工業(yè)4.0背景下汽車自動(dòng)焊裝線開動(dòng)率評(píng)估仿真研究

王建華，黃賢鳳，尚瑩瑩，曹 婷

(江蘇大學(xué)管理學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

0 引言

隨著工業(yè)4.0戰(zhàn)略的推進(jìn)以及自動(dòng)化技術(shù)的日益成熟，由各類機(jī)器人或機(jī)床組成的自動(dòng)生產(chǎn)線在工廠生產(chǎn)中的占比越來越高。為保障自動(dòng)生產(chǎn)線開動(dòng)率(line availability,LA)，各種維修調(diào)度策略[1-2]、故障診斷方法[3]和硬件測(cè)試裝備[4]不斷涌現(xiàn)，部分運(yùn)用在實(shí)際生產(chǎn)中；也有文獻(xiàn)結(jié)合維修策略和線間緩存設(shè)計(jì)，對(duì)LA進(jìn)行優(yōu)化[5]。這些策略和方法是在硬件設(shè)備規(guī)劃配置完成后對(duì)產(chǎn)線運(yùn)行效率的事后補(bǔ)救，對(duì)產(chǎn)線開動(dòng)率的改善和提升作用有限，因此工廠逐漸重視投產(chǎn)前生產(chǎn)線設(shè)計(jì)方案本身開動(dòng)率的評(píng)估。鑒于自動(dòng)生產(chǎn)線硬件設(shè)備種類和數(shù)量多、設(shè)備故障的隨機(jī)特性、產(chǎn)線的運(yùn)作方式都對(duì)產(chǎn)線開動(dòng)率具有影響，因此采用經(jīng)驗(yàn)估計(jì)無法對(duì)開動(dòng)率進(jìn)行精確評(píng)估。

針對(duì)該問題，本文以汽車自動(dòng)焊裝線為研究對(duì)象，分析自動(dòng)焊裝線的一般布局形式、運(yùn)作模式和工作站的作業(yè)流程。仿真方法可以有效地進(jìn)行不同運(yùn)作模式下單體產(chǎn)線和整體產(chǎn)線開動(dòng)率的評(píng)估，獲取設(shè)計(jì)方案中產(chǎn)線間吊具數(shù)量、設(shè)備可靠性參數(shù)等對(duì)產(chǎn)線開動(dòng)率的影響規(guī)律。

1 汽車自動(dòng)焊裝線評(píng)估問題建?？蚣?/h2>

1.1 自動(dòng)焊裝線一般布局

假設(shè)某個(gè)汽車總裝廠根據(jù)產(chǎn)能計(jì)劃、工作內(nèi)容以及車間布局，將其地板總成線設(shè)計(jì)為n個(gè)工作站，車身總成線設(shè)計(jì)為m個(gè)工作站，地板總成從地板線傳輸?shù)杰嚿砜偝删€由右側(cè)吊具環(huán)線來完成。汽車自動(dòng)焊裝線布局如圖1所示。St(1)一般將前地板和后地板焊接成地板總成，后續(xù)工作站進(jìn)行地板總成的涂膠和部件的焊接;在St(n)處地板總成焊接完畢，由吊具將地板總成吊起，通過運(yùn)輸環(huán)線運(yùn)至St(n+1)。通常St(n+2)等工作站會(huì)將車身側(cè)圍、前中后橫梁以及頂蓋等車身部件依次焊接到地板總成上并最終形成車身總成，由St(n+m)送至后續(xù)裝配線。圖1中，虛線表示僅有空吊具；實(shí)線表示吊具懸掛了地板總成；懸吊環(huán)線中吊具數(shù)量也決定了兩條產(chǎn)線之間的緩存容量。

圖1 汽車自動(dòng)焊裝線布局圖Fig.1 Schematic diagram of the layout of automotive automatic welding line

1.2 自動(dòng)焊裝線運(yùn)作模式

自動(dòng)焊裝線工作站中除了少許空工位，每個(gè)工作站都包含一套工位夾具、一個(gè)或多個(gè)加工(抓取、定位、焊接或涂膠)機(jī)器人和一套運(yùn)輸設(shè)備。這些設(shè)備在生產(chǎn)過程中會(huì)出現(xiàn)故障并需要維修，從而影響產(chǎn)線開動(dòng)率。工作站維修對(duì)產(chǎn)線開動(dòng)率的影響一方面受到維修時(shí)間長(zhǎng)度的影響，另一方面受到產(chǎn)線運(yùn)作模式的影響。

汽車焊裝線運(yùn)作模式一般有兩種：同步移動(dòng)(synchronous move，SM)和異步移動(dòng)(asynchronous move，AM)。SM指產(chǎn)線中每個(gè)工作站在當(dāng)前節(jié)拍中的工作內(nèi)容全部結(jié)束后，發(fā)出一個(gè)信號(hào)給總控系統(tǒng)；總控系統(tǒng)接收到全部工作站本節(jié)拍工作結(jié)束的信號(hào)且達(dá)到了產(chǎn)線節(jié)拍的時(shí)間，將給每個(gè)工作站發(fā)出開始運(yùn)輸?shù)闹噶?，全部工作站的工位小車同步移?dòng)，同時(shí)將工件向下游工作站運(yùn)輸。AM指每個(gè)工作站向下游運(yùn)送工件時(shí)不需要同步，只需要本工作站作業(yè)內(nèi)容完成且下游工作站上夾具為空時(shí)即可運(yùn)送。在SM模式下，當(dāng)某個(gè)工作站中設(shè)備出現(xiàn)故障并進(jìn)行維修時(shí)，維修活動(dòng)將延遲該工作站的作業(yè)活動(dòng)，進(jìn)而延遲向總控系統(tǒng)發(fā)送該工作站的完工信號(hào)，從而延遲整個(gè)產(chǎn)線的運(yùn)輸活動(dòng)。在AM模式下，當(dāng)某個(gè)工作站中設(shè)備出現(xiàn)故障并進(jìn)行維修時(shí)，維修活動(dòng)延遲該工作站的作業(yè)活動(dòng)，從而延遲了其上游工作站向該工作站的運(yùn)輸活動(dòng)，以及其下游工作站進(jìn)行下一個(gè)工件加工的開始時(shí)間。一般情況下，SM模式產(chǎn)線開動(dòng)率要低于AM模式產(chǎn)線。但是從過程控制便捷性和硬件投入成本上來看，SM模式生產(chǎn)線要優(yōu)于AM模式生產(chǎn)線。在進(jìn)行產(chǎn)線設(shè)計(jì)時(shí)，經(jīng)常要進(jìn)行這兩種運(yùn)作模式的權(quán)衡和選擇。

1.3 單個(gè)工作站作業(yè)流程

不論是SM還是AM，單個(gè)工作站的作業(yè)流程都是相同的，不同的僅僅是等待時(shí)間。下面以工作站i的時(shí)序圖描述單個(gè)工作站在一個(gè)節(jié)拍中的作業(yè)流程和時(shí)間。

①本工作站接收送達(dá)的工件，夾具加緊，耗時(shí)ti1；②機(jī)器人開始焊接、涂膠等作業(yè)，耗時(shí)ti2，該時(shí)間為0表示空工位；③全部機(jī)器人作業(yè)結(jié)束后，夾具松開，耗時(shí)ti3；④運(yùn)輸小車頂起工件，耗時(shí)ti4；⑤等待啟動(dòng)運(yùn)輸指令，耗時(shí)ti5；⑥運(yùn)輸小車向下游工作站運(yùn)輸，耗時(shí)ti6；⑦將工件放在下游工作站的夾具上，耗時(shí)ti7。運(yùn)輸小車將工件放到下游工作站夾具上之后，將返回原工作站夾具下等待進(jìn)行操作③，其返回過程不影響其他作業(yè)，因此不需要包含在工作站的時(shí)序圖中。

自動(dòng)焊裝線單個(gè)工作站作業(yè)時(shí)序圖如圖2所示。

圖2 作業(yè)時(shí)序圖Fig.2 Operation sequence of workstation

圖2中，設(shè)計(jì)時(shí)先確定除了ti5之外的作業(yè)時(shí)間，然后根據(jù)產(chǎn)線節(jié)拍T和工作站作業(yè)時(shí)間的關(guān)系，采用式(1)獲得等待時(shí)間ti5。

ti5=T-(ti1+ti2+ti3+ti4+ti5+ti6+ti7)

(1)

當(dāng)工作站夾具或機(jī)器人(包括抓手、焊槍或涂膠槍)在作業(yè)過程中出現(xiàn)故障并需要修復(fù)時(shí)，對(duì)應(yīng)作業(yè)時(shí)間將會(huì)延長(zhǎng)。故障時(shí)序延長(zhǎng)可能影響工作站或生產(chǎn)線運(yùn)輸作業(yè)，從而影響產(chǎn)線的開動(dòng)率。

1.4 自動(dòng)焊裝線開動(dòng)率評(píng)估問題

自動(dòng)焊裝線設(shè)計(jì)是在整體產(chǎn)能規(guī)劃、廠房形狀以及投資金額等基礎(chǔ)上，確定產(chǎn)線運(yùn)作模式、工作站數(shù)量及布局、每個(gè)工作站中設(shè)備配置及工作內(nèi)容和作業(yè)流程、懸吊系統(tǒng)中吊具數(shù)量等決策要素。自動(dòng)焊裝線開動(dòng)率評(píng)估一方面基于設(shè)計(jì)方案的決策要素計(jì)算產(chǎn)線開動(dòng)率，另一方面分析決策要素變化對(duì)產(chǎn)線開動(dòng)率的影響規(guī)律，為改善產(chǎn)線開動(dòng)率提供建議和參考。由于開動(dòng)率依賴于焊裝線決策要素及設(shè)備的可靠性參數(shù)，但同時(shí)又不能通過簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)計(jì)算來評(píng)估產(chǎn)線開動(dòng)率，所以借助計(jì)算機(jī)仿真來評(píng)估自動(dòng)焊裝線開動(dòng)率不失為一種非常有效和實(shí)用的方法。下面借助算例，說明利用仿真方法進(jìn)行自動(dòng)焊裝線開動(dòng)率評(píng)估的基本過程和實(shí)際效果。

2 仿真算例及仿真平臺(tái)選擇

2.1 仿真算例數(shù)據(jù)

某汽車制造廠新廠焊裝線規(guī)劃設(shè)計(jì)產(chǎn)能為6萬臺(tái)/年，每天兩班制16 h，每年工作日為250 d，需要焊裝線的開動(dòng)率達(dá)到85%。根據(jù)式(2)計(jì)算出產(chǎn)線節(jié)拍T為204 s。

(2)

式中：T為產(chǎn)線節(jié)拍;Ta為日可用時(shí)間;Qd為日生產(chǎn)需求數(shù)量。本算例中Ta=16×3 600×0.85=48 960,Qd=240。

算例中，地板總成線設(shè)置8個(gè)工作站，車身總成線設(shè)置8個(gè)工作站，產(chǎn)線局部類似圖1。產(chǎn)線工作站之間的運(yùn)輸小車工作過程分為5個(gè)階段。每個(gè)工作站夾具夾緊/松開時(shí)間以及工位小車托起/放下時(shí)間均為4 s，即式(3)成立;每個(gè)工作站工位小車的單程運(yùn)輸時(shí)間均為12 s，即式(4)成立。

ti1=ti3=ti4=ti7=4 ?i

(3)

ti6=12 ?i

(4)

每個(gè)工作站夾具夾緊工件后，該工位機(jī)器人將同時(shí)進(jìn)行焊接或涂膠作業(yè)，或按照順序進(jìn)行作業(yè)。這時(shí)根據(jù)可靠性理論的并行或串行設(shè)備結(jié)構(gòu)，可以在單個(gè)設(shè)備可靠性參數(shù)基礎(chǔ)上計(jì)算出該組機(jī)器人的整體可靠性參數(shù)[6]。因此，可以將每個(gè)工作站的加工作業(yè)機(jī)器人視為一臺(tái)機(jī)器人，并獲得該機(jī)器人的可靠性參數(shù)。

機(jī)器人自動(dòng)焊裝線提供商，例如瑞典的ABB、日本的FANUC和Yaskawa以及德國(guó)的KUKA，對(duì)焊裝線設(shè)備故障數(shù)據(jù)進(jìn)行了收集和統(tǒng)計(jì)處理，形成了每類設(shè)備的可靠性參數(shù)：平均故障間隔時(shí)間 (mean time between failures，MTBF)和平均修復(fù)時(shí)間(mean time to repair,MTTR)。假設(shè)算例中各個(gè)工作站的加工時(shí)間和可靠性參數(shù)如表1所示。

表1 焊裝線工作站加工時(shí)間和可靠性參數(shù)Tab.1 Cycle time and reliability parameters of the workstation of welding line

表1中的工作站4、5、13為空工位或預(yù)留工位，工位可用率(site availability，SA)由表達(dá)式MTBF/(MTBF+MTTR)獲得，最下面一行為UB線和Frame線全部工位相關(guān)參數(shù)的均值。

2.2 仿真目標(biāo)設(shè)計(jì)

仿真目標(biāo)設(shè)定如下。

①評(píng)估UB和Frame兩條產(chǎn)線獨(dú)立運(yùn)行的開動(dòng)率以及兩條產(chǎn)線通過EMS接在一起的整體產(chǎn)線開動(dòng)率;

②評(píng)估產(chǎn)線間吊具數(shù)量對(duì)LA的影響;

③評(píng)估設(shè)備可靠性參數(shù)對(duì)LA的影響。

2.3 仿真平臺(tái)選擇

當(dāng)前用于生產(chǎn)系統(tǒng)仿真建模的平臺(tái)有很多，如Flexsim、Automod、Emplant、Arena等。本文選擇英國(guó)Lanner公司的WITNESS仿真平臺(tái)。該平臺(tái)提供了大量描述工業(yè)系統(tǒng)的建模元素，例如設(shè)備、輸送鏈、緩存區(qū)、運(yùn)輸車輛等。這些元素都是基于工業(yè)系統(tǒng)中對(duì)應(yīng)設(shè)備特性開發(fā)的模塊化元素，通過簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)就可以使對(duì)應(yīng)元素具備工業(yè)元素的行為特征，不論是加工行為，還是故障/修復(fù)行為。該平臺(tái)廣泛運(yùn)用于輔助生產(chǎn)線設(shè)計(jì)[7]、生產(chǎn)線平衡[8-9]、布局優(yōu)化[10]及生產(chǎn)線人員績(jī)效評(píng)估[11]。

3 仿真試驗(yàn)結(jié)果分析

自動(dòng)焊裝線仿真模型中設(shè)備故障發(fā)生時(shí)間間隔和修復(fù)時(shí)長(zhǎng)具有隨機(jī)性，因此每種試驗(yàn)都仿真10次。系統(tǒng)績(jī)效指標(biāo)取10次試驗(yàn)的平均值。根據(jù)正式試驗(yàn)前的預(yù)試驗(yàn)，仿真運(yùn)行到10天時(shí)，系統(tǒng)績(jī)效指標(biāo)就能夠保持穩(wěn)定。為了獲得更穩(wěn)定的試驗(yàn)結(jié)果，仿真試驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)設(shè)定為20天。

3.1 產(chǎn)線開動(dòng)率評(píng)估分析

設(shè)定模型在AM和SM兩種模式下進(jìn)行仿真試驗(yàn)，10次仿真試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。表2中：UB列和Frame列分別是UB線和Frame線在獨(dú)立運(yùn)行狀態(tài)下的開動(dòng)率數(shù)據(jù)，LA列統(tǒng)計(jì)UB和Frame線通過吊具環(huán)線連接后的整體產(chǎn)線開動(dòng)率數(shù)據(jù)。

表2 仿真試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Simulation results

從表2可以得出以下結(jié)論。①無論是哪種運(yùn)作模式，產(chǎn)線開動(dòng)率試驗(yàn)數(shù)據(jù)的變異系數(shù)都較低，最高為1.21%，仿真試驗(yàn)結(jié)果比較穩(wěn)定，能夠很好地反映實(shí)際產(chǎn)線的開動(dòng)率狀況。②不論是獨(dú)立產(chǎn)線，還是整體產(chǎn)線，其開動(dòng)率在SM模式都要低于AM模式。③在SM模式下產(chǎn)線開動(dòng)率主要受工位平均可用率的影響，而在AM模式下產(chǎn)線開動(dòng)率不僅受到工位平均可用率的影響，還受到工位平均作業(yè)時(shí)長(zhǎng)的影響。④從本算例數(shù)據(jù)來看，在AM模式下整體產(chǎn)線開動(dòng)率(88.38%)達(dá)到了目標(biāo)要求(85%)，而在SM模式下整體產(chǎn)線開動(dòng)率(83.81%)沒能達(dá)到目標(biāo)要求。

3.2 產(chǎn)線間吊具數(shù)量對(duì)產(chǎn)線開動(dòng)率影響分析

對(duì)UB和Frame線間吊具數(shù)量為[1,19]之間的10個(gè)數(shù)值進(jìn)行仿真試驗(yàn)，每個(gè)吊具數(shù)量下試驗(yàn)10次，求得產(chǎn)線開動(dòng)率。吊具數(shù)量對(duì)整體產(chǎn)線開動(dòng)率影響曲線如圖3所示。

圖3 吊具數(shù)量對(duì)產(chǎn)線開動(dòng)率影響曲線圖Fig.3 Influence of hook quantity on the LA

從圖3可以得出以下結(jié)論。①適當(dāng)?shù)牡蹙邤?shù)量會(huì)提高整體產(chǎn)線開動(dòng)率。當(dāng)?shù)蹙邤?shù)量從1增加到13時(shí)，產(chǎn)線開動(dòng)率具有提升較明顯，尤其在吊具數(shù)量由1增加到3時(shí)。吊具數(shù)量高于13之后，隨著吊具數(shù)量的增加，產(chǎn)線開動(dòng)率基本不再增加，兩種模式下吊具數(shù)量在15左右可使得產(chǎn)線開動(dòng)率達(dá)到最大。②在吊具數(shù)量相同的情況下，SM模式下產(chǎn)線開動(dòng)率總要比AM模式下產(chǎn)線開動(dòng)率低。③僅以達(dá)到85%開動(dòng)率為吊具配備標(biāo)準(zhǔn)，SM模式下要配置15個(gè)吊具，而AM模式下僅配置3個(gè)即可。

3.3 設(shè)備可靠性參數(shù)對(duì)產(chǎn)線開動(dòng)率影響分析

為了提高產(chǎn)線開動(dòng)率，企業(yè)可以選擇的方案有很多。例如進(jìn)行產(chǎn)線工作站工作任務(wù)的重新安排、選擇可靠性高的硬件設(shè)備供應(yīng)商提供機(jī)器人及其相關(guān)設(shè)備，進(jìn)而延長(zhǎng)MTBF、培訓(xùn)現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)維修人員技術(shù)水平，進(jìn)而縮短MTTR等。下面以設(shè)備可靠性指標(biāo)MTBF和MTTR兩項(xiàng)數(shù)據(jù)的變化進(jìn)行仿真試驗(yàn)，分析其對(duì)整體LA的影響。設(shè)定設(shè)備質(zhì)量因子a控制產(chǎn)線設(shè)備故障間隔時(shí)長(zhǎng)，即試驗(yàn)中各個(gè)工作站故障間隔均值為表1中對(duì)應(yīng)MTBF的a倍; 設(shè)定維修時(shí)長(zhǎng)因子b控制故障修復(fù)時(shí)間，即試驗(yàn)中各個(gè)工作站設(shè)備故障后修復(fù)時(shí)間均值為表1中對(duì)應(yīng)MTTR的b倍。對(duì)[0.8,1.7]之間的10個(gè)數(shù)進(jìn)行10次仿真試驗(yàn)，求得LA平均值，制作成MTBF對(duì)LA影響曲線如圖4(a)所示; 令[0.4,1.3]之間的10個(gè)數(shù)值進(jìn)行10次仿真試驗(yàn)，求得LA平均值，制作成MTTR對(duì)LA影響曲線如圖4(b)所示。

圖4 設(shè)備可靠性參數(shù)對(duì)LA影響曲線圖Fig.4 Influence of reliability parameters of equipment on the LA

從圖4可以看出，設(shè)備可靠性參數(shù)對(duì)整體LA具有明顯的影響。從圖4(a)可以得出如下結(jié)論。①設(shè)備MTBF同產(chǎn)線開動(dòng)率之間具有明顯的正相關(guān)關(guān)系。②SM模式下設(shè)備質(zhì)量因子a對(duì)產(chǎn)線開動(dòng)率的影響要比AM模式下的影響高，因?yàn)閍在區(qū)間[0.8,1.7]之間變化時(shí)，AM模式下產(chǎn)線開動(dòng)率與a之間的線性關(guān)系表達(dá)式為L(zhǎng)A=79.74+8.37a。而SM模式下產(chǎn)線開動(dòng)率與a之間的線性關(guān)系表達(dá)式為L(zhǎng)A=72.72+10.87a。在SM模式下，設(shè)備質(zhì)量水平提高100%，可以產(chǎn)生10.87%的產(chǎn)線開動(dòng)率提升；而在AM模式下，則只能產(chǎn)生8.37%的產(chǎn)線開動(dòng)率提升。

從圖4(b)中可以得出如下結(jié)論。①維修時(shí)長(zhǎng)MTTR同產(chǎn)線開動(dòng)率之間具有明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系，不論產(chǎn)線在SM模式還是AM模式。② SM模式下維修時(shí)長(zhǎng)因子b對(duì)產(chǎn)線開動(dòng)率的影響要比AM模式下的影響高，因?yàn)閎在區(qū)間[0.4,1.3]之間變化時(shí)，AM模式下產(chǎn)線開動(dòng)率與b之間的線性關(guān)系表達(dá)式為L(zhǎng)A=104.1-15.64b。而SM模式下產(chǎn)線開動(dòng)率與b之間的線性關(guān)系表達(dá)式為L(zhǎng)A=102.4-18.41b。維修工人維修速度提高，即b=0.5，在SM模式下產(chǎn)線開動(dòng)率提高9.205%，而在AM模式下產(chǎn)線開動(dòng)率僅提升7.82%。

綜上所述，為了提高整體產(chǎn)線開動(dòng)率，應(yīng)盡可能選擇可靠性高的設(shè)備。通過培訓(xùn)或維修制度安排提高員工維修速度，采取特定的產(chǎn)線運(yùn)行硬件配置使得產(chǎn)線能夠在AM模式下運(yùn)行。

4 結(jié)束語

在工業(yè)4.0背景下，自動(dòng)生產(chǎn)線越來越普及，評(píng)價(jià)和提高自動(dòng)生產(chǎn)線的可靠性是企業(yè)所關(guān)注的重要問題。本文提出了一種評(píng)估及分析自動(dòng)焊裝線開動(dòng)率的仿真方法。在工業(yè)實(shí)踐的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了汽車自動(dòng)焊裝線評(píng)估的建?？蚣堋Ｋ憷枋鲇?jì)算機(jī)仿真表明，該方法可以在產(chǎn)線施工和投產(chǎn)之前精確地評(píng)估產(chǎn)線的開動(dòng)率，并分析產(chǎn)線主要配置參數(shù)對(duì)開動(dòng)率的影響規(guī)律。

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