1.引言
生產(chǎn)線的設計和診斷是最優(yōu)生產(chǎn)中的關鍵技術問題之一[1]，如何有效地判斷各種參數(shù)的合理性、快速診斷出瓶頸工序是合理制定作業(yè)計劃、優(yōu)化設備資源的關鍵問題之一。傳統(tǒng)的診斷方法是基于理論計算和實際運行后的數(shù)據(jù)來判斷的，其缺點為準確性差，不直觀，易浪費資源。
VMT技術借助計算機技術和仿真技術，從產(chǎn)品設計初期就可實時、并行地對產(chǎn)品制造過程進行建模和仿真，以檢查產(chǎn)品的可加工性和設計合理性，從而可及時地修改設計，更靈活有效地組織生產(chǎn)。將VMT技術用于生產(chǎn)線的設計過程，進行生產(chǎn)線的診斷分析，能彌補傳統(tǒng)診斷方式的不足。
2.診斷設計內容
生產(chǎn)線設計分為全新的生產(chǎn)線設計和已有生產(chǎn)線的再設計兩部分內容[2]，按傳統(tǒng)的診斷方法區(qū)分，生產(chǎn)線診斷分析也應該包含兩部分內容:新生產(chǎn)線的參數(shù)優(yōu)化和已投產(chǎn)生產(chǎn)線的重組設計，但在VMT技術的支持下，對兩種形式的生產(chǎn)線都可進行統(tǒng)一建模和仿真，并能快速實現(xiàn)各種參數(shù)的診斷分析，其診斷分析的主要內容如下。
(1)在虛擬現(xiàn)實環(huán)境中規(guī)劃系統(tǒng)
生產(chǎn)線系統(tǒng)的規(guī)劃前提是:生產(chǎn)計劃和零件的加工工藝內容。根據(jù)生產(chǎn)綱領確定生產(chǎn)節(jié)拍；通過對工序的優(yōu)化，合理選擇機床及其他設備，并根據(jù)現(xiàn)場空間狀況，初步實現(xiàn)生產(chǎn)線的布局方案，實現(xiàn)系統(tǒng)的初步規(guī)劃。
(2)診斷生產(chǎn)線的生產(chǎn)能力和生產(chǎn)管理方式
在虛擬現(xiàn)實環(huán)境中，診斷生產(chǎn)線是否能夠在所設計的條件下滿足生產(chǎn)能力，確定生產(chǎn)管理方式是否合理，如果不能滿足，可優(yōu)化工藝參數(shù)，或者修改生產(chǎn)綱領及換班方式等參數(shù)。
(3)診斷設備系統(tǒng)
診斷機床加工參數(shù)、加工順序、裝夾和定位方式的合理性；可考慮系統(tǒng)隨機因素對生產(chǎn)任務的影響，例如，可診斷生產(chǎn)線上各設備的故障率、在線和離線狀況下故障修復時間、頻率及成本、在線和離線狀況下防護性保養(yǎng)的時間、頻率和成本對生產(chǎn)任務的影響。
(4)診斷物流系統(tǒng)
仿真運行時，可診斷傳送帶尺寸和速度的合理性、診斷機械手路徑的合理性、驗證AGV、機械手等物流運送設備的數(shù)量及任務分配的合理性。
(5)診斷庫存容量和緩沖站容量
可在仿真的條件下，診斷倉庫容量的合理性，診斷緩沖站的警戒量及緩沖站設置數(shù)量是否合理。
(6)診斷人力資源
通過仿真運行，診斷生產(chǎn)線上工人數(shù)量及工人看管設備數(shù)量的合理性，優(yōu)化工人的行走速度和工作路線，診斷換班方式的合理性。
(7)診斷控制系統(tǒng)
診斷控制系統(tǒng)指令是否正確，診斷控制系統(tǒng)的精度和實時響應速度的合理性，診斷控制系統(tǒng)接口的合理性。
(8)診斷生產(chǎn)線的平衡性
生產(chǎn)線平衡性受生產(chǎn)線上各種隨機因素影響，可在各種假設的條件下，診斷隨機因素對平衡性的影響，尤其是診斷各工序的節(jié)拍時間、各設備的利用率和工人工時利用率對平衡性的影響；診斷瓶頸工序，并通過優(yōu)化相關參數(shù)以減少瓶頸工序對生產(chǎn)任務的影響。
3.診斷設計流程
生產(chǎn)線診斷流程如圖1所示，其可描述為:基于工藝規(guī)程和生產(chǎn)計劃等相關數(shù)據(jù)，在虛擬現(xiàn)實環(huán)境中，完成生產(chǎn)線虛擬現(xiàn)實建模及系統(tǒng)布局規(guī)劃，設置仿真時間實現(xiàn)生產(chǎn)線的虛擬現(xiàn)實仿真，基于仿真結果診斷生產(chǎn)線各種參數(shù)的合理性，同時通過優(yōu)化相關參數(shù)進行生產(chǎn)線調整，實現(xiàn)生產(chǎn)線的重組設計，以得到最優(yōu)的生產(chǎn)線設計方案[3，4]。
(1)生產(chǎn)線虛擬建模
在可視化的虛擬現(xiàn)實環(huán)境中建立現(xiàn)實生產(chǎn)線的資源模型和系統(tǒng)布局，真實顯示生產(chǎn)線的現(xiàn)實狀況。其涉及的主要內容為生產(chǎn)線的虛擬建模，它包括虛擬設備建模、虛擬工藝建模、虛擬控制建模和虛擬布局。
圖1 診斷流程
虛擬設備建模:在虛擬的環(huán)境中，建立機床、上料站、緩沖站、卸料(倉儲)站、自動導向小車(AGV)、工人及裝卸機器手等資源的虛擬模型。
虛擬工藝建模:建立初始運行工藝、加工工藝、裝夾工藝、拆卸工藝、工件路由路徑等工藝的虛擬模型。
虛擬控制建模:建立AGV控制器和工人控制器的調度策略虛擬模型，建立控制系統(tǒng)指令等虛擬模型。
虛擬現(xiàn)實布局規(guī)劃:在虛擬環(huán)境中建立生產(chǎn)線的多種生產(chǎn)線布局方案。
(2)運行仿真
建模完畢后，設置仿真時間，即可仿真運行，以得到各種參數(shù)數(shù)據(jù)，如機床、AGV和工人工時利用率、產(chǎn)品產(chǎn)量、加工節(jié)拍、加工成本等，其仿真結果以多媒體、圖表和文本等形式輸出。在仿真的過程中，可通過相關的虛擬硬件設備，產(chǎn)生臨境逼真的三維沉浸感，以實施虛擬交互功能。
(3)診斷評價及優(yōu)化
基于仿真結果和評價體系，可快速診斷生產(chǎn)線的瓶頸工序，并優(yōu)化生產(chǎn)線的各種參數(shù)，包括設備數(shù)量、緩沖站數(shù)量、緩沖站工件的警戒量、工人人數(shù)及其看管設備的數(shù)量、AGV及工人的運行速度、換班方式、生產(chǎn)節(jié)拍、成本、生產(chǎn)能力、運行方式等。一旦獲得的設計方案不滿足各種約束條件，可以反饋到虛擬建模和虛擬布局環(huán)節(jié)，重新確定各種參數(shù)或連接方式。如果還不能滿足，甚至可反饋到工藝設計和生產(chǎn)計劃環(huán)節(jié)，重新調整工藝規(guī)程和生產(chǎn)計劃安排，直到獲得適合工廠實際條件的生產(chǎn)線組織形式。
4.應用實例
基于VMT的生產(chǎn)線診斷方法，以某企業(yè)一條已投產(chǎn)的生產(chǎn)線為例，診斷分析其瓶頸工序。
4.1.生產(chǎn)線虛擬模型
以某企業(yè)一條已投產(chǎn)的精加工生產(chǎn)線設計為例，分析其瓶頸工序。其中生產(chǎn)線設計的基礎工藝數(shù)據(jù)如表1所示。生產(chǎn)線不存在瓶頸工序的評價條件:①生產(chǎn)節(jié)拍不大于50秒；月生產(chǎn)能力不小于11000件；②各緩沖站中的積壓工件不大于30個/班；③工人不超過11人，設備不多于16臺。
基于工藝規(guī)劃和生產(chǎn)計劃等內容，建立該線的虛擬設備模型、虛擬工藝模型、虛擬控制模型和虛擬布局，其虛擬模型如圖2，其中設備包括零件上料站和卸料站各1臺，機床16臺(分別標記為:M1，M……M16)，緩沖站11個(B1，B2……B11)，工人1人(L1，L2……L11)。工件的流動方向是由粗加工到精加工。經(jīng)過系統(tǒng)布局，可知該生產(chǎn)線占地面積約為128M2。
表1 基礎工藝數(shù)據(jù)
圖2 生產(chǎn)線布局
4.2.瓶頸工序的診斷
瓶頸工序的診斷途徑有:可視化的仿真圖形、參數(shù)資料等方面，其中參數(shù)資料包括:生產(chǎn)線各工序節(jié)拍、機床的利用率和工人的利用率等方面。
(1)可視化的仿真圖形
當模型建立完畢后，可以設置不同的時間進行虛擬現(xiàn)實仿真，本文的仿真時間分別設置為1個班(8 0小時)和1周(40小時)，其仿真結果分別如圖3和圖4。
圖3 仿真時間為1個班的結果
圖4 仿真時間為1周的結果
由圖3和圖4可知:經(jīng)過較長時間仿真后，各緩沖站內的零件堆積數(shù)量可直觀地顯示出來，具體各緩沖站內工件堆積量如表2所示，B5、B6及B11的工件堆積數(shù)量較多，根據(jù)工廠現(xiàn)場的衡量標準，B5和B11前的工序為瓶頸工序，即P6、P7和P14為瓶頸工序。
如果只通過調整瓶頸工序的工藝參數(shù)來改善瓶頸癥狀有可能引發(fā)新的瓶頸工序，因此有必要對生產(chǎn)線節(jié)拍的實際值、機床利用率和工人工時利用率等數(shù)據(jù)進行分析，為生產(chǎn)線重組設計提供依據(jù)。
表2 不同仿真時間下各個緩沖站中積壓的工件數(shù)量
(2)參數(shù)數(shù)據(jù)
生產(chǎn)線節(jié)拍分析 根據(jù)工件產(chǎn)量與時間的關系，可計算該生產(chǎn)線的生產(chǎn)節(jié)拍實際值，圖5表示工件產(chǎn)量與仿真時間基本成正比關系，生產(chǎn)節(jié)拍也隨仿真時間的增加而逐漸趨于穩(wěn)定，其基本穩(wěn)定在45 24秒。利用該值可計算與各個工序時間之間的差值，從而可診斷瓶頸工序和生產(chǎn)線的平衡性。
圖5 仿真時間與生產(chǎn)節(jié)拍的關系
圖6 生產(chǎn)線平衡性曲線
圖6表示生產(chǎn)線平衡性的趨勢曲線，可知:
①工人L4、L5、L10的工人產(chǎn)量有突變，可知其后續(xù)緩沖站內有零件積壓，即B5、B6、B11內有工件積壓。
②各個工人的單件工時也有差別，其中L4～L6、L10～L11間段突變較大，而L4的工序時間與生產(chǎn)節(jié)拍實際值之間的差值Δt為4 84秒，表明L5負責的兩道工序P6、P7是全線最突出的瓶頸工序。
機床利用率和工人工時利用率分析 機床利用率的高低反映工件在機床上駐留時間的長短，工人工時利用率的高低反映該工序需要工人操作的時間長短，因此機床利用率和工人工時利用率數(shù)據(jù)不但可提供其負荷狀況以診斷瓶頸工序，而且也是生產(chǎn)線參數(shù)調整和優(yōu)化的數(shù)據(jù)基礎。表3為不同時間下機床的利用率和工人工時利用率。
表3 機床利用率和工人工時利用率
由表3可知:M1、M2、M7、M8、M9、M10、M16、L1、L5、L6、L11的利用率隨時間的變化不大，基本處于穩(wěn)態(tài)過程，表明這些機床和工人在各個時間段的工況情況一致，變化不大，其前道工序一直都有工件供應，不存在工序饑餓狀況；而其他的機床和工人都有趨向穩(wěn)態(tài)的過程，即:仿真初期，預置工件量對其利用率有較大的影響，隨著仿真時間的增加，其影響逐漸減弱，從側面可以反應該工序機床和工人的工作狀況比較清閑，該工序前的緩沖站內幾乎不存在零件積壓。
M1、M2的機床利用率較高，而工人L1的利用率只有13 66%，工人L1有盈力看管其他工序設備(如M5)；M7、M8、L5，M9、M10、L6的利用率都較高，表明工序P6、P7、P8、P9的機床和工人工況比較忙碌，工作較為緊張，屬于瓶頸工序，應該屬于調整范疇，以減低工人的勞動強度；M13、L8、M14、L9的利用率略為偏低，而機床M15的利用率和工人L10的利用率都較低，應從設備和人員兩方面調整工序P13:對設備而言，可考慮將該工序與其他工序設備進行合并，重組成新的組合機床；對工人而言，可考慮與其他工序工人進行合并。P14的機床M16利用率較高，但是工人L11的利用率較低，表明工件在該工序機床上的停留時間較長，但工人較為空閑，應考慮與其他工序工人進行合并，以達到減少工人的目的。
經(jīng)上述分析確定了工序P6、P7、P8、P9、P14為瓶頸工序，同時對生產(chǎn)線重組方案進行了診斷分析。
4.3.調整后的仿真結果
重組設計應該從以下方面進行調整和優(yōu)化。
①重新布置生產(chǎn)線，進行生產(chǎn)線人員優(yōu)化和調整，讓工人合理地看管一定數(shù)量的設備。
②重組工藝，進行全線工藝參數(shù)優(yōu)化和調整。這些參數(shù)包括:生產(chǎn)計劃與管理、班組管理、工人素質、切削參數(shù)。其中，最重要的應該是調整切削參數(shù)。
③重組設備，其前提是在加工工藝確定的前提條件下，組合工藝，對設備進行改造，實現(xiàn)組合機床功能。
在表1的設計數(shù)據(jù)基礎上，根據(jù)工廠的現(xiàn)場條件和M7、M8、M9、M10、M16加工能力，本實例生產(chǎn)線著重調整機床的工藝參數(shù)，使工序時間更為合理。其調整后的機加工時間分別為:33 2秒、33 2秒、33 6秒、33 8秒、34 3秒；由L10同時看管M15和M16兩臺機床，除去L11和B11，并調整L5、L6、L11的行走速度，使他們行走速度由800MM/s提高為1000MM/s。
圖7 生產(chǎn)線重組后的仿真結果
設置仿真時間仍為1個班，其仿真結果如圖7，由圖可知:B5、B6、B10的積壓工件量分別為12、12、10件/班，其班產(chǎn)量為569件，全線生產(chǎn)節(jié)拍約為41 2秒左右，其調整結果滿足工廠生產(chǎn)線均衡性要求。雖然該調整方案并不是最優(yōu)，但是已經(jīng)可以充分滿足工廠的實際需求，而且該生產(chǎn)線經(jīng)過虛擬診斷后的重組調整時間較快，成本較低。
5.結語
提出了基于VMT的生產(chǎn)線診斷方法，詳細討論了其設計內容和設計流程。該方法基于虛擬現(xiàn)實制造技術，可指導生產(chǎn)線資源的統(tǒng)一建模，并可動態(tài)仿真生產(chǎn)線的實際運行狀態(tài)，以診斷生產(chǎn)線各種參數(shù)設計的合理性。將該方法用于分析某企業(yè)一已投產(chǎn)的生產(chǎn)線，建立了其虛擬現(xiàn)實模型，通過可視化圖形和參數(shù)數(shù)據(jù)兩種方式快速診斷了瓶頸工序，并基于瓶頸工序的分析，快速實現(xiàn)了生產(chǎn)線的重組設計。該診斷方法快速方便，節(jié)約資源，成本較低，而且考慮了系統(tǒng)隨機、動態(tài)因素對生產(chǎn)任務的影響，診斷結果切實可信。
