基于Plant Simulation的白車身側(cè)圍焊裝線仿真與優(yōu)化*

基于Plant Simulation的白車身側(cè)圍焊裝線仿真與優(yōu)化*

林巨廣，武文杰，蔡 磊，劉馬林，姜志文
（合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，合肥 230009）

虛擬仿真技術(shù)是目前對(duì)焊裝生產(chǎn)線進(jìn)行工藝規(guī)劃的主要手段。在分析某汽車白車身側(cè)圍焊裝線的基礎(chǔ)上，利用仿真軟件Plant Simulation對(duì)側(cè)圍焊裝線建立離散系統(tǒng)仿真模型，對(duì)設(shè)備工作情況和瓶頸工位進(jìn)行分析，評(píng)估焊裝線生產(chǎn)能力；通過設(shè)計(jì)ExperimentManager分析模塊中的多因子試驗(yàn)，將焊裝線產(chǎn)量作為指標(biāo)，暫存區(qū)容量及添加位置作為影響因子，對(duì)暫存區(qū)的配置進(jìn)行研究。結(jié)果表明合適的暫存區(qū)容量和添加位置能極大提高焊裝線生產(chǎn)能力，為焊裝線的優(yōu)化提供理論依據(jù)和科學(xué)參考。

Plant Simulation；虛擬仿真；側(cè)圍焊裝線；多因子試驗(yàn)；暫存區(qū)

0 引言

白車身焊裝作為汽車四大工藝之一，是一種典型的離散事件動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，其工藝和設(shè)備水平對(duì)車身質(zhì)量有著十分重要的影響，現(xiàn)在各車企多采用機(jī)器人為主的自動(dòng)化焊裝線［1］。通過對(duì)機(jī)器人、輸送線、夾具、焊槍等設(shè)備的聯(lián)控，提高了自動(dòng)化程度和生產(chǎn)效率。其中，工藝規(guī)劃和節(jié)拍的合理性直接影響了白車身制造的精度和生產(chǎn)周期。

目前國內(nèi)的汽車焊裝生產(chǎn)線往往以經(jīng)驗(yàn)為首，僅僅給出了粗略的生產(chǎn)節(jié)拍表，并沒有具體的設(shè)備使用情況、設(shè)備故障情況及加工工位具體選擇等計(jì)劃；而且生產(chǎn)計(jì)劃的變動(dòng)很難跟上具體的生產(chǎn)要求，生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的瓶頸問題難以得到及時(shí)解決，這樣就出現(xiàn)了資源浪費(fèi)的現(xiàn)象。隨著計(jì)算機(jī)虛擬建模仿真技術(shù)的飛躍式發(fā)展，為解決這些問題提供了極大的可能。

1 仿真模型的分析

1.1 仿真平臺(tái)的選擇

目前面向?qū)ο蟮目梢暬７抡孳浖V泛應(yīng)用于離散事件系統(tǒng)仿真，如Plant Simulation、witness、flexsim等，它們能為生產(chǎn)線和生產(chǎn)過程建立結(jié)構(gòu)層次分明的仿真模型，用戶界面直觀靈活，可以同時(shí)模擬3D和2D的動(dòng)畫顯示，以便對(duì)仿真系統(tǒng)過程進(jìn)行實(shí)時(shí)的跟蹤和分析，極大提高了仿真效率。

本文采用Siemens（西門子）公司的Tecnomatix Plant Simulation軟件作為仿真平臺(tái)。作為數(shù)字化制造領(lǐng)域領(lǐng)先的系統(tǒng)軟件，它是一款面向?qū)ο蟮碾x散事件動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真軟件，是工廠生產(chǎn)線及物流規(guī)劃過程仿真和優(yōu)化的最佳解決軟件之一，通過對(duì)生產(chǎn)線的實(shí)時(shí)建模，可以分析企業(yè)生產(chǎn)中的生產(chǎn)瓶頸，并為生產(chǎn)線的改進(jìn)和效率的提高提供可觀的可供選擇的圖示分析和數(shù)據(jù)。

1.2 某車型白車身側(cè)圍焊裝線的結(jié)構(gòu)布局

白車身焊裝線中，側(cè)圍內(nèi)板總成常在總拼工位上件，側(cè)圍內(nèi)板總成的定位和焊接對(duì)整車的外觀和精度影響很大。圖1為某車型白車身側(cè)圍內(nèi)板機(jī)器人總成焊裝線。

圖1 某車型白車身側(cè)圍內(nèi)板機(jī)器人總成焊裝線

如圖1所示，側(cè)圍內(nèi)板總成焊裝線由ZONE09和ZONE10兩個(gè)區(qū)域組成，共計(jì) 10個(gè)工位。其中ZONE09為左右后輪罩加強(qiáng)板總成，ZONE10為側(cè)圍內(nèi)板總成。左右后輪罩加強(qiáng)板在ZONE09的STN150工位焊接組裝完成后，由積放式輸送機(jī)運(yùn)輸?shù)絑ONE10的STN080工位繼續(xù)加工。10個(gè)工位全部采用機(jī)器人焊接，每個(gè)工位由若干機(jī)器人、夾具和抓具組成。其中ZONE10的STN100工位焊接工作站如圖2所示。

圖2 STN100工位焊接工作站

表1為10個(gè)工位的生產(chǎn)節(jié)拍及Availability和MTTR等信息統(tǒng)計(jì)。Availability項(xiàng)指可用性比率，指物流對(duì)象的正常工作時(shí)間占總時(shí)間的百分比，即設(shè)備不發(fā)生故障的比率；MTTR項(xiàng)指平均修復(fù)時(shí)間，表示設(shè)備故障發(fā)生后平均需要多長(zhǎng)時(shí)間能夠修復(fù)工作。由于焊裝線實(shí)際生產(chǎn)中的工位設(shè)備肯定會(huì)發(fā)生故障，因此采用可用性比率（Availability）和平均修復(fù)時(shí)間（MTTR）來仿真故障。

表1 白車身左側(cè)側(cè)圍焊裝線生產(chǎn)節(jié)拍表

2 仿真模型的建立

白車身焊裝生產(chǎn)線建模是宏觀的虛擬制造，基于生產(chǎn)線布置、工位銜接和流水作業(yè)生產(chǎn)，是典型的離散事件系統(tǒng)仿真。利用Plant Simulation提供的模型庫，建立系統(tǒng)的仿真模型。圖3是白車身側(cè)圍焊裝線系統(tǒng)2D仿真視圖。

圖3 白車身側(cè)圍焊裝線系統(tǒng)2D仿真視圖

白車身板件由白車身板件源（Source）按要求參數(shù)的時(shí)間間隔均勻產(chǎn)生，用Mus下的Entity表示；每個(gè)工位用處理單元（Assembly）表示；積放式輸送機(jī)APC用具有一定長(zhǎng)度和速度的Line表示，根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際要求，設(shè)置APC長(zhǎng)度為8m，輸送速度為0.1m/s。

由于焊裝線和工作站都會(huì)有正常的上下班時(shí)間和休息日。使用ShiftCalendar對(duì)象，能夠自動(dòng)控制物流對(duì)象和資源對(duì)象在工作時(shí)間生產(chǎn)，在非工作時(shí)間暫停生產(chǎn)，從而使仿真結(jié)果更加符合實(shí)際生產(chǎn)。

圖3中BottleneckAnalyzer為瓶頸分析模塊，用來分析焊裝線中每個(gè)工位的具體工作情況，從而確定瓶頸工位。

圖3中ExperimentManager為實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)模塊，能夠自動(dòng)改變對(duì)象使用的隨機(jī)數(shù)流序號(hào)，從而獲得更加準(zhǔn)確的具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的仿真結(jié)果；同時(shí)可以設(shè)計(jì)因子實(shí)驗(yàn)，研究模型中多個(gè)參數(shù)的具體關(guān)系。

圖3中Method是一段能夠被調(diào)用的SimTalk語言程序，對(duì)物流對(duì)象實(shí)行控制功能。如下所示為模型中RESET（復(fù)位）功能控制程序：

3 仿真結(jié)果分析

根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際要求，將仿真時(shí)間設(shè)定為一周，其中一周中的排班計(jì)劃如圖4所示。

圖4 排班計(jì)劃

如圖4所示，每周的工作時(shí)間是周一至周五，周六和周日為法定休息時(shí)間，每天的工作時(shí)間是三班輪換，Pauses表示一班中休息時(shí)間，在休息時(shí)間之內(nèi)，整個(gè)系統(tǒng)將會(huì)停止工作。

運(yùn)行仿真模型，得到當(dāng)生產(chǎn)時(shí)間為一周時(shí)：焊裝線產(chǎn)量為1808件，生產(chǎn)周期為210s，JPH（Job per Hour）為17。由BottleneckAnalyzer瓶頸分析模塊得到10個(gè)工位的具體工作情況如表2所示。

表2 工位工作情況

如表2所示，stn120、STN030和STN100工位工作效率偏低，且 STN030工位堵塞情況很嚴(yán)重，高達(dá)24.86%，確定stn120、STN030和STN100工位為瓶頸工位。表1生產(chǎn)節(jié)拍表顯示，這三個(gè)工位生產(chǎn)節(jié)拍均比其他工位低，說明仿真結(jié)果與實(shí)際情況相符，可信度較高。由于焊裝線的節(jié)拍不平衡，為消除瓶頸工位，提高焊裝線產(chǎn)量，傳統(tǒng)方法需要重新對(duì)這三個(gè)工位進(jìn)行工藝規(guī)劃，提高瓶頸工位生產(chǎn)節(jié)拍。

4 仿真優(yōu)化

實(shí)際焊裝線生產(chǎn)規(guī)劃中，每個(gè)工位均由若干個(gè)機(jī)器人、夾具和抓具組成，單純更改工位節(jié)拍需要重新進(jìn)行工藝規(guī)劃，然后利用ROBCAD或Process Simulate等專業(yè)軟件進(jìn)行仿真模擬，這樣會(huì)耗費(fèi)了大量的人力物力，延長(zhǎng)研發(fā)周期。一般在工業(yè)工程領(lǐng)域，為了減小瓶頸單元的影響，同時(shí)平衡生產(chǎn)節(jié)拍，可以在瓶頸工位前添加暫存區(qū)，加大暫存區(qū)的容量，對(duì)提高生產(chǎn)線的產(chǎn)量有很大幫助；但考慮實(shí)際成本，暫存區(qū)不能盲目設(shè)置，容量也不能太大。下文將焊裝線產(chǎn)量作為指標(biāo)，通過設(shè)計(jì)兩個(gè)實(shí)驗(yàn)得到暫存區(qū)容量和添加位置對(duì)產(chǎn)量的影響。

4.1 單因子多水平試驗(yàn)確定暫存區(qū)容量

在軟件中更改仿真模型，分別在每個(gè)工位前依次添加暫存區(qū)Buffer。打開軟件ExperimentManager試驗(yàn)?zāi)K，單擊Output Values，在彈出對(duì)話框中設(shè)置焊裝線產(chǎn)量為輸出；單擊Input Values，設(shè)置暫存區(qū)為單因子，暫存區(qū)容量大小為多水平，選取1、3、5、10、15、20、25、30、40、50、100共11個(gè)水平影響因素。得到暫存區(qū)容量大小和產(chǎn)量的關(guān)系如圖5所示。

圖5 單因子多水平試驗(yàn)結(jié)果

如圖5所示，當(dāng)暫存區(qū)容量大于25時(shí)，暫存區(qū)容量的增大并不能引起產(chǎn)量的提高，這說明盲目增大暫存區(qū)容量沒有效果。當(dāng)暫存區(qū)容量在1～10之間時(shí)，產(chǎn)量增速很快；當(dāng)暫存區(qū)容量在10～25之間時(shí)，產(chǎn)量變化不大，考慮到實(shí)際成本，選取暫存區(qū)容量為20。

4.2 多因子多水平試驗(yàn)確定暫存區(qū)添加位置

將添加的暫存區(qū)編號(hào)為從BF1至BF8，單擊Input Values選項(xiàng)，設(shè)置這8個(gè)暫存區(qū)為多因子；多水平影響因素設(shè)置如表3所示。

表3 多因子多水平因素表

續(xù)表

運(yùn)行試驗(yàn)，得到仿真試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

圖6 多因子多水平試驗(yàn)結(jié)果

如圖6所示，第9～17組實(shí)驗(yàn)和第25～33組實(shí)驗(yàn)中的產(chǎn)量變化不大，說明暫存區(qū)BF1、BF2、BF7、BF8不是影響產(chǎn)量的主要因素，對(duì)焊裝線產(chǎn)量的貢獻(xiàn)很小，可以去掉，從而得到有效的暫存區(qū)添加位置。

保留暫存區(qū)BF3、BF4、BF5、BF6，設(shè)置容量為20，得到仿真時(shí)間為一周時(shí)：焊裝線產(chǎn)量為1993，生產(chǎn)周期為190s，JPH（Job per Hour）為19，相比于沒有添加暫存區(qū)時(shí)，產(chǎn)量提高185件，生產(chǎn)周期縮短20s。圖7a和圖7b分別是未添加暫存區(qū)和添加暫存區(qū)后焊裝線各個(gè)工位實(shí)際工作情況的直觀條形圖。

如圖7a、圖7b所示，綠色條形表示該工位正常工作，黃色條形表示該工位發(fā)生堵塞，灰色條形表示該工位正在等待上一工位上件，紅色條形表示該發(fā)生故障。通過對(duì)比兩圖，可以發(fā)現(xiàn)添加暫存區(qū)后，各個(gè)工位的工作效率均得到很大提高，工位堵塞情況得到緩解，瓶頸工位stn120、STN030和STN100得到消除，同時(shí)生產(chǎn)節(jié)拍趨于平衡。

圖7 暫存區(qū)添加前后焊裝線工位工作情況

5 結(jié)束語

本文通過對(duì)某汽車白車身側(cè)圍內(nèi)板焊接線系統(tǒng)的建模與仿真優(yōu)化，為焊裝線的進(jìn)一步工藝規(guī)劃提供了參考。仿真結(jié)果表明：通過應(yīng)用Plant Simulation軟件對(duì)焊裝線進(jìn)行離散動(dòng)態(tài)仿真，能夠?qū)ιa(chǎn)線進(jìn)行產(chǎn)能與設(shè)備故障分析，從而診斷出生產(chǎn)線中的瓶頸單元，從而加以改進(jìn)優(yōu)化，消除生產(chǎn)瓶頸，實(shí)現(xiàn)線體平衡，提高生產(chǎn)效率，縮短生產(chǎn)周期。這樣可以為企業(yè)節(jié)省大量的物資資源，減少資金的浪費(fèi)，提高經(jīng)濟(jì)效益，并為生產(chǎn)線的優(yōu)化提供科學(xué)的依據(jù)。

［1］劉金漢.車身焊裝生產(chǎn)線上多臺(tái)機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)的研究［J］.機(jī)器人，2002，24（1）：20-25.

［2］鮑婷潔，佩煌.基于eM-Plant的汽車車身焊裝線系統(tǒng)仿真技術(shù)研究［J］.工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2010，23（12）：7-9.

［3］李華，王淑營.基于eM-Plant的中小型汽車焊裝生產(chǎn)線仿真模擬研究［J］.長(zhǎng)春大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，23（6）：680-684.

［4］王治軍.基于Em-Plant汽車后橋裝配線系統(tǒng)建模與仿真技術(shù)研究［J］.裝備制造技術(shù)，2009（8）：12-15.

［5］姚海鳳，馮勛省.基于eM-Plant的汽車零部件生產(chǎn)線平衡技術(shù)的仿真研究.企業(yè)物流，2010（6）：114-120.

［6］孟凡力，談大龍.裝配系統(tǒng)中緩存區(qū)容量的研究［J］.計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，2005，11（11）：1609-1615.

［7］林巨廣，邱棟榮.白車身側(cè)圍預(yù)拼抓具的設(shè)計(jì)與優(yōu)化［J］.組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2013，12（12）：120-125.

［8］施於人，鄧易元.eM-Plant仿真技術(shù)教程［M］.北京：北京希望電子出版社，2009.

［9］周金平，汪銳.生產(chǎn)系統(tǒng)仿真-Plant Simualtion應(yīng)用教程［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2011.

［10］楊蕾.基于emplant平臺(tái)的車身焊裝線建模、仿真與優(yōu)化［D］.濟(jì)南：山東大學(xué)，2010.

［11］Chaharsooghi SK，NahavandiN.Buffer Allocation Problem，amHeuristicmApproach［J］.Scientiam Iranica，2003，4（10）：401-409.

［12］Rekiek B，Pierre De Lit，Delchambre A.Designing mixerproduct assembly lines［J］.IEEE Transactions and Automation，2003，3（16）：268-296.

（編輯 趙蓉）

Simulation and Optim ization of Body Side W elding Line in BIW Based on Plant Simulation

LIN Ju-guang，WUWen-jie，CAILei，LIU Ma-lin，JIANG Zhi-wen
（School of Mechanical and Automobile Engineering，Hefei University of Technology，Hefei20009，China）

At present，technology of virtual simulation is an effective approach to make process planning for welding line.Based on analysis of an automobile’s body sidewelding line，this paper use simulation software Plant Simulation to establish a discrete system simulationmodel，according to the simulation results it can analyse the equipmentworking condition and bottleneck station，then assess the production capacity of welding line；Then this paper studies the allocation of buffer，using production as the target and buffer cpacity w ith add location as the influence factor through the design ofmultiple-level experiment in ExperimentManager analysismodule.The results show that approprite buffer capacity and add location can enhance the production capacity of welding line greatly，thus offer a theoretical foundation and scientific reference for the optimization of welding line.

Plant Simulation；virtual simulation；body side welding line；multiple-level experiment；buffer

TH181；TG506

A

1001-2265（2015）08-0111-04 DOI：10.13462/j.cnki.mmtamt.2015.08.029

2014-10-27；

2014-11-24

國家科技支撐項(xiàng)目（2012BAF06B01）；國家智能制造裝備發(fā)展專項(xiàng)項(xiàng)目（發(fā)改辦高技［2011］2548號(hào)）

林巨廣（1963-），男，安徽霍邱人，合肥工業(yè)大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)槠囎詣?dòng)化裝備，汽車試驗(yàn)臺(tái)；通訊作者：武文杰（1990-），男，河北秦皇島人，合肥工業(yè)大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)榘总嚿砗秆b、有限元仿真，（E-mail）stdwuwenjie@163.com。