汽車發動機裝配線作業分析及AGV 路徑規劃研究

陸 煜

（安徽巨一科技股份有限公司，合肥 230041）

近年來，我國社會經濟飛速發展，促進了各行各業不斷進步和創新。例如，人們的出行方式發生了很大變化，從20 世紀90 年代的自行車發展到現在的小轎車[1]。小轎車的需求量不斷增加，這就需要汽車生產廠家提高其生產效率，以滿足人們對汽車的需求[2]。為了提高生產效率，汽車企業積極采用自動化、大規模的裝配生產線。本文研究現代生產制造企業的管理模式和生產情況，重點分析汽車制造企業的發動機裝配生產線在實際運行過程中的現狀和存在的問題，采用先進的管理技術，引入自動導引小車（Automated Guided Vehicle，AGV），有助于提升現代汽車發動機裝配的效率，也有助于提高汽車的高效創新發展[3-4]。

1 發動機外裝配車間現狀與分析

以某公司的發動機外裝配車間為研究對象，其裝配車間平面布置如圖1 所示。在長期的現場調研后，對現場車間的布局、設備情況以及該汽車發動機裝配車間的生產流程進行了詳細研究，可知發動機外裝配車間主要由3 個部分組成。第1 部分，兩條裝配生產線。發動機的外裝配在這個區域進行組裝，且該部分的組裝質量直接關系到發動機的品質。第2 部分，零件暫存區域。它的主要作用是發動機外裝完成后，該部分存放有發動機外裝需要的所有零部件、標準間。該區域涉及的零件進出庫、補貨都與整個流水線的發動機裝配有直接關系。第3 部分，AGV 部分。AGV 在裝配過程中進行運輸，在運行過程中進行路徑規劃，有助于提升生產效率。通過對該企業的發動機外裝配車間的長期觀察發現，汽車發動機外裝生產線使用的是國際先進設備，具有精度高、準確性強的優點，且在使用過程中能夠充分保證發動機各個部分的品質。此外，裝配線沿線安裝有各種在線測量工具，能保證設備正常使用，也能夠保證安裝完成后的每臺發動機都符合要求。同時，在汽車外裝配車間的裝配線上安裝有檢漏裝置，能夠對發動機的缸蓋總成、半總成、發動機總成進行漏液試驗，確保出廠時發動機的質量。

針對車間內日常工作過程中遇到的問題，發現其主要存在以下3 方面問題。

第一，汽車發動機外裝配生產線在實際運行過程中流水線作業的作業順序不規范。目前，企業發動機外裝配生產線的作業是簡單按照裝配生產順序進行排列，缺乏科學性和先進性。

第二，零件緩存區的主要作用是保證零部件與裝配過程緊密銜接。但是，在實際操作過程中，緩存區的零部件存取依靠工作人員來完成，存在一定的隨機性，造成在實際過程中可能會發生準備不充分、零件擺放不到位等情況。

第三，AGV 系統在實際工作管理過程中是不規范的，且小車在運行過程中經常出現不按實際工作軌跡運行的情況。此外，在AGV 的自動感應軌跡上，車間內部分路徑軌跡已有一些破損，嚴重影響了AGV 的精度[5]。AGV 系統在路徑設置上只連接了裝配區和緩存區，未深入緩存區，導致緩存區內部需要工作人員完成其他工作，沒有充分發揮其作用[6]。

2 裝配生產線作業優化編程

現有的汽車發動機外裝生產線是采用在裝配線的一側等距布置15 個工位，并且按照汽車發動機的外裝順序，由內到外、從上至下進行銜接[7-8]。它的工位布局圖如圖2 所示，采用“U”形裝配線。

通過長期觀察該流水線的工作人員發現，工作人員人均日生產數約為20 臺。對裝配線進行作業編程優化，優化后采取的工位布置方式是先將線束和水泵組件裝配的工位分割為兩個工位，再將總成試驗泄露部分的工位分分割為兩個部分，最后將裝皮帶張緊輪的工位分割為兩個工位。分割后的工位布置采用方便哪個方向施工的原則進行布置，明顯提升了工作人員的工作效率。統計分割工位后的工作效率可知，發動機外裝配車間的人均日生產數為23 臺，提高了3 臺，凸顯了瓶頸工位分割法在汽車外裝配車間的優化效果，證明了其合理性和科學性。發動機裝配生產線工位布局圖如圖3 所示。

3 AGV 系統路徑優化

AGV 系統可在保證小車正常運行的情況下不使小車與障礙物發生碰撞。通過對小車的控制作業能夠發現，它采取的是不斷尋求一條連接各個節點的線且要求使其在整個過程中的行走距離最短。探究AGV系統的路徑優化問題需要結合整個汽車外裝配車間的生產線布置、車間的總體布局等方面[9-11]。AGV 系統流程圖如圖4 所示。

AGV 在該企業外裝配生產線中的運行過程如下：

（1）AGV 空車狀態一直運行至緩存區，然后在暫存區連接已經定位的零件運輸車；

（2）AGV 連接好運輸車后，按照相關設定順序依次經過零件存放點，零件存放點的零件取用需由專人負責，將其擺放到AGV 上；

（3）AGV 將運輸車懸掛輸送到外裝配車間，在裝配車間內小車繞車間行走，在行走的過程中相關工作人員會拿走自身需要的零部件，從而實現對裝配車間零部件的清空；

（4）當其完成所有零部件的清空后，AGV 將零件運輸車輸送至起點開始新的工作。

根據日常工作過程的觀察發現，在日常的旅行商問題中，在AGV 路徑搜索過程中直接搜索的是兩個節點之間的最短路徑，搜索完成后會直接朝著下一個節點行進，但是在兩個節點之間往往會有流水線或者有障礙物的存在產生路徑故障，因此需要在兩個節點之間選擇沒有障礙物的路徑行進。此時，根據“假設大距離繞行障礙物法”對AGV 進行路徑規劃，就能避免AGV 直接導引進入距離較近的直線路徑。試驗后發現，AGV 雖然算法上具備了繞行功能，但是在實際行動中沒有識別繞行過程中的距離中間點，因此在導引小車兩個節點之間需要AGV 尋找一個中間點實現繞行。在AGV 中間設置“添加中間節點法”，就可以使得小車在獲得最大距離繞行指令后搜尋最近的節點，以此作為中間點再行進到下一個節點，從而解決了AGV 的繞行障礙物路徑規劃問題。實驗驗證證明，AGV 采用遺傳算法，根據“大距離繞行障礙物法”和“添加中間點法”能夠讓AGV 很好地繞行障礙物，有助于AGV 在車間內更好地運輸零部件。

4 結語

隨著社會經濟的發展，汽車行業為了滿足人們的需求，必須不斷加強技術創新。汽車發動機裝配是汽車制造的核心工作，提升其制造效率對社會發展有著非常重要的作用。對某汽車制造公司發動機外裝配車間的實際情況進行詳細調研，發現其在裝配生產線的布置方面和車間內使用的AGV 的路徑上存在一定的問題。利用瓶頸工位分割方式對汽車發動機外裝配車間的工位布置情況進行合理規劃，然后AGV 采用遺傳算法，根據“大距離繞行障礙物法”和“添加中間點法”能夠讓AGV 很好地繞行障礙物，有助于AGV 在車間內更好地運輸零部件。改造后的汽車裝配線取得了良好的應用效果，并且有效提升了發動機的單人日裝配量，有助于促進汽車產業的發展。