汽車零部件注塑車間自動(dòng)化生產(chǎn)線設(shè)計(jì)與仿真研究

劉 紅，沈開(kāi)勇，蔣蘭芳，郭 超，胡昌國(guó)，陳先立，賈平平，曹 翔

(浙江工業(yè)大學(xué)特種裝備制造與先進(jìn)加工技術(shù)教育部/浙江省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江杭州 310014)

汽車零部件注塑車間自動(dòng)化生產(chǎn)線設(shè)計(jì)與仿真研究

劉 紅，沈開(kāi)勇，蔣蘭芳，郭 超，胡昌國(guó)，陳先立，賈平平，曹 翔

(浙江工業(yè)大學(xué)特種裝備制造與先進(jìn)加工技術(shù)教育部/浙江省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江杭州 310014)

為推進(jìn)某企業(yè)新建車間的整體設(shè)施布局工作，設(shè)計(jì)了該車間注塑區(qū)的物料輸送線布局方案。采用Simio智能仿真軟件對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了可視化動(dòng)態(tài)建模仿真，分析了初始設(shè)計(jì)方案仿真模型中物料嚴(yán)重堆積的原因，提出了增設(shè)輸送緩沖區(qū)等改進(jìn)方式。對(duì)改進(jìn)方案建模仿真后，通過(guò)仿真數(shù)據(jù)分析了注塑區(qū)的產(chǎn)能情況、物料輸送支線與主線的輸送流暢情況，證明了改進(jìn)方案的合理性與可行性。

自動(dòng)化生產(chǎn)線;Simio;建模仿真;數(shù)據(jù)分析

隨著國(guó)內(nèi)外許多制造型企業(yè)的生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，企業(yè)內(nèi)生產(chǎn)、管理活動(dòng)更加復(fù)雜，而提升生產(chǎn)的自動(dòng)化程度對(duì)于提升企業(yè)生產(chǎn)效率、增大企業(yè)產(chǎn)能、降低企業(yè)成本等有十分重要的作用［1］。計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)是對(duì)生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析、產(chǎn)能預(yù)測(cè)的一種關(guān)鍵技術(shù)，已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于生產(chǎn)系統(tǒng)規(guī)劃、布局與設(shè)計(jì)優(yōu)化中［2－5］。在實(shí)際工程中，制定好生產(chǎn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案后，往往需要經(jīng)過(guò)專業(yè)的系統(tǒng)仿真軟件對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行建模分析，找到系統(tǒng)存在的問(wèn)題，修改原有方案，反復(fù)論證后得出最為優(yōu)化的設(shè)計(jì)方案。

1 某公司注塑車間問(wèn)題分析

某公司是以汽車車燈等汽車零部件為主要產(chǎn)品的企業(yè)，原生產(chǎn)車燈的注塑車間內(nèi)每一臺(tái)注塑機(jī)旁都配有1～2個(gè)工人，根據(jù)注塑機(jī)的生產(chǎn)節(jié)拍以人工的方式從機(jī)器上取注塑件，工人在對(duì)注塑件進(jìn)行簡(jiǎn)單的處理后移至輸送線輸送至下一個(gè)工位，完成鍍鋁等多道工序之后以人工的方式移至裝配車間進(jìn)行裝配。

每臺(tái)注塑機(jī)的生產(chǎn)節(jié)拍在45～80s之間，而工人取件到移至輸送線上的時(shí)間遠(yuǎn)小于45s，因此工人在每?jī)纱稳〖g都會(huì)有相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間屬于空閑狀態(tài)。此類注塑車間由于自動(dòng)化程度較低，使得企業(yè)生產(chǎn)效率低下;而人員配置較多且不合理，致使大量的人力浪費(fèi)，從而使得人工成本大幅上漲。公司為擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模而新建注塑－裝配一體化車間，要求車間具有較高自動(dòng)化程度和合理的工人配置，以提升車間的生產(chǎn)效率和降低企業(yè)的人工成本。

2 自動(dòng)化注塑生產(chǎn)線方案

生產(chǎn)流程描述如下:(1)注塑機(jī)以［45s，80s］為生產(chǎn)節(jié)拍產(chǎn)生產(chǎn)面罩和燈體兩類注塑件。(2)由注塑機(jī)上安裝的自動(dòng)化機(jī)械手進(jìn)行取件。(3)通過(guò)9條皮帶輸送支線將注塑件輸送到皮帶輸送主線上。(4)通過(guò)皮帶輸送主線和提升機(jī)將不同類型注塑件輸送至相應(yīng)分揀區(qū)進(jìn)行分揀和暫時(shí)存放。

擬用4臺(tái)注塑機(jī)生產(chǎn)車燈燈體，5臺(tái)注塑機(jī)用于生產(chǎn)面罩，初步設(shè)計(jì)方案圖如圖1所示。

圖1 注塑生產(chǎn)線初步設(shè)計(jì)方案

3 生產(chǎn)線仿真建模與分析改進(jìn)

Simio是新一代基于“智能對(duì)象”的系統(tǒng)仿真模擬平臺(tái)，廣泛用于生產(chǎn)系統(tǒng)建模、生產(chǎn)調(diào)度規(guī)劃研究等?！爸悄軐?duì)象”由建模者創(chuàng)建，并可在多個(gè)模型中反復(fù)使用。雖然Simio框架主要集中于基于對(duì)象的建模，卻也非常完美地結(jié)合了過(guò)程、事件、智能主體等建模范例，使現(xiàn)實(shí)的系統(tǒng)能夠更精確地被描述和表達(dá)［6－9］。

3.1 仿真條件假設(shè)

仿真條件假設(shè)如下:(1)以一個(gè)工作日(工時(shí)20h)為仿真運(yùn)行周期，系統(tǒng)仿真開(kāi)始時(shí)間為典型工作日的零點(diǎn)整。(2)在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，所有注塑機(jī)、輸送機(jī)和操作人員始終保持正常工作狀態(tài)。(3)注塑原料能持續(xù)支持注塑機(jī)生產(chǎn)。(4)機(jī)械手取件耗時(shí)在仿真中抽象為時(shí)間延遲。

3.2 仿真模型設(shè)計(jì)

建模邏輯思路描述如下:

在Simio模塊庫(kù)中選用Source發(fā)生模塊來(lái)模擬注塑機(jī)。機(jī)械手自動(dòng)取件過(guò)程描述為時(shí)間延遲過(guò)程。機(jī)械手取件時(shí)間實(shí)際在［10s，10.5s］區(qū)間內(nèi)，過(guò)程Processes選用Delay模塊實(shí)現(xiàn)，其中延遲時(shí)間函數(shù)采用均勻分布函數(shù)Random.Uniform(10，10.5)。選用Conveyor模塊來(lái)模擬皮帶輸送支線和輸送主線。選用Vehicle模塊模擬提升機(jī)。通過(guò)提升機(jī)實(shí)現(xiàn)兩層輸送，保證順利分揀，要求提升機(jī)速度最大不得超過(guò)20m/min。選用Sink模塊模擬注塑件到達(dá)分揀區(qū)分揀。Sink1表示面罩分揀區(qū)，Sink2是燈體分揀區(qū)。

3.3 初步方案的建模仿真結(jié)果

對(duì)原方案建立仿真模型并運(yùn)行，隨著仿真的進(jìn)行，輸送主線和輸送支線上逐漸積壓注塑件，導(dǎo)致輸送系統(tǒng)癱瘓，如圖2所示。

圖2 初步方案仿真過(guò)程中輸送線上注塑件積壓嚴(yán)重

3.4 基于數(shù)據(jù)分析的改進(jìn)方案

a．對(duì)原有方案進(jìn)行總結(jié)并提出改進(jìn)方法:(1)注塑件由皮帶支線直接輸送到主線上，無(wú)任何緩沖。改進(jìn)方案在輸送支線到主線之間建立輸送緩沖區(qū)，間接緩解主線上的輸送壓力。(2)注塑件由皮帶支線輸送至唯一一條主線上，增加了主線的輸送壓力。改進(jìn)方案獨(dú)立設(shè)計(jì)面罩生產(chǎn)線與燈體生產(chǎn)線，使分揀變得簡(jiǎn)單，主線輸送壓力減小。(3)注塑件與輸送線摩擦?xí)r間過(guò)長(zhǎng)可能會(huì)影響產(chǎn)品質(zhì)量。改進(jìn)方案以工裝板作為注塑件載體，避免注塑件與輸送線長(zhǎng)時(shí)間摩擦。

b．物流邏輯描述:(1)統(tǒng)一規(guī)格的工裝板由環(huán)形輸送線一端輸送至緩存區(qū)。(2)注塑機(jī)以一定生產(chǎn)節(jié)拍生產(chǎn)注塑件并采用機(jī)械手自動(dòng)取件的方式取件。(3)由皮帶輸送機(jī)作為輸送支線將注塑件輸送到緩存區(qū)的工裝板上。(4)載有注塑件的工裝板單位通過(guò)環(huán)形輸送線輸送至分揀區(qū)(Separator)進(jìn)行統(tǒng)一分揀。(5)工裝板通過(guò)輸送主線回流至相應(yīng)緩沖區(qū)。

c．工裝板、輸送帶與緩沖區(qū)尺寸設(shè)計(jì)。

(1)工裝板長(zhǎng)度、寬度。

已知面罩最大長(zhǎng)度尺寸為660mm，最大寬度尺寸為320mm。預(yù)留長(zhǎng)度安全距離＞80mm，寬度安全距離＞80mm。仿真模型中工裝板設(shè)計(jì)尺寸為750mm×400mm。

(2)輸送帶寬度。

參考執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)GB/T7984－2001，同時(shí)根據(jù)設(shè)計(jì)的工裝板尺寸選擇帶寬規(guī)格為500mm和850mm的滾筒式輸送帶。以工裝板長(zhǎng)度方向運(yùn)行的輸送線寬度為500mm，寬度方向運(yùn)行的輸送線寬度為850mm。輸送支線設(shè)計(jì)寬度為850mm。

(3)緩沖區(qū)。

設(shè)計(jì)緩沖區(qū)同時(shí)存在最大工裝板個(gè)數(shù)為6個(gè)，工裝板之間預(yù)留安全距離為50mm。則緩沖區(qū)寬度≥3×760+4×50，長(zhǎng)度≥6×400+7×50;仿真中可設(shè)計(jì)緩沖區(qū)尺寸為3 000mm×2 500mm。

d．改進(jìn)仿真模型描述與建立。

改進(jìn)模型中增加了Combiner模塊，用來(lái)模擬注塑件從支線到緩沖區(qū)的輸送過(guò)程，增加了Separator模塊，用來(lái)模擬在分揀區(qū)內(nèi)分揀注塑件的過(guò)程。建立3D模型，如圖3所示。

e．仿真運(yùn)行與結(jié)果分析。

將仿真模型運(yùn)行周期設(shè)為一個(gè)工作日(工時(shí)20h)，Expiriment實(shí)驗(yàn)器內(nèi)連續(xù)運(yùn)行240h，得到仿真數(shù)據(jù)結(jié)果，如圖4、圖5所示。

圖3 原始模型

圖4 Combiner模塊的數(shù)據(jù)結(jié)果

圖5 Separator模塊的數(shù)據(jù)結(jié)果

圖4實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示:面罩生產(chǎn)線共有5臺(tái)注塑機(jī)平均每天每臺(tái)生產(chǎn)1 148～1 152個(gè)，則面罩分揀區(qū)理想到達(dá)個(gè)數(shù)為5×(1 148～1 152)，則面罩到達(dá)個(gè)數(shù)的理想?yún)^(qū)間為(5 740，5 760)。同樣，燈體分揀區(qū)理想到達(dá)個(gè)數(shù)為4×(1 148～1 155)，即燈體到達(dá)個(gè)數(shù)的理想?yún)^(qū)間為(4 542，4 620)。

圖5實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示:每天到達(dá)面罩分揀區(qū)的平均個(gè)數(shù)為5 472個(gè)，到達(dá)燈體分揀區(qū)為4 597個(gè)，均在各自的理想到達(dá)區(qū)間內(nèi)，數(shù)據(jù)結(jié)果表明生產(chǎn)線物流暢通，未出現(xiàn)生產(chǎn)線上堆積的情況。

仿真結(jié)果表明:該方案設(shè)計(jì)能使得輸送主線和輸送支線上注塑件能穩(wěn)定有效、不堆積的流動(dòng)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文的研究解決了該企業(yè)新建車間內(nèi)注塑區(qū)的物料輸送布局問(wèn)題，但由于注塑區(qū)的設(shè)備布置較為簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)物料輸送線布局時(shí)并未采用更具條理性和系統(tǒng)性的車間布局方法(如SLP)，也未通過(guò)數(shù)學(xué)建模與智能算法求解的方式解決布局問(wèn)題。因此，針對(duì)大型、復(fù)雜的生產(chǎn)車間物料輸送線的布局設(shè)計(jì)，該類方法不足以完成所有設(shè)計(jì)內(nèi)容。此外，本文雖然在實(shí)際應(yīng)用研究方面取得了一定成果，但在復(fù)雜生產(chǎn)車間布局設(shè)計(jì)等理論研究方面尚有諸多不足，需進(jìn)一步深入研究復(fù)雜車間布局設(shè)計(jì)理論方法，更充分地發(fā)掘計(jì)算機(jī)輔助工程軟件的強(qiáng)大輔助分析能力。

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Design and Simulation of Automatic Production Line for the Auto Parts Injection Molding Workshop

LIU Hong，SHEN Kaiyong，JIANG Lanfang，GUO Chao，HU Changguo，CHEN Xianli，JIA Pingping，CAO Xiang
(Zhejiang University of Technology，Zhejiang Hangzhou，310014，China)

In order to establish the overall facility layout for a new workshop，it designs the conveying line of injection machining area，simulates the visualization dynamic modeling for this design project，analyzes the cause of serious material accumulation，proposes the transmission buffer.Based on the improved scheme simulation，it shows the production process，material flow in transfer feeder and the main line，proves that the improved scheme is reasonable and feasible.

Automatic Production Line;Simio;Model Simulation;Data Analysis

TH181

A

2095－509X(2013)11－0014－04

10.3969/j.issn.2095－509X.2013.11.004

2013－08－29

劉紅(1960—)，男，浙江杭州人，浙江工業(yè)大學(xué)教授，主要從事模具設(shè)計(jì)制造及其CAE分析等工作。