摘 要:介紹了數(shù)字化制造技術(shù)在一款汽車發(fā)動機裝配線布局設(shè)計及裝配工藝設(shè)計階段的實戰(zhàn)應(yīng)用。在發(fā)動機裝配線設(shè)計的同步工程階段,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,構(gòu)建基于DELMIA的裝配線仿真模型,詳細闡明系統(tǒng)構(gòu)建的流程和輸入?yún)?shù)的計算方法,對裝配線設(shè)計的合理性及裝配工藝的可行性進行仿真驗證和優(yōu)化,仿真結(jié)果達到預(yù)期的目標。
關(guān)鍵詞:數(shù)字化制造;DELMIA;發(fā)動機;裝配線;仿真
0? ? 引言
目前,汽車行業(yè)競爭異常激烈,發(fā)動機作為整車的心臟,如何能夠在滿足功能設(shè)計的前提下,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,成為各大汽車廠商都面臨的一大問題。
汽車發(fā)動機裝配線是復(fù)雜度相對較高的制造系統(tǒng),有資料表明,國內(nèi)外已運行的復(fù)雜制造系統(tǒng)有80%沒有完全達到設(shè)計要求,其存在的問題中,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,在整個制造系統(tǒng)建造之前,建立其DELMIA仿真模型,通過計算機仿真,對制造系統(tǒng)進行分析試驗,及時發(fā)現(xiàn)不合理因素,對其進行改進,這樣可以大大避免因前期設(shè)計不合理而造成的巨大浪費。如此,企業(yè)不僅可以提高制造系統(tǒng)設(shè)計建造的效率,而且能夠提高產(chǎn)品質(zhì)量,降低生產(chǎn)成本,增強產(chǎn)品的市場競爭力。
1? ? 發(fā)動機裝配線仿真模型需求分析
如前文所述,汽車發(fā)動機裝配線是復(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)動機裝配線規(guī)劃布局為一條由6條子線組成的環(huán)線,共長218 m,6條子線按順時針方向運行,支線1~支線6這6條子線的設(shè)計節(jié)拍分別為51 s、52 s、53 s、54 s、51 s、55 s,之間通過加入小的差速環(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最左端缸體上線開始,至圖1左下測試后下線。
該發(fā)動機裝配線設(shè)計有約100個裝配工位,考慮到后續(xù)產(chǎn)能的擴大,其中20%的工位為預(yù)留工位,具體到每一個工位的裝配工藝,所有工位可以劃分為三類:
(1)手動工位:主要由工人和手動工具來完成該步操作;
(2)半自動工位:主要由工人配合專用設(shè)備來完成該步操作;
(3)自動工位:完全由設(shè)備自動完成該步操作。
為了能夠在同步工程階段對整個系統(tǒng)的設(shè)計運行進行模擬,從而驗證是否能夠滿足規(guī)劃的產(chǎn)能,計算機仿真模型需要盡可能地包含系統(tǒng)實際運行時的物理情況,如設(shè)備故障、人員操作失誤、廢品率、不合格產(chǎn)品返修時間以及物料配送等諸多因素。
計算機仿真模型是一條虛擬的發(fā)動機裝配線,是對真實裝配線上的物理設(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、虛擬托盤、虛擬緩沖區(qū)等。仿真模型要能夠?qū)崿F(xiàn)以下目標:
(1)能夠完整準確地反映制造系統(tǒng)的實際運行規(guī)律,對發(fā)動機裝配過程進行仿真;
(2)仿真過程和結(jié)果能以一種直觀的方式反饋,能夠不斷推動裝配線的設(shè)計優(yōu)化,驗證裝配線的目標產(chǎn)能;
(3)提前對關(guān)鍵的裝配工藝進行裝配可行性和人機工程仿真分析。
2? ? 發(fā)動機裝配線仿真模型構(gòu)建及仿真
2.1? ? DELMIA軟件功能簡介
本文選擇DELMIA軟件建立發(fā)動機裝配線仿真模型。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單獨的協(xié)同環(huán)境,在產(chǎn)品設(shè)計過程中實施和論證最佳的制造流程,并能進行裝配工藝過程仿真。
2.2? ? 發(fā)動機裝配線仿真模型構(gòu)建
首先,根據(jù)物理模型構(gòu)建抽象的計算機仿真模型,如前所述,發(fā)動機裝配線工位劃分為三類,那么,在DELMIA仿真模型中,同樣構(gòu)建3種不同的對象與之對應(yīng),每種對象又包含不同的屬性參數(shù)。如圖2所示,根據(jù)實際裝配線布局,構(gòu)建出包含主線、子線、分裝線、緩沖區(qū)、返修區(qū)等對象的DELMIA仿真模型。
本文模型主要涉及以下DELMIA對象:
(1)傳送帶Conveyor:能夠完全和物理傳送帶對應(yīng)的仿真模型,主要設(shè)置運行速度和決策點邏輯關(guān)系,從而決定發(fā)動機零部件的上線和下線。
(2)設(shè)備Machine:和物理設(shè)備相對應(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,進而完成設(shè)定的生產(chǎn)節(jié)拍;Machine對應(yīng)的屬性包含idle(設(shè)備空閑)、busy(設(shè)備運行中)、block(設(shè)備擁堵)等,便于統(tǒng)計輸出設(shè)備利用率。
(3)組件單元Part:對應(yīng)實際零部件,是Machine等Element的加工對象。
(4)資源庫Source:主要用于生成Part組件,可以理解為倉庫。
(5)緩沖單元Buffer:等同于物理緩沖區(qū),暫時存放加工過程中的組件單元,有容量屬性可以限制組件數(shù)量。
(6)決策點Dec Point:一個抽象的點,能夠在此點完成組件的上線和下線。
同時,在仿真模型中,DELMIA本身提供BCL和SCL語言幫助用戶編寫邏輯控制程序,從而能夠更加接近現(xiàn)實的電氣控制邏輯;上述DELMIA對象都包含Logic屬性,可以添加用戶控制程序。
2.3? ? 發(fā)動機裝配線仿真模型參數(shù)
仿真模型構(gòu)建完成以后,需要輸入運行參數(shù),包括每個工位的設(shè)計節(jié)拍和故障率參數(shù)、產(chǎn)品返修率、仿真周期時間、生產(chǎn)輪班、傳送帶速度等,下文對幾個關(guān)鍵的參數(shù)進行詳細說明。
2.3.1? ? 工位故障參數(shù)MTBF/MTTR計算
MTBF和MTTR是至關(guān)重要的一組參數(shù),它們反映設(shè)備運行過程中故障發(fā)生的頻率和故障修復(fù)的時間。計算MTBF和MTTR的方法不盡相同,本文采用理論計算與實際經(jīng)驗相結(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設(shè)備,該設(shè)備由N個主要組件構(gòu)成,那么,將這N個組件作為一個串聯(lián)系統(tǒng),每個組件有試驗數(shù)據(jù)得到的MTBFi,根據(jù)理論公式即可計算出設(shè)備/工位整體的MTBF:
MTBF=
由此,根據(jù)理論公式計算得到設(shè)備/工位整體MTTR:
MTTR=MTBF·
為了從多角度驗證裝配線布局及工位設(shè)計的合理性和運行穩(wěn)定性,提供更加準確的預(yù)測,本文將人工操作的穩(wěn)定性因素單獨計算,同時考慮爬坡期和穩(wěn)定生產(chǎn)階段的差異,最終形成3組獨立運行的參數(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)容量和托盤數(shù)量
緩沖區(qū)容量和發(fā)動機托盤初始數(shù)量根據(jù)線體的布局賦予經(jīng)驗設(shè)計值,如表2所示,然后通過仿真驗證進行優(yōu)化。
2.3.3? ? 產(chǎn)品返修率
本文的產(chǎn)品返修率根據(jù)歷史同類產(chǎn)品的實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計得出,如表3所示,根據(jù)每個工位操作產(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工位添加返修率相比,能夠提高仿真結(jié)果的可靠性指標。
2.3.4? ? 仿真周期
為更加真實地預(yù)測未來實際生產(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)動機托盤數(shù)量等對產(chǎn)能造成的損失,仿真時間按照1個月、2個月、3個月……6個月遞增,進而統(tǒng)計分析結(jié)果。
2.4? ? 發(fā)動機裝配線仿真分析
結(jié)合上節(jié)的仿真模型和輸入?yún)?shù),對多組參數(shù)進行組合仿真,從而驗證和優(yōu)化了發(fā)動機裝配線規(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、托盤數(shù)量等。
2.4.1? ? 全局效率
全局效率=仿真下線發(fā)動機數(shù)量/理論下線發(fā)動機數(shù)量。如圖3所示,在穩(wěn)定運行階段,經(jīng)過1~6個月周期的多輪仿真,全局效率保持在90%以上,系統(tǒng)運行穩(wěn)定,滿足設(shè)計要求。
2.4.2? ? 工位利用率
工位利用率=工位仿真實際工作時間/仿真總時間。如圖4所示,在穩(wěn)定運行階段,主線各工位利用率、空閑時間比率、故障時間比率等在柱狀圖上清晰可見,據(jù)此可以分析瓶頸工位,優(yōu)化工位設(shè)置。
2.4.3? ? 發(fā)動機托盤數(shù)量敏感度分析
結(jié)合初始發(fā)動機托盤數(shù)量進行系統(tǒng)全局效率分析,在滿足效率的前提下,可以適當調(diào)整托盤數(shù)量和主線返修時間周期,以節(jié)省相關(guān)費用。如圖5所示,在主線不合格品返修時間為20 min或30 min的情況下,系統(tǒng)全局效率波動較大;當返修時間為15 min時,可以適當減少托盤數(shù)量,對系統(tǒng)效率影響不大。
3? ? 結(jié)語
本文以某一款發(fā)動機為例構(gòu)建了裝配線仿真模型,通過同步工程階段三維圖形化的模擬和圖表數(shù)據(jù)分析,對裝配線的設(shè)計方案進行了驗證和優(yōu)化;在后期裝配線實際試運行和穩(wěn)定運行階段,現(xiàn)場的統(tǒng)計數(shù)據(jù)與仿真階段數(shù)據(jù)總體一致,達到了項目預(yù)期目標收益。
收稿日期:2021-03-24
作者簡介: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。