汽車涂裝自動輸送線的設(shè)計與虛擬實驗*

何 彬

(湖北理工學(xué)院 機電工程學(xué)院，湖北 黃石 435003)

0 引言

汽車表面多為涂裝面，涂層決定了汽車的外觀、耐腐蝕性和使用壽命，汽車涂裝工藝直接影響汽車的市場競爭力[1-3]。目前，汽車涂裝多采用自動化程度較高的輸送線，輸送線的設(shè)計不僅要考慮精度、柔性、配送、效率、存儲，還需兼顧結(jié)構(gòu)、布局以及配置等問題，由于設(shè)計過程的復(fù)雜性，以及輸送線系統(tǒng)設(shè)備昂貴、工藝流程長、不可暫停等特點，導(dǎo)致輸送線設(shè)計中無法采用成本高、執(zhí)行難度大的現(xiàn)場試驗進行驗證[4]。虛擬實驗[5-7](Distributed Virtual Experiment Technology)是一種先進的仿真研究方法，是借助虛擬現(xiàn)實、多媒體等技術(shù)營造可替換傳統(tǒng)實驗的操作環(huán)境，從而取得與其等價效果的實驗過程。目前國內(nèi)外關(guān)于汽車涂裝生產(chǎn)線虛擬實驗的研究多集中在運行仿真與生產(chǎn)工藝的改進上，如文獻[2-4,8]等，如何通過汽車涂裝生產(chǎn)線的虛擬實驗狀態(tài)數(shù)據(jù)和運行結(jié)果，指導(dǎo)設(shè)計，改進布局，優(yōu)化結(jié)構(gòu)，相關(guān)研究并不多見。本文結(jié)合汽車涂裝自動輸送線的工藝特點，采用Flexsim平臺對設(shè)計方案的運行過程進行仿真，并根據(jù)仿真結(jié)果完成汽車涂裝自動輸送線設(shè)計的改進、優(yōu)化和完善，從而減少試驗費用，縮短研發(fā)時間，提高設(shè)計質(zhì)量。

1 汽車涂裝工藝與自動輸送線的設(shè)計

汽車涂裝工藝決定了自動輸送線的結(jié)構(gòu)布局和設(shè)計參數(shù)，自動輸送線的先進性主要表現(xiàn)為：在輸送線動態(tài)的輸送運行中，能夠并行完成涂裝工藝中的絕大多數(shù)工序，因此輸送線的整體設(shè)計要充分考慮工藝布局、線上和線下工序的協(xié)調(diào)以及輸送線整體運行的流暢性等問題，在滿足產(chǎn)能的前提下，盡可能降低設(shè)計成本、提高輸送效率和改善結(jié)構(gòu)布局。

1.1 汽車涂裝工藝的設(shè)計

汽車涂裝工藝是決定汽車涂裝自動輸送線結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵因素，合理的工藝設(shè)計不僅可以降低人力成本、減少浪費、改善環(huán)保[8]，還直接影響自動輸送線的運行參數(shù)、布局和成本。圖1為某重型汽車貨廂涂裝工藝，代表了典型的汽車涂裝工藝流程。

圖1 典型汽車涂裝工藝流程

整個工藝流程包含兩次必要的檢驗環(huán)節(jié)，兩次檢驗對不合格的工件要單獨返修，返修完成后，再分別返回到陰極電泳和面漆烘干工序進行循環(huán)。

1.2 汽車涂裝輸送線的基本組成與設(shè)計思路

(1)基本組成

為保證圖1工藝流程的實施，汽車涂裝自動輸送線的基本組成如下：汽車懸掛輸送鏈、前處理設(shè)備、電控系統(tǒng)、噴涂設(shè)備、熱源系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、烘干設(shè)備等，除了預(yù)清潔、檢驗、返修等工序須由操作人員和獨立的設(shè)備完成之外，其余所有工序均在汽車懸掛輸送鏈的吊裝和傳送過程中完成。

(2)設(shè)計思路

為了實現(xiàn)輸送線運行與工序?qū)嵤┑牟⑿行?，保證輸送過程的高效流暢，工件輸送系統(tǒng)宜采用立體式的機械化輸送方式，如空中懸掛和地面滑橇一體化設(shè)計。根據(jù)生產(chǎn)工藝的實際要求,電控系統(tǒng)采用 PLC 可控編程，并實行現(xiàn)場總線中心監(jiān)控和分區(qū)自動轉(zhuǎn)接運行。涂裝生產(chǎn)線主要采用集中和單列控制，其中，PLC集中控制主機，各工序則單列控制，以方便操作和維修。懸輸機進出道岔根據(jù)工作指令由電氣控制進行開合，保證工件在各處理工位自動輸送的平穩(wěn)順暢。

1.3 主要參數(shù)的設(shè)計

汽車涂裝自動輸送線的主要設(shè)計參數(shù)包括生產(chǎn)節(jié)拍、輸送線速度和平衡效率等。

生產(chǎn)節(jié)拍通常定義為在輸送線上相繼完成兩個工件的所有維護作業(yè)的時間間隔，是汽車涂裝自動輸送線重要的運行參數(shù)之一，直接影響整個輸送線的結(jié)構(gòu)和效率，其計算公式如下：

(1)

式中，t為生產(chǎn)節(jié)拍時間，單位是min/掛；Q表示年生產(chǎn)鋼領(lǐng)，ζ為工件合格率，T是以小時為單位的年工作時間(年時基數(shù))[4]。

輸送線速度對整個輸送系統(tǒng)節(jié)拍的控制和運行的平順性影響顯著，速度的選取應(yīng)綜合考慮結(jié)構(gòu)、節(jié)拍、平衡以及效率等多種因素，對于汽車涂裝自動輸送線，由于多數(shù)工序在輸送線上完成，因此輸送線速度須滿足以下條件：

(2)

其中，vi為第i條輸送線的速度，n為輸送線數(shù)量，vij為第i條輸送線上完成第j道工序的最大速度，m為第i條輸送線上完成工序的數(shù)量，Lij為第i條輸送線上完成第j道工序設(shè)備或作業(yè)要求的長度，tij為第i條輸送線上第j道工序的作業(yè)時間。

汽車涂裝自動輸送線的平衡效率也是設(shè)計中必須考慮的重要參數(shù)之一，一條設(shè)計良好的汽車涂裝自動輸送線中，所有的工位都應(yīng)盡可能得到充分利用，平衡效率反映了整個輸送系統(tǒng)作業(yè)負荷均衡和所有工位充分利用的程度，其計算公式可表示如下[9-11]：

(3)

C完表示完成汽車涂裝所有工序作業(yè)的總時間，k為工序數(shù)，t為生產(chǎn)節(jié)拍。

2 汽車涂裝自動輸送線的虛擬實驗

以國內(nèi)某公司汽車貨箱涂裝自動輸送線的設(shè)計為例，借助Flexsim仿真平臺，通過虛擬實驗驗證并改進設(shè)計方案。Flexsim是進行離散事件系統(tǒng)仿真的有力工具，提供了能與輸送設(shè)備匹配的多種實體模型，如生成器、處理器、輸送機等，只需對照研究對象的特點和功能，選用適當(dāng)?shù)幕灸Ｐ停⑦M行合理的參數(shù)設(shè)置和模型連接，便可以方便地建立起實體三維模型，從而有效地構(gòu)建逼真、動態(tài)的虛擬實驗環(huán)境[12]。

2.1 初始方案的設(shè)計與虛擬實驗

該汽車貨箱涂裝工藝流程如圖1所示，兩次檢驗的不合格率均為8%，生產(chǎn)綱領(lǐng)48000掛/年，每天兩班制16h，每年工作300天，工件合格率99.5%，可以計算生產(chǎn)節(jié)拍為6min/掛，為了保證產(chǎn)量，輸送線的生產(chǎn)節(jié)拍必須不慢于該值。

各道工序完成的時間以及建模的實體類型序號等信息如表1所示。

對于在線上完成作業(yè)的工序，為了實現(xiàn)其作業(yè)過程與輸送線傳遞的同步性，選取輸送機(Conveyor)為實體建模類型，使得輸送線的運行時間涵蓋了全部線上工序的作業(yè)時間；而少數(shù)在線下完成的工序，如預(yù)清潔、檢驗等，則采用獨立的處理器(Processor)進行建模，代表完成該工序作業(yè)的相關(guān)設(shè)備。整個自動輸送線主線由表1中的Conveyor1-Conveyor4四條輸送機構(gòu)成，按照公式(2)的計算原則并考慮結(jié)構(gòu)布局等因素，初步選取四條輸送機的速度為0.05 m/s；另有兩條輸送機副線，分別將兩次檢驗不合格工件返修后快速返回到對應(yīng)的烘干工序中，其速度初步定為0.1 m/s。該汽車貨箱涂裝自動輸送線初步設(shè)計方案的結(jié)構(gòu)布局與虛擬實驗場景如圖2所示。

表1 工序完成時間及其實體建模信息

圖2 自動輸送線初步設(shè)計方案的虛擬實驗場景

在完成約3000個單位仿真時間后，生成反映所有實體狀態(tài)的虛擬實驗數(shù)據(jù)，如表2所示。

其中，經(jīng)過吸收器(Sink)的工件數(shù)量為234，反映了在該時間段內(nèi)輸出產(chǎn)品的數(shù)量。從表2可以看出，整個自動輸送線結(jié)構(gòu)中，完成預(yù)清潔工序的Processor1阻塞嚴重(堵塞率超過60%)，完成第一道檢驗工序的Processor2輕微阻塞，主輸送線上Conveyor1和Conveyor3，以及副線上Conveyor221和Conveyor230均出現(xiàn)一定阻塞。其中急需解決的瓶頸問題顯然是Processor1的阻塞問題，而且預(yù)清潔是第一道工序，其堵塞也直接或間接影響了Processor2、Conveyor1和Conveyor3的運行，通過分析，Processor1上游無工序，其阻塞主要和下游的輸送機有關(guān)，輸送機速度偏快、路徑偏長以及主線關(guān)鍵路徑數(shù)量偏少均是造成Processor1阻塞的主要原因。另外，自動輸送線初始方案的整體結(jié)構(gòu)布置過于狹長，加長了輸送距離，且不利于整體空間的利用。上述問題也對輸送線的平衡效率產(chǎn)生影響，按照公式(3)和仿真數(shù)據(jù)對整個自動輸送線的平衡效率進行估算，可得到其值約為49.1%，說明還可以進一步改進以提高輸送線利用率。

表2 虛擬實驗狀態(tài)數(shù)據(jù)

2.2 改進方案及虛擬實驗

針對初始方案的阻塞、布置和平衡問題，作出如下改進：

(1) 縮短輸送線的長度，使結(jié)構(gòu)更為緊湊，優(yōu)化傳輸路徑。

(2) 可適當(dāng)降低輸送線的傳輸速度，其中主線Conveyor1a、Conveyor1b和Conveyor3a降為0.042 m/s，Conveyor2a和Conveyor4a降為0.046m/s，副線上兩條輸送機降為0.05m/s。

(3) 增加設(shè)備，如針對處理器Processor1的嚴重阻塞，可平行放置一個處理器Processor1a，共同完成預(yù)清潔工序。同時，為防止下游阻塞，將輸送機Conveyor1單線改為平行的兩條線Conveyor1a和Conveyor1b。

改進后的自動輸送線設(shè)計方案的結(jié)構(gòu)布局與虛擬實驗場景如圖3所示。

圖3 自動輸送線改進設(shè)計的虛擬實驗場景

在完成給定的3000個單位仿真時間后，得到Processor1、Conveyor1a和Conveyor3a的工作狀態(tài)圖分別如圖4～圖6所示(Processor1a和Conveyor1b分別與Processor1和Conveyor1a狀態(tài)數(shù)據(jù)接近)。

圖4 Processor1的工作狀態(tài) 圖5 Conveyor1a的工作狀態(tài)

圖6 Conveyor3a的工作狀態(tài)

可以看出，在初始設(shè)計方案中出現(xiàn)阻塞的幾個實體模型，經(jīng)過改進后阻塞率均為0或近似為0，對比圖2和圖3，改進方案的結(jié)構(gòu)布置更加緊湊，布局也相對合理。而且解決堵塞問題后產(chǎn)品輸出數(shù)量顯著增加，由于在相同的運行時間內(nèi)工件輸出數(shù)量由234件上升到309件，縮短了整個自動輸送線的生產(chǎn)節(jié)拍，因此改進后自動輸送線的平衡效率提高到了64.8%。顯然，改進后作業(yè)負荷均衡性與資源的利用程度得到了一定程度提升。

3 結(jié)論

通過基于Flexsim的虛擬實驗，對汽車涂裝自動輸送線的設(shè)計進行改進和完善，得出如下結(jié)論:

(1) 汽車涂裝自動輸送線阻塞問題的解決是一個系統(tǒng)工程，當(dāng)前工序的阻塞，不僅取決于自身的各種配置，還和下游環(huán)節(jié)的結(jié)構(gòu)布置以及輸送線的設(shè)計參數(shù)有關(guān)。

(2) 實際的生產(chǎn)節(jié)拍取決于特定時間內(nèi)的工件輸出量，增加自動輸送線主線和關(guān)鍵工序設(shè)備數(shù)量，可以增加實際的工件輸出量，從而縮短生產(chǎn)節(jié)拍，提高平衡效率。

(3) 可以按照多目標的優(yōu)化問題，綜合考慮自動輸送線的成本、效率和平衡等環(huán)節(jié)，通過優(yōu)化，使得輸送線整體結(jié)構(gòu)布局更為合理，以及運行狀態(tài)更加科學(xué)。

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