數(shù)字化制造技術(shù)在發(fā)動(dòng)機(jī)裝配線的實(shí)戰(zhàn)應(yīng)用

摘 要：介紹了數(shù)字化制造技術(shù)在一款汽車發(fā)動(dòng)機(jī)裝配線布局設(shè)計(jì)及裝配工藝設(shè)計(jì)階段的實(shí)戰(zhàn)應(yīng)用。在發(fā)動(dòng)機(jī)裝配線設(shè)計(jì)的同步工程階段，依據(jù)生產(chǎn)線的生產(chǎn)綱領(lǐng)和工廠布局等規(guī)劃目標(biāo)，構(gòu)建基于DELMIA的裝配線仿真模型，詳細(xì)闡明系統(tǒng)構(gòu)建的流程和輸入?yún)?shù)的計(jì)算方法，對裝配線設(shè)計(jì)的合理性及裝配工藝的可行性進(jìn)行仿真驗(yàn)證和優(yōu)化，仿真結(jié)果達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：數(shù)字化制造;DELMIA;發(fā)動(dòng)機(jī);裝配線;仿真

0? ? 引言

目前，汽車行業(yè)競爭異常激烈，發(fā)動(dòng)機(jī)作為整車的心臟，如何能夠在滿足功能設(shè)計(jì)的前提下，采用合理的物流方式、設(shè)備布局和制造工藝，從而降低制造成本，成為各大汽車廠商都面臨的一大問題。

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)裝配線是復(fù)雜度相對較高的制造系統(tǒng)，有資料表明，國內(nèi)外已運(yùn)行的復(fù)雜制造系統(tǒng)有80%沒有完全達(dá)到設(shè)計(jì)要求，其存在的問題中，60%可以歸結(jié)為初期規(guī)劃不合理或失誤。

數(shù)字化制造技術(shù)的應(yīng)用能夠降低規(guī)劃的風(fēng)險(xiǎn)，在整個(gè)制造系統(tǒng)建造之前，建立其DELMIA仿真模型，通過計(jì)算機(jī)仿真，對制造系統(tǒng)進(jìn)行分析試驗(yàn)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)不合理因素，對其進(jìn)行改進(jìn)，這樣可以大大避免因前期設(shè)計(jì)不合理而造成的巨大浪費(fèi)。如此，企業(yè)不僅可以提高制造系統(tǒng)設(shè)計(jì)建造的效率，而且能夠提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本，增強(qiáng)產(chǎn)品的市場競爭力。

1? ? 發(fā)動(dòng)機(jī)裝配線仿真模型需求分析

如前文所述，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)裝配線是復(fù)雜程度較高的制造系統(tǒng)，在同步工程階段，根據(jù)廠房空間布局和節(jié)拍等要求，初步確定本文所涉及的裝配線布局如圖1所示。發(fā)動(dòng)機(jī)裝配線規(guī)劃布局為一條由6條子線組成的環(huán)線，共長218 m，6條子線按順時(shí)針方向運(yùn)行，支線1～支線6這6條子線的設(shè)計(jì)節(jié)拍分別為51 s、52 s、53 s、54 s、51 s、55 s，之間通過加入小的差速環(huán)線使其節(jié)拍匹配，小的差速環(huán)線在一定程度上起到緩存器的作用。整條線的輸入從圖1最左端缸體上線開始，至圖1左下測試后下線。

該發(fā)動(dòng)機(jī)裝配線設(shè)計(jì)有約100個(gè)裝配工位，考慮到后續(xù)產(chǎn)能的擴(kuò)大，其中20%的工位為預(yù)留工位，具體到每一個(gè)工位的裝配工藝，所有工位可以劃分為三類：

（1）手動(dòng)工位：主要由工人和手動(dòng)工具來完成該步操作;

（2）半自動(dòng)工位：主要由工人配合專用設(shè)備來完成該步操作;

（3）自動(dòng)工位：完全由設(shè)備自動(dòng)完成該步操作。

為了能夠在同步工程階段對整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)運(yùn)行進(jìn)行模擬，從而驗(yàn)證是否能夠滿足規(guī)劃的產(chǎn)能，計(jì)算機(jī)仿真模型需要盡可能地包含系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行時(shí)的物理情況，如設(shè)備故障、人員操作失誤、廢品率、不合格產(chǎn)品返修時(shí)間以及物料配送等諸多因素。

計(jì)算機(jī)仿真模型是一條虛擬的發(fā)動(dòng)機(jī)裝配線，是對真實(shí)裝配線上的物理設(shè)備和其間相互關(guān)系的映射，包括虛擬設(shè)備、虛擬人、虛擬傳送帶、虛擬物料小車、虛擬托盤、虛擬緩沖區(qū)等。仿真模型要能夠?qū)崿F(xiàn)以下目標(biāo)：

（1）能夠完整準(zhǔn)確地反映制造系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行規(guī)律，對發(fā)動(dòng)機(jī)裝配過程進(jìn)行仿真;

（2）仿真過程和結(jié)果能以一種直觀的方式反饋，能夠不斷推動(dòng)裝配線的設(shè)計(jì)優(yōu)化，驗(yàn)證裝配線的目標(biāo)產(chǎn)能;

（3）提前對關(guān)鍵的裝配工藝進(jìn)行裝配可行性和人機(jī)工程仿真分析。

2? ? 發(fā)動(dòng)機(jī)裝配線仿真模型構(gòu)建及仿真

2.1? ? DELMIA軟件功能簡介

本文選擇DELMIA軟件建立發(fā)動(dòng)機(jī)裝配線仿真模型。DELMIA軟件具備出眾的離散事件仿真功能，它是一個(gè)面向工藝流程仿真和分析的完整3D數(shù)字化工廠環(huán)境，為工業(yè)工程師、制造工程師提供了一個(gè)單獨(dú)的協(xié)同環(huán)境，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中實(shí)施和論證最佳的制造流程，并能進(jìn)行裝配工藝過程仿真。

2.2? ? 發(fā)動(dòng)機(jī)裝配線仿真模型構(gòu)建

首先，根據(jù)物理模型構(gòu)建抽象的計(jì)算機(jī)仿真模型，如前所述，發(fā)動(dòng)機(jī)裝配線工位劃分為三類，那么，在DELMIA仿真模型中，同樣構(gòu)建3種不同的對象與之對應(yīng)，每種對象又包含不同的屬性參數(shù)。如圖2所示，根據(jù)實(shí)際裝配線布局，構(gòu)建出包含主線、子線、分裝線、緩沖區(qū)、返修區(qū)等對象的DELMIA仿真模型。

本文模型主要涉及以下DELMIA對象：

（1）傳送帶Conveyor：能夠完全和物理傳送帶對應(yīng)的仿真模型，主要設(shè)置運(yùn)行速度和決策點(diǎn)邏輯關(guān)系，從而決定發(fā)動(dòng)機(jī)零部件的上線和下線。

（2）設(shè)備Machine：和物理設(shè)備相對應(yīng)的仿真模型，主要設(shè)置所在工位的生產(chǎn)節(jié)拍和所需組件數(shù)量，只有在滿足組件數(shù)量的前提下，設(shè)備才能夠啟動(dòng)，進(jìn)而完成設(shè)定的生產(chǎn)節(jié)拍;Machine對應(yīng)的屬性包含idle（設(shè)備空閑）、busy（設(shè)備運(yùn)行中）、block（設(shè)備擁堵）等，便于統(tǒng)計(jì)輸出設(shè)備利用率。

（3）組件單元Part：對應(yīng)實(shí)際零部件，是Machine等Element的加工對象。

（4）資源庫Source：主要用于生成Part組件，可以理解為倉庫。

（5）緩沖單元Buffer：等同于物理緩沖區(qū)，暫時(shí)存放加工過程中的組件單元，有容量屬性可以限制組件數(shù)量。

（6）決策點(diǎn)Dec Point：一個(gè)抽象的點(diǎn)，能夠在此點(diǎn)完成組件的上線和下線。

同時(shí)，在仿真模型中，DELMIA本身提供BCL和SCL語言幫助用戶編寫邏輯控制程序，從而能夠更加接近現(xiàn)實(shí)的電氣控制邏輯;上述DELMIA對象都包含Logic屬性，可以添加用戶控制程序。

2.3? ? 發(fā)動(dòng)機(jī)裝配線仿真模型參數(shù)

仿真模型構(gòu)建完成以后，需要輸入運(yùn)行參數(shù)，包括每個(gè)工位的設(shè)計(jì)節(jié)拍和故障率參數(shù)、產(chǎn)品返修率、仿真周期時(shí)間、生產(chǎn)輪班、傳送帶速度等，下文對幾個(gè)關(guān)鍵的參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)說明。

2.3.1? ? 工位故障參數(shù)MTBF/MTTR計(jì)算

MTBF和MTTR是至關(guān)重要的一組參數(shù)，它們反映設(shè)備運(yùn)行過程中故障發(fā)生的頻率和故障修復(fù)的時(shí)間。計(jì)算MTBF和MTTR的方法不盡相同，本文采用理論計(jì)算與實(shí)際經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合的方法：根據(jù)前期規(guī)劃，假定某工位操作需要用到一臺(tái)設(shè)備，該設(shè)備由N個(gè)主要組件構(gòu)成，那么，將這N個(gè)組件作為一個(gè)串聯(lián)系統(tǒng)，每個(gè)組件有試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到的MTBFi，根據(jù)理論公式即可計(jì)算出設(shè)備/工位整體的MTBF：

MTBF=

由此，根據(jù)理論公式計(jì)算得到設(shè)備/工位整體MTTR：

MTTR=MTBF·

為了從多角度驗(yàn)證裝配線布局及工位設(shè)計(jì)的合理性和運(yùn)行穩(wěn)定性，提供更加準(zhǔn)確的預(yù)測，本文將人工操作的穩(wěn)定性因素單獨(dú)計(jì)算，同時(shí)考慮爬坡期和穩(wěn)定生產(chǎn)階段的差異，最終形成3組獨(dú)立運(yùn)行的參數(shù)：設(shè)備故障參數(shù)、設(shè)備+人工故障參數(shù)、設(shè)備+人工+爬坡期故障參數(shù)，如表1所示。

2.3.2? ? 緩沖區(qū)容量和托盤數(shù)量

緩沖區(qū)容量和發(fā)動(dòng)機(jī)托盤初始數(shù)量根據(jù)線體的布局賦予經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)值，如表2所示，然后通過仿真驗(yàn)證進(jìn)行優(yōu)化。

2.3.3? ? 產(chǎn)品返修率

本文的產(chǎn)品返修率根據(jù)歷史同類產(chǎn)品的實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)得出，如表3所示，根據(jù)每個(gè)工位操作產(chǎn)生的返修比例綜合生成局部分線的返修率參數(shù)。綜合返修率算法與單個(gè)工位添加返修率相比，能夠提高仿真結(jié)果的可靠性指標(biāo)。

2.3.4? ? 仿真周期

為更加真實(shí)地預(yù)測未來實(shí)際生產(chǎn)狀況，反映工位設(shè)備的故障和維修、緩沖區(qū)容量和發(fā)動(dòng)機(jī)托盤數(shù)量等對產(chǎn)能造成的損失，仿真時(shí)間按照1個(gè)月、2個(gè)月、3個(gè)月……6個(gè)月遞增，進(jìn)而統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果。

2.4? ? 發(fā)動(dòng)機(jī)裝配線仿真分析

結(jié)合上節(jié)的仿真模型和輸入?yún)?shù)，對多組參數(shù)進(jìn)行組合仿真，從而驗(yàn)證和優(yōu)化了發(fā)動(dòng)機(jī)裝配線規(guī)劃方案的關(guān)鍵參數(shù)，如工位節(jié)拍、關(guān)鍵工位數(shù)量、托盤數(shù)量等。

2.4.1? ? 全局效率

全局效率=仿真下線發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)量/理論下線發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)量。如圖3所示，在穩(wěn)定運(yùn)行階段，經(jīng)過1～6個(gè)月周期的多輪仿真，全局效率保持在90%以上，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，滿足設(shè)計(jì)要求。

2.4.2? ? 工位利用率

工位利用率=工位仿真實(shí)際工作時(shí)間/仿真總時(shí)間。如圖4所示，在穩(wěn)定運(yùn)行階段，主線各工位利用率、空閑時(shí)間比率、故障時(shí)間比率等在柱狀圖上清晰可見，據(jù)此可以分析瓶頸工位，優(yōu)化工位設(shè)置。

2.4.3? ? 發(fā)動(dòng)機(jī)托盤數(shù)量敏感度分析

結(jié)合初始發(fā)動(dòng)機(jī)托盤數(shù)量進(jìn)行系統(tǒng)全局效率分析，在滿足效率的前提下，可以適當(dāng)調(diào)整托盤數(shù)量和主線返修時(shí)間周期，以節(jié)省相關(guān)費(fèi)用。如圖5所示，在主線不合格品返修時(shí)間為20 min或30 min的情況下，系統(tǒng)全局效率波動(dòng)較大;當(dāng)返修時(shí)間為15 min時(shí)，可以適當(dāng)減少托盤數(shù)量，對系統(tǒng)效率影響不大。

3? ? 結(jié)語

本文以某一款發(fā)動(dòng)機(jī)為例構(gòu)建了裝配線仿真模型，通過同步工程階段三維圖形化的模擬和圖表數(shù)據(jù)分析，對裝配線的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了驗(yàn)證和優(yōu)化;在后期裝配線實(shí)際試運(yùn)行和穩(wěn)定運(yùn)行階段，現(xiàn)場的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)與仿真階段數(shù)據(jù)總體一致，達(dá)到了項(xiàng)目預(yù)期目標(biāo)收益。

收稿日期：2021-03-24

作者簡介：李黎輝（1982—），男，河南平頂山人，碩士研究生，工程師，研究方向：數(shù)字化制造。