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        數(shù)字化制造技術(shù)在發(fā)動(dòng)機(jī)裝配線的實(shí)戰(zhàn)應(yīng)用

        2021-07-20 01:55:26李黎輝
        機(jī)電信息 2021年18期
        關(guān)鍵詞:裝配線仿真發(fā)動(dòng)機(jī)

        摘 要:介紹了數(shù)字化制造技術(shù)在一款汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)裝配線布局設(shè)計(jì)及裝配工藝設(shè)計(jì)階段的實(shí)戰(zhàn)應(yīng)用。在發(fā)動(dòng)機(jī)裝配線設(shè)計(jì)的同步工程階段,依據(jù)生產(chǎn)線的生產(chǎn)綱領(lǐng)和工廠布局等規(guī)劃目標(biāo),構(gòu)建基于DELMIA的裝配線仿真模型,詳細(xì)闡明系統(tǒng)構(gòu)建的流程和輸入?yún)?shù)的計(jì)算方法,對(duì)裝配線設(shè)計(jì)的合理性及裝配工藝的可行性進(jìn)行仿真驗(yàn)證和優(yōu)化,仿真結(jié)果達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)。

        關(guān)鍵詞:數(shù)字化制造;DELMIA;發(fā)動(dòng)機(jī);裝配線;仿真

        0? ? 引言

        目前,汽車(chē)行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)異常激烈,發(fā)動(dòng)機(jī)作為整車(chē)的心臟,如何能夠在滿足功能設(shè)計(jì)的前提下,采用合理的物流方式、設(shè)備布局和制造工藝,從而降低制造成本,成為各大汽車(chē)廠商都面臨的一大問(wèn)題。

        汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)裝配線是復(fù)雜度相對(duì)較高的制造系統(tǒng),有資料表明,國(guó)內(nèi)外已運(yùn)行的復(fù)雜制造系統(tǒng)有80%沒(méi)有完全達(dá)到設(shè)計(jì)要求,其存在的問(wèn)題中,60%可以歸結(jié)為初期規(guī)劃不合理或失誤。

        數(shù)字化制造技術(shù)的應(yīng)用能夠降低規(guī)劃的風(fēng)險(xiǎn),在整個(gè)制造系統(tǒng)建造之前,建立其DELMIA仿真模型,通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真,對(duì)制造系統(tǒng)進(jìn)行分析試驗(yàn),及時(shí)發(fā)現(xiàn)不合理因素,對(duì)其進(jìn)行改進(jìn),這樣可以大大避免因前期設(shè)計(jì)不合理而造成的巨大浪費(fèi)。如此,企業(yè)不僅可以提高制造系統(tǒng)設(shè)計(jì)建造的效率,而且能夠提高產(chǎn)品質(zhì)量,降低生產(chǎn)成本,增強(qiáng)產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

        1? ? 發(fā)動(dòng)機(jī)裝配線仿真模型需求分析

        如前文所述,汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)裝配線是復(fù)雜程度較高的制造系統(tǒng),在同步工程階段,根據(jù)廠房空間布局和節(jié)拍等要求,初步確定本文所涉及的裝配線布局如圖1所示。發(fā)動(dòng)機(jī)裝配線規(guī)劃布局為一條由6條子線組成的環(huán)線,共長(zhǎng)218 m,6條子線按順時(shí)針?lè)较蜻\(yùn)行,支線1~支線6這6條子線的設(shè)計(jì)節(jié)拍分別為51 s、52 s、53 s、54 s、51 s、55 s,之間通過(guò)加入小的差速環(huán)線使其節(jié)拍匹配,小的差速環(huán)線在一定程度上起到緩存器的作用。整條線的輸入從圖1最左端缸體上線開(kāi)始,至圖1左下測(cè)試后下線。

        該發(fā)動(dòng)機(jī)裝配線設(shè)計(jì)有約100個(gè)裝配工位,考慮到后續(xù)產(chǎn)能的擴(kuò)大,其中20%的工位為預(yù)留工位,具體到每一個(gè)工位的裝配工藝,所有工位可以劃分為三類(lèi):

        (1)手動(dòng)工位:主要由工人和手動(dòng)工具來(lái)完成該步操作;

        (2)半自動(dòng)工位:主要由工人配合專(zhuān)用設(shè)備來(lái)完成該步操作;

        (3)自動(dòng)工位:完全由設(shè)備自動(dòng)完成該步操作。

        為了能夠在同步工程階段對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)運(yùn)行進(jìn)行模擬,從而驗(yàn)證是否能夠滿足規(guī)劃的產(chǎn)能,計(jì)算機(jī)仿真模型需要盡可能地包含系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行時(shí)的物理情況,如設(shè)備故障、人員操作失誤、廢品率、不合格產(chǎn)品返修時(shí)間以及物料配送等諸多因素。

        計(jì)算機(jī)仿真模型是一條虛擬的發(fā)動(dòng)機(jī)裝配線,是對(duì)真實(shí)裝配線上的物理設(shè)備和其間相互關(guān)系的映射,包括虛擬設(shè)備、虛擬人、虛擬傳送帶、虛擬物料小車(chē)、虛擬托盤(pán)、虛擬緩沖區(qū)等。仿真模型要能夠?qū)崿F(xiàn)以下目標(biāo):

        (1)能夠完整準(zhǔn)確地反映制造系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行規(guī)律,對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)裝配過(guò)程進(jìn)行仿真;

        (2)仿真過(guò)程和結(jié)果能以一種直觀的方式反饋,能夠不斷推動(dòng)裝配線的設(shè)計(jì)優(yōu)化,驗(yàn)證裝配線的目標(biāo)產(chǎn)能;

        (3)提前對(duì)關(guān)鍵的裝配工藝進(jìn)行裝配可行性和人機(jī)工程仿真分析。

        2? ? 發(fā)動(dòng)機(jī)裝配線仿真模型構(gòu)建及仿真

        2.1? ? DELMIA軟件功能簡(jiǎn)介

        本文選擇DELMIA軟件建立發(fā)動(dòng)機(jī)裝配線仿真模型。DELMIA軟件具備出眾的離散事件仿真功能,它是一個(gè)面向工藝流程仿真和分析的完整3D數(shù)字化工廠環(huán)境,為工業(yè)工程師、制造工程師提供了一個(gè)單獨(dú)的協(xié)同環(huán)境,在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中實(shí)施和論證最佳的制造流程,并能進(jìn)行裝配工藝過(guò)程仿真。

        2.2? ? 發(fā)動(dòng)機(jī)裝配線仿真模型構(gòu)建

        首先,根據(jù)物理模型構(gòu)建抽象的計(jì)算機(jī)仿真模型,如前所述,發(fā)動(dòng)機(jī)裝配線工位劃分為三類(lèi),那么,在DELMIA仿真模型中,同樣構(gòu)建3種不同的對(duì)象與之對(duì)應(yīng),每種對(duì)象又包含不同的屬性參數(shù)。如圖2所示,根據(jù)實(shí)際裝配線布局,構(gòu)建出包含主線、子線、分裝線、緩沖區(qū)、返修區(qū)等對(duì)象的DELMIA仿真模型。

        本文模型主要涉及以下DELMIA對(duì)象:

        (1)傳送帶Conveyor:能夠完全和物理傳送帶對(duì)應(yīng)的仿真模型,主要設(shè)置運(yùn)行速度和決策點(diǎn)邏輯關(guān)系,從而決定發(fā)動(dòng)機(jī)零部件的上線和下線。

        (2)設(shè)備Machine:和物理設(shè)備相對(duì)應(yīng)的仿真模型,主要設(shè)置所在工位的生產(chǎn)節(jié)拍和所需組件數(shù)量,只有在滿足組件數(shù)量的前提下,設(shè)備才能夠啟動(dòng),進(jìn)而完成設(shè)定的生產(chǎn)節(jié)拍;Machine對(duì)應(yīng)的屬性包含idle(設(shè)備空閑)、busy(設(shè)備運(yùn)行中)、block(設(shè)備擁堵)等,便于統(tǒng)計(jì)輸出設(shè)備利用率。

        (3)組件單元Part:對(duì)應(yīng)實(shí)際零部件,是Machine等Element的加工對(duì)象。

        (4)資源庫(kù)Source:主要用于生成Part組件,可以理解為倉(cāng)庫(kù)。

        (5)緩沖單元Buffer:等同于物理緩沖區(qū),暫時(shí)存放加工過(guò)程中的組件單元,有容量屬性可以限制組件數(shù)量。

        (6)決策點(diǎn)Dec Point:一個(gè)抽象的點(diǎn),能夠在此點(diǎn)完成組件的上線和下線。

        同時(shí),在仿真模型中,DELMIA本身提供BCL和SCL語(yǔ)言幫助用戶編寫(xiě)邏輯控制程序,從而能夠更加接近現(xiàn)實(shí)的電氣控制邏輯;上述DELMIA對(duì)象都包含Logic屬性,可以添加用戶控制程序。

        2.3? ? 發(fā)動(dòng)機(jī)裝配線仿真模型參數(shù)

        仿真模型構(gòu)建完成以后,需要輸入運(yùn)行參數(shù),包括每個(gè)工位的設(shè)計(jì)節(jié)拍和故障率參數(shù)、產(chǎn)品返修率、仿真周期時(shí)間、生產(chǎn)輪班、傳送帶速度等,下文對(duì)幾個(gè)關(guān)鍵的參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

        2.3.1? ? 工位故障參數(shù)MTBF/MTTR計(jì)算

        MTBF和MTTR是至關(guān)重要的一組參數(shù),它們反映設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中故障發(fā)生的頻率和故障修復(fù)的時(shí)間。計(jì)算MTBF和MTTR的方法不盡相同,本文采用理論計(jì)算與實(shí)際經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合的方法:根據(jù)前期規(guī)劃,假定某工位操作需要用到一臺(tái)設(shè)備,該設(shè)備由N個(gè)主要組件構(gòu)成,那么,將這N個(gè)組件作為一個(gè)串聯(lián)系統(tǒng),每個(gè)組件有試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到的MTBFi,根據(jù)理論公式即可計(jì)算出設(shè)備/工位整體的MTBF:

        MTBF=

        由此,根據(jù)理論公式計(jì)算得到設(shè)備/工位整體MTTR:

        MTTR=MTBF·

        為了從多角度驗(yàn)證裝配線布局及工位設(shè)計(jì)的合理性和運(yùn)行穩(wěn)定性,提供更加準(zhǔn)確的預(yù)測(cè),本文將人工操作的穩(wěn)定性因素單獨(dú)計(jì)算,同時(shí)考慮爬坡期和穩(wěn)定生產(chǎn)階段的差異,最終形成3組獨(dú)立運(yùn)行的參數(shù):設(shè)備故障參數(shù)、設(shè)備+人工故障參數(shù)、設(shè)備+人工+爬坡期故障參數(shù),如表1所示。

        2.3.2? ? 緩沖區(qū)容量和托盤(pán)數(shù)量

        緩沖區(qū)容量和發(fā)動(dòng)機(jī)托盤(pán)初始數(shù)量根據(jù)線體的布局賦予經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)值,如表2所示,然后通過(guò)仿真驗(yàn)證進(jìn)行優(yōu)化。

        2.3.3? ? 產(chǎn)品返修率

        本文的產(chǎn)品返修率根據(jù)歷史同類(lèi)產(chǎn)品的實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)得出,如表3所示,根據(jù)每個(gè)工位操作產(chǎn)生的返修比例綜合生成局部分線的返修率參數(shù)。綜合返修率算法與單個(gè)工位添加返修率相比,能夠提高仿真結(jié)果的可靠性指標(biāo)。

        2.3.4? ? 仿真周期

        為更加真實(shí)地預(yù)測(cè)未來(lái)實(shí)際生產(chǎn)狀況,反映工位設(shè)備的故障和維修、緩沖區(qū)容量和發(fā)動(dòng)機(jī)托盤(pán)數(shù)量等對(duì)產(chǎn)能造成的損失,仿真時(shí)間按照1個(gè)月、2個(gè)月、3個(gè)月……6個(gè)月遞增,進(jìn)而統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果。

        2.4? ? 發(fā)動(dòng)機(jī)裝配線仿真分析

        結(jié)合上節(jié)的仿真模型和輸入?yún)?shù),對(duì)多組參數(shù)進(jìn)行組合仿真,從而驗(yàn)證和優(yōu)化了發(fā)動(dòng)機(jī)裝配線規(guī)劃方案的關(guān)鍵參數(shù),如工位節(jié)拍、關(guān)鍵工位數(shù)量、托盤(pán)數(shù)量等。

        2.4.1? ? 全局效率

        全局效率=仿真下線發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)量/理論下線發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)量。如圖3所示,在穩(wěn)定運(yùn)行階段,經(jīng)過(guò)1~6個(gè)月周期的多輪仿真,全局效率保持在90%以上,系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定,滿足設(shè)計(jì)要求。

        2.4.2? ? 工位利用率

        工位利用率=工位仿真實(shí)際工作時(shí)間/仿真總時(shí)間。如圖4所示,在穩(wěn)定運(yùn)行階段,主線各工位利用率、空閑時(shí)間比率、故障時(shí)間比率等在柱狀圖上清晰可見(jiàn),據(jù)此可以分析瓶頸工位,優(yōu)化工位設(shè)置。

        2.4.3? ? 發(fā)動(dòng)機(jī)托盤(pán)數(shù)量敏感度分析

        結(jié)合初始發(fā)動(dòng)機(jī)托盤(pán)數(shù)量進(jìn)行系統(tǒng)全局效率分析,在滿足效率的前提下,可以適當(dāng)調(diào)整托盤(pán)數(shù)量和主線返修時(shí)間周期,以節(jié)省相關(guān)費(fèi)用。如圖5所示,在主線不合格品返修時(shí)間為20 min或30 min的情況下,系統(tǒng)全局效率波動(dòng)較大;當(dāng)返修時(shí)間為15 min時(shí),可以適當(dāng)減少托盤(pán)數(shù)量,對(duì)系統(tǒng)效率影響不大。

        3? ? 結(jié)語(yǔ)

        本文以某一款發(fā)動(dòng)機(jī)為例構(gòu)建了裝配線仿真模型,通過(guò)同步工程階段三維圖形化的模擬和圖表數(shù)據(jù)分析,對(duì)裝配線的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了驗(yàn)證和優(yōu)化;在后期裝配線實(shí)際試運(yùn)行和穩(wěn)定運(yùn)行階段,現(xiàn)場(chǎng)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)與仿真階段數(shù)據(jù)總體一致,達(dá)到了項(xiàng)目預(yù)期目標(biāo)收益。

        收稿日期:2021-03-24

        作者簡(jiǎn)介:李黎輝(1982—),男,河南平頂山人,碩士研究生,工程師,研究方向:數(shù)字化制造。

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