汽車總裝線Flexsim仿真建模及線上載具的數量研究

文/包偉華 王蕾娜

總裝，作為汽車生產的四大工藝（沖壓、焊接、涂裝、總裝）之一，也是汽車由零配件到整車的最后環節。總裝生產線能否正常運行，關系到整車能否按節拍下線。

汽車總裝線主要由輸送系統和眾多相應的工序站點組成，其中輸送系統承擔著各個工序站點之間的輸送任務。總裝線輸送系統，包括PBS（Painted Body Store）車身存儲線、內飾輸送線、底盤輸送線、車門輸送線、輪胎輸送線、最終裝配線等。輸送線上的載具作為車身或者車門等被輸送零部件的載體，其數量直接關系到整條輸送線能否滿足設計節拍。載具數量過少，會拉低節拍；載具數量過多，會造成線體堵塞，也會影響節拍，而且會提高投資，造成資金浪費。合理的規劃輸送線各段載具的數量，不僅可以在滿足節拍要求的前提下使設備投資最小化，而且可以通過在非工藝段適當布置緩存載具，增加總裝線體的抗局部故障能力。

用Flexsim仿真求解汽車總裝線上載具數量方法，更加嚴謹直觀

一、問題描述

在仿真軟件出現之前，線體上載具的數量主要通過公式計算得到，如學者胡利杰等在其文獻中對總裝輸送系統底盤吊具數量進行了核算分析，給出了底盤吊具的計算公式；李五興等對滑板數量引起的總裝車間輸送線車滿車欠問題進行了具體分析，最后給出了解決辦法。公式計算雖然能較快計算出輸送線上載體的數量，但是只能應用于簡單線體上載體數量的計算，比較適合用于規劃階段的估算。如果線體之間有轉接，或者像學者戈北京在其文獻中提到的間歇式輸送設備、交叉工位等，通過公式計算載體數量的方法將變得十分復雜。仿真軟件的出現，解決了復雜輸送系統線上載具數量計算的難題。

Flexsim是美國Flexsim公司開發的一款具有3D可視化的離散型仿真軟件，下面將用Flexsim軟件對總裝輸送線進行建模，并通過仿真耒計算線上載體的數量。

二、案例介紹

以某汽車總裝車間的內飾線和底盤線為例，內飾線和底盤線之間有轉接，內飾線采用滾床加滑板的輸送方式，底盤線采用EMS吊具的輸送方式，線體布局如圖1，整體節拍84s，工藝參數及工序時間見表1和表2。

表1 線體工藝參數

表2 設備工藝參數及工序時間

表3 部分建模過程中用到的模塊

圖1 總裝內飾線和底盤線工藝布局

三、系統模型的建立

根據內飾線盒底盤線輸送的特點，主要利用Flexsim中的Conveyor進行建模，同時用到了仿真軟件中的Kinematic（運動學）、TaskExecuter（任務執行器）、Motor、Network、Process Flow等內容，主要設備及其用到的模塊見表3，部分Process Flow編程見圖2。按圖1工藝布局建模，并按表1和表2中的參數設置模型，另外在各上下線的位置以及工藝段的前后設置檢測點，便于后續仿真過程中，對模型的的運行狀態進行監控，建成后的仿真模型見圖3。

仿真模型建立過程中主要有以下幾個難點和需要注意的地方：

1.升降機和轉臺的銜接。

Flexsim本身的Elevator模塊不能滿足要求，需要用Process Flow編程，如圖3，編程的過程中注意Process Flow中token的流轉跟3D Model中i t e m 的流轉之間的先后問題，雖然Process Flow中代碼的執行理論上是不需要消耗時間的，但實際運行過程中，token和item的流轉是有先后之分的，如果順序不對，模型運行會出錯，這點需要注意。

2.填線問題

在仿真各緩存段最大數量的時候，需要對緩存段填充一定數量的空載具或者滿載載具，填線的方法有兩種：一種是線性填線，即從一個地方開始，讓載具在線體上按實際流程正常流轉，對每一段通過的空載具或者滿載載具計數，達到填線所需的該段允許通過的累積數量以后，禁止后續載具通過，所有緩存段和工藝段達到要求的數量以后，再同時放行，整線運行；另外一種分段填線，就是對應每段緩存或者工藝段分別用生成器生成相應數量的空載具或者滿載載具，兩種方法各有優缺點，需要根據具體情況使用，這里不再贅述。

3.極限仿真問題

因為本次仿真的是各段最大、最小數量的極限問題，對模型邏輯的嚴謹性要求很高，建模的時候，一定要全面考慮到線體實際運行過程中可能存在的各種問題，比如擁堵、載具跟不上等各種問題，并用設置或者代碼保證模型在極限情況下的動作跟實際運行動作一致。

圖2 Process Flow

圖3 總裝內飾線底盤線仿真模型

四、運行模型及結果分析

運行模型以前，為了排除來料對輸送線節拍的影響，將車身上線節拍、內飾線滑板上線節拍和底盤線吊具上線節拍均設置成84s，然后按以下步驟運行模型并對結果分析。

1.線上最小載具的數量

（1）將底盤線吊具發生器的生成數量設置成30個，保證底盤線有充足的吊具，不會影響內飾線的正常運行，此處底盤線設置的吊具數量的原則是只要保證內飾線上的車身能及時轉接即可。

（2）運行模型，內飾線上滑板形成完整回路時，滑板生成器生成的數量即為內飾線上滑板的最小數量，此時內飾線上滑板數量為100個。

（3）減小內飾線滑板生成器生成數量，對以上結果進行驗證。

圖4中的a和b分別是內飾線滑板數量99和100時線上各監測點相鄰兩個滑板通過的時間間隔，從圖4可以看出，內飾線上滑板數量99時，曲線出現周期性波動，而滑板數量為100時，曲線穩定在84s。圖4 b中，在模型運行到8000s～10000s之間的時候，工藝4段和工藝1段之間的監測點相鄰兩個滑板的時間間隔有一次小于84s，這是最后一個上線的滑板和第一個上線的滑板之間的時間間隔，小于84s是正常現象，運行完一個循環以后，所有監測點處相鄰兩個滑板之間的時間間隔都會穩定在84s。

從圖4的a和b兩張圖，可以看出內飾線最小滑板數量為100個。

同樣的方法，運行模型，可以得到底盤線上吊具的最小數量為28個。

當載具數量最小的時候，運行模型，可以觀察到內飾線和底盤線各工藝和緩存段載具的最小數量。

圖4 不同滑板數量時，線上不同位置相鄰兩個滑板之間的時間間隔曲線

圖5 不同滑板數量時，線上不同位置相鄰兩個滑板之間的時間間隔曲線

2.線上最大載具的數量

（1）將內飾線滑板生成器生成的數量設置的盡量大，在緊靠滑板上線處的上游設置決策點將運行到此處的滑板阻擋下來，運行模型可以得到線上可容納滑板的最大數量。

（2）從線上可容納滑板的最大數量開始，依次減小滑板的數量并運行模型，直到節拍等于84s。

通過仿真發現，內飾線上可容納的滑板的最大數量為131個，圖5的a和b分別是線上滑板數量126和125時，線上不同位置相鄰兩個滑板之間的時間間隔曲線。

從圖5可以看出，滑板數量等于126時，內飾線上節拍大于84s；滑板數量等于125時，內飾線節拍等于84s。所以滿足節拍的內飾線上滑板的最大數量是125個。

同樣的方法，運行仿真模型，得到底盤線上吊具的最大數量為50個。

內飾線和底盤線線上各工藝段和緩存段載具的最大數量，可以在模型穩定運行以后觀察得到。

五、結語

本文用Flexsim建立了總裝內飾線和底盤線的模型，并用仿真的方法仿真出線上載具的最小、最大數量，介紹了建模的過程和遇到的問題，并對結果進行了分析。用Flexsim仿真求解線上載具數量的方法，嚴謹直觀。公式計算的方法較快一些。這兩種求解線上載具數量的方法各有優缺點，在實際應用的過程中，可以采用兩種方法相結合的方式，在規劃階段可通過公式計算快速求解線上載具的數量，在方案確定以后，可用仿真的方法對線上的載具數量進行驗證，這樣得到的結果，不僅有強有力的數據佐證，而且有形象生動的仿真動畫。