基于VRML的鋸片車間物流仿真優(yōu)化研究

杜寶江，杜秋雨，倪佳偉，王衍昊

(上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海200093)

基于VRML的鋸片車間物流仿真優(yōu)化研究

杜寶江，杜秋雨，倪佳偉，王衍昊

(上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海200093)

通過(guò)對(duì)某鋸片車間的實(shí)際狀況進(jìn)行分析，針對(duì)車間設(shè)備布局無(wú)法大幅度調(diào)整問(wèn)題，提出合理的改進(jìn)方案。采用VRML虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)搭建虛擬車間，對(duì)車間設(shè)備進(jìn)行動(dòng)態(tài)布局，利用組件式建模方法構(gòu)建車間生產(chǎn)線作業(yè)場(chǎng)景，結(jié)合VRML仿真技術(shù)模擬生產(chǎn)物流路徑，針對(duì)車間鋸片的生產(chǎn)節(jié)拍平衡計(jì)算，發(fā)現(xiàn)鋸片車間各個(gè)作業(yè)區(qū)的物流不平衡問(wèn)題，并針對(duì)作業(yè)區(qū)的不平衡現(xiàn)象進(jìn)行單獨(dú)分析，對(duì)鋸片車間物流設(shè)備做出適當(dāng)調(diào)整，進(jìn)而使整個(gè)車間達(dá)到物流最優(yōu)化。

VRML；動(dòng)態(tài)布局；物流優(yōu)化；生產(chǎn)節(jié)拍

隨著制造業(yè)智能化水平的提高，生產(chǎn)車間的物流設(shè)施布置對(duì)整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)具有較大影響。據(jù)相關(guān)資料顯示，在物料形成產(chǎn)品的總生產(chǎn)時(shí)間中，真正的加工時(shí)間只占10%～20%，其余時(shí)間消耗在物料運(yùn)輸和等待上，這嚴(yán)重影響了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益[1]。因此合理的物流規(guī)劃對(duì)車間物流設(shè)施布置有著重要的意義。

本文從應(yīng)用角度出發(fā)，利用計(jì)算機(jī)虛擬仿真技術(shù)(VRML)，對(duì)生產(chǎn)車間進(jìn)行組件式建模，這種方法不僅可以模擬車間布局，再現(xiàn)實(shí)際生產(chǎn)物流作業(yè)場(chǎng)景；還可以對(duì)產(chǎn)品生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)中工藝規(guī)劃進(jìn)行分析計(jì)算，找出生產(chǎn)環(huán)節(jié)中出現(xiàn)的瓶頸問(wèn)題，并進(jìn)行合理改進(jìn)[2]。目前，虛擬仿真技術(shù)在物流系統(tǒng)工程中應(yīng)用較廣，主要運(yùn)用包括：裝配仿真、加工模擬、車間布局和物流仿真等。

1 鋸片車間物流規(guī)劃

車間物流系統(tǒng)是加工制造環(huán)節(jié)與物流環(huán)節(jié)的有機(jī)結(jié)合，必須遵循車間內(nèi)部設(shè)備布局，使加工原料、產(chǎn)品、零配件等在車間內(nèi)部有序流動(dòng)。因此對(duì)車間物流仿真主要考慮以下幾個(gè)方面：(1)車間的加工設(shè)備和物流設(shè)備的布局對(duì)物料搬運(yùn)路線盡量短，避免交叉，使系統(tǒng)的搬運(yùn)總量最小化；(2)不同產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝流程對(duì)生產(chǎn)車間的設(shè)備布局也有著相對(duì)影響；(3)產(chǎn)品的生產(chǎn)節(jié)拍對(duì)物流設(shè)備等待時(shí)間與搬運(yùn)量的影響[3]。

所以，考慮到資源成本比較高，為了節(jié)約資本，本文以某集團(tuán)公司的鋸片生產(chǎn)車間為例，對(duì)其車間物流進(jìn)行分析，從車間的物流運(yùn)作模式和物流設(shè)備量以及各緩存區(qū)規(guī)劃等分析進(jìn)行計(jì)算，然后通過(guò)VRML仿真軟件進(jìn)行搭建虛擬車間，完成設(shè)備模型拖拽布局[4]，實(shí)現(xiàn)虛擬環(huán)境中車間生產(chǎn)線的動(dòng)態(tài)布局，最后得到最優(yōu)的物流方案。這樣不僅避免了傳統(tǒng)車間物流規(guī)劃的弊端，而且也解決了實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題。

2 基于VRML車間設(shè)備模型構(gòu)建

VRML (Virtual Reality Modeling Language)是采用計(jì)算機(jī)仿真與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，對(duì)虛擬環(huán)境中的三維數(shù)字化模型可進(jìn)行動(dòng)態(tài)布局，利用組件式建模方式將車間設(shè)備自身尺寸與其約束空間組合成單個(gè)模型[5]，減少在約束碰撞檢測(cè)中實(shí)時(shí)建立約束空間的數(shù)據(jù)量，為動(dòng)態(tài)布局建立基礎(chǔ)。組件式建模方法可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的工藝規(guī)劃過(guò)程，在工廠布局方面運(yùn)用廣泛。

在鋸片生產(chǎn)車間中，包括兩大類設(shè)備：(1)加工設(shè)備;(2)物流設(shè)備。加工設(shè)備主要包括加工機(jī)床及其刀具等，物流設(shè)備包括叉車、行車以及搬運(yùn)工人等[6]。這些模型主要分為動(dòng)態(tài)和靜態(tài)兩大類，其幾何模型構(gòu)建是通過(guò)CAD軟件完成。

2.1 靜態(tài)模型的建立

在虛擬規(guī)劃布局中，根據(jù)車間的平面圖紙，利用三維軟件進(jìn)行建模，本文選擇Solidworks作為基礎(chǔ)的模型構(gòu)建軟件，在建模時(shí)，不考慮模型的精度，通過(guò)組建模型的特征參數(shù)，最后把建立好的幾何模型導(dǎo)入VRML后，根據(jù)最大包圍盒原則，獲取模型的空間約束位置。其中設(shè)備靜態(tài)模型的構(gòu)建如圖1所示。

圖1 壓力機(jī)VR模型

2.2 動(dòng)態(tài)模型的建立

在虛擬環(huán)境中，動(dòng)態(tài)的設(shè)備模型可以形象逼真的模擬出真實(shí)的車間加工場(chǎng)景，直觀地反映出實(shí)際設(shè)備之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，通過(guò)傳感器和外界控制信息來(lái)控制模型的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，在VRML中添加位置插補(bǔ)器[7](Position Interpolator)和時(shí)間傳感器(Time Sensor)，將時(shí)間控制的參數(shù)作為事件傳送給位置插補(bǔ)器節(jié)點(diǎn)，插補(bǔ)器根據(jù)設(shè)計(jì)的時(shí)間關(guān)鍵點(diǎn)(Key)和動(dòng)畫關(guān)鍵值(Key Value)在瀏覽器中形成連續(xù)變化的動(dòng)畫效果。

2.3 車間虛擬場(chǎng)景搭建

虛擬車間是一個(gè)集成環(huán)境，虛擬設(shè)備模型是構(gòu)成虛擬車間的基礎(chǔ)元素，根據(jù)生產(chǎn)鋸片的工藝流程，確定設(shè)備布局的位置[8]，然后將構(gòu)建好的設(shè)備模型統(tǒng)一導(dǎo)入到虛擬車間模型中。在VMRL環(huán)境中，設(shè)備模型與車間虛擬場(chǎng)景分別擁有設(shè)備坐標(biāo)系(Equipment Coordinate System)和車間坐標(biāo)系(Workshop Coordinate System)，兩個(gè)坐標(biāo)系都遵循以X，Y，Z為軸的笛卡兒右手坐標(biāo)系。在默認(rèn)情況下，車間坐標(biāo)原點(diǎn)在屏幕的中心點(diǎn)上，X軸正方向向右，Y軸正方向向上，而Z軸坐標(biāo)垂直于屏幕朝向用戶。在設(shè)備坐標(biāo)系中，以設(shè)備自身模型一邊中點(diǎn)作為坐標(biāo)原點(diǎn)，而虛擬車間以車間中心點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，利用VRML中系統(tǒng)自動(dòng)響應(yīng)交互動(dòng)作，定義M為設(shè)備模型3個(gè)下標(biāo)的變量，來(lái)表示模型的移動(dòng)translation和旋轉(zhuǎn)rotation動(dòng)作變化[9],實(shí)現(xiàn)設(shè)備模型坐標(biāo)在虛擬車間的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)化，定義設(shè)備模型移動(dòng)數(shù)據(jù)M如下：

M=(1，0，0)模型沿著X正方向移動(dòng)一個(gè)單位；

M=(0，1，0)模型沿著Y軸旋轉(zhuǎn)一個(gè)單位；

M=(0，0，1)模型沿著Z正方向移動(dòng)一個(gè)單位；

這樣，通過(guò)鼠標(biāo)拖拽設(shè)備移動(dòng)引起M數(shù)值變化，同時(shí)將M值導(dǎo)入到場(chǎng)景中轉(zhuǎn)化為設(shè)備移動(dòng)或旋轉(zhuǎn)動(dòng)作實(shí)現(xiàn)設(shè)備模型在虛擬車間場(chǎng)景中的布局[10]。

2.4 車間設(shè)施布局

車間設(shè)施布局應(yīng)解決生產(chǎn)加工區(qū)、緩存區(qū)、物料堆放區(qū)等作業(yè)單元；解決設(shè)備與設(shè)備之間的相對(duì)位置、通道的橫向面積；同時(shí)解決物料搬運(yùn)流程及運(yùn)輸方式。車間設(shè)施布局應(yīng)遵循以下原則：

(1)符合工藝過(guò)程要求 鋸片生產(chǎn)過(guò)程中，每道工序的生產(chǎn)效率不同，時(shí)間定額不一致，所以盡量滿足各工序的生產(chǎn)平衡，充分利用設(shè)備產(chǎn)能，實(shí)訓(xùn)生產(chǎn)能力最大化；

(2)物流搬運(yùn)時(shí)間短 在滿足工藝流程的前提下，使得物流運(yùn)輸路徑方便快捷，盡量避免物料交叉搬運(yùn)與逆向流動(dòng)，做到物流運(yùn)輸時(shí)間最短；

(3)保持生產(chǎn)柔性 車間在制品暫存區(qū)、原料存放區(qū)、緩存區(qū)等作業(yè)單位適中，不宜過(guò)多、復(fù)雜[11]，以免造成加工混亂和空間的嚴(yán)重浪費(fèi)。

鋸片車間布局是鋸片加工過(guò)程中設(shè)備停放的相應(yīng)位置，在VRML環(huán)境中將鋸片車間中的各個(gè)模型拖拽到適當(dāng)?shù)奈恢?，如圖2所示。

圖2 鋸片車間設(shè)施布局透視圖

3 車間生產(chǎn)線平衡能力優(yōu)化計(jì)算

鋸片生產(chǎn)是一個(gè)整體的加工流程，分析各工序之間的相互影響和邏輯關(guān)聯(lián)，可有效調(diào)節(jié)加工對(duì)象的加工時(shí)間、順序、方式等[12]。每個(gè)工序的實(shí)現(xiàn)依靠鏈接和邏輯控制語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)機(jī)床的選擇與調(diào)度控制，使得圓鋸片基體從一個(gè)工位到下一個(gè)工位保持正常工作。

3.1 車間作業(yè)單位劃分

根據(jù)鋸片生產(chǎn)工藝流程，如圖3所示。

圖3 圓鋸片生產(chǎn)工藝流程

鋸片生產(chǎn)加工時(shí)，每道工序之間都有物料運(yùn)輸過(guò)程[13]，其中鋸片車間物流流程有以下4種：(1)鋸片在機(jī)床上加工依靠人工的上下料流動(dòng)；(2)鋸片在加工機(jī)床間依靠叉車進(jìn)行來(lái)回的搬運(yùn)；(3)鋸片在機(jī)床上依靠機(jī)械手進(jìn)行上下料；(4)鋸片依靠行車進(jìn)行機(jī)床間的搬運(yùn)及熱處理中的上下料搬運(yùn)。運(yùn)輸工具參數(shù)如表1所示。

表1 運(yùn)輸工具參數(shù) /km/h

各作業(yè)區(qū)物流設(shè)備參數(shù)如表2所示。

表2 各作業(yè)區(qū)物流設(shè)備參數(shù)

3.2 生產(chǎn)線平衡計(jì)算

當(dāng)前生產(chǎn)線設(shè)備的利用率代表著物流設(shè)備承擔(dān)的工作量，各物流設(shè)備利用率的相互比值反映出生產(chǎn)線的平衡能力。物流設(shè)備利用率V=單件累計(jì)運(yùn)輸時(shí)間/生產(chǎn)線節(jié)拍。

根據(jù)表1和表2的參數(shù)，計(jì)算生產(chǎn)線總作業(yè)時(shí)間

(1)

計(jì)算結(jié)果T=3 199 s,根據(jù)生產(chǎn)線平衡率計(jì)算公式，當(dāng)前的生產(chǎn)線平衡率為

(2)

生產(chǎn)線平衡損失率D=1-Q=56.91%,運(yùn)輸過(guò)程中有大量的閑置等待時(shí)間。

在當(dāng)前生產(chǎn)線中，從物流設(shè)備的利用率角度分析，其利用率較低，僅為43.09%，且各物流設(shè)備利用率懸殊差距大，熱處理區(qū)、沖床區(qū)、磨床機(jī)組、車床機(jī)組、硬度檢測(cè)區(qū)和物料暫存區(qū)之間存在不平衡現(xiàn)象，其仿真模擬直觀分析數(shù)據(jù)如圖4所示。

圖4 改善前物流時(shí)序統(tǒng)計(jì)圖

由此可見，該物流方案下，所有物流設(shè)備利用率均滿足要求，但仍出現(xiàn)瓶頸環(huán)節(jié)。主要包括以下幾點(diǎn)：

(1)沖圓區(qū)叉車在熱處理區(qū)和物料暫存區(qū)來(lái)回頻繁，且等待時(shí)間短，叉車數(shù)量少，易造成暫存區(qū)物料擁堵，物流設(shè)備明顯出現(xiàn)工作能力不足的狀態(tài)。硬度檢測(cè)區(qū)處行車在運(yùn)輸過(guò)程中也出現(xiàn)了同樣的問(wèn)題，等待時(shí)間短，往回頻繁；

(2)熱處理是鋸片加工中重要的工藝之一，且加工時(shí)間長(zhǎng)，鋸片需要放在介質(zhì)內(nèi)加熱、保溫、冷卻，從而改變鋸片的組織結(jié)構(gòu)，達(dá)到理想的工藝性能。因此導(dǎo)致了行車在進(jìn)行鋸片的上下料時(shí)出現(xiàn)了等待時(shí)間較長(zhǎng)的問(wèn)題，半精車區(qū)也面臨同樣問(wèn)題。

4 鋸片車間物流優(yōu)化

針對(duì)上述的5大作業(yè)區(qū)的不平衡現(xiàn)象進(jìn)行單獨(dú)分析，對(duì)鋸片車間物流設(shè)備做出以下調(diào)整，進(jìn)而使整個(gè)車間達(dá)到物流最優(yōu)化[14]。

(1)對(duì)瓶頸作業(yè)沖圓區(qū)進(jìn)行作業(yè)改善，由于沖圓加工工序工作量較大，物流設(shè)備嚴(yán)重不足，可直接增加叉車數(shù)量。根據(jù)模擬仿真分析，需要增加2臺(tái)叉車設(shè)備，其中一臺(tái)緩解從剪板區(qū)到?jīng)_圓區(qū)的運(yùn)輸，另一臺(tái)減輕鋸片從沖圓區(qū)到暫存區(qū)的壓力；

(2)對(duì)現(xiàn)有的瓶頸作業(yè)4硬度檢測(cè)區(qū)進(jìn)行作業(yè)改善，從物流設(shè)備耗時(shí)圖表可知，其等待時(shí)間很短，物流設(shè)備只有一臺(tái)，在滿足生產(chǎn)率的前提下，會(huì)出現(xiàn)時(shí)間延遲，從而降低生產(chǎn)效率，所以在此處可以合并相關(guān)工序[15]，重新安排生產(chǎn)工序，在熱處理區(qū)加工鋸片時(shí)，由于加工時(shí)間長(zhǎng)，此處行車處于空閑狀態(tài)，在不影響熱處理區(qū)使用行車的時(shí)間段中，可以直接調(diào)用到硬度檢測(cè)區(qū)進(jìn)行物料運(yùn)輸。這樣既節(jié)省了2臺(tái)行車的消耗，又提高了生產(chǎn)效率；

(3)對(duì)于半精平區(qū)的瓶頸問(wèn)題，物流設(shè)備等待時(shí)間長(zhǎng)，除了對(duì)物流設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化分析外，在保證加工工序的正常工作下，可將半精平工序處的加工方式從兩組平片改成3組平片。這樣不僅加快了鋸片生產(chǎn)量，同時(shí)也充分利用了半精平區(qū)叉車的使用率。

按照以上方法操作后，得到了明顯的改善，其模擬仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 改善后的物流時(shí)序統(tǒng)計(jì)圖

由圖5所示，在鋸片生產(chǎn)線的優(yōu)化方案中，整個(gè)生產(chǎn)線的生產(chǎn)節(jié)拍基本平衡，瓶頸問(wèn)題已得到明顯改善，生產(chǎn)線總作業(yè)時(shí)間明顯縮短，由3199 s減少到2 995 s；物流設(shè)備的利用率物也大幅提高，由43.09%上升到67.23%,基本上解決了原始方案中出現(xiàn)的生產(chǎn)不平衡和瓶頸問(wèn)題[16]。最終鋸片車間的物流仿真路線如圖6所示。

圖6 鋸片車間物流路徑仿真圖

5 結(jié)束語(yǔ)

本文以某公司鋸片車間為例，通過(guò)對(duì)其各項(xiàng)物流要素進(jìn)行規(guī)劃，分析了車間鋸片生產(chǎn)物流問(wèn)題，并借助VRML平臺(tái)進(jìn)行模擬仿真，找出瓶頸問(wèn)題，并針對(duì)5大作業(yè)區(qū)的物流設(shè)備進(jìn)行合理分配，得到一個(gè)可行并較優(yōu)的物流方案。研究表明，利用VRML仿真軟件對(duì)鋸片車間的設(shè)備布局和物流運(yùn)作進(jìn)行仿真，可以在產(chǎn)品加工前，預(yù)先找出瓶頸問(wèn)題，提高生產(chǎn)效率，使得企業(yè)整體的生產(chǎn)效益得以提升。

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Research of Saw Blade Workshop Logistics Simulation Optimization Based on VRML

DU Baojiang,DU Qiuyu,NI Jiawei,WANG Yanhao

(School of Mechanical Engineering,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,China)

Based on the actual situation of a blade workshop were analyzed for significant adjustment facility layout problems can not make reasonable improvement program: The VRML virtual reality technology to build a virtual workshop, workshop equipment for dynamic layout using the Component Modeling Construction workshop production line job scene, combined with VRML to simulate production logistics path, finally saw the workshop production tact balance calculations and found that logistics imbalance area of each workshop, and a separate analysis of the imbalances in the operation area, make appropriate adjustments to the blade workshop logistics equipment, and thus make the whole plant to achieve logistics opti-mization.

VRML; dynamic layout; logistics optimization; production cycle tact

2016- 04- 19

杜寶江(1962-)，男，碩士，副教授，碩士生導(dǎo)師。研究方向：虛擬制造技術(shù)等。杜秋雨(1991-)，女，碩士研究生。研究方向：虛擬制造技術(shù)等。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.03.016

TP391.9

A

1007-7820(2017)03-057-04