)ιa(chǎn)線和物流過程的設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真分析。Quest軟件提供了強(qiáng)有力的交互式仿真建模功能，并且提供了一些常用生產(chǎn)及物流設(shè)備的初始模型［6］，可以使用內(nèi)置的仿真控制語(yǔ)言(Simulation Control Language，SCL)來設(shè)定設(shè)備的行為，實(shí)現(xiàn)用戶所需要的動(dòng)作。

根據(jù)上面的理論分析，用QUEST軟件自帶的元素建立模型，主要由sources(來源)、conveyor(輸送帶)、machines(機(jī)器)、sinks(接收)以及 conveyor decision point(輸送帶決策點(diǎn))組成。由于旋轉(zhuǎn)工位在QUEST中難以建立，所以用machines進(jìn)行替代，以process_1和process_2分別處理主路和支路到達(dá)的part。建立的兩個(gè)合流節(jié)點(diǎn)的策略二模型如圖2所示。

圖2 兩個(gè)合流節(jié)點(diǎn)三維圖模型

2.2 仿真結(jié)果及分析

在模型中將主路和支路的sources設(shè)置為發(fā)送時(shí)間間隔相同，decision point對(duì)話框的 logics—＞Process Logic下編譯完成SCL程序，machines中設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)。保存并運(yùn)行模型，運(yùn)行時(shí)間1小時(shí)，運(yùn)行的最佳仿真次數(shù)n=10［7］，計(jì)算各個(gè)策略的數(shù)據(jù)得到平均數(shù)，用MATLAB［8］處理得到一個(gè)、兩個(gè)合流節(jié)點(diǎn)時(shí)的柱狀圖如圖3至圖5所示。

圖3 當(dāng) T主，T支 =2T旋 +(n+1)T通

圖4 當(dāng)T主，T支 ＞2T旋 +(n+1)T通

圖5 當(dāng)T主，T支 ＜2T旋 +(n+1)T通

根據(jù)仿真運(yùn)行結(jié)果，可以看到主路和支路發(fā)送時(shí)間間隔大于2T旋+(n+1)T通時(shí)，合流節(jié)點(diǎn)已將負(fù)載單元輸送完畢，但主路或支路的負(fù)載單元還未到達(dá)相應(yīng)輸送機(jī)末端，造成旋轉(zhuǎn)工位效率低下。由圖3和圖5可知，在通過個(gè)數(shù)相差無幾的情況下，圖5的節(jié)點(diǎn)前堵塞較為厲害，策略二的堵塞個(gè)數(shù)最少，且堵塞都是在支路上;當(dāng)發(fā)送時(shí)間間隔小于2T旋+(n+1)T通時(shí)，策略二的通過個(gè)數(shù)多于其他兩種，選擇策略二較為合理;圖3中一個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí)的合流節(jié)點(diǎn)和兩個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí)的第二個(gè)合流節(jié)點(diǎn)處于不停地旋轉(zhuǎn)輸送中，且基本沒有堵塞，控制效果較為理想。

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 問題描述

如圖6所示的測(cè)試線為變速器裝配線的一部分，一種系列變速器從上線區(qū)一均勻分配到支路一和支路二進(jìn)行加載試驗(yàn)，支路一中，當(dāng)加載試驗(yàn)臺(tái)一有變速器在測(cè)試時(shí)，則將托盤輸送到加載試驗(yàn)臺(tái)二中，已得到測(cè)試的變速器在下線區(qū)卸載;當(dāng)支路一中的試驗(yàn)臺(tái)都有變速器在試驗(yàn)時(shí)，支路一中未經(jīng)測(cè)試的變速器被自動(dòng)放行并在分流節(jié)點(diǎn)一再次進(jìn)入支路，其他支路邏輯同支路一。另一系列變速器由上線區(qū)二發(fā)送，在支路四和支路五進(jìn)行變速器空載磨合試驗(yàn)。變速器由托盤進(jìn)行輸送，支路三和支路六為預(yù)留區(qū)，以備后續(xù)使用。

測(cè)試線生產(chǎn)安裝前已經(jīng)應(yīng)用策略一進(jìn)行了仿真，但并未考慮合流等節(jié)點(diǎn)所花費(fèi)的時(shí)間。測(cè)試線交付使用后，試驗(yàn)臺(tái)在沒有出現(xiàn)故障的情況下就出現(xiàn)了嚴(yán)重的堵塞，導(dǎo)致各個(gè)試驗(yàn)臺(tái)不能正常地運(yùn)行，使得裝配線的效率低下，延誤交貨時(shí)間［9］，嚴(yán)重影響了變速器產(chǎn)量。

圖6 某兩種系列變速器測(cè)試線

3.2 原因分析

根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況，得到如表1所示最主要工位時(shí)間。從表1可以看出，上線區(qū)發(fā)送時(shí)間44s，而試驗(yàn)臺(tái)工作時(shí)間130s，理論上留有較大的裕度。但從實(shí)際運(yùn)行中可以觀察到(以支路一為例)：當(dāng)加載試驗(yàn)臺(tái)一正在進(jìn)行試驗(yàn)，托盤想要通過旋轉(zhuǎn)工位一時(shí)，旋轉(zhuǎn)工位一卻還停留在將托盤輸送至加載試驗(yàn)臺(tái)一的方向上，造成托盤不能及時(shí)通過;當(dāng)加載試驗(yàn)臺(tái)一中的變速器試驗(yàn)完成，旋轉(zhuǎn)工位一還停留將托盤發(fā)送到旋轉(zhuǎn)工位二的方向，也造成未試驗(yàn)變速器在時(shí)間上的等待。隨著測(cè)試線的繼續(xù)運(yùn)行，支路線上出現(xiàn)了較多未經(jīng)試驗(yàn)的變速器從合流工位通過并經(jīng)分流節(jié)點(diǎn)一和分流節(jié)點(diǎn)二回流到各自支路。12300s后，在合流節(jié)點(diǎn)一中開始出現(xiàn)了堵塞。從系統(tǒng)運(yùn)行記錄的數(shù)據(jù)得知，支路一中試驗(yàn)變速器131臺(tái)，共通過281臺(tái)，則平均每臺(tái)變速器到達(dá)支路一末端的時(shí)間：12300÷281≈43.77s。而理論分析中：2T旋+(n+1)T通=2×6+(3+1)×8=44s，顯然，支路一的通過時(shí)間小于理論分析時(shí)間，其他支路的情況也與支路一相同。由于堵塞，測(cè)試線只能在上線區(qū)停止發(fā)送，以清理積留的變速器。

表1 最主要工位時(shí)間表

3.3 仿真優(yōu)化

由于測(cè)試線在實(shí)際運(yùn)行中遇到了嚴(yán)重堵塞的問題，所以對(duì)測(cè)試線進(jìn)行仿真優(yōu)化是很有必要的。為了使變速器的產(chǎn)量不受影響，從技術(shù)說明中了解到，旋轉(zhuǎn)工位的旋轉(zhuǎn)速度及輪轂的轉(zhuǎn)速是可以隨電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)的，但為使旋轉(zhuǎn)工位的輪轂轉(zhuǎn)速與其他輪轂轉(zhuǎn)速保持一致，因此只能改變旋轉(zhuǎn)工位的旋轉(zhuǎn)時(shí)間進(jìn)行仿真。根據(jù)測(cè)試線的實(shí)際尺寸，使用QUEST軟件建立加入合流等節(jié)點(diǎn)的物理模型。企業(yè)工作制度為一班制(8小時(shí))，因此設(shè)置仿真時(shí)間為8×3600=28800s。把各參數(shù)輸入到模型中，改變旋轉(zhuǎn)工位的旋轉(zhuǎn)時(shí)間并運(yùn)行模型，應(yīng)用策略一到策略三得到合流節(jié)點(diǎn)一的仿真數(shù)據(jù)如圖7所示。

圖7 合流節(jié)點(diǎn)一仿真數(shù)據(jù)

在T旋=4s時(shí)，雖然已測(cè)試的變速器較多，未經(jīng)測(cè)試的變速器和堵塞現(xiàn)象都沒有，但旋轉(zhuǎn)工位的旋轉(zhuǎn)速度過快，影響旋轉(zhuǎn)工位的精確定位，所以并不理想。當(dāng)T旋=5s時(shí)，可以求出各個(gè)策略在測(cè)試線各條支路到達(dá)各自合流節(jié)點(diǎn)的平均個(gè)數(shù)為：

于是，可以計(jì)算出平均時(shí)間間隔為：

由式(3)得：

因T1、T2、T3都小于理論分析的時(shí)間間隔，所以出現(xiàn)了堵塞現(xiàn)象，與圖5的情況類似。從圖7中可以看出，三種策略的堵塞都比較輕微，但策略二的堵塞個(gè)數(shù)只有3個(gè)，可以認(rèn)為是沒有堵塞，同時(shí)，策略二的已測(cè)試通過個(gè)數(shù)也較其他兩種策略多，從仿真角度來看，運(yùn)行效果較為理想。

4 結(jié)束語(yǔ)

合流節(jié)點(diǎn)控制雖然是裝配線物流中一個(gè)小部分，但是也會(huì)影響到全局。在裝配線設(shè)計(jì)時(shí)，可以根據(jù)實(shí)際要求，使發(fā)送時(shí)間間隔盡量靠近2T旋+(n+1)T通，從而減少緩沖工位的使用，提高合流節(jié)點(diǎn)的執(zhí)行效率，降低線體物流成本。

本文通過實(shí)例仿真，對(duì)測(cè)試線進(jìn)行了優(yōu)化處理，最后在保持上線區(qū)發(fā)送時(shí)間不變的情況下減少了堵塞個(gè)數(shù)。顯然，以上的控制策略只能做初始分析使用，實(shí)際應(yīng)用時(shí)需結(jié)合各種實(shí)施環(huán)境，技術(shù)和管理因素，進(jìn)行綜合考慮和優(yōu)化［10］。

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