規(guī)劃階段的自動(dòng)化裝配線仿真與優(yōu)化

李廣振，徐志剛，任朝暉，呂新星

(1.中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所,沈陽(yáng) 110016；2.東北大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院,沈陽(yáng) 110819；3.中國(guó)科學(xué)院機(jī)器人與智能制造創(chuàng)新研究院,沈陽(yáng) 110169)

0 引言

裝配線是一種面向流程的生產(chǎn)系統(tǒng)，其中執(zhí)行操作的工站與工站之間以串行方式連接，工件通過某種運(yùn)輸系統(tǒng)沿串行線路移動(dòng)，接連到達(dá)工站進(jìn)行生產(chǎn)活動(dòng)[1]。自動(dòng)化裝配線的特點(diǎn)是工站與工站之間的傳輸通過自動(dòng)化設(shè)備完成，如自動(dòng)傳輸軌道、AGV和搬卸設(shè)備等[2]。自動(dòng)化裝配線是一種典型的離散事件動(dòng)態(tài)系統(tǒng)。

顧嘉等[3]基于Flexsim對(duì)空調(diào)內(nèi)機(jī)裝配線進(jìn)行了仿真研究，顯著提升了目標(biāo)裝配線的生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益。Yang S L等[4]基于Plant Simulation對(duì)某裝配車間內(nèi)的工人數(shù)量、AGV數(shù)量做了配置優(yōu)化，使產(chǎn)能提高了約42%，物流量降低了約63.5%。何思奇等[5]基于witness對(duì)光電組件裝配線進(jìn)行校核與優(yōu)化，使生產(chǎn)效率提高了約30%。王偉等[6]基于DELMIA/QUEST通過仿真分析了某裝配車間的物流系統(tǒng)，確定了合適的配送方案和叉車數(shù)量。孟英晨等[7]基于witness仿真平臺(tái)對(duì)某手機(jī)裝配線進(jìn)行了仿真研究，有效地提高了生產(chǎn)線平衡率，降低了生產(chǎn)節(jié)拍。曹陽(yáng)華等[8]基于Plant Simulation研究了U型裝配線的裝配線平衡問題，并指出變強(qiáng)制節(jié)拍為自由節(jié)拍能有效地提高生產(chǎn)效率與工人間的任務(wù)均衡率。Villarreal B等[9]對(duì)某U型裝配線進(jìn)行了仿真優(yōu)化，得到了合理的工序劃分和緩沖區(qū)容量。

總結(jié)文獻(xiàn)可知大部分的仿真研究都是針對(duì)正在投入使用的裝配線而進(jìn)行的，即通過模擬現(xiàn)有的生產(chǎn)情況來發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)方式難以發(fā)現(xiàn)的問題并進(jìn)行改進(jìn)。但是由于裝配線重構(gòu)時(shí)的高成本，裝配線的提前規(guī)劃與仿真對(duì)于提高生產(chǎn)效率與經(jīng)濟(jì)效益具有更加突出的意義。提前仿真并發(fā)現(xiàn)問題做出改進(jìn)首先能以仿真實(shí)驗(yàn)來代替不必要的生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)，其次還能提前發(fā)現(xiàn)問題，避免裝配線重構(gòu)，減少不必要的生產(chǎn)消耗。

盡管在裝配線規(guī)劃階段就進(jìn)行仿真研究在理論上具有更好的生產(chǎn)效率與經(jīng)濟(jì)效益，但是仿真過程中的新問題與缺陷也是未知的，目前并沒有相關(guān)文獻(xiàn)針對(duì)這一問題展開過實(shí)際探討。因此本文基于Plant Simulation仿真平臺(tái)對(duì)處在規(guī)劃階段的某自動(dòng)化裝配線進(jìn)行仿真研究，旨在得到最佳的產(chǎn)能和機(jī)器利用率的同時(shí)，探討在規(guī)劃階段提前仿真的新問題。

1 本文研究方法

離散事件動(dòng)態(tài)系統(tǒng)是指受事件驅(qū)動(dòng)、系統(tǒng)狀態(tài)跳躍式變化的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，系統(tǒng)的狀態(tài)遷移發(fā)生在一系列的離散事件點(diǎn)上[10]。而離散事件仿真技術(shù)被認(rèn)為是解決離散事件問題的有效手段[11]。

Plant Simulation是一款面向?qū)ο蟮碾x散事件仿真軟件，基于進(jìn)程交互法的離散事件仿真策略，以事件驅(qū)動(dòng)的推進(jìn)方式在時(shí)間軸上依次對(duì)系統(tǒng)事件和進(jìn)程進(jìn)行處理，直到滿足仿真終止條件。其次，其面向?qū)ο蠛涂梢暬奶匦员阌谀Ｐ偷慕⑴c修改，易于使用和分析，滿足我們的研究需要。因此本文基于Plant Simulation仿真平臺(tái)展開研究。

對(duì)于處在規(guī)劃階段的裝配線而言，其仿真流程與處于生產(chǎn)階段的裝配線仿真流程基本一致。然而模型的檢驗(yàn)過程往往被大部分的生產(chǎn)仿真研究忽略。因此，本文強(qiáng)調(diào)模型檢驗(yàn)的重要性，提出本文的仿真流程：首先對(duì)要解決的裝配線進(jìn)行生產(chǎn)布局和物料流動(dòng)分析，收集仿真所需的數(shù)據(jù)，如各工藝時(shí)間、AGV速度等；然后根據(jù)生產(chǎn)布局和物料流動(dòng)過程建立虛擬的仿真模型；對(duì)該模型進(jìn)行有效性檢驗(yàn)，若無效，則重新檢查模型并修改，直到模型有效性成立；模型有效性成立的前提下，設(shè)計(jì)可行的幾種方案并在仿真環(huán)境下進(jìn)行評(píng)估與對(duì)比，最后確定最佳方案并得到結(jié)論。

2 自動(dòng)化裝配線分析

由于對(duì)工作環(huán)境的安全性要求高，該自動(dòng)化裝配線設(shè)計(jì)為無人的生產(chǎn)環(huán)境，所有的工序全部由自動(dòng)化設(shè)備完成。

2.1 問題描述

在功能布局與搬卸方案確定后，需要對(duì)該初始方案進(jìn)行產(chǎn)能分析，同時(shí)為了獲得更高的產(chǎn)能和機(jī)器利用率，主要需要確定AGV數(shù)量的合理配置。

系統(tǒng)核心功能涉及三種零部件的配送、裝配與檢測(cè)過程。布局示意如圖1所示。圓圈數(shù)字表示生產(chǎn)流程順序，箭頭位置與方向表示AGV路徑與方向。預(yù)定的物料流動(dòng)過程可以描述如下：

(1) 三種零部件來料，來料后進(jìn)入A檢測(cè)區(qū)進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)完成后在上料區(qū)暫存并等待AGV前來取料；

(2) AGV在上料區(qū)進(jìn)行三種零部件的裝載，每種零部件分別裝載一個(gè)，裝載完成后將三種零部件轉(zhuǎn)運(yùn)到裝配區(qū)，進(jìn)行卸載。卸載完成后AGV在卸載點(diǎn)停車等候；

(3) 三種零部件進(jìn)行裝配，裝配完成后將產(chǎn)品搬運(yùn)到AGV；

(4) AGV將產(chǎn)品轉(zhuǎn)運(yùn)至B檢測(cè)區(qū)進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)過程中AGV在此停車等候；

(5) 檢測(cè)完成后AGV將產(chǎn)品轉(zhuǎn)運(yùn)到C檢測(cè)區(qū)進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)過程中AGV在此停車等候；

(6) AGV將產(chǎn)品轉(zhuǎn)運(yùn)至下料區(qū)進(jìn)行離線入庫(kù)；

(7) 產(chǎn)品離線后AGV沿軌道前行重復(fù)上述過程。

初始方案AGV的數(shù)量為1，速度為0.3 m/s，上料區(qū)每種零部件的暫存量為2。上述物料流動(dòng)過程中的搬卸操作都由框架機(jī)械手完成。系統(tǒng)的生產(chǎn)安排為每天一班，一班的實(shí)際生產(chǎn)時(shí)間為7 h。

圖1 系統(tǒng)布局示意

2.2 數(shù)據(jù)收集

許多文獻(xiàn)都是根據(jù)實(shí)際的生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行函數(shù)擬合或者計(jì)算出標(biāo)準(zhǔn)工時(shí)作為機(jī)器加工信息輸入到仿真模型內(nèi)[3]。然而本文的研究對(duì)象是處于規(guī)劃階段的裝配線，并沒有真實(shí)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)。因此，本文根據(jù)自動(dòng)化設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)的每一動(dòng)作節(jié)拍與運(yùn)轉(zhuǎn)速度，累加計(jì)算出各生產(chǎn)過程的時(shí)間數(shù)據(jù)見表1。其中各轉(zhuǎn)運(yùn)工序已經(jīng)包括了前后工位產(chǎn)品的搬卸時(shí)間。相比處于生產(chǎn)階段的數(shù)據(jù)收集方式，處于規(guī)劃階段的時(shí)間計(jì)算方式的準(zhǔn)確度會(huì)有所下降。

表1 各工藝流程的工藝時(shí)間

3 仿真模型建立

3.1 模型假設(shè)

為便于研究和建模，我們提出了以下不對(duì)仿真邏輯產(chǎn)生影響的模型假設(shè)：①在裝配、B檢測(cè)、C檢測(cè)工站的前后設(shè)置一個(gè)容量為1的緩存區(qū)，作為仿真環(huán)境下的虛擬卸載目的地和裝載目的地；②來料速度穩(wěn)定準(zhǔn)時(shí)，保證系統(tǒng)不會(huì)由于物料的供應(yīng)不及時(shí)而產(chǎn)生生產(chǎn)波動(dòng)的現(xiàn)象；③倉(cāng)庫(kù)的容量無窮大，保證產(chǎn)品能夠一直順利離線。

3.2 模型建立

根據(jù)系統(tǒng)布局建立各實(shí)體設(shè)備的虛擬對(duì)象，根據(jù)生產(chǎn)流程建立各虛擬對(duì)象之間的連接，將表1的各工藝時(shí)間輸入到仿真模型，再根據(jù)生產(chǎn)邏輯建立各過程的控制策略。最終建立的系統(tǒng)仿真模型如圖2所示。

其中事件控制器是基于進(jìn)程交互法的仿真時(shí)鐘，BF2、BF3、BF4、BF5、BF6和BF7是模型假設(shè)中提出的虛擬緩存區(qū)。

圖2 系統(tǒng)仿真模型

3.3 模型檢驗(yàn)

模型的檢驗(yàn)過程往往被忽略，這一結(jié)論在大部分裝配線仿真文獻(xiàn)中得到了體現(xiàn)。然而模型的正確性是得出正確數(shù)據(jù)與結(jié)論的前提。

基于以下事實(shí)，我們認(rèn)為建立的仿真模型能夠真實(shí)準(zhǔn)確地反映真實(shí)系統(tǒng)。①仿真模型能夠無差錯(cuò)地運(yùn)行直到滿足模型的運(yùn)行終止條件；②輸入仿真模型的工藝時(shí)間是根據(jù)自動(dòng)化設(shè)備的每一動(dòng)作節(jié)拍累加得到的，盡可能地符合了實(shí)際情況；③觀察仿真動(dòng)畫發(fā)現(xiàn)仿真環(huán)境下的生產(chǎn)流程與規(guī)劃中的實(shí)際生產(chǎn)邏輯一致。

4 仿真結(jié)果

4.1 仿真方案設(shè)計(jì)

仿真的輸入為AGV的數(shù)量。盡管還存在其余決策內(nèi)容如各工位的配置數(shù)量、處理時(shí)間，AGV的速度等，但是由于空間限制，各設(shè)備的數(shù)量不能再增加；且各操作均由自動(dòng)化設(shè)備完成，其生產(chǎn)效率幾乎無法加快；其次AGV大部分時(shí)間都處在停車搬卸或停車等待的狀態(tài)，提高AGV速度對(duì)系統(tǒng)性能的提升并不顯著。

為了減弱系統(tǒng)鋪線時(shí)間對(duì)短期仿真結(jié)果的影響，設(shè)仿真模型的運(yùn)行終止條件為模型運(yùn)行70 h。并以70 h內(nèi)的產(chǎn)能和機(jī)器利用率作為評(píng)估指標(biāo)，也即仿真實(shí)驗(yàn)的輸出。在除AGV數(shù)量外其余參數(shù)不變的情況下，設(shè)計(jì)4種仿真場(chǎng)景，分別對(duì)應(yīng)AGV數(shù)量為1、2、3、4。

4.2 仿真結(jié)果

通過仿真得到各場(chǎng)景下的產(chǎn)能與機(jī)器利用率情況。每種場(chǎng)景以不同隨機(jī)數(shù)種子運(yùn)行100次，各評(píng)價(jià)指標(biāo)取100次重復(fù)仿真的平均值。仿真結(jié)果見表2。

表2 仿真結(jié)果

5 仿真結(jié)果分析

4種場(chǎng)景下的產(chǎn)能與平均機(jī)器利用率的雙Y軸點(diǎn)線圖見圖3。由圖3可知在前三種場(chǎng)景中產(chǎn)能與平均機(jī)器利用率隨著AGV數(shù)量的增加而提高，當(dāng)AGV數(shù)量從3增加到4時(shí)，產(chǎn)能與平均利用率都不再增加。可知對(duì)于本文研究對(duì)象而言，提高AGV的數(shù)量能有效地提高生產(chǎn)效率?？紤]前三種場(chǎng)景，AGV數(shù)量為1、2和3的產(chǎn)能分別為22、44、52。可知相比AGV數(shù)量從2增加到3的情況，AGV數(shù)量從1增加到2的產(chǎn)能提升情況更顯著。

圖3 產(chǎn)能與平均機(jī)器利用率隨AGV數(shù)量的變化趨勢(shì)

4種場(chǎng)景下各機(jī)器的利用率柱狀圖如圖4所示。由圖4可知各機(jī)器利用率隨AGV數(shù)量的變化趨勢(shì)與產(chǎn)能、平均機(jī)器利用率相似。但是考慮利用率最大的機(jī)器即裝配機(jī)器的利用率，AGV數(shù)量為2和3時(shí)的利用率分別為73.2%和87.0%。對(duì)于自動(dòng)化設(shè)備來說，并不希望利用率過高。利用率過高會(huì)增加機(jī)器故障率與維護(hù)成本，一旦發(fā)生故障，整個(gè)系統(tǒng)都要停止運(yùn)作。而AGV數(shù)量為1時(shí)的場(chǎng)景利用率和產(chǎn)能過低，相對(duì)來說AGV數(shù)量為2時(shí)的機(jī)器利用率更令人滿意。

圖4 各場(chǎng)景下各機(jī)器利用率的變化趨勢(shì)

各場(chǎng)景下各工件的完工時(shí)間曲線如圖5所示，其中第3、4個(gè)場(chǎng)景各工件的完工情況完全一致。斜率越小說明生產(chǎn)效率越高?？芍獔?chǎng)景2相比場(chǎng)景1生產(chǎn)效率顯著提高；而場(chǎng)景3相比場(chǎng)景2生產(chǎn)效率有所提升，但是相對(duì)不夠顯著；場(chǎng)景4相比場(chǎng)景3的生產(chǎn)效率沒有提高。

圖5 各場(chǎng)景下的完工時(shí)間曲線

綜上分析，AGV數(shù)量為2時(shí)的場(chǎng)景在產(chǎn)能與平均機(jī)器利用率提升上的性價(jià)比更高，且最大機(jī)器利用率令人滿意。因此確定AGV的數(shù)量配置為2。

相比初始方案，產(chǎn)能從22增加到44，提高100%；平均機(jī)器利用率從27.4%增加到53.5%，提高約95%；核心的裝配工站利用率從37.2%增加到73.2%，提高約97%；A檢測(cè)工站利用率從32.7%增加到62.1%，提高約90%；B檢測(cè)工站利用率從29.0%增加到57.8%，提高約99%；C檢測(cè)工站利用率從10.5%增加到21.0%，提高100%。

6 結(jié)論

為了對(duì)處于規(guī)劃階段的某自動(dòng)化裝配線進(jìn)行產(chǎn)能、機(jī)器利用率分析與優(yōu)化以期發(fā)現(xiàn)新的問題，本文基于面向?qū)ο蟮碾x散事件仿真平臺(tái)Plant Simulation對(duì)該裝配線進(jìn)行了建模與分析，并設(shè)計(jì)了4種場(chǎng)景分別進(jìn)行仿真評(píng)估與比較。最終得到了AGV的最佳數(shù)量配置為2。

通過本文的實(shí)際研究，發(fā)現(xiàn)對(duì)處在規(guī)劃階段的裝配線進(jìn)行仿真會(huì)帶來新的問題：①收集數(shù)據(jù)階段缺乏真實(shí)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，通過人為估算確定仿真輸入并不十分準(zhǔn)確；②模型假設(shè)階段由于缺乏直觀的場(chǎng)景體驗(yàn)，假設(shè)條件難以完全確定。③模型檢驗(yàn)階段由于缺乏真實(shí)的歷史生產(chǎn)數(shù)據(jù)，模型的有效性檢驗(yàn)結(jié)果缺乏與真實(shí)數(shù)據(jù)的對(duì)照。

這些新的問題會(huì)降低仿真結(jié)果的可信度。但是仿真結(jié)果仍然表明對(duì)規(guī)劃階段的裝配線進(jìn)行仿真優(yōu)化能極大的提高生產(chǎn)效率。因此在規(guī)劃階段提前進(jìn)行仿真優(yōu)化具有非常重要的實(shí)際意義。同時(shí)，本文發(fā)現(xiàn)的新問題也需要進(jìn)一步思考和解決，這將作為下一步的研究?jī)?nèi)容。