劉 紅，沈開勇，蔣蘭芳，郭 超，胡昌國，陳先立，賈平平，曹 翔

(浙江工業(yè)大學特種裝備制造與先進加工技術(shù)教育部/浙江省重點實驗室，浙江杭州 310014)

汽車零部件注塑車間自動化生產(chǎn)線設(shè)計與仿真研究

劉 紅，沈開勇，蔣蘭芳，郭 超，胡昌國，陳先立，賈平平，曹 翔

(浙江工業(yè)大學特種裝備制造與先進加工技術(shù)教育部/浙江省重點實驗室，浙江杭州 310014)

為推進某企業(yè)新建車間的整體設(shè)施布局工作，設(shè)計了該車間注塑區(qū)的物料輸送線布局方案。采用Simio智能仿真軟件對設(shè)計方案進行了可視化動態(tài)建模仿真，分析了初始設(shè)計方案仿真模型中物料嚴重堆積的原因，提出了增設(shè)輸送緩沖區(qū)等改進方式。對改進方案建模仿真后，通過仿真數(shù)據(jù)分析了注塑區(qū)的產(chǎn)能情況、物料輸送支線與主線的輸送流暢情況，證明了改進方案的合理性與可行性。

自動化生產(chǎn)線;Simio;建模仿真;數(shù)據(jù)分析

隨著國內(nèi)外許多制造型企業(yè)的生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴大，企業(yè)內(nèi)生產(chǎn)、管理活動更加復(fù)雜，而提升生產(chǎn)的自動化程度對于提升企業(yè)生產(chǎn)效率、增大企業(yè)產(chǎn)能、降低企業(yè)成本等有十分重要的作用［1］。計算機仿真技術(shù)是對生產(chǎn)系統(tǒng)進行實驗分析、產(chǎn)能預(yù)測的一種關(guān)鍵技術(shù)，已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于生產(chǎn)系統(tǒng)規(guī)劃、布局與設(shè)計優(yōu)化中［2－5］。在實際工程中，制定好生產(chǎn)系統(tǒng)的設(shè)計方案后，往往需要經(jīng)過專業(yè)的系統(tǒng)仿真軟件對設(shè)計方案進行建模分析，找到系統(tǒng)存在的問題，修改原有方案，反復(fù)論證后得出最為優(yōu)化的設(shè)計方案。

1 某公司注塑車間問題分析

某公司是以汽車車燈等汽車零部件為主要產(chǎn)品的企業(yè)，原生產(chǎn)車燈的注塑車間內(nèi)每一臺注塑機旁都配有1～2個工人，根據(jù)注塑機的生產(chǎn)節(jié)拍以人工的方式從機器上取注塑件，工人在對注塑件進行簡單的處理后移至輸送線輸送至下一個工位，完成鍍鋁等多道工序之后以人工的方式移至裝配車間進行裝配。

每臺注塑機的生產(chǎn)節(jié)拍在45～80s之間，而工人取件到移至輸送線上的時間遠小于45s，因此工人在每兩次取件之間都會有相當長一段時間屬于空閑狀態(tài)。此類注塑車間由于自動化程度較低，使得企業(yè)生產(chǎn)效率低下;而人員配置較多且不合理，致使大量的人力浪費，從而使得人工成本大幅上漲。公司為擴大生產(chǎn)規(guī)模而新建注塑－裝配一體化車間，要求車間具有較高自動化程度和合理的工人配置，以提升車間的生產(chǎn)效率和降低企業(yè)的人工成本。

2 自動化注塑生產(chǎn)線方案

生產(chǎn)流程描述如下:(1)注塑機以［45s，80s］為生產(chǎn)節(jié)拍產(chǎn)生產(chǎn)面罩和燈體兩類注塑件。(2)由注塑機上安裝的自動化機械手進行取件。(3)通過9條皮帶輸送支線將注塑件輸送到皮帶輸送主線上。(4)通過皮帶輸送主線和提升機將不同類型注塑件輸送至相應(yīng)分揀區(qū)進行分揀和暫時存放。

擬用4臺注塑機生產(chǎn)車燈燈體，5臺注塑機用于生產(chǎn)面罩，初步設(shè)計方案圖如圖1所示。

圖1 注塑生產(chǎn)線初步設(shè)計方案

3 生產(chǎn)線仿真建模與分析改進

Simio是新一代基于“智能對象”的系統(tǒng)仿真模擬平臺，廣泛用于生產(chǎn)系統(tǒng)建模、生產(chǎn)調(diào)度規(guī)劃研究等?！爸悄軐ο蟆庇山Ｕ邉?chuàng)建，并可在多個模型中反復(fù)使用。雖然Simio框架主要集中于基于對象的建模，卻也非常完美地結(jié)合了過程、事件、智能主體等建模范例，使現(xiàn)實的系統(tǒng)能夠更精確地被描述和表達［6－9］。

3.1 仿真條件假設(shè)

仿真條件假設(shè)如下:(1)以一個工作日(工時20h)為仿真運行周期，系統(tǒng)仿真開始時間為典型工作日的零點整。(2)在系統(tǒng)運行過程中，所有注塑機、輸送機和操作人員始終保持正常工作狀態(tài)。(3)注塑原料能持續(xù)支持注塑機生產(chǎn)。(4)機械手取件耗時在仿真中抽象為時間延遲。

3.2 仿真模型設(shè)計

建模邏輯思路描述如下:

在Simio模塊庫中選用Source發(fā)生模塊來模擬注塑機。機械手自動取件過程描述為時間延遲過程。機械手取件時間實際在［10s，10.5s］區(qū)間內(nèi)，過程Processes選用Delay模塊實現(xiàn)，其中延遲時間函數(shù)采用均勻分布函數(shù)Random.Uniform(10，10.5)。選用Conveyor模塊來模擬皮帶輸送支線和輸送主線。選用Vehicle模塊模擬提升機。通過提升機實現(xiàn)兩層輸送，保證順利分揀，要求提升機速度最大不得超過20m/min。選用Sink模塊模擬注塑件到達分揀區(qū)分揀。Sink1表示面罩分揀區(qū)，Sink2是燈體分揀區(qū)。

3.3 初步方案的建模仿真結(jié)果

對原方案建立仿真模型并運行，隨著仿真的進行，輸送主線和輸送支線上逐漸積壓注塑件，導致輸送系統(tǒng)癱瘓，如圖2所示。

圖2 初步方案仿真過程中輸送線上注塑件積壓嚴重

3.4 基于數(shù)據(jù)分析的改進方案

a．對原有方案進行總結(jié)并提出改進方法:(1)注塑件由皮帶支線直接輸送到主線上，無任何緩沖。改進方案在輸送支線到主線之間建立輸送緩沖區(qū)，間接緩解主線上的輸送壓力。(2)注塑件由皮帶支線輸送至唯一一條主線上，增加了主線的輸送壓力。改進方案獨立設(shè)計面罩生產(chǎn)線與燈體生產(chǎn)線，使分揀變得簡單，主線輸送壓力減小。(3)注塑件與輸送線摩擦時間過長可能會影響產(chǎn)品質(zhì)量。改進方案以工裝板作為注塑件載體，避免注塑件與輸送線長時間摩擦。

b．物流邏輯描述:(1)統(tǒng)一規(guī)格的工裝板由環(huán)形輸送線一端輸送至緩存區(qū)。(2)注塑機以一定生產(chǎn)節(jié)拍生產(chǎn)注塑件并采用機械手自動取件的方式取件。(3)由皮帶輸送機作為輸送支線將注塑件輸送到緩存區(qū)的工裝板上。(4)載有注塑件的工裝板單位通過環(huán)形輸送線輸送至分揀區(qū)(Separator)進行統(tǒng)一分揀。(5)工裝板通過輸送主線回流至相應(yīng)緩沖區(qū)。

c．工裝板、輸送帶與緩沖區(qū)尺寸設(shè)計。

(1)工裝板長度、寬度。

已知面罩最大長度尺寸為660mm，最大寬度尺寸為320mm。預(yù)留長度安全距離＞80mm，寬度安全距離＞80mm。仿真模型中工裝板設(shè)計尺寸為750mm×400mm。

(2)輸送帶寬度。

參考執(zhí)行標準GB/T7984－2001，同時根據(jù)設(shè)計的工裝板尺寸選擇帶寬規(guī)格為500mm和850mm的滾筒式輸送帶。以工裝板長度方向運行的輸送線寬度為500mm，寬度方向運行的輸送線寬度為850mm。輸送支線設(shè)計寬度為850mm。

(3)緩沖區(qū)。

設(shè)計緩沖區(qū)同時存在最大工裝板個數(shù)為6個，工裝板之間預(yù)留安全距離為50mm。則緩沖區(qū)寬度≥3×760+4×50，長度≥6×400+7×50;仿真中可設(shè)計緩沖區(qū)尺寸為3 000mm×2 500mm。

d．改進仿真模型描述與建立。

改進模型中增加了Combiner模塊，用來模擬注塑件從支線到緩沖區(qū)的輸送過程，增加了Separator模塊，用來模擬在分揀區(qū)內(nèi)分揀注塑件的過程。建立3D模型，如圖3所示。

e．仿真運行與結(jié)果分析。

將仿真模型運行周期設(shè)為一個工作日(工時20h)，Expiriment實驗器內(nèi)連續(xù)運行240h，得到仿真數(shù)據(jù)結(jié)果，如圖4、圖5所示。

圖3 原始模型

圖4 Combiner模塊的數(shù)據(jù)結(jié)果

圖5 Separator模塊的數(shù)據(jù)結(jié)果

圖4實驗數(shù)據(jù)顯示:面罩生產(chǎn)線共有5臺注塑機平均每天每臺生產(chǎn)1 148～1 152個，則面罩分揀區(qū)理想到達個數(shù)為5×(1 148～1 152)，則面罩到達個數(shù)的理想?yún)^(qū)間為(5 740，5 760)。同樣，燈體分揀區(qū)理想到達個數(shù)為4×(1 148～1 155)，即燈體到達個數(shù)的理想?yún)^(qū)間為(4 542，4 620)。

圖5實驗數(shù)據(jù)顯示:每天到達面罩分揀區(qū)的平均個數(shù)為5 472個，到達燈體分揀區(qū)為4 597個，均在各自的理想到達區(qū)間內(nèi)，數(shù)據(jù)結(jié)果表明生產(chǎn)線物流暢通，未出現(xiàn)生產(chǎn)線上堆積的情況。

仿真結(jié)果表明:該方案設(shè)計能使得輸送主線和輸送支線上注塑件能穩(wěn)定有效、不堆積的流動。

4 結(jié)束語

本文的研究解決了該企業(yè)新建車間內(nèi)注塑區(qū)的物料輸送布局問題，但由于注塑區(qū)的設(shè)備布置較為簡單，設(shè)計物料輸送線布局時并未采用更具條理性和系統(tǒng)性的車間布局方法(如SLP)，也未通過數(shù)學建模與智能算法求解的方式解決布局問題。因此，針對大型、復(fù)雜的生產(chǎn)車間物料輸送線的布局設(shè)計，該類方法不足以完成所有設(shè)計內(nèi)容。此外，本文雖然在實際應(yīng)用研究方面取得了一定成果，但在復(fù)雜生產(chǎn)車間布局設(shè)計等理論研究方面尚有諸多不足，需進一步深入研究復(fù)雜車間布局設(shè)計理論方法，更充分地發(fā)掘計算機輔助工程軟件的強大輔助分析能力。

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Design and Simulation of Automatic Production Line for the Auto Parts Injection Molding Workshop

LIU Hong，SHEN Kaiyong，JIANG Lanfang，GUO Chao，HU Changguo，CHEN Xianli，JIA Pingping，CAO Xiang
(Zhejiang University of Technology，Zhejiang Hangzhou，310014，China)

In order to establish the overall facility layout for a new workshop，it designs the conveying line of injection machining area，simulates the visualization dynamic modeling for this design project，analyzes the cause of serious material accumulation，proposes the transmission buffer.Based on the improved scheme simulation，it shows the production process，material flow in transfer feeder and the main line，proves that the improved scheme is reasonable and feasible.

Automatic Production Line;Simio;Model Simulation;Data Analysis

TH181

A

2095－509X(2013)11－0014－04

10.3969/j.issn.2095－509X.2013.11.004

2013－08－29

劉紅(1960—)，男，浙江杭州人，浙江工業(yè)大學教授，主要從事模具設(shè)計制造及其CAE分析等工作。