裝配線仿真流程及其案例研究

李廣振，徐志剛，劉松凱，任朝暉

(1.中國(guó)科學(xué)院 沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所 機(jī)器人學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 沈陽(yáng)，110016；2.東北大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，遼寧 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，遼寧 沈陽(yáng)，110169)

裝配線是一種面向流程的生產(chǎn)系統(tǒng)[1]。執(zhí)行操作的工站與工站之間以串行方式連接，工件通過(guò)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)[2]。裝配線不僅在傳統(tǒng)的大批量標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用，在定制化小批量生產(chǎn)中也越來(lái)越受到重視[2-3]。裝配線的配置直接影響系統(tǒng)的安裝成本與生產(chǎn)效率，因此裝配線的規(guī)劃與優(yōu)化對(duì)于提高生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益具有重要意義。

裝配線是典型的離散事件動(dòng)態(tài)系統(tǒng)。對(duì)于具有高動(dòng)態(tài)性和隨機(jī)性的裝配線生產(chǎn)環(huán)境，難以通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型的方法進(jìn)行求解[4]，同時(shí)離散事件仿真被認(rèn)為是解決離散事件系統(tǒng)的有效手段[5-6]。因此裝配線規(guī)劃與優(yōu)化研究大都基于離散事件仿真的途徑展開(kāi)。大部分的裝配線仿真研究可以分為2類。

1) 實(shí)際應(yīng)用型[7-17]?；陔x散事件仿真方法對(duì)實(shí)際裝配線進(jìn)行仿真優(yōu)化，旨在提高生產(chǎn)效率并為實(shí)際生產(chǎn)提供直接指導(dǎo)。如周康渠等[17]基于Flexsim對(duì)某微耕機(jī)裝配線進(jìn)行仿真優(yōu)化，使生產(chǎn)線平衡率由67%提高到91%，日產(chǎn)量由354臺(tái)提高到436臺(tái)。

2) 理論研究型[18-20]。提出裝配線的相關(guān)方法或理論，并基于離散事件仿真技術(shù)以實(shí)例來(lái)驗(yàn)證所提方法有效。如曹陽(yáng)華等[19]提出基于合作的工作站內(nèi)任務(wù)分工策略，并基于Plant Simulation對(duì)實(shí)例進(jìn)行研究證明該策略有效。

然而，上述研究在建立完仿真模型后沒(méi)有驗(yàn)證模型的有效性。仿真模型的有效性表示模型能真實(shí)準(zhǔn)確地反映實(shí)際系統(tǒng)，是得出正確仿真數(shù)據(jù)的前提。缺少模型有效性檢驗(yàn)過(guò)程，在實(shí)際應(yīng)用中可能會(huì)得到錯(cuò)誤的方案而造成經(jīng)濟(jì)損失，在理論研究中可能得出錯(cuò)誤或不可靠的理論。

為解決目前裝配線仿真研究缺少模型檢驗(yàn)過(guò)程而造成結(jié)果不可信的問(wèn)題，本文旨在提出完整的裝配線仿真流程，并以實(shí)際裝配線為例，來(lái)驗(yàn)證所提方法的可行性和有效性。

1 裝配線仿真流程

在規(guī)劃裝配線時(shí)一般會(huì)先提出一個(gè)包含基本布局和工藝流程的初始方案，基于初始方案再對(duì)裝配線進(jìn)行優(yōu)化是傳統(tǒng)而有效的手段。因此，基于離散事件仿真對(duì)初始方案進(jìn)行建模、分析，基于初步的仿真結(jié)果提出改進(jìn)策略，設(shè)計(jì)新的方案，再通過(guò)對(duì)新的方案進(jìn)行建模與仿真評(píng)估以達(dá)到裝配線優(yōu)化目的是絕大部分裝配線仿真文獻(xiàn)[7-20]采取的基本研究方法。

然而，這些文獻(xiàn)沒(méi)有意識(shí)到仿真模型的有效性是得出正確仿真數(shù)據(jù)與結(jié)論的前提。因此，本文在上述仿真流程中的初始方案和改進(jìn)方案建模完成后分別引入一次模型檢驗(yàn)，其中模型有效性的檢驗(yàn)過(guò)程應(yīng)當(dāng)是對(duì)仿真模型反復(fù)修改與驗(yàn)證的過(guò)程。傳統(tǒng)仿真流程與本文提出的仿真流程如圖1所示。

圖1 裝配線仿真流程Figure 1 Simulation flowchart of assembly line

2 問(wèn)題描述與分析

由于實(shí)際的生產(chǎn)環(huán)境可能對(duì)人員安全造成威脅和對(duì)生產(chǎn)穩(wěn)定性的需求，本文研究的系統(tǒng)設(shè)計(jì)為無(wú)人的自動(dòng)化環(huán)境。初始布局如圖2，主要由上料區(qū)、裝配區(qū)、檢測(cè)區(qū)、下料區(qū)和循環(huán)物流軌道 (圖2黑色箭頭) 組成?；疑糠质窍噙B的功能性房間。

圖2 系統(tǒng)布局示意Figure 2 Sketch map of the system layout

成品由4種部件裝配組成，設(shè)4種部件代號(hào)分別為A、B、C和D。系統(tǒng)的物料流動(dòng)過(guò)程描述如下。

1) A、B來(lái)料后儲(chǔ)存在預(yù)裝配區(qū)，C、D來(lái)料后存儲(chǔ)在上料區(qū)。A和B來(lái)料后在預(yù)裝配區(qū)先裝配成中間產(chǎn)品AB。AB、C和D為總裝配區(qū)的3種部件。

2) 自動(dòng)導(dǎo)引車(chē)(automatic guided vehicle, AGV)前來(lái)上料區(qū)裝料。當(dāng)AGV到位和3種部件全部就緒時(shí)進(jìn)行裝載，每次每種部件只運(yùn)送一個(gè)。

3) AGV將3個(gè)部件運(yùn)送到總裝配區(qū)，卸載到裝配點(diǎn)，進(jìn)行3種部件的自動(dòng)化裝配，AGV在卸載點(diǎn)停車(chē)等待?？傃b配完成后重新將產(chǎn)品裝載至AGV。

4) AGV運(yùn)載產(chǎn)品至檢測(cè)區(qū)，卸載產(chǎn)品進(jìn)行合格品檢測(cè)，AGV停車(chē)等待。

5) 檢測(cè)完成后將產(chǎn)品裝載至AGV，AGV運(yùn)載至下料區(qū)進(jìn)行產(chǎn)品的離線入庫(kù)。

6) AGV沿循環(huán)軌道繼續(xù)前行，重復(fù)上述過(guò)程。

整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中的裝載與卸載操作都由框架機(jī)械手完成。此外，AGV在生產(chǎn)開(kāi)始或在完成一套裝配、檢測(cè)和下料過(guò)程后需要經(jīng)過(guò)一道自檢程序，自檢完成后經(jīng)循環(huán)軌道繼續(xù)上述配送過(guò)程，整個(gè)系統(tǒng)的生產(chǎn)活動(dòng)就可以連續(xù)進(jìn)行。

初始方案的AGV數(shù)量規(guī)劃為1，速度為0.3 m/s，上料區(qū)的暫存量為5。自動(dòng)化裝配線的各個(gè)工藝步驟都由自動(dòng)化設(shè)備完成，加工效率穩(wěn)定，因此將工藝時(shí)間都假設(shè)為一個(gè)常數(shù)。通過(guò)經(jīng)驗(yàn)豐富的自動(dòng)化裝配線規(guī)劃人員確定的初始方案各生產(chǎn)過(guò)程的時(shí)間見(jiàn)表1。由約束理論知總裝配機(jī)器為瓶頸機(jī)器。

表1 生產(chǎn)流程名稱與時(shí)間Table 1 Name and time of the production process

生產(chǎn)安排為每天一班，一班的實(shí)際生產(chǎn)時(shí)間只有7.5 h。此外，工廠的產(chǎn)能要求為平均每天生產(chǎn)10件產(chǎn)品，總裝配工位的利用率在60% ～ 70%之間。

3 初始仿真模型的建立

本文選擇Plant Simulation軟件建立仿真模型。

3.1 模型假設(shè)

為了便于仿真模型的建立，提出假設(shè)。

1) 在總裝配機(jī)器前設(shè)置了3個(gè)容量為1的緩沖區(qū)，作為3種部件的接受地。在總裝配機(jī)器后設(shè)置了容量為1的緩沖區(qū)，作為成品的裝載地。

2) 在檢測(cè)機(jī)器的前后都設(shè)置了一個(gè)容量為1的緩沖區(qū)。

3) 實(shí)際中AGV的充電過(guò)程都在晚上，且充電完成后足夠運(yùn)行7.5 h。所以仿真模型不考慮AGV的充電過(guò)程。

4) 假設(shè)成品庫(kù)的容量足夠大。

5) 考慮到鋪線速度會(huì)影響短期內(nèi)的仿真結(jié)果，因此以10 d即75 h連續(xù)生產(chǎn)的結(jié)果對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)估，并將模型運(yùn)行75 h作為仿真模型的運(yùn)行終止條件。

3.2 模型建立

根據(jù)系統(tǒng)布局、物料流動(dòng)過(guò)程和模型假設(shè)，分別建立虛擬的物理對(duì)象和實(shí)際生產(chǎn)流程的控制策略，并輸入基本的生產(chǎn)時(shí)間。最終建立系統(tǒng)仿真模型如圖3所示。

圖3 初始方案仿真模型Figure 3 Simulation model of the initial scheme

3.3 模型檢驗(yàn)

仿真模型的有效性代表模型能真實(shí)準(zhǔn)確地反映實(shí)際系統(tǒng)，因此模型有效是得出正確仿真數(shù)據(jù)與結(jié)論的必要前提。本文建立的仿真模型是有效的，主要基于以下原因：1) 仿真模型能夠順利運(yùn)行直到滿足模型的運(yùn)行終止條件；2) 每一過(guò)程的時(shí)間由規(guī)劃人員根據(jù)每一動(dòng)作節(jié)拍的時(shí)間進(jìn)行計(jì)算，輸入仿真模型的時(shí)間都盡可能地考慮實(shí)際情況；3) 觀察仿真動(dòng)畫(huà)，規(guī)劃人員認(rèn)為仿真環(huán)境下的生產(chǎn)邏輯與實(shí)際預(yù)想中的生產(chǎn)邏輯一致。

4 初步仿真分析與優(yōu)化方案的設(shè)計(jì)

仿真環(huán)境下系統(tǒng)要求為10 d內(nèi)的產(chǎn)能至少為100，總裝配機(jī)器利用率在60% ～ 70%間。

運(yùn)行仿真模型，仿真環(huán)境下75 h連續(xù)生產(chǎn)的離線產(chǎn)品數(shù)量為33。系統(tǒng)機(jī)器的利用率如圖4所示。

圖4 機(jī)器利用率Figure 4 Machine utilization

由初步的仿真分析知，初始方案的產(chǎn)能3 3＜100，主裝配機(jī)器的利用率僅42%，不能達(dá)到系統(tǒng)要求。且其余設(shè)備的利用率很低。

產(chǎn)能低說(shuō)明生產(chǎn)節(jié)拍大。結(jié)合系統(tǒng)得知可能的原因是系統(tǒng)來(lái)料速度不夠快，瓶頸機(jī)器的處理能力不足，以及物料供應(yīng)不及時(shí)。

預(yù)裝配工位利用率低的原因在于當(dāng)前的來(lái)料速度足夠快，且上料暫存區(qū)的容量有限；同時(shí)AGV來(lái)取料的速度較慢。當(dāng)暫存區(qū)容量滿時(shí)，預(yù)裝配工位將不接受新的部件進(jìn)行裝配。這說(shuō)明上料區(qū)的零件供應(yīng)情況滿足當(dāng)前的生產(chǎn)運(yùn)輸要求?？傃b配工序機(jī)器利用率低，原因在于物料不能及時(shí)地供應(yīng)到裝配地點(diǎn)，導(dǎo)致總裝配設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間處于等待來(lái)料的狀態(tài)。

從生產(chǎn)系統(tǒng)角度考慮，瓶頸工位即總裝配工位的設(shè)備數(shù)量與處理時(shí)間是影響生產(chǎn)節(jié)拍和設(shè)備利用率的主要因素?？紤]到自動(dòng)化裝配線的裝配與運(yùn)輸工藝都由自動(dòng)化設(shè)備完成，其生產(chǎn)效率無(wú)法加快。因此增加瓶頸工位的數(shù)量是可行的優(yōu)化措施。

從物流系統(tǒng)角度考慮，AGV的數(shù)量、速度和物流路徑直接影響物料的供應(yīng)速度，是影響產(chǎn)能和設(shè)備利用率的重要因素。

通過(guò)以上分析，本文分別從物流和生產(chǎn)角度提出以下可能的優(yōu)化方案：1) 根據(jù)系統(tǒng)布局合理縮短AGV路徑；2) 增加AGV的數(shù)量并提高AGV的速度；3) 增加總裝配工位的機(jī)器數(shù)量。

根據(jù)上述優(yōu)化措施，設(shè)計(jì)24種方案，見(jiàn)表2所示。

表2 改進(jìn)方案的詳細(xì)配置Table 2 Detailed configuration of the improved scheme

5 改進(jìn)方案的建模

為方便24種方案模型的建立，將AGV數(shù)量和速度以變量形式寫(xiě)入到仿真模型內(nèi)。只需通過(guò)修改變量的值就可以達(dá)到建立新方案的目的。因此只需建立2種基本場(chǎng)景就能完成所有24種方案的評(píng)估。改進(jìn)場(chǎng)景的仿真模型如圖5所示。

圖5 改進(jìn)的基本模型Figure 5 The improved basic simulation model

新的方案可能涉及新的生產(chǎn)邏輯。1) 當(dāng)存在多臺(tái)AGV時(shí)，AGV之間的自檢程序互不干擾；2) 當(dāng)存在兩臺(tái)總裝配機(jī)器，AGV在總裝配區(qū)前的進(jìn)入策略為若存在總裝配機(jī)器空閑，則AGV按就近原則進(jìn)入總裝配區(qū)的卸載軌道進(jìn)行卸載；若兩個(gè)總裝配機(jī)器都在工作，則AGV在卸載軌道前的軌道上停車(chē)等待，直到有機(jī)器空閑才進(jìn)入。

所有方案的模型都經(jīng)過(guò)同樣的模型有效性檢驗(yàn)過(guò)程。1) 模型能夠順利運(yùn)行直到滿足運(yùn)行終止條件；2) 每一過(guò)程的時(shí)間由規(guī)劃人員根據(jù)每一動(dòng)作的時(shí)間進(jìn)行計(jì)算，輸入仿真模型的時(shí)間都盡可能地考慮實(shí)際情況；3) 觀察仿真動(dòng)畫(huà)，裝配線的規(guī)劃人員認(rèn)為仿真環(huán)境下的生產(chǎn)邏輯與實(shí)際預(yù)想中的生產(chǎn)邏輯一致。

6 仿真結(jié)果與分析

以產(chǎn)能和總裝配機(jī)器利用率為主要評(píng)價(jià)指標(biāo)，其余設(shè)備機(jī)器利用率和平均利用率為輔助評(píng)價(jià)指標(biāo)。當(dāng)有兩臺(tái)總裝配機(jī)器時(shí)，總裝配機(jī)器利用率指標(biāo)為兩臺(tái)機(jī)器的平均利用率。每種方案的仿真模型以不同的隨機(jī)數(shù)種子運(yùn)行100次，仿真結(jié)果見(jiàn)表3。在AGV速度確定為0.3 m/s的前提下，初始場(chǎng)景與改進(jìn)場(chǎng)景下各性能指標(biāo)隨AGV數(shù)量變化趨勢(shì)見(jiàn)圖6，其中初始場(chǎng)景代表瓶頸機(jī)器即總裝配機(jī)器數(shù)量為1的方案，改進(jìn)場(chǎng)景代表總裝配機(jī)器數(shù)量為2的方案。

圖6 各評(píng)價(jià)指標(biāo)隨AGV數(shù)量的變化趨勢(shì)Figure 6 The relationship between each index and the number of AGV

由表3知，AGV速度對(duì)各評(píng)價(jià)指標(biāo)沒(méi)有明顯影響，即AGV速度與系統(tǒng)產(chǎn)能、設(shè)備利用率幾乎無(wú)關(guān)。原因在于AGV速度的提高只能減少AGV的運(yùn)行時(shí)間。然而實(shí)際上AGV大部分時(shí)間都處于卸載點(diǎn)停車(chē)等待的狀態(tài)，加快AGV到達(dá)卸載點(diǎn)的速度對(duì)生產(chǎn)節(jié)拍與設(shè)備利用率的影響很小。為了降低AGV的損耗，AGV的速度應(yīng)盡可能小，因此按初始方案確定AGV的速度為0.3 m/s。

表3 仿真結(jié)果Table 3 The simulation results

由表3知，提出的23種新方案較第1種初始方案的生產(chǎn)性能更好，主要體現(xiàn)在產(chǎn)能提高，各機(jī)器之間的利用率更加均衡合理。這說(shuō)明初始仿真分析和優(yōu)化決策的正確性。同時(shí)模型的檢驗(yàn)過(guò)程也保證了表3中數(shù)據(jù)的有效性和準(zhǔn)確性。

由圖6(a)知，初始場(chǎng)景即當(dāng)總裝配機(jī)器數(shù)量為1時(shí)，系統(tǒng)產(chǎn)能的最大值為76，始終達(dá)不到工廠的產(chǎn)能要求。而改進(jìn)場(chǎng)景中當(dāng)AGV數(shù)量為3、4時(shí)，產(chǎn)能分別達(dá)到108和128，滿足產(chǎn)能要求。

由圖6(b)、(c)和(d)分別可知，初始場(chǎng)景中3個(gè)主要機(jī)器的利用率隨著AGV數(shù)量的增加呈減加速度的上升趨勢(shì)，且逐漸趨于平緩。且由圖6(b)知總裝配機(jī)器利用率過(guò)高，將近90%?？芍獔D6(a)中初始場(chǎng)景的產(chǎn)能無(wú)法提高的原因在于初始場(chǎng)景中總裝配工序的處理效率低，導(dǎo)致工件在這道工序之前排隊(duì)進(jìn)入的等待時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，而限制了系統(tǒng)產(chǎn)能的提高，也造成該道工序機(jī)器的利用率過(guò)高，其他工序機(jī)器利用率低。因此為了提高總裝配工序的效率，增加一個(gè)瓶頸機(jī)器之后，圖6(a)顯示系統(tǒng)的產(chǎn)能得到進(jìn)一步提高，并且由圖6(b)知改進(jìn)場(chǎng)景中總裝配機(jī)器的利用率得到下降。由圖6(c)和圖6(d)知改進(jìn)場(chǎng)景的預(yù)裝配工位利用率和檢測(cè)工位利用率得到提高，即平衡了各個(gè)設(shè)備之間的負(fù)荷率。圖6(e)直觀地表示了設(shè)備平均利用率也即該裝配線的平衡性，在AGV數(shù)量為3和4時(shí)改進(jìn)場(chǎng)景的平衡性要優(yōu)于初始場(chǎng)景。

由以上分析可知，改進(jìn)場(chǎng)景中AGV數(shù)量為3或4時(shí)都能滿足系統(tǒng)要求，且各項(xiàng)性能較其他方案都要更好。但是由圖6可知，將AGV數(shù)量從3增加到4，性能的提升已經(jīng)相對(duì)下降，同時(shí)考慮到經(jīng)濟(jì)因素，確定AGV數(shù)量為3。則最優(yōu)方案確定為方案19。

優(yōu)化后的方案較初始方案的產(chǎn)能從33提高到108，提升約227%；總裝配機(jī)器利用率從41.5%提高到62.5%，提升約51%；平均機(jī)器利用率從22.3%提高到49.3%，提升約121%。

7 結(jié)論

針對(duì)目前裝配線仿真研究缺少模型檢驗(yàn)過(guò)程而造成結(jié)果不可信的問(wèn)題，本文在傳統(tǒng)裝配線仿真流程中補(bǔ)充了兩次模型檢驗(yàn)過(guò)程，提出完整的仿真優(yōu)化流程，案例的仿真結(jié)果證實(shí)了所提方法的可行性和有效性。

相比于傳統(tǒng)裝配線仿真流程，本文提出的裝配線仿真流程所得到的結(jié)果更加準(zhǔn)確和可靠。本文所提流程與案例研究可對(duì)裝配線規(guī)劃與優(yōu)化工作的展開(kāi)提供思路，對(duì)其他類型生產(chǎn)系統(tǒng)的仿真研究也具有參考意義。