基于Quest的天線制造過程三維虛擬仿真實驗

王 佩, 賀 華, 陳改革

(西安電子科技大學 機電工程學院, 陜西 西安 710071)

天線是機械電子工程的主要研究對象之一,其結構設計、制造和測試過程涉及機、電、熱等多專業(yè)知識,具有理論與實踐高度結合、微觀與宏觀高度結合等特點。實驗是培養(yǎng)天線復雜機電裝備人才的重要手段。然而天線尺寸大、種類多、更新?lián)Q代快,以及個性化、定制化特點,通過真實實驗完成實驗和實踐教學的難度較大,迫切需要通過虛擬仿真綜合實驗補充和豐富實驗教學和理論教學內容。

虛擬仿真實驗教學在高等教育中具有重要應用,是教育信息化的重要組成部分[1-2]。通過虛擬仿真實驗教學共同體實行課堂教學與虛擬空間教學協(xié)同運行,突破傳統(tǒng)實驗教學模式的時空制約,已成為一種新的實驗教學模式[3-13]。

基于Quest的天線制造過程的三維虛擬仿真實驗項目,可以幫助學生更好地理解典型天線復雜機電裝備裝配制造過程中生產線節(jié)拍、工位瓶頸等內容。學生可以在虛擬環(huán)境中針對作業(yè)流程不流暢、設備利用率不均、作業(yè)計劃不合理、空間利用率低、緩沖區(qū)設置不合理等問題進行仿真分析與驗證,并針對不同問題的解決辦法進行規(guī)律總結。

1 虛擬仿真實驗過程設計

天線制造過程三維虛擬仿真實驗包括車間布局、參數(shù)設計、生產物流等內容,在實驗過程中以三維實驗環(huán)境取代傳統(tǒng)實驗過程中的二維工藝布局規(guī)劃,在三維虛擬仿真環(huán)境中對典型天線裝配車間的物流過程以及各個設備、工裝的運作時間和規(guī)律進行仿真設置。在虛擬仿真環(huán)境中,學生可以對車間布局、生產計劃、生產節(jié)拍、產能瓶頸、產線平衡進行分析,驗證天線裝配工藝規(guī)劃的合理性及其對車間物流的影響,并通過改進設計,得到更為合理的裝配工藝路線、裝配工位BOM(bill of materia)和車間物流路線。

通過對導入的生產計劃進行仿真,可以得到生產計劃及排產的一系列評估指標(包括瓶頸評估、各工位的設備利用率、等待時間、次品率等),最后得出虛擬裝配過程仿真實驗的綜合仿真結果。裝配過程仿真實驗原理如圖1所示。

圖1 裝配過程仿真實驗原理圖

在Quest虛擬環(huán)境中,導入生產線輕量化模型對生產線以及物流進行布局；依據生產工藝和生產約束對布局、工藝、物流方案、資源配置方案等進行綜合分析、驗證和優(yōu)化；通過物流仿真算法,動態(tài)分析生產資源空間布局的合理性、可視化物流及其密度,對資源利用率進行量化評估。

裝配過程仿真實驗設計過程如下：

(1) 根據要求在虛擬仿真環(huán)境中建立生產計劃、資源模型、工藝參數(shù)、工藝邏輯、物流參數(shù)、制造資源布局等數(shù)據邏輯模型,并存儲到數(shù)據表中。利用Excel工具建立工藝參數(shù)數(shù)據接口,實現(xiàn)與三維工藝、生產計劃以及物料等數(shù)據的交換；利用Excel工具可以轉換不同格式目標文件的功能,實現(xiàn)數(shù)據驅動下三維物流仿真模型的自動生成,建模過程如圖2所示?？梢酝ㄟ^VBA(Visual Basic for Applications)格式或其他格式接口,將相關數(shù)據自動錄入參數(shù)化配置界面中,借助解析器生成批量控制和仿真控制文件,并通過仿真工具執(zhí)行上述文件,從而快速自動生成三維仿真模型。

圖2 仿真模型參數(shù)描述與邏輯建模

(2) 建立三維物流仿真模型,模擬加工設備、物料緩存區(qū)、物流設備等的運作狀態(tài),分析和發(fā)現(xiàn)物料阻塞、節(jié)拍不平衡、設備等待等問題。

(3) 進行生產線平衡仿真分析,如圖3所示。將定義的工藝流程(工序的串并行關系)、每道工序的工時、安裝或加工的零部件、所需的資源及其料箱/料架信息添加到生產線平衡仿真分析功能中,輸入預定義的節(jié)拍信息(包含節(jié)拍時間、工作效率等),在定義單一工位的長寬、物料區(qū)的寬度等信息后,該實驗能夠自動計算出工藝流程的生產線排布信息,即在生產線節(jié)拍、工藝流程、單一工位及物料區(qū)面積等諸多約束條件下,將工序合理地分配到生產線的工位上的計算。計算結果包括需要多少工位、每個工位的工序、每個工位需要的資源(主要指人、加工設備等)、每個工位的物料區(qū)所需放置的料箱/料架等信息。同時,也生成統(tǒng)計分析信息,如工位利用率、所需的總的資源數(shù)、生產線總面積、有效工作時間占比等信息,供學生在實驗過程中進行分析。

圖3 生產線平衡分析過程

2 虛擬仿真實驗實現(xiàn)過程

2.1 車間布局三維建模

根據二維AutoCAD車間工藝布局圖、現(xiàn)場拍攝的設備外觀照片和參照圖片,以及相關的產品設計規(guī)劃文檔,建立三維天線裝配線制造資源數(shù)字模型,包括廠房、設備、工裝、物流工具、在制產品等。具體包括兩個步驟：

(1) 利用三維建模軟件對制造資源進行三維數(shù)字建模。根據廠房的結構尺寸、鋼結構尺寸、現(xiàn)場調研照片等,用虛擬仿真軟件對生產線制造資源進行快速三維建模(見圖4),包括對廠房主體結構、梁柱、門窗、房頂衍架、行車、軌道、燈、輸送線等的建模,對設備、工裝、物流容器、標識線、輸送線等生產資源的建模。

圖4 天線生產線三維數(shù)字模型

(2) 導入二維車間工藝布局AutoCAD圖,進行生產線制造資源的定位。將平面位置圖保存成DXF文件,再導入三維建模軟件中,實現(xiàn)對制造資源的準確定位,如圖5所示。

圖5 車間布局建模界面

2.2 產線及物流基礎數(shù)據收集與整理

收集生產計劃、工藝加工順序、機器設備、工裝種類、工藝參數(shù)、物流參數(shù)、車間生產布局等相關參數(shù)信息。其中工藝參數(shù)包括各工位的加工時間及準備時間、操作員工數(shù)量等；物流參數(shù)應該包括物流輔助設備的運行速度、分揀組件的時間、部分物料搬運的時間等；車間布局相關參數(shù)應該包括工廠的占地面積等。

建模基礎數(shù)據主要包括：

(1) 生產線產能規(guī)劃及現(xiàn)狀：包括設備/工裝的生產能力、生產大綱等；

(2) 生產工藝：工藝流程、工藝邏輯等數(shù)據；

(3) 生產線緩沖區(qū)信息：設計人員提供各工位物料容器劃分、緩沖區(qū)的種類和數(shù)量；

(4) 生產線物料及物流信息：生產線物料分類及物流配送方式等；

(5) 生產調度規(guī)則：生產任務與生產資源的調度規(guī)則與相關經驗。

通過對收集數(shù)據的整理,構建典型天線裝配工位的物料打包信息表。

將物料打包信息表進行處理,轉化成離散事件仿真軟件可識別的信息,主要包括物料存儲的數(shù)據緩沖區(qū)、上下料位置(決策點)、物料對應加工的工序等。

采用Excel建立工藝參數(shù)數(shù)據,通過Excel表格進行模型中生產對象(如Part、托盤、Buffer、工序等)的整理。用Excel整理后的數(shù)據,通過Excel VBA編程與仿真軟件進行批處理與參數(shù)化。通過VBA二次開發(fā),將相關工藝數(shù)據、物料數(shù)據、生產計劃數(shù)據等錄入到參數(shù)化配置界面中,并生成批量控制和仿真控制文件。仿真工具可以執(zhí)行上述文件,并快速自動生成三維仿真模型。

通過生產計劃對物料的上線、生產順序進行模擬,根據物料的打包信息表和消耗時間順序,把物料的生成順序做成一個發(fā)貨順序,其中打包信息表中含有物料名稱、物料來源點、物料產生時間點、物料數(shù)量、物料到達檢測時間等5個信息。通過物料的打包信息表將物料信息參數(shù)化,將物料信息導入Quest仿真模型中,也方便修改發(fā)貨順序與仿真實驗同步。

通過VBA對Excel表格信息進行編程,可以生成導入Quest軟件的數(shù)據文件,然后在Quest中建立工藝參數(shù)、物流參數(shù)、制造資源布局等的數(shù)據邏輯模型,包含生產計劃、資源模型、工藝參數(shù)、工藝邏輯、物流參數(shù)、仿真結果等內容。

2.3 設計三維物流仿真模型

建立的物流仿真模型主要包括行車建模,地面平板車、AGV小車建模,生產設備用工位建模。每個工位由一個以緩沖區(qū)為模型的設備和一進一出兩個決策點構成。車間內通過緩沖區(qū)組成線邊庫,其中有接收來自AGV小車的物料托盤(如在制品),并進行分揀工作(按照工號進行擺放)。廠房布局圖由AutoCAD中布局圖簡化后導入。

(1) 定義零件/物料。定義每個工位所需的不同關鍵物料,分別對應不同的Part。

(2) 定義裝配工位設備。定義裝配工位設備模型,與鄰近兩個決策點連接為進物料出半成品。

(3) 定義Buffer。Buffer為控制工序按期望進行的重要環(huán)節(jié),重點在其Route Logic上。每個盛放關鍵物料的Buffer都具有一個自定的屬性Route_Flag作為出貨的標志位,通過配合Process相應的邏輯控制其按需輸出,以達到部分拉動式生產的目的。

(4) 定義工藝過程。一個工位對應有多個工序,仿真中表現(xiàn)為一個工位上的Machine對應多個相應的Process。為保證多個Process按照順序依次進行,對應Machine的Process Logic需要設置為Precedence Process模式,并且每個Process需要設置其對應的前置Process。根據產品加工過程的變化,對每個Process的輸入Parts與輸出Products進行一定的設置。最后將Attached Popups與相應的Logic進行關聯(lián),以實現(xiàn)和Buffer配合控制工序的實施。另外,為便于Logic的實施,若當前工位的第一個工序不需要吊裝物料,則需要設置一個處理時間為0的虛擬Process(dummy process),作為當前真實第一工序的前置工序。

(5) 定義行車。行車的布置根據CAD圖上行車的位置而定,行車主要由決策點的設置來控制其運行,暫不牽涉邏輯編寫。

(6) 定義AGV小車。AGV線路鋪設如下,每個工位附近有一個橫跨彎道,一般情況有2個決策點：一個用于AGV卸貨至分揀區(qū)Buffer,另一個用于回收AGV托盤。為了模擬按調度策略定時配送相應的物料到相應的位置,AGV的裝卸貨需要使用Sub Resource的托盤,進行組盤與拆盤。

2.4 物流仿真分析

采用預置的仿真參數(shù),學生對建立的物流仿真模型進行仿真分析,根據選定的仿真方案輸出仿真結果。主要的分析結果包括：

(1) 在制品緩存區(qū)的設計、空間布置、最優(yōu)大小控制策略；

(2) 物流轉運策略的評估與優(yōu)化,包括行車的調度策略、物流配送模式、物流配送推/拉界面設計；

(3) 工位間能力平衡分析與改善；

(4) 缺件對生產線計劃、緩存區(qū)占用的影響分析。

3 實驗結果

天線裝配生產過程車間布局如圖6所示。以典型天線部件裝配為例,其物流設備包含1臺平板車(HLCC1)和3臺行車(STCC、STCC2和DPCC1),其中平板車負責將完成的物料運輸?shù)窖b配區(qū),3臺行車分別負責天線部件索網上線、片材的下料等工作。對裝配區(qū)4臺物流運輸工具的利用率進行對比分析,結果如圖7所示。

圖6 車間布局仿真結果

圖7 物流運輸工具仿真實驗結果

學生根據仿真實驗結果可以看到：平板車的利用率較低,而3臺行車的利用率較高。這是由于平板車可以按工號,一次運輸多個工單的在制品；而3臺行車負責5條天線裝配線的上下料,起吊頻繁,因而利用率偏高。尤其是靠近預裝配區(qū)的行車DPCC1,已經成為瓶頸資源,學生可以得出需要增加該處的行車和人員的結論。實驗結果還表明：卷料半成品緩存區(qū)和2個板料半成品緩存區(qū)的利用率已經超過90%,其中板料半成品1緩存區(qū)的利用率已經達到100%,引起物料的阻塞,這與教師給出的案例場景狀態(tài)相符。為了解決物料阻塞問題,應該在現(xiàn)場各生產線周邊設置板料的臨時存放區(qū)。

學生根據工位BOM、生產計劃、物流配送等參數(shù)進行仿真,得到初始生產計劃、物流配送方案下的工位利用率,可以看出工位之間利用率不平衡、產線節(jié)拍不合理,需要重新分配工位物料、調整工位的計劃。經過仿真可以得到調整后的工位利用率如表1所示,可以看出產線運行得到了平衡。

表1 仿真得到的工位利用率和調整后的工位利用率結果對比 %

天線制造過程三維虛擬仿真實驗,要求學生通過改變天線裝配工藝和過程設計的關鍵參數(shù),完成不同參數(shù)下的天線裝配工藝仿真和物流仿真,能夠針對不同裝配生產過程中的異常問題提出有效的解決措施并予以驗證。虛擬制造過程仿真實驗通過生產過程的仿真操作和實驗過程的三維動態(tài)再現(xiàn),不但能活躍教學氣氛、提高天線制造過程仿真的教學效果,而且大大提高了學生的學習效率,降低了教學成本。學生在虛擬環(huán)境中可以反復進行生產過程的虛擬操作,很好地解決了因實驗過程中設備和生產環(huán)境不足的問題,使學生能夠“一人一機”地學習。

4 提高虛擬仿真教學效果的措施

為保證天線制造過程課程虛擬仿真教學效果,采用了以下一些措施：

(1) 針對實驗過程中設計的BOM分配不均衡問題,在實驗中要發(fā)現(xiàn)瓶頸工位,分析瓶頸產生的原因,給出解決方案,并自主修改實驗參數(shù),解決瓶頸問題,最終實現(xiàn)順暢的天線制造虛擬仿真。

(2) 針對生產計劃,設計一個批次產品的生產計劃、各工位用時、產線節(jié)拍、設備故障情況。學生在實驗過程中依據參數(shù)設置進行實驗,如發(fā)現(xiàn)該產品在計劃時間內不能完成,分析不能完成的原因(比如設備故障、節(jié)拍設置不合理),給出解決方案,并自主設計實驗,解決問題,實現(xiàn)仿真中的順暢生產的模擬。

(3) 學生通過產線節(jié)拍的虛擬仿真實驗,得到產線裝配一套天線產品的耗時并生成報表,作為產線調整的基礎。模擬車間內物流的流轉情況,輸出物料流轉周期,作為物流調整的決策支持。學生通過仿真實驗操作,理解生產計劃、排產、資源配置等概念,了解產線的節(jié)拍、瓶頸及物料流轉的影響因素。

(4) 本實驗通過虛擬仿真環(huán)境指導學生進行工藝規(guī)劃、物流分析,指導學生分析制造設備忙閑不均、設備整體利用率不高的問題；指導學生針對物料搬運手段多、搬運方式方法不規(guī)范等問題,在虛擬仿真實驗環(huán)境中設計更加合理、有效的搬運規(guī)劃,并進行量化評估,有效節(jié)省人力、物力。通過演示視頻,使學生在虛擬仿真環(huán)境了解整個天線裝配生產過程、物流情況,減少物理裝備的使用,同時更新方便,適應技術的發(fā)展。

5 結語

本實驗在天線制造過程教學中意義在于：

(1) 在天線復雜機電裝備制造相關專業(yè)課程的教學中,虛擬仿真實驗能夠把天線裝備(特別是大型天線)制造過程生動形象地式呈現(xiàn)出來,使學生加深對典型天線復雜機電裝備的理解,提高動手能力,是對實驗教學和理論教學的有效補充和拓展。

(2) 通過典型天線復雜機電裝備虛擬制造仿真實驗,可以補充和豐富理論教學內容,并可擴展到天線結構設計、測試等領域,具有覆蓋學科、專業(yè)多,實踐性強等特點,幫助學生熟悉電子裝配產品的設計生產過程,并指導學生通過仿真手段分析設計和生產管理問題,開拓學生的學習思路,指導學生進行多種設計、裝配及生產計劃方案設計和驗證,通過虛擬仿真對特定參數(shù)進行可量化的對比,全面提升學生的實驗能力和實踐能力。

(3) 解決了實驗教學過程中存在實驗周期長、成本高、實際操作復雜度高、對實驗環(huán)境要求苛刻、存在安全隱患以及能源和實驗材料消耗大的問題。