基于Witness的發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋分裝線仿真研究

路 暢 周 健

(同濟(jì)大學(xué) 機(jī)械與能源工程學(xué)院 上海201804)

自2018年以來(lái)，受全球經(jīng)濟(jì)增速放緩影響，中國(guó)車市未能延續(xù)28年的單邊上升趨勢(shì)，出現(xiàn)首跌后進(jìn)入深度調(diào)整。國(guó)內(nèi)乘用車市場(chǎng)連續(xù)數(shù)月負(fù)增長(zhǎng)，正式步入了低速緩增長(zhǎng)階段。各大車企競(jìng)爭(zhēng)的主戰(zhàn)場(chǎng)已從增量爭(zhēng)奪轉(zhuǎn)成存量爭(zhēng)奪，嚴(yán)峻的國(guó)內(nèi)汽車市場(chǎng)形勢(shì)導(dǎo)致車企承受的壓力不斷增加，以提升產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力、降低制造成本為主的開(kāi)源節(jié)流措施勢(shì)在必行。

傳統(tǒng)汽車的動(dòng)力總成（發(fā)動(dòng)機(jī)及變速箱）制造，有著工藝復(fù)雜、質(zhì)量要求高、投資大的特點(diǎn)。動(dòng)力總成項(xiàng)目的精益規(guī)劃和實(shí)施，可以有效地降低整車成本，提高整車的核心競(jìng)爭(zhēng)力。在當(dāng)前整體車市低迷的大環(huán)境下，嚴(yán)謹(jǐn)和精細(xì)的制造規(guī)劃顯得尤為重要[1]。

1 生產(chǎn)系統(tǒng)仿真概述

生產(chǎn)系統(tǒng)是由機(jī)器、物料以及操作人員組成的離散事件系統(tǒng)。生產(chǎn)系統(tǒng)仿真，是指運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)生產(chǎn)系統(tǒng)的各個(gè)組成環(huán)節(jié)建立仿真模型并運(yùn)行測(cè)試，模擬真實(shí)生產(chǎn)系統(tǒng)的運(yùn)作和變化場(chǎng)景，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)順序地改變實(shí)體或設(shè)備的狀態(tài)，最終輸出仿真結(jié)果的過(guò)程。在針對(duì)復(fù)雜生產(chǎn)系統(tǒng)的規(guī)劃過(guò)程中, 計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在提高系統(tǒng)運(yùn)行效率、縮短開(kāi)發(fā)周期、降低投資成本方面發(fā)揮著巨大作用[2-5]。

每一個(gè)成功的仿真研究項(xiàng)目都遵循特定的步驟。不論該研究的類型和目的，仿真的過(guò)程是保持不變的。一般需要進(jìn)行問(wèn)題定義、制定目標(biāo)、描述系統(tǒng)并對(duì)所有假設(shè)列表、羅列所有可能替代方案、收集數(shù)據(jù)和信息、建立計(jì)算機(jī)模型、校驗(yàn)和確認(rèn)模型、運(yùn)行模型、分析輸出等9個(gè)步驟[6]。具體仿真流程如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)仿真流程圖

Witness仿真軟件由英國(guó)Lanner公司推出，是功能強(qiáng)大且靈活性高的仿真平臺(tái)，適用于離散系統(tǒng)或連續(xù)流體系統(tǒng)等多種形式的系統(tǒng)仿真建模及數(shù)據(jù)分析，目前已被3000多家國(guó)際知名企業(yè)用于解決項(xiàng)目規(guī)劃問(wèn)題[7]。本文采用 Witness仿真平臺(tái)，對(duì) S汽車公司的發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋分裝線進(jìn)行仿真與評(píng)價(jià)。

2 缸蓋分裝線工藝規(guī)劃及設(shè)備配置

2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋簡(jiǎn)介

發(fā)動(dòng)機(jī)作為汽車的動(dòng)力裝置，是將某一種形式的能量（如汽油、柴油等）轉(zhuǎn)化成機(jī)械能的機(jī)器。發(fā)動(dòng)機(jī)由機(jī)體、曲柄連桿機(jī)構(gòu)、配氣機(jī)構(gòu)、冷卻系、潤(rùn)滑系、燃料系、啟動(dòng)系和點(diǎn)火系組成，按照內(nèi)燃機(jī)所用燃料可分為汽油機(jī)和柴油機(jī)。

缸蓋，又稱為發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)蓋，位于發(fā)動(dòng)機(jī)的上部，其底平面經(jīng)氣缸襯墊用螺栓緊固在汽缸體頂面上。作為內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的重要結(jié)構(gòu)組件之一，缸蓋的主要功用如下：

(1）封閉氣缸上部，并與活塞頂部和氣缸壁一起形成燃燒室；

(2）作為頂置氣門(mén)發(fā)動(dòng)機(jī)的配氣機(jī)構(gòu)，進(jìn)排氣管和出水管的裝配基體；

(3）缸蓋內(nèi)部有冷卻水套，其底面上的冷卻水孔與汽缸體冷卻水孔相通，以便利用循環(huán)水套冷卻燃燒室等高溫部分。

2.2 缸蓋分裝線工藝流程及生產(chǎn)綱領(lǐng)

缸蓋從毛坯件進(jìn)廠到裝配主線上線，需要經(jīng)過(guò)缸蓋機(jī)加工和分裝這兩類工藝步驟，本論文以處于規(guī)劃階段的缸蓋分裝線為研究對(duì)象，其裝配工藝過(guò)程如圖2所示。

圖2 缸蓋裝配工藝過(guò)程

該缸蓋分裝線年生產(chǎn)綱領(lǐng)為45萬(wàn)，年生產(chǎn)天數(shù)為300天，整線規(guī)劃開(kāi)動(dòng)率目標(biāo)為95%。生產(chǎn)運(yùn)行方式為三班運(yùn)轉(zhuǎn)，每班正常出勤8小時(shí)，排除就餐與休息時(shí)間共0.9小時(shí)（就餐0.5小時(shí)，休息0.4小時(shí)），有效工作時(shí)間為7.1小時(shí)/班。根據(jù)以上信息，計(jì)算生產(chǎn)線JPH（Jobs Per Hour，每小時(shí)生產(chǎn)件數(shù)）和ATT（Actual Takt Time，考慮系統(tǒng)產(chǎn)量損失因素后的產(chǎn)能規(guī)劃節(jié)拍目標(biāo)），JPH和ATT將作為衡量生產(chǎn)線能否達(dá)到規(guī)劃產(chǎn)能的指標(biāo)對(duì)后續(xù)仿真結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)。

經(jīng)計(jì)算，本系統(tǒng)JPH為：

經(jīng)計(jì)算，本系統(tǒng)ATT為：

2.3 缸蓋分裝線設(shè)備配置及工藝布局

基于以上工藝流程及生產(chǎn)綱領(lǐng)，根據(jù)時(shí)間研究預(yù)估缸蓋分裝線自動(dòng)及手動(dòng)工位設(shè)備節(jié)拍，如圖3所示。同時(shí)根據(jù)設(shè)備配置，繪制缸蓋分裝線布局圖，如圖4所示。

圖3 缸蓋分裝線設(shè)備節(jié)拍配置表

圖4 缸蓋分裝線布局圖

3 生產(chǎn)系統(tǒng)建模

3.1 模型的簡(jiǎn)化與假設(shè)

建?；顒?dòng)是通過(guò)對(duì)實(shí)際系統(tǒng)的觀測(cè)和檢測(cè)，在忽略次要因素以及不可檢測(cè)變量的基礎(chǔ)上，用物理或數(shù)學(xué)的方法進(jìn)行系統(tǒng)描述，從而獲得實(shí)際系統(tǒng)的簡(jiǎn)化近似模型。本文對(duì)缸蓋分裝線生產(chǎn)系統(tǒng)的仿真模型作如下假設(shè)：

(1)模型中的每一道工序都定義為一個(gè)機(jī)器（Machine）；各項(xiàng)工序的操作工步都抽象為時(shí)間延遲，時(shí)間參數(shù)按實(shí)際操作時(shí)間設(shè)置（根據(jù)以往生產(chǎn)管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)，操作時(shí)間符合三角分布）。

(2）假設(shè)仿真過(guò)程中原料供給是充足不間斷的，裝配成品是及時(shí)運(yùn)出的，即模型不會(huì)因?yàn)樵虾统善烦霈F(xiàn)待料和堵塞的情況，不影響仿真過(guò)程。

(3)不考慮出現(xiàn)殘次件及返工的情況。

(4)機(jī)器的故障維修時(shí)間和故障發(fā)生頻次使用MTTR（Mean Time to Repair，平均停機(jī)時(shí)間）和MCBF（Mean Cycle Between Failure，平均停機(jī)頻次）兩個(gè)指標(biāo)進(jìn)行描述。通過(guò)對(duì)以往生產(chǎn)數(shù)據(jù)的研究發(fā)現(xiàn)，負(fù)指數(shù)分布能夠最好反映MTTR和MCBF的分布類型。（生產(chǎn)線待料堵料時(shí)間不計(jì)算在故障維修時(shí)間中）

3.2 模型的參數(shù)描述

根據(jù)規(guī)劃階段的工藝流程以及生產(chǎn)線布局圖，對(duì)模型進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。本系統(tǒng)仿真模型主要實(shí)體元素表如表1所示。

表1 仿真模型主要實(shí)體元素表

根據(jù)上表對(duì)仿真系統(tǒng)中各個(gè)實(shí)體元素的可視化進(jìn)行設(shè)置，包括 Name、Text、Icon、Part Queue、Value等屬性。該缸蓋分裝線各個(gè)實(shí)體元素的顯示特征定義設(shè)置如圖5所示。

圖5 缸蓋分裝線仿真模型運(yùn)行圖

4 仿真結(jié)果驗(yàn)證及在線托盤(pán)數(shù)量靈敏度分析

4.1 模型運(yùn)行和數(shù)據(jù)報(bào)告

模型仿真中取系統(tǒng)默認(rèn)時(shí)間，單位為1秒?？紤]到生產(chǎn)線鋪線過(guò)程中存在無(wú)產(chǎn)出的情況，設(shè)置額外100小時(shí)預(yù)熱時(shí)間，之后模型正常運(yùn)行1000小時(shí)，重復(fù)10次，得到10組最終產(chǎn)出數(shù)據(jù)，如表2所示。

基于實(shí)驗(yàn)輸出數(shù)據(jù)所構(gòu)成的樣本，分別計(jì)算得出樣本均值為71.68，自由度為9，樣本標(biāo)準(zhǔn)差為0.26，抽樣平均誤差為 0.08，t分布雙側(cè)分位數(shù)為 2.26，綜合計(jì)算得出置信度為 0.95的置信區(qū)間為[71.49,71.87]，并繪制JPH的概率密度曲線，如圖6所示。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，置信區(qū)間下限71.49優(yōu)于目標(biāo) JPH=70.42，由此驗(yàn)證該缸蓋分裝線產(chǎn)能可達(dá)到規(guī)劃目標(biāo)。

表2 仿真輸出結(jié)果表

圖6 缸蓋分裝線仿真結(jié)果概率密度函數(shù)圖

4.2 在線托盤(pán)數(shù)量靈敏度分析

托盤(pán)是動(dòng)力總成生產(chǎn)線常用的轉(zhuǎn)運(yùn)工具，作為零件在輥道上運(yùn)行的載體，隨著生產(chǎn)線自動(dòng)化程度的不斷提高，生產(chǎn)線對(duì)托盤(pán)的制造精度要求也日漸提升。自動(dòng)工位將通過(guò)托盤(pán)上的特征點(diǎn)進(jìn)行零件螺栓擰緊或測(cè)試等工序前的精定位，較高的制造精度可以帶來(lái)更高的運(yùn)行效率和穩(wěn)定性，同時(shí)也會(huì)使得托盤(pán)的造價(jià)較以往大幅增加。

精益的在線托盤(pán)數(shù)量規(guī)劃不僅可以最大程度地釋放生產(chǎn)線產(chǎn)能，消除托盤(pán)數(shù)量不足造成的產(chǎn)能制約，又能節(jié)省項(xiàng)目前期投資，降低運(yùn)維成本。但是，基于傳統(tǒng)計(jì)算方法很難有效地分析出托盤(pán)數(shù)量與產(chǎn)能之間的相對(duì)變化趨勢(shì)，大多數(shù)時(shí)候僅能通過(guò)經(jīng)驗(yàn)判斷，可能會(huì)造成由于托盤(pán)數(shù)量不足導(dǎo)致的產(chǎn)能瓶頸或者是由于托盤(pán)數(shù)量過(guò)多導(dǎo)致的產(chǎn)線阻塞。

為了科學(xué)地解決以上難題，本論文將運(yùn)用Witness實(shí)驗(yàn)器中的自適應(yīng)溫度調(diào)節(jié)模擬退火算法，通過(guò)不斷調(diào)節(jié)托盤(pán)數(shù)量，尋找其與最終產(chǎn)出之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，在不影響總體產(chǎn)出的情況下，計(jì)算最優(yōu)托盤(pán)數(shù)量。

基于現(xiàn)有缸蓋分裝線仿真模型，在 Witness高級(jí)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ浇缑嫦?，將托盤(pán)數(shù)量作為變量，進(jìn)行變量值設(shè)置：設(shè)置托盤(pán)數(shù)的變化區(qū)間在10到50的范圍內(nèi)，每次實(shí)驗(yàn)以步長(zhǎng)為2的速度遞增，目標(biāo)為最終產(chǎn)出最大。模型設(shè)置100小時(shí)預(yù)熱時(shí)間，之后正常運(yùn)行1000小時(shí)，得到仿真結(jié)果如表3所示。

基于仿真輸出結(jié)果繪制對(duì)應(yīng)的缸蓋分裝線產(chǎn)量趨勢(shì)圖，如圖7所示。從圖中觀察得出以下結(jié)論：當(dāng)托盤(pán)數(shù)量在10到36區(qū)間范圍時(shí)，產(chǎn)量呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢(shì)，此時(shí)產(chǎn)量隨著托盤(pán)數(shù)量的增加而增加；當(dāng)托盤(pán)數(shù)量在36到42區(qū)間范圍時(shí)，產(chǎn)量到達(dá)峰值且維持不變，此時(shí)托盤(pán)數(shù)量的增加對(duì)產(chǎn)量已無(wú)影響，處于穩(wěn)定階段；當(dāng)托盤(pán)數(shù)量大于44之后，產(chǎn)量呈現(xiàn)出逐漸下降的趨勢(shì)，此時(shí)生產(chǎn)線上的托盤(pán)數(shù)量已有冗余，過(guò)多的托盤(pán)會(huì)造成產(chǎn)線的局部堵塞，形成上游工位的堵料而下游工位的待料情況。

綜上，基于當(dāng)前缸蓋分裝線的規(guī)劃狀態(tài)，在不考慮托盤(pán)備件數(shù)量的情況下，建議采購(gòu)36塊托盤(pán)用于在線運(yùn)行以保證整線最大產(chǎn)出。

表3 托盤(pán)靈敏度仿真結(jié)果表

圖7 缸蓋分裝線仿真模型運(yùn)行圖

5 結(jié)語(yǔ)

在發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋分裝線的規(guī)劃過(guò)程中，運(yùn)用Witness仿真工具對(duì)產(chǎn)能規(guī)劃方案進(jìn)行驗(yàn)證，并結(jié)合模擬退火算法進(jìn)行靈敏度分析，得到了最優(yōu)的在線托盤(pán)數(shù)量，減少了項(xiàng)目的先期投資。

建立精益的制造系統(tǒng)，優(yōu)良的設(shè)計(jì)方法與工具必不可少。在設(shè)計(jì)復(fù)雜的制造系統(tǒng)過(guò)程中，運(yùn)用系統(tǒng)仿真技術(shù)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行全面、準(zhǔn)確、快速地分析評(píng)估，為制造型企業(yè)提供了分析、判斷、決策能力，科學(xué)有效地制定和選擇正確方案，從而幫助企業(yè)提高生產(chǎn)效率，降低制造成本，提升核心競(jìng)爭(zhēng)力。