區(qū)域式AGV在螺栓智能生產(chǎn)車(chē)間布局及應(yīng)用

張遠(yuǎn)慶, 呂明奎, 劉瑞德, 張保耀

(鐵科(天津)科技有限公司, 天津 301700)

2015年印發(fā)的《中國(guó)制造2025》明確了制造業(yè)創(chuàng)新發(fā)展方向,主攻方向是推進(jìn)智能制造,實(shí)現(xiàn)制造業(yè)由大變強(qiáng),穩(wěn)步推進(jìn)信息化技術(shù)與制造業(yè)的深度融合,信息化、數(shù)字化、智能化轉(zhuǎn)型發(fā)展成為制造企業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)[1];智能工廠是智能制造系統(tǒng)的主要表現(xiàn)形式,是推進(jìn)智能制造發(fā)展的核心抓手。《“十四五”智能制造發(fā)展規(guī)劃》明確提出開(kāi)展智能制造示范工廠建設(shè)[2];當(dāng)前,智能制造已成為制造業(yè)革新的新引擎,智能化、無(wú)人化工廠正在不斷突破,智能工藝開(kāi)發(fā)應(yīng)用日趨成熟,智能化工廠管理也在不斷探索與應(yīng)用之中[3];智能化車(chē)間的規(guī)劃建設(shè)不僅單指生產(chǎn)與制造層面,而是各個(gè)生產(chǎn)模塊各個(gè)層面逐漸升級(jí)之后,互相融合匹配后的成果[4-6]。在智能化支撐下的制造業(yè),其生產(chǎn)環(huán)境將會(huì)發(fā)生一系列變化。全面應(yīng)用自動(dòng)導(dǎo)引車(chē)(automated guided vehicle,AGV)能夠大大提高企業(yè)的生產(chǎn)效率以及制造系統(tǒng)的靈活性與柔性,在新廠建成布局時(shí)就應(yīng)該考慮AGV的路徑[7]。

合理的AGV路徑系統(tǒng)能夠有效提升車(chē)間生產(chǎn)效率。按照AGV路徑布置方式分為網(wǎng)絡(luò)式AGV路徑系統(tǒng)、區(qū)域式AGV路徑系統(tǒng)、單回路式AGV路徑系統(tǒng)和區(qū)段式AGV路徑系統(tǒng)[8]。其中區(qū)域式AGV路徑系統(tǒng)由 Bozer 和 Srinivasan[9]提出,工作原理是根據(jù)設(shè)備和物流量特點(diǎn)將設(shè)備進(jìn)行合理的區(qū)域劃分,當(dāng) AGV 需要進(jìn)行跨區(qū)轉(zhuǎn)運(yùn)工件時(shí),可利用中轉(zhuǎn)站進(jìn)入下一個(gè)區(qū)域,這種路徑系統(tǒng)控制簡(jiǎn)單,效率較高。何永樂(lè)[10]采用區(qū)域式AGV系統(tǒng)解決了柔性車(chē)間的路徑規(guī)劃和設(shè)備布局;肖熙[11]對(duì)區(qū)域式AGV系統(tǒng)進(jìn)行了分析并提出布局過(guò)程需注意的問(wèn)題。

螺栓作為一種重要連接方式的基礎(chǔ)零部件,具有品種規(guī)格多、通用化程度高等特點(diǎn),廣泛應(yīng)用于汽車(chē)、輪船、鐵路、航空航天、家用電器等領(lǐng)域,但生產(chǎn)方式仍以人工為主。本文在基于區(qū)域式AGV路徑系統(tǒng)的前提下,進(jìn)行數(shù)學(xué)模型構(gòu)建和算例分析,結(jié)合既有設(shè)備,進(jìn)行螺栓智能車(chē)間優(yōu)化布局,實(shí)現(xiàn)多規(guī)格、多品種螺栓的連續(xù)化、自動(dòng)化及智能化生產(chǎn),從而降低人工強(qiáng)度,提高生產(chǎn)效率。

1 模型與優(yōu)化

1.1 問(wèn)題描述及相關(guān)假設(shè)

生產(chǎn)設(shè)備布局的形式由生產(chǎn)組織形式和生產(chǎn)類(lèi)型決定,其布局可分為產(chǎn)品原則布局:固定一種加工產(chǎn)品,將與其相關(guān)的設(shè)備、人員按照工藝要求進(jìn)行布局;固定工位布局:將主要部件或原材的位置固定不變,將與相關(guān)的設(shè)備和人員等根據(jù)該固定位置進(jìn)行布局;工藝原則布局:根據(jù)生產(chǎn)工藝要求將同類(lèi)設(shè)備和人員集中布置在一個(gè)地方;成組布局:介于產(chǎn)品原則和工藝原則布局之間的一種布局[12]。在進(jìn)行布局過(guò)程中,AGV系統(tǒng)規(guī)劃與車(chē)間布局有著很強(qiáng)的耦合特性和復(fù)雜性,兩者之間的子問(wèn)題相互制約、相互關(guān)聯(lián),耦合關(guān)系如圖1所示。

圖1 各子問(wèn)題耦合關(guān)系

為方便進(jìn)行車(chē)間布局的研究,結(jié)合實(shí)際情況,將螺栓生產(chǎn)所需設(shè)備進(jìn)行總結(jié)、分類(lèi),螺栓生產(chǎn)所涉及的生產(chǎn)設(shè)備如表1所示。

表1 生產(chǎn)設(shè)備信息

按照產(chǎn)品布局原則,可將螺栓分為熱成型和冷成型件進(jìn)行布局;按照工藝布局原則,無(wú)論冷成型還是熱成型,后續(xù)均需進(jìn)行防腐、包裝。為此,結(jié)合設(shè)備情況,采用區(qū)域式AGV系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)備分區(qū),初步分為熱成型區(qū)AGV運(yùn)行區(qū)域、冷成型區(qū)AGV運(yùn)行區(qū)域和防腐區(qū)域AGV運(yùn)行區(qū)域,設(shè)備分群如圖2所示。

圖2 設(shè)備分區(qū)

設(shè)備分區(qū)后,按照產(chǎn)品生產(chǎn)工序進(jìn)行排序:熱成型,切定尺→倒角縮頸→加熱成型→切邊→滾絲→清洗→防腐;冷成型,冷鐓成型→清洗→滾絲→淬火→回火→防腐;冷鐓成型→搓絲→淬火→回火→防腐;防腐,拋丸→一次涂覆→二次涂覆→面涂→檢測(cè)、包裝。

通過(guò)設(shè)備分區(qū),構(gòu)建區(qū)內(nèi)循環(huán)路徑和區(qū)外循環(huán)路徑、中轉(zhuǎn)區(qū),具體如表2所示。

表2 生產(chǎn)設(shè)備分區(qū)信息

為方便后續(xù)計(jì)算,較為合理的提供布局思路,根據(jù)表1的基礎(chǔ)情況,做出如下假設(shè):①各生產(chǎn)工序設(shè)備加工順序一定;②進(jìn)行模型構(gòu)建時(shí),不考慮設(shè)備形狀、結(jié)構(gòu),假設(shè)均為尺寸大小相同的矩形;③各工序設(shè)備橫向、縱向距離按單位距離1進(jìn)行布局;④各工序設(shè)備物料的收集轉(zhuǎn)運(yùn)無(wú)優(yōu)先級(jí),物料到設(shè)定值時(shí)自動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn);⑤一個(gè)循環(huán)僅限一臺(tái)AGV,一次只能運(yùn)輸一批物料,且僅限橫向、縱向運(yùn)輸;⑥僅存在1個(gè)物料轉(zhuǎn)運(yùn)中心;⑦物料轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)按設(shè)備產(chǎn)能換算負(fù)載量,基礎(chǔ)產(chǎn)能為100。

1.2 模型

區(qū)域式AGV主要特征在于將設(shè)備和路徑劃分成數(shù)個(gè)互不交錯(cuò)的循環(huán),同時(shí)設(shè)備在完成分區(qū)后,根據(jù)形狀可分為直線形、U形、環(huán)形等布局形狀,本文設(shè)備布局以U形和直線形布局為主。各工序生產(chǎn)設(shè)備之間物料倒運(yùn)以AGV為主時(shí),設(shè)備布局如圖3所示,形成的各工序AGV負(fù)載量及設(shè)備距離如表3所示。

表3 AGV路徑及其負(fù)載

圖3 區(qū)域AGV設(shè)備布局

在實(shí)際生產(chǎn)中,智能車(chē)間的設(shè)備布局不僅只依靠AGV實(shí)現(xiàn),合理的傳送帶、機(jī)械手在相關(guān)工序設(shè)備之間的應(yīng)用反而能極大限度地促進(jìn)智能車(chē)間的實(shí)現(xiàn)。為此,結(jié)合各工序設(shè)備特征及車(chē)間現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況,相關(guān)工序設(shè)備之間采用傳送帶、機(jī)械手等設(shè)備代替AGV路徑,各內(nèi)循環(huán)設(shè)備間物料轉(zhuǎn)運(yùn)方式改進(jìn)方式如表4所示,改進(jìn)后的區(qū)域AGV設(shè)備布局如圖4所示。

表4 AGV改進(jìn)后路徑及其負(fù)載

圖4 優(yōu)化后區(qū)域AGV設(shè)備布局

2 計(jì)算

2.1 目標(biāo)函數(shù)

區(qū)域式AGV路徑規(guī)劃往往以生產(chǎn)車(chē)間物料總流量為目標(biāo)函數(shù)來(lái)驗(yàn)證優(yōu)化方案是否有效,總流量為區(qū)內(nèi)流量與區(qū)外流量之和,流量是指區(qū)內(nèi)各個(gè)設(shè)備之間、區(qū)內(nèi)循環(huán)與中轉(zhuǎn)區(qū)形成物料轉(zhuǎn)運(yùn)收集時(shí)AGV負(fù)載量與對(duì)應(yīng)距離的乘積,建立流量函數(shù)如下:

Q=S(x) +T(x)

(1)

式中:S(x)為區(qū)內(nèi)流量;T(x)為區(qū)外流量。

(2)

式中:k=1,2,…,n;n為區(qū)內(nèi)循環(huán)數(shù);qij為設(shè)備mi到設(shè)備mj的負(fù)載量;dij為設(shè)備Mi到設(shè)備Mj的距離;Bk為某流水線路徑中包含的設(shè)備數(shù)。

(3)

式中:n為區(qū)外循環(huán)數(shù);Cl為某一區(qū)內(nèi)循環(huán)到中轉(zhuǎn)區(qū)的負(fù)載量;Dl為某一區(qū)內(nèi)循環(huán)到中轉(zhuǎn)區(qū)的距離。

2.2 算例

僅針對(duì)一次物料轉(zhuǎn)運(yùn)量進(jìn)行計(jì)算,按照1.1假設(shè)和優(yōu)化前后的設(shè)備布局圖,分別構(gòu)建負(fù)載量矩陣和距離矩陣。對(duì)于優(yōu)化前矩陣如表5～表9所示。

表5 Loop1區(qū)內(nèi)負(fù)載矩陣

表6 Loop2區(qū)內(nèi)負(fù)載矩陣

表7 Loop3區(qū)內(nèi)負(fù)載矩陣1

表8 Loop3區(qū)內(nèi)負(fù)載矩陣2

表9 區(qū)外負(fù)載矩陣

由式(1)～式(3)得優(yōu)化前:S(x)=2 200,T(x)=800,Q=3 000。

按照前文假設(shè)和優(yōu)化后的設(shè)備布局圖,優(yōu)化后對(duì)于區(qū)內(nèi)負(fù)載:僅Loop1中M5→M12、Loop3中M12→M13、M14→M15存在負(fù)載。區(qū)外負(fù)載未發(fā)生變化,經(jīng)計(jì)算,得優(yōu)化后:S(x)=800,T(x)=800,Q=1 600。

根據(jù)優(yōu)化前后的物料總流量可以看出,通過(guò)引入機(jī)械手、傳送帶等手段,大幅度降低了AGV轉(zhuǎn)運(yùn)量,提高生產(chǎn)效率。

3 實(shí)踐驗(yàn)證

根據(jù)優(yōu)化后的區(qū)域式AGV設(shè)備布局方案,結(jié)合生產(chǎn)車(chē)間實(shí)際情況、生產(chǎn)設(shè)備狀況進(jìn)行螺栓車(chē)間的設(shè)備布局如圖5所示。其中Loop1為熱成型工件區(qū)域,該區(qū)域?qū)崿F(xiàn)了T形螺栓、錨固螺栓、連接螺栓、螺紋道釘、防落梁螺栓、管片螺栓及高強(qiáng)度螺栓的切定尺、倒角縮頸、加熱及沖壓成型、自動(dòng)切邊及自動(dòng)滾絲;Loop3為冷成型工件區(qū)域,該區(qū)域?qū)崿F(xiàn)了T形螺栓、螺旋道釘?shù)睦溏叧尚?、清洗烘干及搓絲或滾絲,同時(shí)該區(qū)域所包含的熱處理設(shè)備實(shí)現(xiàn)了螺栓產(chǎn)品不同熱處理工藝要求的調(diào)質(zhì)處理;Loop2為防腐區(qū)域,該區(qū)域?qū)崿F(xiàn)了所有螺栓產(chǎn)品的拋丸、涂覆、檢測(cè)及包裝。中轉(zhuǎn)區(qū)實(shí)現(xiàn)了所有半成品在各區(qū)域生產(chǎn)的中轉(zhuǎn),由AGV運(yùn)行完成。經(jīng)實(shí)踐驗(yàn)證,在設(shè)備無(wú)異常狀態(tài)下,3個(gè)區(qū)內(nèi)循環(huán)、2個(gè)區(qū)外循環(huán)物料基本實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、智能化生產(chǎn),整個(gè)生產(chǎn)車(chē)間基本實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作,智能生產(chǎn),生產(chǎn)效率大大提升,目前實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的螺栓產(chǎn)品如圖6所示。

圖5 車(chē)間設(shè)備布局

圖6 螺栓產(chǎn)品

以螺旋道釘為例,采用Loop3區(qū)域中冷鐓成型→清洗→滾絲→淬火→回火工序和Loop2防腐進(jìn)行實(shí)際生產(chǎn)驗(yàn)證。對(duì)于Loop3區(qū)域,AGV僅在清洗→滾絲(M12→M13)產(chǎn)生了負(fù)載,其余均由傳送帶完成,具體生產(chǎn)流程為:螺旋道釘經(jīng)冷鐓成型后,由傳送帶傳送至自動(dòng)清洗設(shè)備,完成除油干燥后,由AGV倒運(yùn)至滾絲區(qū)進(jìn)行滾絲處理,自動(dòng)滾絲完成后由傳送帶自動(dòng)傳送至淬火加熱爐,淬火完成后由傳送帶自動(dòng)傳送至回火爐回火,回火完成后自動(dòng)傳送至收集料斗;對(duì)于中轉(zhuǎn)區(qū)域:由AGV將裝有回火螺旋道釘?shù)牧隙忿D(zhuǎn)運(yùn)至中轉(zhuǎn)區(qū),并根據(jù)任務(wù)安排進(jìn)一步轉(zhuǎn)運(yùn)至Loop2區(qū)域進(jìn)行防腐,該過(guò)程AGV產(chǎn)生2次負(fù)載;對(duì)于Loop2區(qū)域,各工序由機(jī)械手完成螺旋道釘轉(zhuǎn)運(yùn),AGV未產(chǎn)生負(fù)載。整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程Loop2、Loop3區(qū)域各需1人便完成螺旋道釘?shù)纳a(chǎn),同時(shí)Loop3區(qū)域?qū)嶋H產(chǎn)量為1 100件/h,Loop2區(qū)域?qū)嶋H產(chǎn)量為1 200件/h,中轉(zhuǎn)區(qū)域完成多余螺旋道釘?shù)拇娣?。其中Loop3區(qū)域螺旋道釘生產(chǎn)過(guò)程轉(zhuǎn)運(yùn)如圖7所示,中轉(zhuǎn)區(qū)螺旋道釘轉(zhuǎn)運(yùn)如圖8所示,Loop2區(qū)域螺旋道釘生產(chǎn)過(guò)程轉(zhuǎn)運(yùn)如圖9所示。

圖7 Loop3區(qū)域螺旋道釘生產(chǎn)實(shí)例

圖8 中轉(zhuǎn)區(qū)螺旋道釘轉(zhuǎn)運(yùn)實(shí)例

圖9 Loop2區(qū)域螺旋道釘生產(chǎn)實(shí)例

4 結(jié)論

(1)采用區(qū)域式AGV方法進(jìn)行設(shè)備分區(qū),根據(jù)設(shè)備特征引入機(jī)械手和傳送帶等方法代替部分AGV路徑,能夠有效降低各工序設(shè)備耦合強(qiáng)度,布局規(guī)劃更為簡(jiǎn)單。通過(guò)計(jì)算分析,有效驗(yàn)證優(yōu)化后物料總流量情況,為設(shè)備布局優(yōu)化提供方向。

(2)通過(guò)整合螺栓現(xiàn)有生產(chǎn)方式、生產(chǎn)設(shè)備,結(jié)合AGV及其路徑優(yōu)化,創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)且實(shí)現(xiàn)了國(guó)內(nèi)首個(gè)自動(dòng)化、智能化、連續(xù)化的螺栓生產(chǎn)車(chē)間,不僅能夠完成多種螺栓產(chǎn)品的有效生產(chǎn),還大大降低了人力成本,提高了企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。