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　　1 引言

　　隨著數(shù)控機(jī)床的廣泛應(yīng)用，零件的加工精度已不再僅依賴于工人的技術(shù)水平，與此對應(yīng)的裝配時(shí)間就成了影響制造周期的主要因素，裝配工藝優(yōu)劣成了提高產(chǎn)品精度的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。提高裝配的工作效率和工作質(zhì)量，利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行裝配工藝流程仿真來優(yōu)化產(chǎn)品的可裝配性是今后研究的主流。

　　DELMIA是達(dá)索公司面向生產(chǎn)過程物流仿真與分析的三維數(shù)字化工廠開發(fā)軟件，可優(yōu)化現(xiàn)有的或新的系統(tǒng)車間布置、生產(chǎn)成本和工藝流程等。DELMIA分為DELMIA E5(DPE)、 DELMIA V5(DPM)和DELMIA D5(QUEST)，其中QUEST是用于確認(rèn)可視化生產(chǎn)工藝流程決策是否滿足產(chǎn)品生產(chǎn)要求的強(qiáng)大的仿真開發(fā)和分析工具。它為工業(yè)設(shè)計(jì)工程師、制造工程師和管理人員提供了一個(gè)單一的協(xié)同環(huán)境，以在整個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中開發(fā)和確證最好的生產(chǎn)裝配工藝流程。通過QUEST 的仿真可以發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)裝配線布局規(guī)劃是否合理，是否有阻滯現(xiàn)象或閑置現(xiàn)象發(fā)生，并可以預(yù)先發(fā)現(xiàn)裝配物流系統(tǒng)的不足，提前做出修正，改善設(shè)計(jì)，減少風(fēng)險(xiǎn)與成本，使數(shù)字工廠效益最大化。

　　2 產(chǎn)品裝配線的對象建模

　　根據(jù)產(chǎn)品裝配線的層次結(jié)構(gòu)關(guān)系，從裝配線類中派生出物理設(shè)備類、工藝類、邏輯控制類。物理設(shè)備類對應(yīng)現(xiàn)實(shí)裝配線中有形的實(shí)體，如裝配設(shè)備、物流設(shè)備等;工藝類在現(xiàn)實(shí)裝配線中沒有有形的實(shí)體對應(yīng)，僅包括諸如循環(huán)工藝、裝載工藝、卸載工藝、生產(chǎn)計(jì)劃和任務(wù)等工藝內(nèi)容;邏輯控制類描述對象間的邏輯關(guān)系，如AGV控制邏輯、Labor控制邏輯、傳送帶控制邏輯等。

　　2.1 虛擬裝配線系統(tǒng)的物理建模

　　裝配線虛擬物理建模針對裝配線上所有設(shè)備的三維幾何建模，以使虛擬環(huán)境中的裝配線模型能與現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)線的有形實(shí)體相符或相近，便于可重組裝配線的布局優(yōu)化設(shè)計(jì)。虛擬物理模型的生產(chǎn)資源包括機(jī)床、原料站(Source)、緩沖站(Buffer)、卸料(倉儲)站(Sink)、自動(dòng)導(dǎo)向小車(AGV)、工人(Labor)及裝卸機(jī)器等生產(chǎn)資源。物理設(shè)備類按其層次結(jié)構(gòu)關(guān)系將其派生出加工設(shè)備類、物流設(shè)備類、檢測輔助設(shè)備類[2]。

　　加工設(shè)備主要是指完成一種或多種加工工藝的設(shè)備。加工設(shè)備類除了繼承物理設(shè)備類的物理、過程、功能、狀態(tài)屬性等基本屬性外，其物理屬性還包括設(shè)備標(biāo)識、設(shè)備規(guī)格、失效率、修復(fù)率等，其過程屬性還包括設(shè)備利用率等。如圖1所示為系統(tǒng)提供的一些加工設(shè)備。

　　物流設(shè)備負(fù)責(zé)設(shè)備間工件物料的運(yùn)輸和存儲，如AGV、傳送帶、懸掛鏈、機(jī)器人、倉儲設(shè)備(Source, Sink, Buffer)等。完成傳送工件和搬運(yùn)物料的工人(Labor)也可以抽象地看待為物流設(shè)備。用物流設(shè)備類來描述實(shí)現(xiàn)物料和工件運(yùn)輸功能的設(shè)備或工人的屬性與方法，在重組對象的實(shí)現(xiàn)過程中，主要描述物流設(shè)備的重組時(shí)間、成本、利用率、工件運(yùn)送時(shí)間等。物流設(shè)備又可派生出AGV類、傳送帶類、機(jī)器人類、倉儲類。

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　　圖1 系統(tǒng)提供的機(jī)床模型庫

　　檢測輔助設(shè)備主要完成檢測等工作，以輔助加工工藝的順利進(jìn)行。如外圓跳動(dòng)儀、銷孔跳動(dòng)儀、探傷儀、卡尺等。根據(jù)檢測項(xiàng)目的不同，輔助設(shè)備類派生出量具類、粗糙度測量類、傳感器類等類。在裝配線上，輔助加工的檢測設(shè)備比較少，所以檢測輔助設(shè)備類主要針對那些檢測零部件裝配質(zhì)量的設(shè)備。比如檢測裝配螺釘?shù)牧Χ却笮?，檢測零部件的裝配誤差大小，檢測箱體裝配氣密性等方面的設(shè)備。

　　2.2 虛擬裝配線系統(tǒng)的工藝建模

　　為了描述裝配過程中工藝方面的知識，用工藝類作為工藝建模的基類，其屬性包括標(biāo)識、名稱、工藝內(nèi)容;行為方法有:工時(shí)計(jì)算、利用率計(jì)算等，可派生出工序類、生產(chǎn)計(jì)劃類、生產(chǎn)安排類、工藝規(guī)程類等。

　　工序類的屬性有工序標(biāo)識、名稱、內(nèi)容、工序優(yōu)先級、裝配工件數(shù)量、需求工人數(shù)量、需求AGV數(shù)量、需求加工設(shè)備數(shù)量、平均循環(huán)裝配時(shí)間、循環(huán)裝配時(shí)間分布等。其行為方法包括定義工件優(yōu)先級、定義工藝邏輯順序、設(shè)備選擇、工時(shí)計(jì)算、輔助工序安排等。根據(jù)工藝的分類，將工藝類分為初始運(yùn)行工藝類、裝載工藝類、循環(huán)裝配工藝類、卸載工藝類、維修工藝類等[3,4]。

　　生產(chǎn)安排類的屬性包括標(biāo)識、名稱、生產(chǎn)安排描述、班次數(shù)量、換班時(shí)間、準(zhǔn)備終結(jié)時(shí)間等。其行為方法有班次安排、單件工件準(zhǔn)備終結(jié)時(shí)間計(jì)算、關(guān)聯(lián)班次安排所需的設(shè)備等。

　　生產(chǎn)計(jì)劃類的屬性有標(biāo)識、名稱、內(nèi)容、生產(chǎn)計(jì)劃描述、產(chǎn)量、交貨期、成本。生產(chǎn)計(jì)劃類的行為方法有生產(chǎn)節(jié)拍計(jì)算。

　　工藝規(guī)程類的屬性包括:標(biāo)識、名稱、裝配流程編碼、成本、產(chǎn)量、重組時(shí)間、可用度。行為方法有設(shè)備選擇、工藝參數(shù)選擇、緩沖站選擇、工人選擇、設(shè)備利用率計(jì)算等。對于加工工藝參數(shù)類的屬性包括標(biāo)識、名稱、主軸轉(zhuǎn)速、橫向進(jìn)給速度、縱向進(jìn)給速度、切削深度[5]。

　　2.3 虛擬裝配線系統(tǒng)的邏輯建模

　　邏輯控制完成生產(chǎn)資源的選擇和調(diào)度等功能，用邏輯控制類抽象描述發(fā)生在特定時(shí)間不同資源對象交互活動(dòng)的決策行為。邏輯控制類的屬性有控制器標(biāo)識、控制對象數(shù)量、邏輯運(yùn)行優(yōu)先級。邏輯控制類的行為方法包括定義初始化邏輯、加工邏輯、工件路由邏輯、資源選擇邏輯等邏輯模式。各邏輯模式的含義表1所示，邏輯控制類的層次結(jié)構(gòu)關(guān)系如圖2所示。

　　其中，加工工藝邏輯主要用于定義加工工藝對象(或裝配工藝對象)的先后順序、工藝對象處理的比例關(guān)系等。路由邏輯主要用于定義工件選擇路由下端對象的方式。隊(duì)列邏輯主要用于定義排隊(duì)方式等。設(shè)備邏輯主要用在裝配線裝載工件、加工(或裝配)工件、卸載工件時(shí)，設(shè)備需要完成的判斷與決策。AGV/Labor控制邏輯是生產(chǎn)資源(如設(shè)備)在選擇AGV/Labor時(shí)，AGV/Labor控制器向AGV/Labor發(fā)出的邏輯判斷指令。另外，QUEST軟件中的懸掛鏈(POWER AND FREE,簡稱PNF)系統(tǒng)邏輯模型或邏輯事件同AGV/Labor控制器邏輯模型。

　　表1 邏輯模式的含義

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　　圖2 邏輯控制類層次結(jié)構(gòu)圖

　　3 變速器虛擬裝配線仿真環(huán)境搭建

　　3.1 變速器虛擬裝配模型的建立與轉(zhuǎn)化

　　本文以某汽車廠的變速器裝配線為原型，對裝配線的建模、規(guī)劃仿真與仿真優(yōu)化實(shí)現(xiàn)過程進(jìn)行了研究。由于QUEST軟件是在全三維環(huán)境下進(jìn)行仿真的，所以對于變速器裝配線的虛擬裝配仿真中，除了必需的車間裝配設(shè)備、物流設(shè)備、輔助設(shè)備之外，必須提供裝配中所需的所有零部件的三維模型，即變速器的所有零部件的數(shù)字化模型。

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　　圖3 變速器箱體模型

　　變速器模型的建立可以采用多種三維建模軟件進(jìn)行，如PRO/E、UG、CATIA等等均可，但最終仿真是在DELMIA/QUEST軟件環(huán)境下進(jìn)行，所以前期所建立的三維模型必須轉(zhuǎn)化到DELMIA/QUEST軟件環(huán)境下，QUEST提供了多種數(shù)據(jù)輸入的格式，如IGES、VRML、STL、ACAD、VDA、PRO等等，其中它可以直接和PRO/E軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化，只要按照規(guī)定的參數(shù)設(shè)置設(shè)定好兩者的轉(zhuǎn)換通道即可，這樣就可以直接在QUEST軟件環(huán)境下讀取PRO/E的.prt格式文件了，然后保存為QUEST軟件下的模型格式即可。如圖3、圖4所示即為轉(zhuǎn)化到QUEST自定義模型庫中的變速器零部件模型庫。

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　　圖4 變速器部分裝配模型

　　3.2 變速箱虛擬裝配線車間的整體規(guī)劃

　　要實(shí)現(xiàn)一條虛擬裝配線的仿真運(yùn)行，必須按照實(shí)際變速器裝配線的裝配工藝來規(guī)劃裝配線布置和安排虛擬車間環(huán)境，首先要做的就是理順變速器裝配線的實(shí)際裝配工藝流程，嚴(yán)格按照或基本嚴(yán)格按照裝配線的裝配序列來規(guī)劃虛擬裝配線。如圖5所示為變速器裝配的基本樹形結(jié)構(gòu)圖。

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　　圖5 變速器總成裝配層次結(jié)構(gòu)

　　變速器箱體內(nèi)零部件中主要由一軸部裝總成、二軸部裝總成、中間軸部裝總成和移動(dòng)軸部裝總成組成，然后在變速器的總裝線上實(shí)現(xiàn)總裝。

　　實(shí)際變速器裝配線中的零部件較多，裝配工序繁瑣，如果完全按照實(shí)際變速器裝配線工序個(gè)數(shù)來由下而上規(guī)劃和安排虛擬裝配線流程的話，勢必是一個(gè)非常龐大的虛擬裝配線仿真流程，這樣對我們仿真中所需電腦硬件要求將是非常的高，本文以二軸部裝的裝配線為例來說明變速器虛擬裝配線的仿真規(guī)劃。

　　3.3 二軸子裝配線的虛擬裝配環(huán)境規(guī)劃

　　二軸部裝主要完成如下裝配：二軸一檔齒輪總成、一二檔同步器總成和滾針軸承裝配、一二檔齒轂卡簧和二軸二檔齒輪總成、一二三檔同步器齒環(huán)和三四檔同步器總成裝配、三檔襯套裝配、二軸倒檔齒輪總成、五倒檔同步器齒環(huán)裝配、滾針軸承裝配、齒轂卡簧裝配、五倒檔同步器總成、二軸五檔齒輪總成裝配等。

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　　圖6 二軸部裝作業(yè)區(qū)場景

　　為了實(shí)現(xiàn)二軸部裝，這里在總體不影響仿真結(jié)果情況下，進(jìn)行簡化處理,首先由2個(gè)工人(Labor)完成由傳送帶輸送來零件的卸料工作，將零件分類放置在3個(gè)緩沖站(Buffer)上，再由另外的裝配工人按照裝配工藝從緩沖站上拿取零件，同時(shí)配上裝配所需的另外零件(不需要經(jīng)過清洗烘干處理的一些零件，如標(biāo)準(zhǔn)件、卡簧等)，放置在部裝工作臺上完成二軸的前期部裝，之后由另外工人在專業(yè)裝配機(jī)床上進(jìn)行壓裝操作，并完成一軸和二軸的總成，完成后的二軸部裝作業(yè)區(qū)場景規(guī)劃，如圖6所示。

　　車間中模型元件的連接為：懸掛鏈卸料關(guān)鍵點(diǎn)——傳送帶——3個(gè)緩沖站——裝配工作臺——緩沖站——壓裝機(jī)床——下游傳送帶，其中裝配工作臺有4個(gè)輸入連接元件(Input Element)，即其上游的4個(gè)零件緩沖站，壓裝機(jī)床有2個(gè)輸入連接元件(Input Element)，即其上游的2個(gè)零部件的緩沖站。為了保證裝配仿真一開始，裝配工人就開始同步工作，這里所有緩沖站都分別設(shè)置了一定數(shù)量的工件原始庫存(Part Initial Stock)，并給緩沖站配置了一定的緩沖容量(Part Capaticy)，利于后續(xù)的裝配線平衡的調(diào)整。

　　除了上述物理模型的規(guī)劃布置外，還有零部件的擺放位姿、工人拿取工件的位姿、工人的行走路徑的規(guī)劃與調(diào)整。特別是工人的行走路徑，因?yàn)橛行┠Ｐ驮瑫r(shí)設(shè)置了2個(gè)或2個(gè)以上的工人站立點(diǎn)，而同一個(gè)模型元件又有多個(gè)工人參與工作，如傳送帶輸送過來的清潔零件就有2個(gè)工人來負(fù)責(zé)卸料，而每個(gè)工人又將各自搬運(yùn)的工件放置于不同的緩沖站，其中一個(gè)工人要同時(shí)負(fù)責(zé)2個(gè)緩沖站工件的上料工作，所以類似這樣較為復(fù)雜的任務(wù)分配，工人的行走路徑就很可能重疊交叉，這樣就可能造成仿真過程中人員模型的重疊交叉，這是不符合現(xiàn)實(shí)要求的，所以，這里要特別注意工人路徑的布置與調(diào)整。

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　　圖7 二軸部裝作業(yè)區(qū)內(nèi)車間工人路徑規(guī)劃圖

　　另外，還要對工人站立的每一個(gè)起始點(diǎn)的工人方位(lbr_pts)重新設(shè)置，使得每一個(gè)工人都有正確的站立方位，如工人到傳送帶搬運(yùn)工件時(shí)必須面對傳送帶零件才對，工人在緩沖站卸料時(shí)必須面對各自的緩沖站等等。圖7所示為二軸部裝作業(yè)區(qū)內(nèi)車間工人路徑規(guī)劃圖。

　　4 變速器虛擬裝配線的仿真優(yōu)化

　　4.1 運(yùn)用DELMIA/QUEST軟件對變速器裝配線進(jìn)行仿真

　　在搭建好變速器虛擬裝配線的所有物理模型后，根據(jù)裝配工藝要求定義各自的仿真模型參數(shù)和邏輯事件(略)。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行裝配線仿真。仿真的初始參數(shù)有：前后箱體的原料站(Source)按照55S節(jié)拍供應(yīng)工件，2個(gè)清洗烘干作業(yè)區(qū)的所有原料站(Source)都按照38S的節(jié)拍供應(yīng)要清洗烘干的工件，變速器總裝線旁的其他原料站按照55S速率提供工件，總裝線上每個(gè)工位工人按照8S的裝配節(jié)拍進(jìn)行裝配，定義仿真時(shí)間為2000S。

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　　圖8 變速器裝配車間仿真2000S時(shí)總裝線場景一側(cè)

　　當(dāng)仿真2000S結(jié)束時(shí)，得出了如圖8所示的裝配線仿真車間的現(xiàn)場截圖，從裝配線車間的不同作業(yè)區(qū)來看仿真2000S的結(jié)果，可以很直觀的看到，幾乎每個(gè)工件緩沖站(Buffer)都堆積了大量零件，達(dá)到了各自緩沖站的緩沖容量，運(yùn)送零件的傳送帶上也有不少零件堆積，物流已經(jīng)被阻塞，特別是在清洗作業(yè)區(qū)的傳送帶和緩沖站上更是嚴(yán)重，工件已經(jīng)完成充滿了傳送帶，二軸和中間軸部裝作業(yè)區(qū)的工人無法休息，處于繁忙(Busy)狀態(tài)。

　　另從裝配線系統(tǒng)機(jī)床設(shè)備利用率直方圖也能看到裝配線系統(tǒng)中各個(gè)機(jī)床設(shè)備利用率是很不平衡的，是有待優(yōu)化和調(diào)整的。

　　4.2 對變速器虛擬裝配線進(jìn)行仿真優(yōu)化

　　為了更好的發(fā)揮裝配線的生產(chǎn)能力，消除瓶頸問題和裝配線不平衡問題，我們必須對前期搭建的裝配線仿真模型進(jìn)行優(yōu)化。從前面的仿真數(shù)據(jù)分析中我們可以看出，裝配線系統(tǒng)中的原料站提供各自工件的節(jié)拍不一致，二軸部裝作業(yè)區(qū)的裝配效率偏低，導(dǎo)致其上游零件供應(yīng)的大量集壓而阻塞了傳送帶等物料運(yùn)送系統(tǒng)，并同時(shí)導(dǎo)致其對下游總裝線供應(yīng)零部件的速率緩慢，使得總裝線上其他零部件的大批積壓，阻塞緩沖站和其他物流系統(tǒng)，最終導(dǎo)致變速器裝配線系統(tǒng)的不平衡和機(jī)床、工人等仿真模型的忙閑度差異過大和利用率差異過大的生產(chǎn)線不平衡現(xiàn)象。

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　　圖9 調(diào)整后裝配線仿真1小時(shí)場景

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　　圖10 調(diào)整后裝配線仿真8小時(shí)場景

　　經(jīng)過反復(fù)運(yùn)行仿真模型與調(diào)整，確定把總裝線上的生產(chǎn)節(jié)拍控制在92S～96S范圍內(nèi)，生產(chǎn)線可獲得比較理想的平衡狀態(tài)。系統(tǒng)分別對裝配線進(jìn)行了1800S(半小時(shí))、3600S(一小時(shí))、14400S(4小時(shí))和28800S(8小時(shí)，一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)工作日)仿真后均發(fā)現(xiàn)裝配線上沒有了零部件的過渡滯留、阻塞物流運(yùn)送系統(tǒng)、充滿緩沖站等不良現(xiàn)象發(fā)生。裝配線仿真現(xiàn)場情景分別如圖9、圖10所示。從虛擬裝配線場景中可以看出，在仿真8小時(shí)(28800S)結(jié)束時(shí)，不管是總裝線還是部裝作業(yè)區(qū)，在零部件的物料運(yùn)送系統(tǒng)中沒有出現(xiàn)阻塞現(xiàn)象，緩沖站中只有少數(shù)零部件處于緩沖狀態(tài)，即正常工作狀態(tài)，傳送帶上也沒有出現(xiàn)零部件阻塞現(xiàn)象，即裝配線的物流系統(tǒng)處于順暢狀態(tài)。

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　　圖11 裝配線機(jī)床設(shè)備利用率情況直方圖

　　為了能更好說明裝配線狀況，系統(tǒng)輸出了仿真結(jié)果統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。用直方圖分別表示裝配線中機(jī)床設(shè)備利用率、操作工人利用率和總裝線AGV利用率情況。其中圖11所示為裝配線機(jī)床設(shè)備利用率情況直方圖，對比優(yōu)化前裝配線機(jī)床利用率情況，可以清晰的看出裝配線優(yōu)化調(diào)整后，機(jī)床的利用率基本一致，而優(yōu)化前的結(jié)果則是機(jī)床利用率差別很大。同時(shí)，改進(jìn)后的裝配線操作工人的忙閑程度有了很大改善，忙閑差別縮小，整體上趨于平衡;變速器總裝線上的AGV利用率幾乎一樣，這也說明了經(jīng)過調(diào)整后的裝配線整體上是基本平衡的。

　　5 結(jié)語

　　以變速器裝配線的虛擬裝配工藝流程仿真為主線，在三維數(shù)字化工廠仿真軟件DELMIA/QUEST中就變速器虛擬裝配線對象建模方法、裝配工藝仿真環(huán)境的規(guī)劃和搭建進(jìn)行了研究，分析了裝配線中存在的瓶頸、不平衡、物流運(yùn)送不順暢等裝配線問題，并結(jié)合實(shí)際仿真數(shù)據(jù)對裝配線的規(guī)劃進(jìn)行了優(yōu)化和調(diào)整，得出了較優(yōu)的裝配線平衡和優(yōu)化方案，達(dá)到了較為理想的裝配線運(yùn)行狀態(tài)。