侯鵬,廖映華,劉福華

(1.四川輕化工大學(xué)機械工程學(xué)院，四川宜賓 644000；2.四川省移動終端結(jié)構(gòu)件全制程先進制造技術(shù)工程研究中心，四川宜賓 644000；3.宜賓職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川宜賓 644000)

0 前言

隨著“工業(yè)4.0”“中國制造2025”與“數(shù)字化生產(chǎn)”的提出，企業(yè)逐漸開始重視生產(chǎn)線的智能化、數(shù)字化水平，并且開始著手車間生產(chǎn)線的數(shù)字化升級與改造。如何快速、準(zhǔn)確地設(shè)計一條全新的生產(chǎn)線或?qū)σ延猩a(chǎn)線進行升級改進以滿足新產(chǎn)品制造的需求，是生產(chǎn)企業(yè)需要面對的一個重要問題。尤其是在規(guī)劃設(shè)計階段，中小型企業(yè)往往缺乏車間生產(chǎn)線規(guī)劃設(shè)計的實踐經(jīng)驗，投入了大量的時間和資金成本對生產(chǎn)線進行布局規(guī)劃、工藝流程設(shè)計、系統(tǒng)控制策略設(shè)計等，結(jié)果卻不理想。同時，存在生產(chǎn)線調(diào)試耗時長、機器人位姿軌跡規(guī)劃困難、對操作水平要求較高的問題，這些問題對企業(yè)提出了巨大的考驗。因此，如何在規(guī)劃、調(diào)試階段對生產(chǎn)線進行有效的設(shè)計或升級改進，優(yōu)化生產(chǎn)流程，縮短生產(chǎn)線搭建時間，成為亟待解決的問題。

對此，國內(nèi)外學(xué)者進行了大量的研究。Saint Loui大學(xué)開發(fā)了基于虛擬仿真技術(shù)的食品壓縮輸送線的設(shè)計系統(tǒng)，以實現(xiàn)對食品壓縮輸送線的布局進行優(yōu)化評估，并獲得了良好的經(jīng)濟效益[1]。QUYEN等[2]針對鞋類公司縫紉線生產(chǎn)線平衡問題，提出了動態(tài)規(guī)劃算法，求解最優(yōu)解來解決資源受限的生產(chǎn)線平衡問題。韓雪等人[3]根據(jù)ECRS原則對裝配線的瓶頸工序進行改善，用Plant Simulation仿真軟件對裝配線改善前后進行對比分析，結(jié)果表明：優(yōu)化后的裝配線節(jié)拍降低，提高了日最大產(chǎn)能和平衡率。靳舒琪[4]定義了H-OOPN理論模型到Plant Simulation仿真模型的映射規(guī)則，制定了仿真控制器并分析了仿真結(jié)果，驗證了優(yōu)化方案的合理性和有效性。李慧等人[5]對航空發(fā)動機葉片機械加工生產(chǎn)線進行了仿真分析與優(yōu)化，達到了節(jié)約投資成本和縮短設(shè)計周期的目的。但是，對于一些企業(yè)迫待解決的問題，上述研究仍然未給出解決辦法，例如如何選擇最適用的生產(chǎn)線優(yōu)化方式、如何避免生產(chǎn)加工過程中的碰撞干涉、如何有效縮短生產(chǎn)線規(guī)劃調(diào)試耗時。

針對上述問題，本文作者以剎車盤柔性制造生產(chǎn)線為對象，建立具有制造過程仿真、工藝流程優(yōu)化、機器人軌跡規(guī)劃和碰撞檢測的生產(chǎn)線仿真模型。對工藝流程優(yōu)化和平衡優(yōu)化2種方式下生產(chǎn)線的產(chǎn)能、設(shè)備利用率、生產(chǎn)節(jié)拍等進行對比和分析，提出2種生產(chǎn)線優(yōu)化方式的選擇建議；優(yōu)化機器人運動軌跡與生產(chǎn)線碰撞檢測，避免生產(chǎn)過程的不合理情況及碰撞干涉；對該生產(chǎn)線進行建模、仿真、試驗，縮短生產(chǎn)線規(guī)劃、調(diào)試和物流耗時。

1 剎車盤柔性制造生產(chǎn)線建模與渲染

1.1 車間生產(chǎn)線布局

剎車盤柔性制造生產(chǎn)線主要設(shè)備包括：CK3050數(shù)控車床、VMC655H數(shù)控加工中心、機器人、物料臺、輥道輸送機等，主要完成盤類零件的車削、鉆孔和鏜孔加工。車間布局如圖1所示。

圖1 車間布局

1.2 生產(chǎn)線建模與渲染

根據(jù)物理車間生產(chǎn)線布局搭建生產(chǎn)線虛擬模型，在SolidWorks中分別對生產(chǎn)線相關(guān)設(shè)備進行三維建模。在零件模塊建模完成后，根據(jù)零件的幾何空間約束關(guān)系，對零件進行部件裝配。為便于管理與運動編程，將各部件裝配成有層次的整體設(shè)備模型。為保證虛擬模型的真實性，使用1∶1的比例搭建剎車盤柔性制造生產(chǎn)線三維模型，如圖2所示。

圖2 生產(chǎn)線虛擬模型

在SolidWorks中完成建模后，將模型文件以.wrl格式導(dǎo)入到CINEMA 4D環(huán)境中，進行貼圖、材質(zhì)渲染與坐標(biāo)變換。為增添虛擬模型的真實感和沉浸感，通過各種類型的貼圖，表現(xiàn)出物理真實實體的顏色、質(zhì)地和紋理等特征，描述物理真實對象周圍的環(huán)境和光線效果。操作如下：添加sky；添加light；添加材質(zhì)球(包括color、reflection、specular等參數(shù))；表面貼圖；渲染設(shè)置。同樣，為保證渲染效率以及減少計算機性能消耗，生產(chǎn)線部分內(nèi)部不可見零件(如液壓缸等)不進行渲染，渲染效果如圖3所示。

圖3 虛擬模型渲染效果

1.3 生產(chǎn)線Unity 3D運動建模

虛擬模型在CINEMA 4D渲染完成后，以Unity 3D最兼容的.fbx格式導(dǎo)出，選擇單位為cm。導(dǎo)出完成后，將.fbx模型拖拽至Unity 3D完成模型導(dǎo)入。

生產(chǎn)線設(shè)備運動行為視覺上主要分為：移動副、轉(zhuǎn)動副、彈性形變(防塵罩)、復(fù)雜運動(拖鏈)。調(diào)用Unity 3D腳本中Rigidbody、Transform類下的Translate()、MoveTowards()、Rotate()、AddForce()等函數(shù)，可滿足運動部件的移動、旋轉(zhuǎn)等基本運動需求。采用面向?qū)ο蟮哪K化技術(shù)對生產(chǎn)線設(shè)備主要運動模塊進行運動編程。

2 生產(chǎn)線運動仿真

2.1 生產(chǎn)線工藝流程

剎車盤柔性制造生產(chǎn)線主要完成盤類零件的車削、鉆孔和鏜孔加工。首先在數(shù)控車床對工件(毛坯)一端粗車，然后機器人下料到物料臺，手動翻轉(zhuǎn)工件，換另一端在數(shù)控車床粗車；粗車后工件進入加工中心進行鉆孔和鏜孔加工，完成后下料到物料臺，翻轉(zhuǎn)工件，再進入數(shù)控車床精車(精車同樣也需要對兩端分別加工)。剎車盤柔性制造生產(chǎn)線連續(xù)運行模式如表1所示[8]。

表1 剎車盤柔性制造生產(chǎn)線連續(xù)運行模式

2.2 生產(chǎn)線的控制流程

工件(毛坯)經(jīng)輥道輸送機到達物料臺，由機器人抓取進入數(shù)控車床、加工中心等加工單元和料倉。機器人上料數(shù)控車床和加工中心前，工控機需要判斷此時加工單元是否準(zhǔn)備妥當(dāng)，若不滿足加工條件，則需準(zhǔn)備相應(yīng)條件，如：刀具換刀、切換加工程序等。加工中心加工完成后，呼叫機器人，機器人下料至料倉，至此完成一次生產(chǎn)流程。下料完成，再準(zhǔn)備開始下一次的加工，控制流程如圖4所示。

圖4 生產(chǎn)線控制流程

2.3 虛擬仿真模型建立

根據(jù)生產(chǎn)線控制流程，將生產(chǎn)線機器人和加工中心、數(shù)控車床等設(shè)備主要運動模塊通過Unity 3D腳本串聯(lián)起來，以動態(tài)模擬生產(chǎn)線運行。建立生產(chǎn)線虛擬仿真模型，實現(xiàn)生產(chǎn)線制造過程仿真，如圖5所示。

圖5 生產(chǎn)線制造過程仿真

生產(chǎn)線虛擬仿真模型可直觀展示出生產(chǎn)車間的生產(chǎn)布局、加工流程。通過制造過程仿真，注意到在數(shù)控車床運行時，加工中心處于等待狀態(tài)；在加工中心加工時，數(shù)控車床處于等待狀態(tài)，設(shè)備利用率不高，生產(chǎn)線停滯時間較長，延長了加工時間，同時造成了設(shè)備資源浪費。

3 生產(chǎn)線工藝流程優(yōu)化與控制流程優(yōu)化

為提高生產(chǎn)線的流暢性及設(shè)備使用率，利用Plant Simulation軟件優(yōu)化生產(chǎn)線工藝流程，進而優(yōu)化剎車盤柔性制造生產(chǎn)線的控制流程[9]。

3.1 生產(chǎn)線物流仿真

生產(chǎn)線共有數(shù)控車床加工、數(shù)控加工中心加工2個工作站，生產(chǎn)線每批次進入2個工件，上料的輥道輸送機與工件產(chǎn)生源(Source)相連，存儲生產(chǎn)線成品的料倉采用緩存(Buffer)建立，并與物料終結(jié)(Drain)連接。生產(chǎn)線中利用方法(Method)進行工序判斷，使用@.move()方法確定工件下一個工序的物流方向。加入信息模塊，用于統(tǒng)計生產(chǎn)線在一個生產(chǎn)周期中的產(chǎn)量，通過柱狀圖和表格統(tǒng)計設(shè)備利用率，通過建立圖表顯示對物流仿真結(jié)果的統(tǒng)計；最后添加時間控制器，以控制仿真運行過程。仿真模型如圖6所示。

圖6 生產(chǎn)線物流仿真模型

在Method中，設(shè)置各個設(shè)備的加工時間以及工件各道工序的物流方向，設(shè)備故障率設(shè)置為2%。通過計算整個加工過程時間，調(diào)整后設(shè)定Source間隔46 min 20 s生成，物料生成間隔時間即為生產(chǎn)線節(jié)拍。設(shè)定仿真控制器的時間為13天(設(shè)置一個月31天為生產(chǎn)周期，每天工作10 h，總時間為13天整)。針對一個生產(chǎn)周期運行仿真，得到仿真結(jié)果為：一個周期中剎車盤生產(chǎn)線的產(chǎn)量為807個，平均加工一個工件耗時為23 min 12 s，生產(chǎn)節(jié)拍為46 min 20 s，設(shè)備利用率如圖7所示。

圖7 設(shè)備利用率

以上結(jié)果表明，在整個生產(chǎn)周期中，數(shù)控車床工作時間比例較合理，但存在車削工位不足和物料堵塞的問題。數(shù)控車床加工完成后，數(shù)控加工中心仍處于工作狀態(tài)，工件在數(shù)控車床處滯留，不能繼續(xù)進行下一步工序；數(shù)控加工中心的工作時間占比低于50%，設(shè)備利用率太低，降低了生產(chǎn)線的加工效率，大大減少了出口產(chǎn)量。

3.2 基于ECRS原則的工藝流程優(yōu)化

綜合上述分析，剎車盤柔性制造生產(chǎn)線加工過程中，數(shù)控加工中心設(shè)備利用率較低，數(shù)控車床上鎖時間長，存在工件滯留的情況。本文作者基于ECRS原則[6]，提出一種合并重排的方法，重新排序粗車、鉆孔、鏜孔工藝路線，新增料倉半成品緩存區(qū)，在粗車和鉆孔、鏜孔工序間添加以下工序：

(1)若數(shù)控車床加工完成，而加工中心未準(zhǔn)備妥當(dāng)，數(shù)控車床則下料半成品至料倉；

(2)若數(shù)控車床未加工完成，而加工中心準(zhǔn)備妥當(dāng)，加工中心則從料倉上料半成品；

(3)若數(shù)控車床加工完成，加工中心準(zhǔn)備妥當(dāng)，數(shù)控車床則直接下料至加工中心。

優(yōu)化后生產(chǎn)線的控制流程如圖8所示。根據(jù)優(yōu)化后的控制流程，重新在Plant Simulation中進行物流仿真。仿真結(jié)果表明：一個周期內(nèi)剎車盤生產(chǎn)線的產(chǎn)量為836個，平均加工一個工件耗時為22 min 24 s，生產(chǎn)節(jié)拍為44 min 40 s，設(shè)備利用率如圖9所示。

圖8 工藝流程優(yōu)化的控制流程

圖9 工藝流程優(yōu)化后的設(shè)備利用率

以上結(jié)果表明：加入料倉半成品緩存區(qū)后，數(shù)控車床的利用率顯著提高，工件滯留情況得到有效緩解；產(chǎn)能提高了3.6%，平均加工一個工件耗時縮短了48 s。但數(shù)控加工中心設(shè)備利用率依舊處于較低狀態(tài)，與數(shù)控車床設(shè)備利用率的差值高達60%，生產(chǎn)線存在平衡問題。

3.3 基于精益生產(chǎn)的生產(chǎn)線平衡優(yōu)化

對剎車盤柔性制造生產(chǎn)線工藝路線重排優(yōu)化后，新增的料倉半成品緩存區(qū)對于生產(chǎn)線產(chǎn)能的提升不明顯，對生產(chǎn)節(jié)拍的縮短和數(shù)控加工中心設(shè)備利用率的提高能力也相對有限。數(shù)控車床加工工序最多，設(shè)備使用時長最長，是生產(chǎn)線易出現(xiàn)瓶頸工序的主要工位。

為提升生產(chǎn)線的平衡率，引入精益生產(chǎn)的設(shè)計理念[7]，主要目標(biāo)是消除數(shù)控加工中心設(shè)備浪費。在數(shù)控車床工位加入一臺新車床，新車床的默認參數(shù)與原車床同樣設(shè)置，生產(chǎn)線的其余組成部分不變，仿真模型如圖10所示。

圖10 平衡優(yōu)化物流仿真模型

加入新車床后，工件的車削工序可以選擇其中一臺車床進行，同時另一臺車床進行其他的車削工序。工件按工序到達數(shù)控車床工位后，通過Method選擇算法，并選擇其中一臺車床進行加工。算法邏輯如圖11所示。

圖11 數(shù)控車床選擇算法邏輯

加入數(shù)控車床選擇算法后，根據(jù)優(yōu)化后的控制流程，重新在Plant Simulation中進行物流仿真。經(jīng)測試，設(shè)定Source生成時間間隔26 min 50 s，運行事件控制器，得到的仿真結(jié)果為：生產(chǎn)線優(yōu)化后的產(chǎn)量為1 392，平均加工一個零件耗時為13 min 27 s，生產(chǎn)節(jié)拍為26 min 50 s，設(shè)備利用率如圖12所示。

圖12 平衡優(yōu)化后的設(shè)備利用率

以上分析表明：通過新增設(shè)備，優(yōu)化易發(fā)生瓶頸工序的工位后，生產(chǎn)線的平衡率大大提高；生產(chǎn)線產(chǎn)能顯著提升，數(shù)控加工中心設(shè)備利用率提高，單個工件生產(chǎn)耗時有效縮短；生產(chǎn)線設(shè)備間運行流暢，優(yōu)化效果明顯。優(yōu)化前后對比如表2所示。

表2 剎車盤柔性制造生產(chǎn)線工藝優(yōu)化對比

對于小型企業(yè)，若無較大資金流的支撐，基于ECRS原則的生產(chǎn)線工藝路線優(yōu)化對生產(chǎn)線的產(chǎn)出有一定幫助。對于中型企業(yè)或者有較大資金流的小型企業(yè)，若希望生產(chǎn)線平衡率更高或者對產(chǎn)能有更高要求，可選擇基于精益生產(chǎn)的生產(chǎn)線平衡優(yōu)化方法，有助于產(chǎn)能的大幅提升,顯著減少單個工件生產(chǎn)耗時。

4 機器人位姿軌跡規(guī)劃

在生產(chǎn)線虛擬仿真模型的基礎(chǔ)上，制作機器人示教器，進行虛擬仿真試驗。在機器人示教器虛擬環(huán)境中測試機器人位姿以及關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)角度，優(yōu)化機器人運動軌跡。將位姿角度等信息用于物理車間實際生產(chǎn)線的機器人位姿角度控制，以減少實際生產(chǎn)線設(shè)備調(diào)試階段耗時，同時能有效避免生產(chǎn)過程的不合理情況和碰撞干涉。

4.1 機器人示教器GUI繪制

根據(jù)機器人運動軸數(shù)據(jù)類型和個數(shù)，繪制機器人示教器位姿數(shù)據(jù)GUI面板。然后，通過腳本獲取機器人各運動軸的位置和角度數(shù)據(jù)，并在Update()函數(shù)內(nèi)部實時更新數(shù)據(jù)。最后，將機器人各軸數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成string格式，在GUI面板左側(cè)顯示。

對機器人示教器中的機器人進行單機控制，首先對機器人進行運動分析：(1)機器人第7軸可以前后移動；(2)第1～6旋轉(zhuǎn)軸可以正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)；(3)機器人可以單軸旋轉(zhuǎn)，也可以多軸合成運動。根據(jù)設(shè)計需求，前后移動和正反轉(zhuǎn)恰好是一對相反的運動邏輯，可以通過一正一反兩個按鈕和bool數(shù)據(jù)類型實現(xiàn)。為實現(xiàn)機器人多軸合成運動，可以選用復(fù)選框的形式。繪制機器人示教器GUI如圖13所示。

圖13 機器人示教器GUI

4.2 機器人示教器仿真

機器人示教器可以單軸運動也可以多軸聯(lián)動，只需在復(fù)選框中選中相應(yīng)的運動軸。在按下“-”或 “+”按鈕時，判斷軸是否選中，調(diào)用復(fù)選框選中運動軸對應(yīng)的運動控制函數(shù)，實現(xiàn)指定運動軸的正向或反向運動。最終，將生產(chǎn)線虛擬仿真平臺封裝成機器人示教器程序。

通過在示教器中模擬機器人運動軌跡，即可在GUI面板上獲取機器人的位姿數(shù)據(jù)。同時，通過模擬運動過程，可以得到各運動關(guān)節(jié)的極限位姿，以規(guī)避車間調(diào)試時發(fā)生碰撞干涉。若機器人發(fā)生碰撞，改變碰撞物體顏色示警[10]，碰撞檢測如圖14所示。

圖14 機器人碰撞檢測

在生產(chǎn)線虛擬模型調(diào)試過程中，采用控制變量的方式，分別調(diào)試各旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)角度和極限位姿角度，并將最終結(jié)果反饋給物理車間實際生產(chǎn)線的機器人[11]。針對生產(chǎn)線的上下料過程，通過運動控制，選擇一條較優(yōu)的運動軌跡，節(jié)省了設(shè)備調(diào)試時間，同時縮短了生產(chǎn)物流階段的耗時。

5 總結(jié)

本文作者以剎車盤柔性制造生產(chǎn)線為研究對象，通過研究生產(chǎn)線仿真優(yōu)化，得到如下結(jié)論:

(1)通過動態(tài)模擬生產(chǎn)線運行過程與物流仿真優(yōu)化，調(diào)整生產(chǎn)線工藝流程，能提升生產(chǎn)線產(chǎn)能、縮短單個工件生產(chǎn)耗時、平衡生產(chǎn)線的利用率，對生產(chǎn)線搭建和改進有積極意義；

(2)對于不同規(guī)模的中小型企業(yè)，可以根據(jù)企業(yè)實際狀況選擇最適合的生產(chǎn)線優(yōu)化方式，驗證生產(chǎn)線布局、論證設(shè)計方案的可行性、彌補生產(chǎn)線規(guī)劃設(shè)計階段經(jīng)驗不足的缺陷；

(3)機器人示教器的使用，可以避免生產(chǎn)加工過程中的碰撞干涉；優(yōu)化后的工藝流程與機器人運動軌跡能有效縮短生產(chǎn)線規(guī)劃、調(diào)試和物流耗時。