基于知識(shí)模型和仿真分析的涂裝車(chē)間生產(chǎn)時(shí)序優(yōu)化研究

閆勇斌，董淼，任澤兵，金弋清

（東風(fēng)設(shè)計(jì)研究院有限公司，武漢 430000）

0 引言

涂裝作為汽車(chē)生產(chǎn)的四大工藝之一，通常包含前處理電泳、電泳烘干、電泳打磨、密封膠、膠烘干、中涂、面漆、清漆、漆烘干、精飾、檢查報(bào)交等眾多工序[1-2]。涂裝車(chē)間作為涂裝工藝的實(shí)現(xiàn)場(chǎng)所，相比于沖壓、焊裝、總裝車(chē)間，其生產(chǎn)具有明顯的特點(diǎn)，主要為在下班時(shí)不允許電泳線、烘干線、噴漆線進(jìn)行在線緩存，需要排空在線車(chē)輛進(jìn)各個(gè)中間緩存區(qū)，而上班時(shí)為了保證各工序線體能同時(shí)啟動(dòng)且連續(xù)作業(yè)，需要先從各個(gè)中間緩存區(qū)拉入在制品車(chē)輛，再過(guò)渡到各工序的連續(xù)作業(yè)[3]。

某汽車(chē)工廠涂裝車(chē)間為了減少前期投資，將中涂和面漆共線生產(chǎn)，受產(chǎn)能節(jié)拍限制和線體切換需要，只能進(jìn)行批量共用生產(chǎn)，即可先中涂一批車(chē)，再面漆一批車(chē)，循環(huán)交替。基于以上中涂和面漆共線的工藝路線設(shè)置，結(jié)合涂裝生產(chǎn)特點(diǎn)，如何制定合理的生產(chǎn)時(shí)序表是生產(chǎn)管理人員面臨的一個(gè)重要問(wèn)題。人工憑借以往經(jīng)驗(yàn)制定該生產(chǎn)時(shí)序表，需要耗費(fèi)大量的時(shí)間和精力，且人工制定無(wú)法考慮移行機(jī)等設(shè)備實(shí)際運(yùn)行情況，眾多工序之間的銜接無(wú)法考慮周全，導(dǎo)致制定的生產(chǎn)時(shí)序難以驗(yàn)證可行性[4]。

本文提出采用知識(shí)建模和系統(tǒng)仿真方法，在三維仿真軟件平臺(tái)中對(duì)涂裝車(chē)間進(jìn)行建模仿真[5-7]。通過(guò)對(duì)生產(chǎn)線相關(guān)指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析，驗(yàn)證人工制定的生產(chǎn)時(shí)序表的可行性，并提出改進(jìn)意見(jiàn)，人工修改完善后再次仿真運(yùn)行和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，直至優(yōu)化完善后的生產(chǎn)時(shí)序表能滿足生產(chǎn)要求。

1 工藝及生產(chǎn)現(xiàn)狀分析

某汽車(chē)工廠涂裝車(chē)間的主要工藝流程如圖1所示，由于中涂和面漆共線，人工憑經(jīng)驗(yàn)制定的滿足日產(chǎn)160臺(tái)車(chē)的初步生產(chǎn)時(shí)序表如圖2所示。通過(guò)仿真建模與分析的方法對(duì)生產(chǎn)時(shí)序表進(jìn)行驗(yàn)證和優(yōu)化，驗(yàn)證優(yōu)化的評(píng)價(jià)指標(biāo)為：1）所有工序的進(jìn)車(chē)時(shí)間安排，在滿足各個(gè)工序的節(jié)拍前提下，線體上不出現(xiàn)“堵車(chē)”現(xiàn)象或缺少在制品車(chē)現(xiàn)象；2）所有工序的生產(chǎn)時(shí)間需盡量安排在8:00—17:00的時(shí)間段內(nèi)；3）在生產(chǎn)完160臺(tái)車(chē)后，整個(gè)車(chē)間狀態(tài)回到8:00時(shí)的狀態(tài)；4）滿足以上3條的前提下，在最短時(shí)間內(nèi)將160臺(tái)車(chē)生產(chǎn)完成。

圖1 某涂裝車(chē)間工藝流程圖

圖2 某涂裝車(chē)間人工制定的生產(chǎn)時(shí)序表

2 基于知識(shí)模型的仿真建模

2.1 知識(shí)模型構(gòu)建

通過(guò)工藝流程分析、結(jié)構(gòu)化整理和系統(tǒng)性抽象對(duì)涂裝車(chē)間工藝形式進(jìn)行歸納總結(jié)，形成設(shè)備知識(shí)模型和線體知識(shí)模型。

設(shè)備知識(shí)模型主要是指對(duì)設(shè)備三維模型、運(yùn)動(dòng)邏輯關(guān)系、運(yùn)動(dòng)參數(shù)等設(shè)備相關(guān)知識(shí)屬性進(jìn)行梳理整合。其中設(shè)備三維模型需滿足各自由度能獨(dú)立運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)參數(shù)需滿足衡量單位統(tǒng)一，運(yùn)動(dòng)邏輯關(guān)系需滿足復(fù)雜多機(jī)構(gòu)動(dòng)作拆分成多個(gè)直線或旋轉(zhuǎn)動(dòng)作描述，如表1所示。設(shè)備知識(shí)模型可為后續(xù)仿真軟件中設(shè)備模塊開(kāi)發(fā)提供依據(jù)。

表1 空橇堆垛機(jī)運(yùn)行邏輯關(guān)系

線體知識(shí)模型主要是指對(duì)生產(chǎn)線設(shè)備的啟動(dòng)、停止、作業(yè)判斷、互鎖等邏輯關(guān)系以圖結(jié)構(gòu)式網(wǎng)狀模型進(jìn)行構(gòu)建表達(dá)，如圖3所示。線體知識(shí)模型可為后續(xù)仿真軟件中各模塊集成和接口開(kāi)發(fā)提供依據(jù)。

圖3 中間緩存出庫(kù)到主線的輸送邏輯圖

2.2 仿真模型開(kāi)發(fā)

根據(jù)設(shè)備知識(shí)模型和線體知識(shí)模型，在三維仿真軟件中選擇合適的元素進(jìn)行仿真模型系統(tǒng)框架搭建、模塊化開(kāi)發(fā)、系統(tǒng)集成。

系統(tǒng)框架搭建是指將整個(gè)涂裝車(chē)間系統(tǒng)分割成數(shù)個(gè)子系統(tǒng)或模塊，以便于分模塊開(kāi)發(fā)，同時(shí)保證模型層次架構(gòu)清晰，提高模型的可讀性，便于后期進(jìn)行修改或擴(kuò)展等。

模塊化開(kāi)發(fā)包括設(shè)備模塊開(kāi)發(fā)和功能子系統(tǒng)模塊開(kāi)發(fā)兩層，設(shè)備模塊是整個(gè)仿真模型的最基礎(chǔ)單元，是現(xiàn)實(shí)設(shè)備在仿真軟件中的虛擬表達(dá)，能映射現(xiàn)實(shí)設(shè)備的三維外觀、運(yùn)動(dòng)特性、運(yùn)動(dòng)參數(shù)等特征，開(kāi)發(fā)流程包括分運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)導(dǎo)入三維模型、三維模型裝配和自由度設(shè)置、設(shè)備動(dòng)作時(shí)序邏輯代碼開(kāi)發(fā)、設(shè)備啟停接口開(kāi)發(fā)、參數(shù)界面開(kāi)發(fā)等。功能子系統(tǒng)模塊是根據(jù)實(shí)際工藝需要，將多個(gè)設(shè)備模塊組合形成能完成某個(gè)子系統(tǒng)功能的模塊，開(kāi)發(fā)流程包括設(shè)備定位和互聯(lián)、系統(tǒng)調(diào)用接口開(kāi)發(fā)等。

系統(tǒng)集成是將各個(gè)功能子系統(tǒng)模塊按照工藝流程進(jìn)行拼接和集成，并通過(guò)開(kāi)發(fā)系統(tǒng)性功能模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)模型的集中控制、初始化設(shè)置和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)等，同時(shí)最終完成仿真模型的開(kāi)發(fā)建立和調(diào)試。系統(tǒng)性功能模塊包括系統(tǒng)參數(shù)輸入模塊、初始化模塊、控制模塊和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)模塊等。其中系統(tǒng)參數(shù)輸入模塊主要用于生產(chǎn)節(jié)拍、初始緩存量、工作時(shí)間等系統(tǒng)性參數(shù)的定義及數(shù)據(jù)導(dǎo)入；初始化模塊主要用于緩存區(qū)、線體上的空橇或帶車(chē)身橇的初始產(chǎn)生；控制模塊主要用于線體按工作時(shí)間或其它規(guī)則進(jìn)行啟動(dòng)、停止、切換等系統(tǒng)性的控制；數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)模塊主要用于關(guān)鍵評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)運(yùn)算和記錄。

圖4 某涂裝車(chē)間仿真模型系統(tǒng)框架圖

圖5 旋轉(zhuǎn)輥床和升降機(jī)設(shè)備模塊

圖6 焊涂轉(zhuǎn)接功能子系統(tǒng)模塊

圖7 某涂裝車(chē)間仿真全貌

3 仿真統(tǒng)計(jì)分析與優(yōu)化

3.1 初始方案

對(duì)人工初始制定的生產(chǎn)時(shí)序表進(jìn)行仿真預(yù)演和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，如圖8所示，可得到：

1）電泳緩存區(qū)在14:40庫(kù)容量已達(dá)最大，導(dǎo)致前序的電泳烘干出車(chē)無(wú)法入庫(kù)，從而導(dǎo)致電泳烘干因堵塞停線；

2）中涂前緩存區(qū)在14:30時(shí)庫(kù)容量已達(dá)最大，導(dǎo)致前序的密封膠出車(chē)無(wú)法入庫(kù)，從而導(dǎo)致電泳打磨、UBS、UBC、密封膠因堵塞而停線。

3.2 優(yōu)化方案一

針對(duì)以上問(wèn)題，在不改變車(chē)間工藝及設(shè)備方案的前提下，通過(guò)優(yōu)化生產(chǎn)組織方式來(lái)實(shí)現(xiàn)160臺(tái)車(chē)的正常生產(chǎn)，因此對(duì)初步生產(chǎn)組織提出以下優(yōu)化措施，并得到優(yōu)化方案一：

1）推遲前處理電泳進(jìn)車(chē)時(shí)間，與電泳打磨進(jìn)車(chē)時(shí)間配合，保證電泳緩存區(qū)大小能滿足電泳出車(chē)。

2）減少電泳緩存預(yù)存量，63臺(tái)改為22臺(tái)，使其存車(chē)量與中涂前緩存預(yù)存量相加恰好能滿足第一次中涂要車(chē)，從而減少電泳緩存區(qū)初始占用量。

3）使電泳打磨進(jìn)車(chē)時(shí)間滿足第一次中涂進(jìn)車(chē)需求，密封膠出車(chē)時(shí)恰好開(kāi)始進(jìn)入中涂前緩存庫(kù)，從而最大限度減少電泳打磨及密封膠后對(duì)中涂前緩存庫(kù)區(qū)的占用。

對(duì)優(yōu)化方案一進(jìn)行仿真預(yù)演和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，如圖10所示，可得到：a.電泳緩存區(qū)在11:50庫(kù)容量已降為0，導(dǎo)致無(wú)法按計(jì)劃繼續(xù)進(jìn)行電泳打磨；b.焊裝緩存量的最小值為34臺(tái)，因此原來(lái)焊裝車(chē)間預(yù)存的50臺(tái)白車(chē)身存在富余量，可將焊裝預(yù)存量改為16臺(tái)。

圖10 電泳緩存區(qū)和焊裝緩存區(qū)容量變化曲線

3.3 優(yōu)化方案二

針對(duì)優(yōu)化方案一的問(wèn)題，將電泳打磨在中午停線1.5 h，使得電泳緩存區(qū)的積累量能滿足后續(xù)連續(xù)生產(chǎn)，得到優(yōu)化方案二，如圖11所示。

圖11 生產(chǎn)時(shí)序表優(yōu)化方案二

對(duì)優(yōu)化方案二進(jìn)行仿真預(yù)演和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)優(yōu)化方案二能順利完成生產(chǎn)作業(yè)，線體上無(wú)堵塞也沒(méi)有缺在制品車(chē)現(xiàn)象發(fā)生，且總生產(chǎn)時(shí)間比初始方案有所縮短，已符合生產(chǎn)要求。同時(shí)，經(jīng)仿真預(yù)演發(fā)現(xiàn)，電泳橇最小需求量為130個(gè)，面漆橇最小需求量為202個(gè)。

圖9 生產(chǎn)時(shí)序表優(yōu)化方案一

4 結(jié)語(yǔ)

某汽車(chē)工廠涂裝車(chē)間由于生產(chǎn)工序較多、部分工序（電泳線、烘干線、噴漆線）下班時(shí)不允許在線緩存、中涂和面漆線需共線生產(chǎn)等特點(diǎn)，導(dǎo)致其生產(chǎn)時(shí)序排定需要耗費(fèi)大量的時(shí)間和精力來(lái)進(jìn)行思考和手工推演，且排定結(jié)果仍難以驗(yàn)證可行性。

本文提出采用知識(shí)建模和系統(tǒng)仿真的方法，在仿真軟件中建立物理涂裝車(chē)間的虛擬映射，導(dǎo)入設(shè)備運(yùn)行參數(shù)和初始生產(chǎn)時(shí)序表，通過(guò)仿真預(yù)演和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，對(duì)初始生產(chǎn)時(shí)序表進(jìn)行仿真驗(yàn)證，并根據(jù)仿真結(jié)果調(diào)整生產(chǎn)時(shí)序表，再次進(jìn)行仿真預(yù)演分析，如此反復(fù)，直至所制定的生產(chǎn)時(shí)序表能順利執(zhí)行，且所需生產(chǎn)時(shí)間最短。