多回路發(fā)動(dòng)機(jī)環(huán)形裝配線仿真與性能優(yōu)化

張家驊 ，李愛(ài)平

（1.同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院，上海201804；2.無(wú)錫工藝職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電與信息工程學(xué)院，江蘇宜興214206）

隨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的加劇，國(guó)外汽車工業(yè)廣泛使用數(shù)字化仿真技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)高效的生產(chǎn)。研究表明，數(shù)字化仿真可以使工廠設(shè)計(jì)成本降低50%，產(chǎn)品推向市場(chǎng)的速度增加30%，重復(fù)設(shè)計(jì)減少65%，生產(chǎn)規(guī)劃流程精簡(jiǎn)40%［1］。這其中，離散事件仿真已成為國(guó)外汽車工業(yè)中進(jìn)行制造系統(tǒng)設(shè)計(jì)和運(yùn)行的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)工具［2］，主要離散事件仿真軟件包括Flexsim、Promodel、Witness、Arena、Plant Simulation等。

近年來(lái)，隨著國(guó)內(nèi)汽車工業(yè)的快速發(fā)展，國(guó)內(nèi)對(duì)汽車零部件裝配制造系統(tǒng)的離散事件仿真方面也開(kāi)展了大量研究。周爾民等［3］采用Flexsim 對(duì)雙離合變速器混流裝配線進(jìn)行了仿真并優(yōu)化了產(chǎn)品投產(chǎn)順序。朱玉杰等［4］采用 Plant Simulation 對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)裝配線進(jìn)行了仿真，通過(guò)遺傳算法進(jìn)行重平衡裝配操作，優(yōu)化了生產(chǎn)性能。金曄琪［5］采用Plant Simulation 對(duì)裝配操作時(shí)間隨機(jī)波動(dòng)，并且對(duì)具有并行工位的發(fā)動(dòng)機(jī)裝配線進(jìn)行仿真，通過(guò)找出瓶頸工位來(lái)指導(dǎo)生產(chǎn)。白俊峰等［6］采用Flexsim 對(duì)離合器蓋總成裝配線進(jìn)行仿真，通過(guò)對(duì)裝配線工序進(jìn)行調(diào)整，改善了裝配線生產(chǎn)性能。

國(guó)內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)裝配線，大多采用工位環(huán)形布置，具體是為了讓隨行托盤能夠回流，而將工位與緩沖區(qū)布置為環(huán)形方式的裝配線。為了滿足汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的裝配質(zhì)量要求，發(fā)動(dòng)機(jī)裝配線采用隨行托盤來(lái)進(jìn)行裝配定位，保證裝配精度。由于受到場(chǎng)地面積和制造成本的制約，在環(huán)形裝配線上，托盤數(shù)量是有限的，通過(guò)托盤回流到起始工位，重復(fù)使用托盤。為了降低裝配線復(fù)雜程度，保證供料及時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)裝配線一般由缸蓋環(huán)形線、內(nèi)裝環(huán)形線和外裝環(huán)形線組成。汽車發(fā)動(dòng)機(jī)是汽車核心部件之一，對(duì)裝配質(zhì)量有著嚴(yán)格的要求。設(shè)置有返修出入口的環(huán)形裝配線，允許缺陷產(chǎn)品隨托盤移出裝配線，返修完成后從返修入口回到裝配線繼續(xù)裝配，從而及時(shí)消除早期裝配缺陷。托盤回流，使裝配線又形成了一個(gè)托盤回路，因此，發(fā)動(dòng)機(jī)裝配線是一種多回路環(huán)形生產(chǎn)線。而分析現(xiàn)有對(duì)汽車零部件裝配線數(shù)字化仿真研究中，均沒(méi)有考慮該種多回路閉環(huán)系統(tǒng)。

本文以多回路發(fā)動(dòng)機(jī)環(huán)形裝配線為研究對(duì)象，采用西門子的Plant Simulation 軟件，通過(guò)建立多回路環(huán)形系統(tǒng)的仿真模型，分析對(duì)多回路環(huán)形裝配線的生產(chǎn)性能；采用遺傳算法，協(xié)同優(yōu)化多回路閉環(huán)系統(tǒng)中互相影響的兩種不同類型托盤數(shù)目，提高系統(tǒng)性能。

1 多回路發(fā)動(dòng)機(jī)環(huán)形裝配線概述

1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)裝配線描述

整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)裝配線由發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)、外裝線和缸蓋分裝線組成。布局示意圖如圖1 所示，圖中箭頭表示物料流動(dòng)方向，發(fā)動(dòng)機(jī)最終在外裝線的最后一個(gè)工位下線。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)裝配線布局圖Fig.1 Layout of engine assembly line

缸蓋分裝線完成缸蓋氣門油封壓裝、止回閥壓裝、氣門鎖夾壓裝、氣門鎖夾裝配狀態(tài)檢測(cè)、氣門拍打、氣門與油封和座圈密封性檢測(cè)等步驟，將缸蓋異物排除。內(nèi)裝線主要完成缸體、曲軸、活塞連桿總成、缸蓋、凸輪曲罩蓋、正時(shí)鏈系統(tǒng)及前蓋、后油封等零部件的裝配。外裝線完成排氣歧管、增壓器、飛輪和離合器安裝以及發(fā)動(dòng)機(jī)部分外圍件、發(fā)動(dòng)機(jī)線束等零部件的裝配及發(fā)動(dòng)機(jī)電信號(hào)測(cè)試與水道的檢漏等檢測(cè)工作。缸蓋分裝線上缸蓋通過(guò)機(jī)械手安裝到內(nèi)裝線的缸體上，內(nèi)裝線上帶托盤的發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)有軌自動(dòng)小車（Rail Guided Vehicle，RGV）小車移動(dòng)到外裝線上，裝配線上有兩種類型的托盤：缸蓋托盤和缸體托盤。缸蓋托盤在缸蓋裝配線上循環(huán)移動(dòng)，缸體托盤在內(nèi)裝線和外裝線上循環(huán)移動(dòng)。

1.2 考慮返修的環(huán)形裝配線

圖2 為單返修回路的環(huán)形裝配線示意圖，該裝配線具有兩個(gè)托盤回路。裝配線上有n個(gè)工位Mn，工位之間具有緩沖區(qū)。在第一個(gè)工位M1和最后一個(gè)工位Mn間設(shè)置有緩沖區(qū)B0，以便托盤回流進(jìn)行重復(fù)使用。裝配過(guò)程中，沒(méi)有達(dá)到裝配要求的產(chǎn)品，經(jīng)過(guò)檢測(cè)判斷后，通過(guò)返修出入口進(jìn)行線外返修處理?？紤]返修的發(fā)動(dòng)機(jī)環(huán)形裝配線，其返修出入口在裝配線規(guī)劃階段已經(jīng)確定，具體的產(chǎn)品返修上下線調(diào)度策略在文中模型建立部分描述。

圖2 單返修回路的環(huán)形裝配線示意圖Fig.2 Schematic diagram of closed loop considering reworking

2 離散事件仿真流程

發(fā)動(dòng)機(jī)裝配線作為離散事件系統(tǒng)，其生產(chǎn)過(guò)程數(shù)字化仿真采用離散事件仿真方法。圖3 給出了發(fā)動(dòng)機(jī)裝配線的離散事件仿真流程，由數(shù)據(jù)輸入、模型建立、模型確認(rèn)和仿真分析4 個(gè)部分組成。針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)裝配線、數(shù)據(jù)采集、模型建立和模型確認(rèn)過(guò)程，描述如下。

采集發(fā)動(dòng)機(jī)裝配線仿真所需的生產(chǎn)數(shù)據(jù)包括：裝配工藝、裝配線車間布局信息、工位操作時(shí)間、自動(dòng)化和半自動(dòng)設(shè)備的可靠性數(shù)據(jù)、每個(gè)工位的一次性通過(guò)率和輥道傳輸速度。這些數(shù)據(jù)通過(guò)軟件接口導(dǎo)入到軟件的表格中，完成數(shù)據(jù)輸入。

圖3 離散事件仿真流程Fig.3 The flowchart of the discrete event simulation

在檢查完裝配工藝和生產(chǎn)邏輯的流程無(wú)誤后，通過(guò)軟件提供的層次化建?？蚣埽凑赵O(shè)備層-單元層-車間層的框架結(jié)構(gòu)，分別建立設(shè)備-分裝線（缸蓋線、內(nèi)裝線、外裝線）-總裝線的模型。

由于受到多源物料、設(shè)備狀態(tài)、人工操作等諸多不確定的影響，裝配過(guò)程中不可避免會(huì)產(chǎn)生不合格產(chǎn)品，因此，在建模中需要考慮不合格產(chǎn)品的產(chǎn)生和返修。考慮返修的裝配線建模中，最重要的是返修產(chǎn)品的產(chǎn)生和調(diào)度策略的建模邏輯。

圖4是設(shè)備層建模邏輯圖，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)入裝配工位后，首先對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行檢測(cè)，如果發(fā)現(xiàn)其為不合格產(chǎn)品，不進(jìn)行裝配加工，直接放行。只有檢測(cè)合格的產(chǎn)品才進(jìn)行裝配，裝配完成后根據(jù)設(shè)備的一次通過(guò)率對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行分流，對(duì)裝配合格和不合格的產(chǎn)品進(jìn)行標(biāo)記，以便后道工位檢測(cè)。利用Plant Simulation中的框架（Frame）、工作站（Single Poc）和流量控制（Flow Control）工具可以完成該邏輯建模。圖5為Plant Simulation內(nèi)的設(shè)備層仿真模型。

在分裝線建模時(shí)，在工位上被檢測(cè)到不合格的產(chǎn)品會(huì)在返修出口移出，返修后通過(guò)返修回路送回裝配線。圖6為分裝線建模邏輯。

當(dāng)缸蓋線、內(nèi)裝線和外裝線建模完成后，按照實(shí)際生產(chǎn)情況，采用搬運(yùn)工作站（Transfer Station）實(shí)現(xiàn)缸蓋線和內(nèi)裝線之間的工件移動(dòng)以及內(nèi)裝線與外裝線之間的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn)，通過(guò)在軌道（Track）上的運(yùn)輸裝置（Transporter）上實(shí)現(xiàn)。

圖4 考慮返修的設(shè)備層建模邏輯Fig.4 The logic of machine level considering reworking

圖5 設(shè)備層的仿真模型Fig.5 Simulation model of machine level

圖6 分裝線建模邏輯Fig.6 Logic of sub-assembly line level

模型構(gòu)建完成后，將生產(chǎn)數(shù)據(jù)輸入模型中，運(yùn)行仿真確認(rèn)模型能否按照既定的生產(chǎn)邏輯運(yùn)行。

3 仿真分析與優(yōu)化

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)仿真模型通過(guò)驗(yàn)證后，首先按照實(shí)際生產(chǎn)條件，評(píng)估裝配線的生產(chǎn)性能。

3.1 生產(chǎn)線性能分析

該發(fā)動(dòng)機(jī)裝配線采用每天3 班，每班8 h，每班休息0.5 h 的3 班制生產(chǎn)工作模式。裝配線上有缸蓋托盤20 個(gè)，缸體托盤100 個(gè)。采集實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)，仿真時(shí)間為32 d（其中包含仿真預(yù)熱時(shí)間2 d）。由于仿真模型運(yùn)行的初始狀態(tài)，各工位的成品和原材料庫(kù)存都為零。產(chǎn)品進(jìn)入該初始空閑系統(tǒng)中沒(méi)有穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)的擁堵與等待現(xiàn)象，因此不能反映系統(tǒng)的真實(shí)生產(chǎn)性能，設(shè)置預(yù)熱時(shí)間就是為了消除初始（瞬時(shí)）狀態(tài)的影響［7-8］。

3.1.1 系統(tǒng)生產(chǎn)率分析

生產(chǎn)率指一臺(tái)設(shè)備或一個(gè)制造系統(tǒng)（生產(chǎn)線、車間或工廠）單位時(shí)間內(nèi)生產(chǎn)的產(chǎn)品或零部件的數(shù)量［7］。

生產(chǎn)綱領(lǐng)要求在推式生產(chǎn)模式下（即首臺(tái)設(shè)備不會(huì)待料，末臺(tái)設(shè)備不會(huì)阻塞），系統(tǒng)節(jié)拍時(shí)間79 s，系統(tǒng)具備45 臺(tái)/h的產(chǎn)能。

3.1.2 機(jī)器平均利用率

圖7～圖9 分別是缸蓋線、內(nèi)裝線和外裝線的設(shè)備利用率。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，外裝線工位OP1410～OP1530 堵塞率較高，這是由于OP1560冷試工位為瓶頸工位，節(jié)拍為75 s，可以制定適當(dāng)調(diào)度策略啟用備用冷試工位OP1570，降低冷試工位節(jié)拍。外裝線工位OP1780 至工位OP1810 段也存在較高堵塞率。工位OP1780 至工位OP1810 工位時(shí)間均低于RGV 運(yùn)行時(shí)間，造成OP1810 至內(nèi)裝線發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn)工位輥道、空托盤堆積，可以提高RGV 運(yùn)行速率，改進(jìn)RGV 調(diào)度策略，提高空托盤轉(zhuǎn)運(yùn)速率，降低空托盤滯留造成堵塞。

圖7 缸蓋線設(shè)備利用率Fig.7 The machine utilization of cylinder sub-assembly line

3.2 基于遺傳算法的托盤數(shù)目?jī)?yōu)化

對(duì)于多回路環(huán)形系統(tǒng)，工件內(nèi)總數(shù)受限于系統(tǒng)內(nèi)的承載裝置總數(shù)，這種類型系統(tǒng)的性能與承載裝置（托盤）的數(shù)目有關(guān)［9］。由于多回路發(fā)動(dòng)機(jī)環(huán)形裝配線符合該類系統(tǒng)特點(diǎn)，因此，優(yōu)化托盤數(shù)量可以進(jìn)一步提高裝配線性能。

現(xiàn)有的托盤優(yōu)化方法針對(duì)的是單回路裝配線，采用的是經(jīng)驗(yàn)試錯(cuò)法［10］。該種方法設(shè)計(jì)時(shí)間長(zhǎng)，而且沒(méi)有考慮到多回路之間的托盤耦合作用。缸蓋托盤與缸體托盤在不同回路中互相作用，共同影響裝配線性能。本文利用Plant Simulation 的遺傳算法工具箱（GAWizard），通過(guò)遺傳算法，可以自動(dòng)實(shí)現(xiàn)缸蓋、缸體數(shù)量的優(yōu)化。圖10 為利用遺傳算法工具箱優(yōu)化托盤數(shù)目的參數(shù)設(shè)置。

圖8 內(nèi)裝線設(shè)備利用率Fig.8 The machine utilization of inner engine assembly line

圖9 外裝線設(shè)備利用率Fig.9 The machine utilization of exterior engine assembly line

圖10 遺傳算法參數(shù)設(shè)置Fig.10 Parameters setting for genetic algorithm

參數(shù)設(shè)置完成后，算法自動(dòng)進(jìn)行運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)束后給出最大化裝配線生產(chǎn)量的缸蓋、缸體托盤數(shù)目。

圖11 給出了遺傳算法的收斂圖。按照上述的參數(shù)設(shè)置，優(yōu)化過(guò)程最后實(shí)現(xiàn)了收斂。優(yōu)化得到的缸蓋托盤23 個(gè)，缸體托盤130 個(gè)，生產(chǎn)量是33 089臺(tái)，整線節(jié)拍78 s，具備46 臺(tái)/h的生產(chǎn)能力，優(yōu)化了整線性能。

圖11 遺傳算法收斂圖Fig.11 Convergence diagram of genetic algorithm

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)多回路的發(fā)動(dòng)機(jī)環(huán)形裝配線離散事件仿真建模與優(yōu)化進(jìn)行了研究，分析了該類裝配線的仿真流程；采用層次建模法，在考慮產(chǎn)品返修的基礎(chǔ)上，分別對(duì)設(shè)備層、分裝線層和總裝線層進(jìn)行了建模；通過(guò)對(duì)生產(chǎn)率和設(shè)備利用率，以及對(duì)裝配線裝配進(jìn)行了評(píng)估；并利用遺傳工具箱，協(xié)同優(yōu)化了不同回路中的缸體、缸蓋托盤數(shù)目，提高了裝配線的生產(chǎn)性能。