任永強，方力平，蘇 鵬

(1.合肥工業(yè)大學(xué)機械與汽車工程學(xué)院，合肥 230009;2.東風(fēng)柳州汽車有限公司 研發(fā)中心，廣西柳州 545005)

0 引言

裝配線作為自動化裝備系統(tǒng)的重要組成部分，具有基本的物流控制和數(shù)據(jù)追蹤功能。在一些只涉及到簡單物流控制的裝配線中，自動化物流控制往往被忽視。但是，當(dāng)制造系統(tǒng)的復(fù)雜化和高度自動化［1］以及用戶對上層系統(tǒng)(如MES等)的需要變得迫切時，自動化物流控制所占用成本越來越高。隨著市場經(jīng)濟的發(fā)展，企業(yè)在成本、質(zhì)量、快速的市場反應(yīng)等諸方面面臨著前所未有的壓力，在自動化裝備系統(tǒng)中，以裝配線為基礎(chǔ)的自動化物流控制越來越受到企業(yè)的重視［2-3］。不合理的物流控制很可能會降低系統(tǒng)效率，增加零件等待的時間，嚴(yán)重的會造成堵塞，使得企業(yè)在生產(chǎn)過程中付出更多的時間，影響企業(yè)效益。在許多生產(chǎn)系統(tǒng)仿真中，往往只注重加工工位的仿真，而忽略了合流等節(jié)點的仿真，這時如果發(fā)送時間不合理，合流節(jié)點前就會停留許多負載單元，增加不必要的緩沖工位，為使合流節(jié)點輸送的負載單元盡量多，在合流節(jié)點前停留的盡可能少，對負載單元在合流節(jié)點的控制策略研究就顯得尤為重要。

1 控制策略及其理論分析

1.1 控制策略

合流節(jié)點主要有輪轂式輸送機、接近開關(guān)、旋轉(zhuǎn)工位等組成，在實際的生產(chǎn)過程中，每個合流節(jié)點的輸入端口一般為兩個，這時規(guī)定一條輸送機為主路，而另一條規(guī)定為支路，從而可以在節(jié)點安排通過順序時制定相應(yīng)的控制策略?？尚械目刂撇呗匀缦拢?/p>

策略一：通過權(quán)平等策略：按“先到先服務(wù)”的原則，處理已到達入口的負載單元。

策略二：限制行駛策略：來自支路路段的負載單元只有在主路路段信息識別點I沒有檢查到有負載單元到達時，才能送到服務(wù)區(qū)［4］。

策略三：絕對優(yōu)先策略：按照“絕對優(yōu)先”策略，主路上的負載單元有絕對先行的權(quán)力。旋轉(zhuǎn)工位平時處于接通主路的位置上，當(dāng)支路路段上的負載單元已到達信息識別點，但主路路段上的負載單元到達信息識別點的時間小于等于合流節(jié)點的換向時間，合流節(jié)點還應(yīng)停留在原位置，等待主路路段上的負載單元通過。

1.2 控制策略理論分析

圖1所示為具有兩個合流節(jié)點時的簡圖，設(shè)主路負載單元發(fā)送時間間隔為T主，支路負載單元發(fā)送時間間隔為T支，合流節(jié)點的旋轉(zhuǎn)時間和通過時間分別為T旋和T通。根據(jù)策略一的原則，當(dāng)主路負載單元P1已到達輸送機末端，假定支路上的負載單元P3到達輸送機末端還有T通時間，則P1通過旋轉(zhuǎn)工位后，P3恰好也剛到達支路輸送機末端，合流節(jié)點旋轉(zhuǎn)到支路方向后可以馬上輸送P3到合路;將P3輸送完畢后P2也恰好到達主路輸送機末端，如此循環(huán)，可使得合流節(jié)點所發(fā)送的負載單元最多的同時合流節(jié)點前只會有支路上負載單元的短暫停留，則T主和T支所需最小時間間隔必須滿足為：

且支路比主路到達節(jié)點的時間滯后T通。

圖1 兩個合流節(jié)點簡圖

同理，對于策略二和策略三，支路上的負載單元只有在不妨礙主路負載單元通過時，才能進入合流節(jié)點并發(fā)送到合路。為了使主路和支路上的負載單元盡快通過合流節(jié)點，不造成支路的堵塞，它們所需的最小時間間隔也必須滿足(1)式，但支路上的負載單元比主路上的負載單元到達合流節(jié)點的時間滯后T旋+T通。此時在阻塞個數(shù)接近于零的情況下，一個負載單元輸送完成，另一個負載單元也剛好到達合流節(jié)點，合流節(jié)點處于不停地旋轉(zhuǎn)并輸送負載單元中。

在裝配線中，合流節(jié)點往往不止一個，當(dāng)有兩個節(jié)點時，發(fā)送時間間隔必比只有一個節(jié)點時要大，負載單元可以順利通過第一個節(jié)點，因此可以不考慮第一個節(jié)點的堵塞情況(參見圖4)。當(dāng)?shù)谝粋€節(jié)點前的主、支路和第二個節(jié)點前的支路發(fā)送時間間隔相同時，第二個節(jié)點前主路上的發(fā)送個數(shù)相當(dāng)于支路的兩倍，即節(jié)點發(fā)送兩個主路負載單元時，支路上的負載單元只發(fā)送了一個，按照前面的分析方法，可以得出策略一到策略三各個主、支路最小發(fā)送時間間隔為：

當(dāng)合流節(jié)點有多個時，可以根據(jù)(1)式和(2)式推導(dǎo)出各條主、支路的最小發(fā)送時間間隔為：

式中：n—主路上合流節(jié)點總的個數(shù)。

2 仿真驗證及分析

2.1 QUEST軟件建模

QUEST(Queuing Event Simulation Tool，排隊事件仿真工具)是法國達索公司的一款面向制造業(yè)的離散事件仿真軟件［5］，能夠?qū)ιa(chǎn)線和物流過程的設(shè)計進行仿真分析。Quest軟件提供了強有力的交互式仿真建模功能，并且提供了一些常用生產(chǎn)及物流設(shè)備的初始模型［6］，可以使用內(nèi)置的仿真控制語言(Simulation Control Language，SCL)來設(shè)定設(shè)備的行為，實現(xiàn)用戶所需要的動作。

根據(jù)上面的理論分析，用QUEST軟件自帶的元素建立模型，主要由sources(來源)、conveyor(輸送帶)、machines(機器)、sinks(接收)以及 conveyor decision point(輸送帶決策點)組成。由于旋轉(zhuǎn)工位在QUEST中難以建立，所以用machines進行替代，以process_1和process_2分別處理主路和支路到達的part。建立的兩個合流節(jié)點的策略二模型如圖2所示。

圖2 兩個合流節(jié)點三維圖模型

2.2 仿真結(jié)果及分析

在模型中將主路和支路的sources設(shè)置為發(fā)送時間間隔相同，decision point對話框的 logics—＞Process Logic下編譯完成SCL程序，machines中設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)。保存并運行模型，運行時間1小時，運行的最佳仿真次數(shù)n=10［7］，計算各個策略的數(shù)據(jù)得到平均數(shù)，用MATLAB［8］處理得到一個、兩個合流節(jié)點時的柱狀圖如圖3至圖5所示。

圖3 當(dāng) T主，T支 =2T旋 +(n+1)T通

圖4 當(dāng)T主，T支 ＞2T旋 +(n+1)T通

圖5 當(dāng)T主，T支 ＜2T旋 +(n+1)T通

根據(jù)仿真運行結(jié)果，可以看到主路和支路發(fā)送時間間隔大于2T旋+(n+1)T通時，合流節(jié)點已將負載單元輸送完畢，但主路或支路的負載單元還未到達相應(yīng)輸送機末端，造成旋轉(zhuǎn)工位效率低下。由圖3和圖5可知，在通過個數(shù)相差無幾的情況下，圖5的節(jié)點前堵塞較為厲害，策略二的堵塞個數(shù)最少，且堵塞都是在支路上;當(dāng)發(fā)送時間間隔小于2T旋+(n+1)T通時，策略二的通過個數(shù)多于其他兩種，選擇策略二較為合理;圖3中一個節(jié)點時的合流節(jié)點和兩個節(jié)點時的第二個合流節(jié)點處于不停地旋轉(zhuǎn)輸送中，且基本沒有堵塞，控制效果較為理想。

3 應(yīng)用實例

3.1 問題描述

如圖6所示的測試線為變速器裝配線的一部分，一種系列變速器從上線區(qū)一均勻分配到支路一和支路二進行加載試驗，支路一中，當(dāng)加載試驗臺一有變速器在測試時，則將托盤輸送到加載試驗臺二中，已得到測試的變速器在下線區(qū)卸載;當(dāng)支路一中的試驗臺都有變速器在試驗時，支路一中未經(jīng)測試的變速器被自動放行并在分流節(jié)點一再次進入支路，其他支路邏輯同支路一。另一系列變速器由上線區(qū)二發(fā)送，在支路四和支路五進行變速器空載磨合試驗。變速器由托盤進行輸送，支路三和支路六為預(yù)留區(qū)，以備后續(xù)使用。

測試線生產(chǎn)安裝前已經(jīng)應(yīng)用策略一進行了仿真，但并未考慮合流等節(jié)點所花費的時間。測試線交付使用后，試驗臺在沒有出現(xiàn)故障的情況下就出現(xiàn)了嚴(yán)重的堵塞，導(dǎo)致各個試驗臺不能正常地運行，使得裝配線的效率低下，延誤交貨時間［9］，嚴(yán)重影響了變速器產(chǎn)量。

圖6 某兩種系列變速器測試線

3.2 原因分析

根據(jù)實際運行情況，得到如表1所示最主要工位時間。從表1可以看出，上線區(qū)發(fā)送時間44s，而試驗臺工作時間130s，理論上留有較大的裕度。但從實際運行中可以觀察到(以支路一為例)：當(dāng)加載試驗臺一正在進行試驗，托盤想要通過旋轉(zhuǎn)工位一時，旋轉(zhuǎn)工位一卻還停留在將托盤輸送至加載試驗臺一的方向上，造成托盤不能及時通過;當(dāng)加載試驗臺一中的變速器試驗完成，旋轉(zhuǎn)工位一還停留將托盤發(fā)送到旋轉(zhuǎn)工位二的方向，也造成未試驗變速器在時間上的等待。隨著測試線的繼續(xù)運行，支路線上出現(xiàn)了較多未經(jīng)試驗的變速器從合流工位通過并經(jīng)分流節(jié)點一和分流節(jié)點二回流到各自支路。12300s后，在合流節(jié)點一中開始出現(xiàn)了堵塞。從系統(tǒng)運行記錄的數(shù)據(jù)得知，支路一中試驗變速器131臺，共通過281臺，則平均每臺變速器到達支路一末端的時間：12300÷281≈43.77s。而理論分析中：2T旋+(n+1)T通=2×6+(3+1)×8=44s，顯然，支路一的通過時間小于理論分析時間，其他支路的情況也與支路一相同。由于堵塞，測試線只能在上線區(qū)停止發(fā)送，以清理積留的變速器。

表1 最主要工位時間表

3.3 仿真優(yōu)化

由于測試線在實際運行中遇到了嚴(yán)重堵塞的問題，所以對測試線進行仿真優(yōu)化是很有必要的。為了使變速器的產(chǎn)量不受影響，從技術(shù)說明中了解到，旋轉(zhuǎn)工位的旋轉(zhuǎn)速度及輪轂的轉(zhuǎn)速是可以隨電機的轉(zhuǎn)速進行調(diào)節(jié)的，但為使旋轉(zhuǎn)工位的輪轂轉(zhuǎn)速與其他輪轂轉(zhuǎn)速保持一致，因此只能改變旋轉(zhuǎn)工位的旋轉(zhuǎn)時間進行仿真。根據(jù)測試線的實際尺寸，使用QUEST軟件建立加入合流等節(jié)點的物理模型。企業(yè)工作制度為一班制(8小時)，因此設(shè)置仿真時間為8×3600=28800s。把各參數(shù)輸入到模型中，改變旋轉(zhuǎn)工位的旋轉(zhuǎn)時間并運行模型，應(yīng)用策略一到策略三得到合流節(jié)點一的仿真數(shù)據(jù)如圖7所示。

圖7 合流節(jié)點一仿真數(shù)據(jù)

在T旋=4s時，雖然已測試的變速器較多，未經(jīng)測試的變速器和堵塞現(xiàn)象都沒有，但旋轉(zhuǎn)工位的旋轉(zhuǎn)速度過快，影響旋轉(zhuǎn)工位的精確定位，所以并不理想。當(dāng)T旋=5s時，可以求出各個策略在測試線各條支路到達各自合流節(jié)點的平均個數(shù)為：

于是，可以計算出平均時間間隔為：

由式(3)得：

因T1、T2、T3都小于理論分析的時間間隔，所以出現(xiàn)了堵塞現(xiàn)象，與圖5的情況類似。從圖7中可以看出，三種策略的堵塞都比較輕微，但策略二的堵塞個數(shù)只有3個，可以認為是沒有堵塞，同時，策略二的已測試通過個數(shù)也較其他兩種策略多，從仿真角度來看，運行效果較為理想。

4 結(jié)束語

合流節(jié)點控制雖然是裝配線物流中一個小部分，但是也會影響到全局。在裝配線設(shè)計時，可以根據(jù)實際要求，使發(fā)送時間間隔盡量靠近2T旋+(n+1)T通，從而減少緩沖工位的使用，提高合流節(jié)點的執(zhí)行效率，降低線體物流成本。

本文通過實例仿真，對測試線進行了優(yōu)化處理，最后在保持上線區(qū)發(fā)送時間不變的情況下減少了堵塞個數(shù)。顯然，以上的控制策略只能做初始分析使用，實際應(yīng)用時需結(jié)合各種實施環(huán)境，技術(shù)和管理因素，進行綜合考慮和優(yōu)化［10］。

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