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        基于Plant Simulation的壓氣機(jī)葉片型線加工產(chǎn)線分析與優(yōu)化

        2024-02-21 03:49:38李春興徐健易泰勛王琨吳海峰胡誠誠
        機(jī)械制造與自動(dòng)化 2024年1期
        關(guān)鍵詞:型線產(chǎn)線壓氣機(jī)

        李春興,徐健,易泰勛,王琨,吳海峰,胡誠誠

        (中國東方電氣集團(tuán) 東方汽輪機(jī)有限公司工藝部,四川 德陽,618030)

        0 引言

        生產(chǎn)線仿真技術(shù)是實(shí)現(xiàn)數(shù)字化工廠的關(guān)鍵技術(shù)。通過計(jì)算機(jī)軟件的仿真,可以在制造生產(chǎn)前期,對制造過程進(jìn)行評估,對制造工藝進(jìn)行檢驗(yàn),同時(shí)也可以找出并解決出現(xiàn)的各類問題。相對于試運(yùn)行,生產(chǎn)線仿真可以有效地降低成本,減少各類制造工藝不合理的問題,驗(yàn)證規(guī)劃設(shè)計(jì)可行性,縮短產(chǎn)線設(shè)計(jì)周期。

        隨著系統(tǒng)仿真技術(shù)的快速發(fā)展,生產(chǎn)線仿真技術(shù)在我國制造業(yè)中的研究與應(yīng)用也越來越多。秦德金等[1]以多機(jī)器人分揀系統(tǒng)為研究對象,基于Plant Simulation對路徑規(guī)劃算法系統(tǒng)性能以及系統(tǒng)最大日分揀任務(wù)量進(jìn)行了分析,確定了最佳移動(dòng)機(jī)器人的數(shù)量。李慧等[2]針對某航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片機(jī)械加工生產(chǎn)線,從產(chǎn)能、設(shè)備利用率、緩存區(qū)設(shè)置等多方面進(jìn)行了仿真分析與優(yōu)化。

        對于離散制造企業(yè),離散事件系統(tǒng)狀態(tài)遷移發(fā)生在離散事件點(diǎn)上,解決離散事件問題的有效手段就是離散事件仿真技術(shù)[3]。此次以規(guī)劃設(shè)計(jì)階段壓氣機(jī)(F型)葉片型線生產(chǎn)線為對象展開研究,基于Plant Simulation[4]平臺建立生產(chǎn)線的仿真模型,從產(chǎn)能、設(shè)備利用率、線邊緩存等方面進(jìn)行產(chǎn)線性能評估,以此為依據(jù)對葉片型線機(jī)械加工生產(chǎn)線進(jìn)行優(yōu)化。

        1 生產(chǎn)線初步規(guī)劃

        某廠葉片車間[5]有多條生產(chǎn)線且加工產(chǎn)品雜,生產(chǎn)葉片種類包括用于燃汽輪機(jī)、核電汽輪機(jī)與火電汽輪機(jī),企業(yè)抓住改革契機(jī),聚焦葉片關(guān)鍵生產(chǎn)工序,率先規(guī)劃壓氣機(jī)型線加工生產(chǎn)線。

        葉片是壓氣機(jī)的關(guān)鍵零件,又是最精細(xì)、最重要的零件之一,是高速旋轉(zhuǎn)給空氣做功提高空氣壓力的部件。型線加工是葉片加工的重要環(huán)節(jié),直接影響壓氣機(jī)增壓的總效率。圖1為某廠型線加工產(chǎn)線示意圖,具有以下特點(diǎn):

        圖1 壓氣機(jī)葉片型線加工黑燈產(chǎn)線示意圖

        1)小批量,每個(gè)機(jī)組用的葉片不一樣,每一級葉片幾十件到上百件;

        2)種類多,機(jī)型多,可以根據(jù)客戶需求定制機(jī)型,新機(jī)型設(shè)計(jì)種類多,通流優(yōu)化周期短。

        某廠產(chǎn)線數(shù)字化轉(zhuǎn)型初步規(guī)劃中,物流運(yùn)行邏輯圖見圖2。

        圖2 物料轉(zhuǎn)運(yùn)邏輯圖

        2 壓氣機(jī)葉片型線加工產(chǎn)線建模

        2.1 邊界條件與仿真目標(biāo)

        將覆蓋全部法拉利機(jī)群的加工產(chǎn)品種類作為輸入,構(gòu)建產(chǎn)線機(jī)床模型和物料調(diào)度邏輯模型,關(guān)于輸入數(shù)據(jù)、考察數(shù)據(jù)及規(guī)劃方案指標(biāo)見表1及表2。

        表1 初步規(guī)劃方案指標(biāo)

        表2 仿真輸入數(shù)據(jù)定量與考察數(shù)據(jù)變量

        2.2 仿真假設(shè)

        依據(jù)初步規(guī)劃進(jìn)行初始假設(shè):

        1)設(shè)置為無限產(chǎn)能的輸出(廠內(nèi)訂單連續(xù));

        2)1臺機(jī)床對應(yīng)一類葉片產(chǎn)品,壓氣機(jī)沖動(dòng)式與反動(dòng)式葉片分開仿真;

        3)考慮機(jī)床換模時(shí)間,每天的工作時(shí)間為21 h,全年按照300 d計(jì)算;

        4)初始狀態(tài):創(chuàng)建AGV,1號線上料位空,1號線下料位空托盤1個(gè),線邊料庫存放5類共計(jì)60只葉片;

        5)AGV每次上料只上一種產(chǎn)品,AGV托盤容量為12件/個(gè);

        6)生產(chǎn)開始之前1號線、2號線、3號線下料接駁點(diǎn),檢測工位下料接駁點(diǎn)、不合格品線邊庫都已放置好空托盤;

        7)無新產(chǎn)品種類的加入。

        2.3 壓氣機(jī)葉片型線加工產(chǎn)線模型建立

        1)葉片型線加工產(chǎn)線描述

        某廠規(guī)劃一條葉片型線無人值守機(jī)加工生產(chǎn)線,該線承接多種壓氣機(jī)小型葉片的型線機(jī)械加工任務(wù),擬實(shí)行全天無人值守運(yùn)行,采用機(jī)器人進(jìn)行工序間周轉(zhuǎn)及上下料,年產(chǎn)合格葉片數(shù)量達(dá)到6萬件。該生產(chǎn)線主要承擔(dān)葉片的粗銑、精銑以及三坐標(biāo)檢測等工序,加工工藝流程圖見圖3。該生產(chǎn)線仿真主要關(guān)注4個(gè)方面:

        圖3 加工工藝流程圖

        a)規(guī)劃產(chǎn)能是否合理,能否達(dá)到;

        b)主要設(shè)備平均利用率85%是否合理;

        c)空托盤轉(zhuǎn)運(yùn)站空托盤容量;

        d)產(chǎn)線穩(wěn)定運(yùn)行的最小庫存量。

        2)設(shè)計(jì)邏輯策略

        基于圖2物料運(yùn)轉(zhuǎn)策略制定仿真策略如下。

        a)初始化操作

        初始化表格、變量,設(shè)置機(jī)床加工時(shí)間,在1號線、2號線、3號線的AGV下料接駁點(diǎn)放置空托盤,產(chǎn)生AGV、機(jī)器人1、機(jī)器人2、機(jī)器人3,并設(shè)置機(jī)器人1、機(jī)器人2、機(jī)器人3及AGV的初始狀態(tài),設(shè)置AGV的任務(wù)列表并每隔1s刷新。

        b)投料策略

        設(shè)置立體庫模型:循環(huán)產(chǎn)生15種葉片。規(guī)劃產(chǎn)線的年產(chǎn)量為6萬件,仿真輸入為15種壓氣機(jī)葉片,按照表格命令循環(huán)上料。

        c)生產(chǎn)過程

        壓氣機(jī)葉片(F級)黑燈產(chǎn)線主要完成加工、檢測工藝流程,15臺小法拉利機(jī)床均可實(shí)現(xiàn)任意一種葉片的加工,2臺檢測設(shè)備均可實(shí)現(xiàn)任意一種葉片的檢測。按照1臺機(jī)床對應(yīng)一類葉片產(chǎn)品進(jìn)行加工。

        d)物流邏輯

        生產(chǎn)開始,AGV從立體庫下料接駁點(diǎn)處取滿載的托盤運(yùn)至1號線、2號線、3號線的上料接駁點(diǎn)處。編程設(shè)定后續(xù)AGV可能被調(diào)用的情況,即可能接受指令的情況:

        Ⅰ)1號線、2號線、3號線上料接駁點(diǎn)托盤為空,需轉(zhuǎn)運(yùn)空托盤至托盤庫KTP;

        Ⅱ)XBK1、XBK2、XBK3、… 、XBK15(XBK為線邊庫)任意一個(gè)為空,需補(bǔ)充上料對應(yīng)的葉片;

        Ⅲ)1號線、2號線、3號線下料接駁點(diǎn)托盤滿載,需轉(zhuǎn)運(yùn)滿載托盤至檢測上料接駁點(diǎn),并從空托盤庫轉(zhuǎn)運(yùn)新的空托盤至相應(yīng)下料接駁點(diǎn);

        Ⅳ)檢測工位上料接駁點(diǎn)托盤為空時(shí),需轉(zhuǎn)運(yùn)空托盤至空托盤庫KTP;

        Ⅴ)檢測工位下料接駁點(diǎn)托盤滿載時(shí),需轉(zhuǎn)運(yùn)滿載托盤至成品庫,并空托盤庫轉(zhuǎn)運(yùn)新的空托盤至相應(yīng)下料接駁點(diǎn);

        Ⅵ)檢測工位不合格品線邊庫滿容時(shí),需轉(zhuǎn)運(yùn)托盤至不合格品庫,并空托盤庫轉(zhuǎn)運(yùn)新的空托盤至相應(yīng)下料接駁點(diǎn)。

        其中,Ⅰ)的優(yōu)先級高于Ⅱ),Ⅳ)的優(yōu)先級高于Ⅲ),其他的以實(shí)時(shí)任務(wù)排序?yàn)闇?zhǔn)。

        e)AGV調(diào)度

        在上述需要調(diào)用AGV的時(shí)候,將物料轉(zhuǎn)運(yùn)的出發(fā)地和目的地寫入agv_table,通過agv_table記錄AGV的調(diào)度任務(wù)。

        f)Track傳感器控件

        Track上共設(shè)置13個(gè)傳感器控件,都用Sensor Method進(jìn)行控制,AGV在傳感器所在位置的動(dòng)作:停止、運(yùn)動(dòng)、上料、下料。

        3)壓氣機(jī)葉片型線加工黑燈產(chǎn)線仿真模型的建立

        仿真運(yùn)行過程嚴(yán)格按照規(guī)劃設(shè)計(jì)方案的物料加工工序運(yùn)行流程,移動(dòng)機(jī)器人行走速度設(shè)為1m/s均速,壓氣機(jī)葉片裝夾與卸載分別設(shè)置30s與5s,下料設(shè)置5s。生產(chǎn)線中設(shè)置有線邊庫與檢測單元上下料緩存區(qū),加工完成后通過對AGV編程設(shè)置判斷準(zhǔn)則,即檢測單元上料接駁臺有空位置才運(yùn)送否則持料等待。擬設(shè)三班倒制。仿真模型見圖4。具體設(shè)置如下:

        圖4 壓氣機(jī)葉片型線加工黑燈產(chǎn)線仿真模型

        a)仿真實(shí)行三班倒制,仿真運(yùn)行一年時(shí)間;

        b)打造黑燈產(chǎn)線,要求成品每個(gè)都檢測;

        c)產(chǎn)品合格率按97%設(shè)置隨機(jī)數(shù);

        d)保證物料源充足;

        e)加工時(shí)間嚴(yán)格按照采集對應(yīng)每種葉片的加工時(shí)間設(shè)置。

        3 壓氣機(jī)(F型)葉片型線加工產(chǎn)線仿真分析與優(yōu)化

        3.1 產(chǎn)能情況

        如圖5所示(本刊黑白印刷,相關(guān)疑問請咨詢作者),整線日均產(chǎn)能為242件。1號線日均產(chǎn)能為102件,2號線日均產(chǎn)能為95件,3號線日均產(chǎn)能為85件。則整線年產(chǎn)能為242×300=72 600件,高于目標(biāo)產(chǎn)能6萬件/年。

        圖5 各條線日均產(chǎn)能

        3.2 設(shè)備利用率

        由圖6可知1號線、2號線、3號線設(shè)備均超過了目標(biāo)設(shè)備利用率85%的要求。

        圖6 3條線機(jī)床利用率

        3.3 最小庫存情況

        通過仿真得出3條線日均上料數(shù)量情況(圖7),可以推測出生產(chǎn)線每日最小庫存數(shù)量,即保證產(chǎn)線正常運(yùn)行,庫存不得小于285件葉片。

        圖7 3條線日均上料數(shù)量

        3.4 空料箱循環(huán)站容量分析

        設(shè)置空料箱循環(huán)站,仿真穩(wěn)定運(yùn)行后,空料箱循環(huán)站數(shù)量隨時(shí)間變化趨勢見圖8。由圖可知設(shè)置循環(huán)站空托盤的數(shù)量一直小于20個(gè)。

        圖8 空托盤數(shù)量曲線

        3.5 產(chǎn)線瓶頸分析

        一般來說,瓶頸設(shè)備的設(shè)備利用率較高,待加工的在制品堆積數(shù)量較大。1號線、2號線、3號線在制品量隨時(shí)間變化見圖9。圖中黑色為3條自動(dòng)產(chǎn)線在制品量之和,藍(lán)色代表1號線,綠色代表2號線,紫色代表3號線。

        圖9 3條線在制品數(shù)量

        現(xiàn)提取的是部分日期的葉片數(shù)量,從全局來看整線及各條線在一年穩(wěn)定加工中出現(xiàn)的頻率見圖10。

        圖10 各條產(chǎn)線整年在制品數(shù)量出現(xiàn)頻率圖

        仿真發(fā)現(xiàn)檢測工位待加工在制品量隨時(shí)間增加的趨勢,一段時(shí)間后出現(xiàn)嚴(yán)重的物料堆積,即為瓶頸工位(圖11)。

        圖11 穩(wěn)定后期檢測工位待檢品數(shù)量

        3.6 規(guī)劃方案優(yōu)化

        由上一節(jié)可知,檢測單元為瓶頸工位,在模型中增加1個(gè)檢測工位,產(chǎn)能見圖12。由圖可知整線日均產(chǎn)能為252件,1號線日均產(chǎn)能為102件,2號線日均產(chǎn)能為95件,3號線日均產(chǎn)能為85件。年產(chǎn)量為:252×300=75 600件;1號、2號、3號的單線日產(chǎn)能較之前沒有變化,但是整線日均產(chǎn)能提高了10件,年產(chǎn)量提高了3 000件。

        圖12 優(yōu)化后的產(chǎn)線產(chǎn)能

        圖13為優(yōu)化后檢測工位在產(chǎn)線運(yùn)行穩(wěn)定后的待檢品數(shù)量變化曲線,可知,增加了一個(gè)檢測工位后,待檢品數(shù)量不再持續(xù)增加,而是比較平穩(wěn)地處在區(qū)間0~36件變化,極大縮短了葉片的成品檢測等待時(shí)間,使產(chǎn)線更加平穩(wěn)運(yùn)行。

        圖13 優(yōu)化后檢測工位在制品數(shù)量

        4 結(jié)語

        本文利用Plant Simulation構(gòu)建了仿真模型,通過分析對規(guī)劃階段的生產(chǎn)線進(jìn)行了初步優(yōu)化,提高了加工生產(chǎn)線性能。從仿真結(jié)果來看有以下建議:

        1)立體庫葉片數(shù)量單日最少儲存量為285件;

        2)空托盤循環(huán)站的空托盤數(shù)量不小于20個(gè)。

        基于Plant Simulation專業(yè)軟件1號線、2號線、3號線設(shè)備利用率均為90%以上,高于目標(biāo)85%;按照每年300 d,21 h/d進(jìn)行仿真,年產(chǎn)能為7.2萬件,高于目標(biāo)產(chǎn)能5.25萬/年。

        從改善后的結(jié)果可以看出,產(chǎn)能增加了,年產(chǎn)能可達(dá)7.56萬件,生產(chǎn)線性能得到了一定程度的提高。研究結(jié)果表明,企業(yè)在生產(chǎn)線規(guī)劃設(shè)計(jì)階段,通過生產(chǎn)線系統(tǒng)仿真能夠有效地分析出設(shè)計(jì)方案可能存在的問題,對提高生產(chǎn)線設(shè)計(jì)質(zhì)量和設(shè)計(jì)效率有重要意義。

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