基于Flexsim的鋰電池生產(chǎn)線仿真與優(yōu)化研究

葉岍　王莉　王雅儒

摘要：隨著鋰電池行業(yè)的快速發(fā)展，鋰電行業(yè)對鋰電池生產(chǎn)線物流、調(diào)度、效率需求發(fā)生了本質(zhì)變化，鋰電池生產(chǎn)線系統(tǒng)亟待進(jìn)一步改進(jìn)。針對鋰電池生產(chǎn)過程中由于產(chǎn)品積壓、等待以及瓶頸問題等原因產(chǎn)生的生產(chǎn)平衡率過低的現(xiàn)象，從影響鋰電池生產(chǎn)流水線生產(chǎn)效率的因素入手，以鋰電池化成階段為例，利用Flexsim軟件對鋰電池化成段生產(chǎn)線進(jìn)行模擬仿真研究。建立仿真優(yōu)化模型，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行模擬仿真的循環(huán)測試，將流水線瓶頸工序用時(shí)降低。

關(guān)鍵詞：鋰電池生產(chǎn);自動(dòng)化;Flexsim;仿真

中圖分類號：TP391.9???文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

收稿日期：2020-04-16

作者簡介：王莉（1976-），女，副教授，博士，研究方向：發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒與控制;王雅儒（1996-），男，碩士，研究方向：電氣與自動(dòng)化。

1前言

隨著鋰電池技術(shù)的快速發(fā)展，鋰電市場對鋰電生產(chǎn)設(shè)備性能要求在不斷地提高。自動(dòng)上料系統(tǒng)是將工件以準(zhǔn)確的數(shù)量、位置和時(shí)間向生產(chǎn)線傳送和定位，決定設(shè)備的自動(dòng)化程度和工作效率。雖目前鋰電加工中的上料仍然采用人工上料方式，這種方式效率低，成本高，無法保證上料質(zhì)量，并會(huì)影響電池生產(chǎn)的自動(dòng)化程度和生產(chǎn)效率[1][2]?，F(xiàn)有技術(shù)中一般是從料堆中直接取料放置到傳送帶上，各工件會(huì)彼此干擾，同時(shí)沒有配備緩存裝置，如發(fā)生上料速度與生產(chǎn)速度不匹配時(shí)會(huì)導(dǎo)致電池堵塞，影響產(chǎn)線工作效率[3]。西南自動(dòng)化研究所的杜木偉等人針對加工毛坯自動(dòng)上下料過程設(shè)計(jì)了旋鍛機(jī)自動(dòng)上下料裝置[4];太原理工大學(xué)的凌赟提出了一種新型的帶載車板緩存裝置的立體車庫[5];河南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司的李勇設(shè)計(jì)了一種新型的煙包在線緩存裝置[6]。然而上述研究，所針對的并非鋰電池生產(chǎn)線中所存在的問題。本文選取鋰電池生產(chǎn)線中化成段生產(chǎn)流程為研究對象，通過對生產(chǎn)過程中的影響因素進(jìn)行分析，借助Flexsim仿真軟件對鋰電池生產(chǎn)線進(jìn)行優(yōu)化，準(zhǔn)確的預(yù)判出鋰電池生產(chǎn)線生產(chǎn)效率，設(shè)計(jì)鋰電池自動(dòng)上料緩存系統(tǒng)，最終實(shí)現(xiàn)提高生產(chǎn)效率的目的。

2鋰電池化成段工序分析

研究對象為18650鋰電池，電池生產(chǎn)化成段具體工序如下：生產(chǎn)出來的電池經(jīng)過組盤將256個(gè)電池分為一組，電池在靜置房中靜置三天后進(jìn)行預(yù)充電，充電完成的電池需要在高溫條件下進(jìn)行老化，經(jīng)過OCV檢測后將不合格電池取出，之后將鋰電池重新送入靜置房進(jìn)行靜置與OCV檢測，最終對電池進(jìn)行分容與OCV檢測，最終將電池打包送出[7]。

3基于Flexsim的18650鋰電池生產(chǎn)線化成段系統(tǒng)仿真

3.1?Flexsim仿真軟件簡介與優(yōu)勢

FlexSim仿真軟件是目前功能最為齊全的物流仿真軟件。Flexsim對動(dòng)態(tài)的離散時(shí)間和系統(tǒng)進(jìn)行三維立體建模，可對模型中每個(gè)部位進(jìn)行監(jiān)控，不僅可以使用軟件自帶的實(shí)體庫，用戶還可以自行設(shè)計(jì)所需要實(shí)體，相較其他仿真軟件，F(xiàn)lexsim通用性強(qiáng)，成本低，模擬能力強(qiáng)，運(yùn)算周期短。因此，應(yīng)用Flexsim仿真軟件對鋰電池生產(chǎn)線進(jìn)行仿真優(yōu)化可以有效地提高鋰電池生產(chǎn)效率[8]。

3.2?仿真模型布局與仿真參數(shù)設(shè)置

根據(jù)鋰電池實(shí)際生產(chǎn)線布局描述，該仿真模型主要分為三個(gè)區(qū)域，如圖1所示，最左側(cè)對應(yīng)鋰電池OCV檢測段，模型中部分別對應(yīng)化成房A、B、C，靜置房與預(yù)充房，最右側(cè)對應(yīng)電池輸入電梯，其中各線體對應(yīng)生產(chǎn)輸送帶。

在系統(tǒng)仿真中，數(shù)據(jù)輸入為：電池發(fā)生器生產(chǎn)間隔為0s，實(shí)體流設(shè)置為cylinder。電池加工處理器選用機(jī)械手進(jìn)行加工。托盤發(fā)生器生產(chǎn)間隔為0s，實(shí)體流為tote。托杯合成模式選擇裝箱，托盤發(fā)生器實(shí)體到達(dá)時(shí)間為16s。托盤合成器設(shè)置輸入端口2的實(shí)體為16個(gè)。靜置房設(shè)置歷史到達(dá)次數(shù)為1、2、3、4的電池停留時(shí)間分別為3d、10d、6h與4h，化成房停留時(shí)間為3d，預(yù)充房停留時(shí)間為8min，OCV檢測數(shù)據(jù)以實(shí)驗(yàn)為準(zhǔn)。

3.3?鋰電池自動(dòng)上料緩存裝置模擬仿真

圖2為鋰電池自動(dòng)上料緩存裝置仿真。生產(chǎn)出來的電池通過機(jī)械手抓取至傳送帶上，機(jī)械手將傳送帶上的電池抓取至合成器上，合成器將電池裝入托杯中后放入緩存裝置，最后通過機(jī)械手2抓取放入裝托盤合成器中。

4仿真模型模擬運(yùn)行結(jié)果與分析

模型運(yùn)行結(jié)果如表1所示。托杯暫存區(qū)、緩存裝置上平均容量相同，其最大停留時(shí)間接近，而托盤暫存區(qū)平均容量高于其他工序，其原因?yàn)橥斜P生產(chǎn)速率遠(yuǎn)大于其他工序的運(yùn)行速率，最終導(dǎo)致托盤積壓，無法及時(shí)投入生產(chǎn)。

機(jī)械手1和裝托杯工序與其他工序有明顯差異，機(jī)械手1輸出速率高于其他幾個(gè)工序，機(jī)械手速率過大可能會(huì)使得其耐久度降低，因此可傳送帶和生產(chǎn)區(qū)間增加機(jī)械手以緩解機(jī)械手的工作強(qiáng)度。裝托杯合成器、機(jī)械手2、裝托盤合成器、叉車存在較高空閑時(shí)間，所以可以判斷緩存裝置，裝托盤和入貨三道工序?yàn)槠款i環(huán)節(jié)。

5結(jié)論

在已有生產(chǎn)條件下，通過Flexsim仿真軟件對電池生產(chǎn)線化成段進(jìn)行模擬仿真，根據(jù)運(yùn)行結(jié)果對鋰電池生產(chǎn)線化成段生產(chǎn)情況進(jìn)行預(yù)測，通過反復(fù)的循環(huán)與優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)并解決問題。設(shè)計(jì)鋰電池自動(dòng)上料緩存裝置，緩解鋰電池上料壓力，提高生產(chǎn)效率。由于Flexsim軟件通用性高，邏輯功能強(qiáng)，因此可以在鋰電池生產(chǎn)各個(gè)階段進(jìn)行適用。

參考文獻(xiàn)：

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Abstract：With the development of lithium battery industry， the demand for logistics， scheduling and efficiency of production line has changed substantially. The system of lithium battery production line needs further improvement.In view of the phenomenon that the production balance rate is too low in the production of lithium battery due to product backlog， waiting and bottleneck problems， starting with the factors affecting the efficiency of lithium battery production line， taking the lithium battery formation stage as an example， the simulation research on the lithium battery formation section is carried out by using Flexsim.The model is established， on this basis， the cycle test of simulation is carried out to reduce the bottleneck process time of pipeline.

Key?words：Lithium battery production;Automation;Flexsim;Simulation