生產(chǎn)線多層級模型虛擬構(gòu)建及仿真分析

0 引言

飛機(jī)裝配生產(chǎn)線設(shè)計規(guī)劃是一項(xiàng)過程復(fù)雜的系統(tǒng)工程, 所涉及的功能部門、人員團(tuán)隊、專業(yè)領(lǐng)域等因素眾多, 因此先進(jìn)的技術(shù)手段和設(shè)計理念是保障生產(chǎn)線低成本、高效率建設(shè)運(yùn)行的有效途徑. 本文結(jié)合新型飛機(jī)生產(chǎn)線設(shè)計規(guī)劃實(shí)例, 針對目前在研在制機(jī)型種類和產(chǎn)能需求不斷增加, 現(xiàn)有部總裝生產(chǎn)線受到廠房面積、工藝裝備及技術(shù)水平等條件限制, 在總體生產(chǎn)資源配置, 裝配現(xiàn)場布局, 物料存放、配送方式和路線, 人員、設(shè)備利用率等方面存在的問題, 以產(chǎn)能節(jié)拍為輸入條件, 以優(yōu)化的裝配工藝?yán)砟詈头椒榛A(chǔ), 充分利用多層級建模仿真技術(shù)平臺, 在虛擬環(huán)境下科學(xué)合理、快速有效的完成生產(chǎn)線設(shè)計規(guī)劃.

1 飛機(jī)裝配生產(chǎn)線虛擬規(guī)劃構(gòu)建體系結(jié)構(gòu)

1.1 虛擬生產(chǎn)線的規(guī)劃階段劃分

飛機(jī)部總裝生產(chǎn)線所包含的工作站位眾多, 工藝流程及路線繁瑣, 串、并行模式的協(xié)調(diào)問題頻發(fā), 在虛擬環(huán)境下分階段進(jìn)行系統(tǒng)性的設(shè)計規(guī)劃論證為后續(xù)生產(chǎn)線實(shí)施投產(chǎn)奠定夯實(shí)基礎(chǔ). 虛擬生產(chǎn)線規(guī)劃具體可以分為以下幾個階段:

(2)學(xué)生可以在Bb平臺上進(jìn)行自主學(xué)習(xí)。不同于傳統(tǒng)灌輸式教學(xué)，學(xué)生可以按照自己的學(xué)習(xí)思路制定學(xué)習(xí)計劃，能對新知識及延伸知識進(jìn)行拓展學(xué)習(xí)，個性化的學(xué)習(xí)方式可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，同時讓課堂教學(xué)更加高效，提高學(xué)生課堂參與度。

(1)初步規(guī)劃階段: 生產(chǎn)線初步規(guī)劃階段需要明確輸入條件, 甄別確定因素與變化因素, 例如在產(chǎn)能確定的情況下進(jìn)行初步規(guī)劃, 需要整理部、總裝詳細(xì)工藝流程、各工作站位及工作環(huán)節(jié)的生產(chǎn)周期、人員極限容許量、初步的工藝分離面劃分、數(shù)字化工藝裝備的配置情況等, 抽取其中基本要素的關(guān)鍵參數(shù), 建立與現(xiàn)實(shí)場景相對應(yīng)的仿真模型, 通過對生產(chǎn)線邏輯模型仿真, 可實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)線動態(tài)性能的仿真分析與優(yōu)化, 輔助生產(chǎn)線進(jìn)行初步布局形式確定、瓶頸分析, 物流形式及路線規(guī)劃, 通過修正變化因素參數(shù)使產(chǎn)線逐步趨于平衡

。

(2)詳細(xì)論證階段: 生產(chǎn)線詳細(xì)論證階段是在初步規(guī)劃的基礎(chǔ)上完成的, 基于理論邏輯模型仿真優(yōu)化后的結(jié)果對各工作站位工裝、設(shè)備、人員等其他占據(jù)空間的物體在三維環(huán)境下進(jìn)行幾何建模, 明確工作空間及特殊功能區(qū)位置需求, 充分考慮風(fēng)、水、電、氣對空間的需求及限制因素, 得出最終廠房的總體面積需求, 形成靜態(tài)的三維虛擬生產(chǎn)線。

(1)理論邏輯模型

(4)定型階段: 通過工藝優(yōu)化、布局調(diào)整等相關(guān)迭代優(yōu)化, 規(guī)劃工作達(dá)到最終定型階段, 定型階段采用附帶材質(zhì)、燈光及貼圖屬性模型, 對生產(chǎn)線進(jìn)行高逼真動態(tài)仿真, 同時通過虛擬現(xiàn)實(shí)手段, 可實(shí)現(xiàn)沉浸式虛擬漫游及裝配過程的交互操作。

1.2 虛擬生產(chǎn)線多層級模型劃分

虛擬環(huán)境下的飛機(jī)裝配生產(chǎn)線在不同設(shè)計規(guī)劃階段對應(yīng)需求不同的模型資源, 通過不同層級類別的劃分, 充分發(fā)揮各仿真平臺的優(yōu)勢, 建立所需要的仿真分析優(yōu)化任務(wù), 具體層級劃分如下:

(3)迭代優(yōu)化階段:生產(chǎn)線的迭代優(yōu)化階段以生產(chǎn)線三維布局模型為基礎(chǔ), 結(jié)合詳細(xì)工藝流程及初步規(guī)劃階段制定的物流方案進(jìn)行動態(tài)工藝過程仿真, 檢查產(chǎn)品、工裝、設(shè)備、工具、輔助物品間的動態(tài)干涉情況, 物流動態(tài)配送過程實(shí)時安全距離及碰撞分析, 必要工位的可裝配性及裝配序列的仿真, 通過人機(jī)工程模擬, 對人體疲勞狀態(tài)，可操作性、可視性、可達(dá)性進(jìn)行分析。

It is obvious that the central 2-D DOAs can be obtained by rooting this polynomial Eq.(29)and selecting the K roots closest to the unit circlesimilar to the traditional root-MUSIC estimator.21

本研究將全因死亡率及心衰再入院率作為終點(diǎn)事件，發(fā)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)治療組在出院后6個月內(nèi)發(fā)生終點(diǎn)事件9例，伐普坦組發(fā)生2例，這11例患者均合并腎功能不全。腎功能不全影響心衰預(yù)后。研究[20-21]指出，血肌酐在出院后半年增加>3 mg/L可能提示心衰預(yù)后不良。Uemura等[22]對合并腎功能不全的心衰患者進(jìn)行半年以上的隨訪后發(fā)現(xiàn)，托伐普坦可以避免血肌酐增高，降低再入院率。最新研究[23]證實(shí)，長期服用托伐普坦[服用時間為(347±212) d]可以降低腎功能惡化風(fēng)險，進(jìn)而影響心衰患者的長期預(yù)后。因此，在傳統(tǒng)利尿或醛固酮拮抗劑的基礎(chǔ)上，應(yīng)用托伐普坦對腎功能不全患者的長期治療效果可能優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)治療。

式中：Tpj(Sp)為以人員為主的組織結(jié)構(gòu)中的有效工作時間函數(shù)；Sp表示該人員組織結(jié)構(gòu)中第j個人員的有效工作時間；ηpj為第j個人員的工作效率；tpj為第j個人員的額定工時。

飛機(jī)裝配生產(chǎn)線需要對飛機(jī)主要部件及總裝站位進(jìn)行生產(chǎn)過程分析梳理, 主要包括前機(jī)身、中機(jī)身、后機(jī)身、進(jìn)氣道、機(jī)翼、垂尾、平尾、總裝各站位, 借助積累的經(jīng)驗(yàn)知識, 設(shè)定初步工藝流程和工序劃分, 此時的方案為輸入的雛形, 是后續(xù)優(yōu)化的基礎(chǔ)。首先進(jìn)行元素建模, 該過程需要簡化與抽象, 通過數(shù)學(xué)描述模擬, 反應(yīng)出物體的屬性、位置、裝配關(guān)系等, 將仿真控件元素與真實(shí)系統(tǒng)中的元素一一對應(yīng), 按照工藝流程和站位關(guān)系進(jìn)行邏輯關(guān)聯(lián), 如各站位的裝配工裝用Machine來表示, 在Machine的參數(shù)設(shè)置界面可以設(shè)置具體的工藝邏輯、路徑邏輯等, 在Cycle Time中設(shè)置機(jī)器或工裝對應(yīng)的工作周期。然后進(jìn)行邏輯建模，各元素間的邏輯關(guān)系是保證系統(tǒng)運(yùn)行的前提, 如在每一個Machine中, 都至少需要一個或者多個零件進(jìn)行加工裝配, 至少要輸出一個零件到下游, 這種流向控制權(quán)是通過箭頭形式表現(xiàn)的。其次進(jìn)行參數(shù)的設(shè)定, 主要包括零件到達(dá)時間、工藝準(zhǔn)備時間, 工序加工時間, 在軟件中的仿真時間等, 如零件到達(dá)時間決定了原料輸出的時間間隔, 考慮到實(shí)際生產(chǎn)中零件供應(yīng)狀態(tài)的不穩(wěn)定性, 應(yīng)服從隨機(jī)分布

。接下來進(jìn)行模型的仿真運(yùn)行調(diào)試, 通過對整條生產(chǎn)線模型模擬, 可以表達(dá)出實(shí)際系統(tǒng)中各元素的運(yùn)作情況, 分析得出提取相關(guān)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)及各個元素隨時間變化的規(guī)律。最后進(jìn)行仿真優(yōu)化, 從分析結(jié)果可以得出瓶頸工位, 通過調(diào)整不同的參數(shù)和邏輯關(guān)系使其趨于平衡, 主要的優(yōu)化手段有調(diào)整工藝劃分、工序內(nèi)容的上下游分配、極限范圍內(nèi)的人員增減、工位數(shù)量的變化、應(yīng)用自動化設(shè)備、改變物流運(yùn)送形式及路線等, 如前機(jī)身壁板工作周期較長, 通過應(yīng)用自動鉆鉚設(shè)備可以大幅縮短裝配周期, 同時該設(shè)備還可以為其他滿足鉆鉚條件的工位進(jìn)行節(jié)拍優(yōu)化。通過不斷的優(yōu)化嘗試, 消除瓶頸工位, 提高機(jī)器利用率, 使生產(chǎn)線達(dá)到平衡。圖3是飛機(jī)大部件理論邏輯模型仿真結(jié)果, 圖3中可以直觀分析產(chǎn)品瓶頸站位及運(yùn)行狀態(tài)。

(3)動態(tài)工藝過程模型

動態(tài)工藝過程模型是對各工位初步工藝流程動態(tài)模擬, 對物流配送狀態(tài), 先進(jìn)設(shè)備運(yùn)行狀況以及人機(jī)工程進(jìn)行詳細(xì)分析, 主要包括產(chǎn)品、工裝、設(shè)備、工具、輔助物品間的動態(tài)干涉檢查, 物流動態(tài)配送過程實(shí)時安全距離及碰撞檢查, 可裝配性及裝配序列的仿真, 人體疲勞狀態(tài), 可操作性、可視性、可達(dá)性分析等。

(4)渲染模型

（3）混合調(diào)配：將百香果汁和胡蘿卜汁按一定比例混合，加入少許小蘇打溶液，調(diào)至混合液pH值為6.5，再按比例加入鮮奶和白砂糖，最后再加入穩(wěn)定劑，攪拌均勻即可。

在設(shè)計規(guī)劃方案定型后, 模型將被賦予材質(zhì)屬性、貼圖屬性、燈光陰影等渲染屬性, 以最真實(shí)的感官體驗(yàn)展示即將投產(chǎn)建設(shè)的裝配生產(chǎn)線。同時借助VR硬件設(shè)備及引擎平臺還可以實(shí)現(xiàn)虛擬漫游及交互操作等功能。

1.3 裝配生產(chǎn)線多層級模型虛擬構(gòu)建體系結(jié)構(gòu)

裝配生產(chǎn)線全周期規(guī)劃的多層級模型虛擬構(gòu)建體系全面闡述了由輸入→建模→仿真分析→優(yōu)化輸出的結(jié)構(gòu)模式, 同時將經(jīng)驗(yàn)總結(jié)和先進(jìn)技術(shù)融入到虛擬構(gòu)建階段, 以數(shù)據(jù)及圖形的方式表達(dá)出來, 提早發(fā)現(xiàn)問題, 規(guī)避風(fēng)險，具體體系結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

在生產(chǎn)系統(tǒng)中, 邏輯模型是主導(dǎo)系統(tǒng)活動的對象, 它們在系統(tǒng)中移動、被加工、影響其他模型及系統(tǒng)的狀態(tài), 每個模型都有自己的屬性和屬性值, 仿真過程圍繞著時間展開, 在仿真過程中, 既需要關(guān)心事件, 也需要關(guān)系事件發(fā)生時如何控制系統(tǒng)中的模型和資源, 目前很多分析產(chǎn)線平衡的仿真平臺支持多種格式的CAD模型導(dǎo)入, 但是考慮到飛機(jī)裝配生產(chǎn)線涉及到飛機(jī)整機(jī)及成百上千套工裝設(shè)備模型, 數(shù)據(jù)量巨大, 并且無法完成后續(xù)規(guī)劃的仿真任務(wù), 為充分發(fā)揮各仿真系統(tǒng)優(yōu)勢, 在理論模型中所涉及到的元素通常以球形、正方體、圓柱等基本特征或數(shù)字編號進(jìn)行表達(dá), 不導(dǎo)入、構(gòu)建任何實(shí)體模型, 重點(diǎn)在邏輯模型的數(shù)據(jù)模擬分析, 通過不同的仿真優(yōu)化手段實(shí)現(xiàn)最終的數(shù)據(jù)輸出。

(2)靜態(tài)幾何模型

2 面向設(shè)計規(guī)劃具體階段的仿真技術(shù)

隨著CAD、CAE技術(shù)的不斷成熟, 能夠滿足靜態(tài)幾何模型布局的仿真平臺越來越多, 考慮到飛機(jī)產(chǎn)品設(shè)計采用的是CATIA軟件, 以及生產(chǎn)線規(guī)劃后續(xù)要進(jìn)行動態(tài)仿真, 因此本文以Delmia作為仿真平臺進(jìn)行廠房總體的三維布局, 布局的重點(diǎn)是模型的構(gòu)建處理與擺放分析。具體流程如圖4所示。

2.1 基于理論邏輯模型的生產(chǎn)資源仿真分析與優(yōu)化

關(guān)于制造系統(tǒng)過程建模的研究成果眾多, 所采用的方法也非常豐富, 本文以法國達(dá)索公司的Quest軟件作為仿真平臺, 它是基于離散事件的理論框架, 提供以零、組件的輸送、裝配和存放為線索的仿真環(huán)境, 包含機(jī)器/工裝、緩沖區(qū)、處理工藝、故障率、維修、操作人員、路徑和物料出口等, 快速建模元素可以輔助規(guī)劃人員在軟件環(huán)境下進(jìn)行工藝過程的設(shè)計、仿真和分析。具體仿真流程如圖2所示。

靜態(tài)幾何模型以邏輯仿真后的優(yōu)化數(shù)據(jù)作為布局依據(jù), 主要包括飛機(jī)產(chǎn)品數(shù)模(面片格式簡化數(shù)模)、裝配工裝數(shù)模、存放器具數(shù)模、先進(jìn)設(shè)備數(shù)模、廠房主體數(shù)模、物流配送裝置、輔助設(shè)備及操作臺等, 該類數(shù)模是實(shí)際產(chǎn)品的制造依據(jù), 通過真實(shí)幾何形態(tài)對廠房、生產(chǎn)區(qū)域、功能區(qū)域、各工作站位進(jìn)行立體布局, 在充分考慮工作空間需求的前提下得出廠房三維尺寸, 檢查產(chǎn)品、工裝、設(shè)備等數(shù)模間的位置關(guān)系是否符合設(shè)計規(guī)劃要求

。

2.2 基于靜態(tài)幾何模型的生產(chǎn)線布局仿真驗(yàn)證

當(dāng)前, 計算機(jī)建模與仿真技術(shù)在航空制造業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域范圍不斷拓寬, 研究的深度也有了大幅進(jìn)步, 仿真軟件功能越來越強(qiáng)大, 類別的細(xì)分程度越來越精細(xì), 面對生產(chǎn)線規(guī)劃這項(xiàng)系統(tǒng)工程, 單一軟件難免會有局限性, 充分發(fā)揮不同仿真技術(shù)的優(yōu)勢, 并為其搭建輸入與輸出橋梁, 全面解決相關(guān)問題, 成為了未來系統(tǒng)工程仿真的必然趨勢。

裝配生產(chǎn)線三維布局以產(chǎn)線平衡優(yōu)化結(jié)果為基礎(chǔ), 將附帶外觀尺寸的幾何模型導(dǎo)入到三維廠房中, 首先是模型的構(gòu)建及處理, 在三維環(huán)境下，站位布置及物流信息等問題會直觀的顯現(xiàn)出來, 此時需要根據(jù)三維數(shù)據(jù)檢驗(yàn)并修正上一階段的結(jié)果。生產(chǎn)線中的模型有些是已經(jīng)設(shè)計完成的, 如飛機(jī)產(chǎn)品數(shù)模、工裝數(shù)模, 此類數(shù)?？梢酝ㄟ^后續(xù)處理直接使用, 同時，還有一些數(shù)模處于意想階段, 如需要協(xié)作廠家設(shè)計一臺專用的精加工機(jī)床, 針對該類模型, 可以構(gòu)建包絡(luò)體或外觀模型。考慮到生產(chǎn)線虛擬構(gòu)建涉及到的模型數(shù)據(jù)量巨大，因此飛機(jī)產(chǎn)品、工裝等其他數(shù)模需要進(jìn)行相應(yīng)的簡化, 分量級處理是靜態(tài)布局及后續(xù)動態(tài)仿真的有效手段和方法, 輕量級模型是指物體僅具有外觀單層形面特征, 外觀的精準(zhǔn)度取決于模型的細(xì)分程度, 該類模型主要應(yīng)用于生產(chǎn)線總體布局等大場景的構(gòu)建需要

; 中級面片模型是指通過設(shè)計數(shù)模的存儲格式轉(zhuǎn)化形成的簡化模型, 該類模型主要應(yīng)用于總體生產(chǎn)線及加工單元的動態(tài)工藝流程仿真; 詳細(xì)設(shè)計模型是指設(shè)計單位構(gòu)建的具有詳細(xì)設(shè)計過程的實(shí)體模型, 該類模型數(shù)據(jù)量較大, 主要應(yīng)用于動、靜態(tài)的干涉檢查、工藝性仿真等細(xì)節(jié)分析.在布局階段, 要充分考慮仿真需求, 以數(shù)據(jù)最小為原則, 選擇不同級別的模型進(jìn)行導(dǎo)入, 然后對模型建立約束關(guān)系, 設(shè)定相互間的距離參數(shù), 最后通過前兩個階段結(jié)果的相互調(diào)整與修正使得布局形式趨于合理。

治療5個月后，觀察兩組患者的收縮壓（SBP）、舒張壓（DBP）以及進(jìn)餐前、進(jìn)餐2 h后的血糖水平，對治療效果進(jìn)行綜合評價。

2.3 基于具體裝配工藝的動態(tài)過程仿真分析與評價

裝配工藝的動態(tài)過程仿真是生產(chǎn)線規(guī)劃的深入階段, 對生產(chǎn)線的迭代優(yōu)化起到了關(guān)鍵作用, 針對具體事項(xiàng), 仿真平臺的選擇也更加具有針對性, 本文應(yīng)用DELMIA進(jìn)行初步工藝過程仿真, 應(yīng)用MAYA進(jìn)行流程性仿真,應(yīng)用ICIDO進(jìn)行管路、柔性線纜及人機(jī)工程仿真

, 具體流程如圖5所示。

哥德說過：“科學(xué)史本身就是科學(xué)?！比绻f地理學(xué)給人以知識，那么地理學(xué)史則給人以智慧。地理學(xué)發(fā)展的歷史，是反映地理科學(xué)孕育、產(chǎn)生和發(fā)展演變規(guī)律的歷史，蘊(yùn)涵著地理學(xué)家的業(yè)績、科學(xué)的思想、科學(xué)的精神和科學(xué)的方法。在地理教學(xué)中滲透科學(xué)史教育可以為學(xué)生學(xué)習(xí)提供更加廣闊深厚的知識背景，開闊學(xué)生視野，有利于學(xué)生對地理科學(xué)的整體理解。

生產(chǎn)線動態(tài)工藝過程建模相對復(fù)雜, 對模型的成熟度要求較高, 首先進(jìn)行流程性仿真, 包括生產(chǎn)線全局及各工區(qū)預(yù)覽, 通過零、部件的供應(yīng)周轉(zhuǎn), 產(chǎn)品上下架等物流動作建模, 驗(yàn)證三維空間規(guī)劃的合理性。然后進(jìn)行初步工藝過程仿真, 包括可裝配性分析、裝配順序及路徑分析、自動化設(shè)備與工裝產(chǎn)品間的仿真分析、飛機(jī)柔性線纜與管路的裝配仿真等

, 詳細(xì)工藝仿真將貫穿于生產(chǎn)線規(guī)劃、實(shí)施至批產(chǎn)全流程。最后進(jìn)行人機(jī)工程仿真, 通過人體模型的導(dǎo)入, 分析人體疲勞程度、工裝設(shè)計的宜人性、裝配的可操作性、可視性及可達(dá)性等, 不同事項(xiàng)的仿真可以相互優(yōu)化, 充分發(fā)揮各自優(yōu)勢, 為生產(chǎn)線布局及工藝的合理性提供全面保障

, 圖6、圖7是產(chǎn)品裝配可行性仿真分析及人機(jī)工程仿真分析。

2.4 基于渲染模型的逼真演示與交互操作

隨著計算機(jī)渲染技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的不斷發(fā)展, 生產(chǎn)線虛擬構(gòu)建又向前邁進(jìn)了一個階段，規(guī)劃人員不但可以在桌面顯示器上預(yù)覽逼真的渲染場景及動態(tài)流程, 還可以佩戴虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備, 在沉浸式環(huán)境下以真實(shí)視角進(jìn)行漫游, 為方案的評審提供可視化的交互環(huán)境, 提前實(shí)現(xiàn)對裝配過程的可視化工藝指導(dǎo), 實(shí)現(xiàn)針對設(shè)計部門、工藝部門、生產(chǎn)部門等更有效的并行工作模式, 大幅度降低生產(chǎn)準(zhǔn)備及設(shè)備操作準(zhǔn)備周期, 使參訓(xùn)人員獲得更真實(shí)的體驗(yàn), 減少了對實(shí)物樣機(jī)的依賴。圖8是虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境下攝像機(jī)不同視角的漫游視圖。

3 結(jié)語

本文主要針對飛機(jī)裝配生產(chǎn)線的設(shè)計規(guī)劃及虛擬構(gòu)建, 提出了多層級建模理論, 并在此基礎(chǔ)上對設(shè)計規(guī)劃具體階段進(jìn)行了仿真技術(shù)特性分析, 仿真流程的梳理以及優(yōu)化手段的應(yīng)用總結(jié)。隨著建模仿真技術(shù)的不斷發(fā)展, 裝配生產(chǎn)線虛擬構(gòu)建的仿真手段會更加完善豐富, 最終為企業(yè)提供高效優(yōu)質(zhì)的規(guī)劃方案。

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