基于Plant Simulation的壓氣機(jī)葉片型線加工產(chǎn)線分析與優(yōu)化

李春興,徐健,易泰勛,王琨,吳海峰,胡誠(chéng)誠(chéng)

(中國(guó)東方電氣集團(tuán) 東方汽輪機(jī)有限公司工藝部,四川 德陽(yáng),618030)

0 引言

生產(chǎn)線仿真技術(shù)是實(shí)現(xiàn)數(shù)字化工廠的關(guān)鍵技術(shù)。通過計(jì)算機(jī)軟件的仿真,可以在制造生產(chǎn)前期,對(duì)制造過程進(jìn)行評(píng)估,對(duì)制造工藝進(jìn)行檢驗(yàn),同時(shí)也可以找出并解決出現(xiàn)的各類問題。相對(duì)于試運(yùn)行,生產(chǎn)線仿真可以有效地降低成本,減少各類制造工藝不合理的問題,驗(yàn)證規(guī)劃設(shè)計(jì)可行性,縮短產(chǎn)線設(shè)計(jì)周期。

隨著系統(tǒng)仿真技術(shù)的快速發(fā)展,生產(chǎn)線仿真技術(shù)在我國(guó)制造業(yè)中的研究與應(yīng)用也越來越多。秦德金等[1]以多機(jī)器人分揀系統(tǒng)為研究對(duì)象,基于Plant Simulation對(duì)路徑規(guī)劃算法系統(tǒng)性能以及系統(tǒng)最大日分揀任務(wù)量進(jìn)行了分析,確定了最佳移動(dòng)機(jī)器人的數(shù)量。李慧等[2]針對(duì)某航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片機(jī)械加工生產(chǎn)線,從產(chǎn)能、設(shè)備利用率、緩存區(qū)設(shè)置等多方面進(jìn)行了仿真分析與優(yōu)化。

對(duì)于離散制造企業(yè),離散事件系統(tǒng)狀態(tài)遷移發(fā)生在離散事件點(diǎn)上,解決離散事件問題的有效手段就是離散事件仿真技術(shù)[3]。此次以規(guī)劃設(shè)計(jì)階段壓氣機(jī)(F型)葉片型線生產(chǎn)線為對(duì)象展開研究,基于Plant Simulation[4]平臺(tái)建立生產(chǎn)線的仿真模型,從產(chǎn)能、設(shè)備利用率、線邊緩存等方面進(jìn)行產(chǎn)線性能評(píng)估,以此為依據(jù)對(duì)葉片型線機(jī)械加工生產(chǎn)線進(jìn)行優(yōu)化。

1 生產(chǎn)線初步規(guī)劃

某廠葉片車間[5]有多條生產(chǎn)線且加工產(chǎn)品雜,生產(chǎn)葉片種類包括用于燃汽輪機(jī)、核電汽輪機(jī)與火電汽輪機(jī),企業(yè)抓住改革契機(jī),聚焦葉片關(guān)鍵生產(chǎn)工序,率先規(guī)劃壓氣機(jī)型線加工生產(chǎn)線。

葉片是壓氣機(jī)的關(guān)鍵零件,又是最精細(xì)、最重要的零件之一,是高速旋轉(zhuǎn)給空氣做功提高空氣壓力的部件。型線加工是葉片加工的重要環(huán)節(jié),直接影響壓氣機(jī)增壓的總效率。圖1為某廠型線加工產(chǎn)線示意圖,具有以下特點(diǎn):

圖1 壓氣機(jī)葉片型線加工黑燈產(chǎn)線示意圖

1)小批量,每個(gè)機(jī)組用的葉片不一樣,每一級(jí)葉片幾十件到上百件;

2)種類多,機(jī)型多,可以根據(jù)客戶需求定制機(jī)型,新機(jī)型設(shè)計(jì)種類多,通流優(yōu)化周期短。

某廠產(chǎn)線數(shù)字化轉(zhuǎn)型初步規(guī)劃中,物流運(yùn)行邏輯圖見圖2。

圖2 物料轉(zhuǎn)運(yùn)邏輯圖

2 壓氣機(jī)葉片型線加工產(chǎn)線建模

2.1 邊界條件與仿真目標(biāo)

將覆蓋全部法拉利機(jī)群的加工產(chǎn)品種類作為輸入,構(gòu)建產(chǎn)線機(jī)床模型和物料調(diào)度邏輯模型,關(guān)于輸入數(shù)據(jù)、考察數(shù)據(jù)及規(guī)劃方案指標(biāo)見表1及表2。

表1 初步規(guī)劃方案指標(biāo)

表2 仿真輸入數(shù)據(jù)定量與考察數(shù)據(jù)變量

2.2 仿真假設(shè)

依據(jù)初步規(guī)劃進(jìn)行初始假設(shè):

1)設(shè)置為無限產(chǎn)能的輸出(廠內(nèi)訂單連續(xù));

2)1臺(tái)機(jī)床對(duì)應(yīng)一類葉片產(chǎn)品,壓氣機(jī)沖動(dòng)式與反動(dòng)式葉片分開仿真;

3)考慮機(jī)床換模時(shí)間,每天的工作時(shí)間為21 h,全年按照300 d計(jì)算;

4)初始狀態(tài):創(chuàng)建AGV,1號(hào)線上料位空,1號(hào)線下料位空托盤1個(gè),線邊料庫(kù)存放5類共計(jì)60只葉片;

5)AGV每次上料只上一種產(chǎn)品,AGV托盤容量為12件/個(gè);

6)生產(chǎn)開始之前1號(hào)線、2號(hào)線、3號(hào)線下料接駁點(diǎn),檢測(cè)工位下料接駁點(diǎn)、不合格品線邊庫(kù)都已放置好空托盤;

7)無新產(chǎn)品種類的加入。

2.3 壓氣機(jī)葉片型線加工產(chǎn)線模型建立

1)葉片型線加工產(chǎn)線描述

某廠規(guī)劃一條葉片型線無人值守機(jī)加工生產(chǎn)線,該線承接多種壓氣機(jī)小型葉片的型線機(jī)械加工任務(wù),擬實(shí)行全天無人值守運(yùn)行,采用機(jī)器人進(jìn)行工序間周轉(zhuǎn)及上下料,年產(chǎn)合格葉片數(shù)量達(dá)到6萬件。該生產(chǎn)線主要承擔(dān)葉片的粗銑、精銑以及三坐標(biāo)檢測(cè)等工序,加工工藝流程圖見圖3。該生產(chǎn)線仿真主要關(guān)注4個(gè)方面:

圖3 加工工藝流程圖

a)規(guī)劃產(chǎn)能是否合理,能否達(dá)到;

b)主要設(shè)備平均利用率85%是否合理;

c)空托盤轉(zhuǎn)運(yùn)站空托盤容量;

d)產(chǎn)線穩(wěn)定運(yùn)行的最小庫(kù)存量。

2)設(shè)計(jì)邏輯策略

基于圖2物料運(yùn)轉(zhuǎn)策略制定仿真策略如下。

a)初始化操作

初始化表格、變量,設(shè)置機(jī)床加工時(shí)間,在1號(hào)線、2號(hào)線、3號(hào)線的AGV下料接駁點(diǎn)放置空托盤,產(chǎn)生AGV、機(jī)器人1、機(jī)器人2、機(jī)器人3,并設(shè)置機(jī)器人1、機(jī)器人2、機(jī)器人3及AGV的初始狀態(tài),設(shè)置AGV的任務(wù)列表并每隔1s刷新。

b)投料策略

設(shè)置立體庫(kù)模型:循環(huán)產(chǎn)生15種葉片。規(guī)劃產(chǎn)線的年產(chǎn)量為6萬件,仿真輸入為15種壓氣機(jī)葉片,按照表格命令循環(huán)上料。

c)生產(chǎn)過程

壓氣機(jī)葉片(F級(jí))黑燈產(chǎn)線主要完成加工、檢測(cè)工藝流程,15臺(tái)小法拉利機(jī)床均可實(shí)現(xiàn)任意一種葉片的加工,2臺(tái)檢測(cè)設(shè)備均可實(shí)現(xiàn)任意一種葉片的檢測(cè)。按照1臺(tái)機(jī)床對(duì)應(yīng)一類葉片產(chǎn)品進(jìn)行加工。

d)物流邏輯

生產(chǎn)開始,AGV從立體庫(kù)下料接駁點(diǎn)處取滿載的托盤運(yùn)至1號(hào)線、2號(hào)線、3號(hào)線的上料接駁點(diǎn)處。編程設(shè)定后續(xù)AGV可能被調(diào)用的情況,即可能接受指令的情況:

Ⅰ)1號(hào)線、2號(hào)線、3號(hào)線上料接駁點(diǎn)托盤為空,需轉(zhuǎn)運(yùn)空托盤至托盤庫(kù)KTP;

Ⅱ)XBK1、XBK2、XBK3、… 、XBK15(XBK為線邊庫(kù))任意一個(gè)為空,需補(bǔ)充上料對(duì)應(yīng)的葉片;

Ⅲ)1號(hào)線、2號(hào)線、3號(hào)線下料接駁點(diǎn)托盤滿載,需轉(zhuǎn)運(yùn)滿載托盤至檢測(cè)上料接駁點(diǎn),并從空托盤庫(kù)轉(zhuǎn)運(yùn)新的空托盤至相應(yīng)下料接駁點(diǎn);

Ⅳ)檢測(cè)工位上料接駁點(diǎn)托盤為空時(shí),需轉(zhuǎn)運(yùn)空托盤至空托盤庫(kù)KTP;

Ⅴ)檢測(cè)工位下料接駁點(diǎn)托盤滿載時(shí),需轉(zhuǎn)運(yùn)滿載托盤至成品庫(kù),并空托盤庫(kù)轉(zhuǎn)運(yùn)新的空托盤至相應(yīng)下料接駁點(diǎn);

Ⅵ)檢測(cè)工位不合格品線邊庫(kù)滿容時(shí),需轉(zhuǎn)運(yùn)托盤至不合格品庫(kù),并空托盤庫(kù)轉(zhuǎn)運(yùn)新的空托盤至相應(yīng)下料接駁點(diǎn)。

其中,Ⅰ)的優(yōu)先級(jí)高于Ⅱ),Ⅳ)的優(yōu)先級(jí)高于Ⅲ),其他的以實(shí)時(shí)任務(wù)排序?yàn)闇?zhǔn)。

e)AGV調(diào)度

在上述需要調(diào)用AGV的時(shí)候,將物料轉(zhuǎn)運(yùn)的出發(fā)地和目的地寫入agv_table,通過agv_table記錄AGV的調(diào)度任務(wù)。

f)Track傳感器控件

Track上共設(shè)置13個(gè)傳感器控件,都用Sensor Method進(jìn)行控制,AGV在傳感器所在位置的動(dòng)作:停止、運(yùn)動(dòng)、上料、下料。

3)壓氣機(jī)葉片型線加工黑燈產(chǎn)線仿真模型的建立

仿真運(yùn)行過程嚴(yán)格按照規(guī)劃設(shè)計(jì)方案的物料加工工序運(yùn)行流程,移動(dòng)機(jī)器人行走速度設(shè)為1m/s均速,壓氣機(jī)葉片裝夾與卸載分別設(shè)置30s與5s,下料設(shè)置5s。生產(chǎn)線中設(shè)置有線邊庫(kù)與檢測(cè)單元上下料緩存區(qū),加工完成后通過對(duì)AGV編程設(shè)置判斷準(zhǔn)則,即檢測(cè)單元上料接駁臺(tái)有空位置才運(yùn)送否則持料等待。擬設(shè)三班倒制。仿真模型見圖4。具體設(shè)置如下:

圖4 壓氣機(jī)葉片型線加工黑燈產(chǎn)線仿真模型

a)仿真實(shí)行三班倒制,仿真運(yùn)行一年時(shí)間;

b)打造黑燈產(chǎn)線,要求成品每個(gè)都檢測(cè);

c)產(chǎn)品合格率按97%設(shè)置隨機(jī)數(shù);

d)保證物料源充足;

e)加工時(shí)間嚴(yán)格按照采集對(duì)應(yīng)每種葉片的加工時(shí)間設(shè)置。

3 壓氣機(jī)(F型)葉片型線加工產(chǎn)線仿真分析與優(yōu)化

3.1 產(chǎn)能情況

如圖5所示(本刊黑白印刷,相關(guān)疑問請(qǐng)咨詢作者),整線日均產(chǎn)能為242件。1號(hào)線日均產(chǎn)能為102件,2號(hào)線日均產(chǎn)能為95件,3號(hào)線日均產(chǎn)能為85件。則整線年產(chǎn)能為242×300=72 600件,高于目標(biāo)產(chǎn)能6萬件/年。

圖5 各條線日均產(chǎn)能

3.2 設(shè)備利用率

由圖6可知1號(hào)線、2號(hào)線、3號(hào)線設(shè)備均超過了目標(biāo)設(shè)備利用率85%的要求。

圖6 3條線機(jī)床利用率

3.3 最小庫(kù)存情況

通過仿真得出3條線日均上料數(shù)量情況(圖7),可以推測(cè)出生產(chǎn)線每日最小庫(kù)存數(shù)量,即保證產(chǎn)線正常運(yùn)行,庫(kù)存不得小于285件葉片。

圖7 3條線日均上料數(shù)量

3.4 空料箱循環(huán)站容量分析

設(shè)置空料箱循環(huán)站,仿真穩(wěn)定運(yùn)行后,空料箱循環(huán)站數(shù)量隨時(shí)間變化趨勢(shì)見圖8。由圖可知設(shè)置循環(huán)站空托盤的數(shù)量一直小于20個(gè)。

圖8 空托盤數(shù)量曲線

3.5 產(chǎn)線瓶頸分析

一般來說,瓶頸設(shè)備的設(shè)備利用率較高,待加工的在制品堆積數(shù)量較大。1號(hào)線、2號(hào)線、3號(hào)線在制品量隨時(shí)間變化見圖9。圖中黑色為3條自動(dòng)產(chǎn)線在制品量之和,藍(lán)色代表1號(hào)線,綠色代表2號(hào)線,紫色代表3號(hào)線。

圖9 3條線在制品數(shù)量

現(xiàn)提取的是部分日期的葉片數(shù)量,從全局來看整線及各條線在一年穩(wěn)定加工中出現(xiàn)的頻率見圖10。

圖10 各條產(chǎn)線整年在制品數(shù)量出現(xiàn)頻率圖

仿真發(fā)現(xiàn)檢測(cè)工位待加工在制品量隨時(shí)間增加的趨勢(shì),一段時(shí)間后出現(xiàn)嚴(yán)重的物料堆積,即為瓶頸工位(圖11)。

圖11 穩(wěn)定后期檢測(cè)工位待檢品數(shù)量

3.6 規(guī)劃方案優(yōu)化

由上一節(jié)可知,檢測(cè)單元為瓶頸工位,在模型中增加1個(gè)檢測(cè)工位,產(chǎn)能見圖12。由圖可知整線日均產(chǎn)能為252件,1號(hào)線日均產(chǎn)能為102件,2號(hào)線日均產(chǎn)能為95件,3號(hào)線日均產(chǎn)能為85件。年產(chǎn)量為:252×300=75 600件;1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)的單線日產(chǎn)能較之前沒有變化,但是整線日均產(chǎn)能提高了10件,年產(chǎn)量提高了3 000件。

圖12 優(yōu)化后的產(chǎn)線產(chǎn)能

圖13為優(yōu)化后檢測(cè)工位在產(chǎn)線運(yùn)行穩(wěn)定后的待檢品數(shù)量變化曲線,可知,增加了一個(gè)檢測(cè)工位后,待檢品數(shù)量不再持續(xù)增加,而是比較平穩(wěn)地處在區(qū)間0～36件變化,極大縮短了葉片的成品檢測(cè)等待時(shí)間,使產(chǎn)線更加平穩(wěn)運(yùn)行。

圖13 優(yōu)化后檢測(cè)工位在制品數(shù)量

4 結(jié)語(yǔ)

本文利用Plant Simulation構(gòu)建了仿真模型,通過分析對(duì)規(guī)劃階段的生產(chǎn)線進(jìn)行了初步優(yōu)化,提高了加工生產(chǎn)線性能。從仿真結(jié)果來看有以下建議:

1)立體庫(kù)葉片數(shù)量單日最少儲(chǔ)存量為285件;

2)空托盤循環(huán)站的空托盤數(shù)量不小于20個(gè)。

基于Plant Simulation專業(yè)軟件1號(hào)線、2號(hào)線、3號(hào)線設(shè)備利用率均為90%以上,高于目標(biāo)85%;按照每年300 d,21 h/d進(jìn)行仿真,年產(chǎn)能為7.2萬件,高于目標(biāo)產(chǎn)能5.25萬/年。

從改善后的結(jié)果可以看出,產(chǎn)能增加了,年產(chǎn)能可達(dá)7.56萬件,生產(chǎn)線性能得到了一定程度的提高。研究結(jié)果表明,企業(yè)在生產(chǎn)線規(guī)劃設(shè)計(jì)階段,通過生產(chǎn)線系統(tǒng)仿真能夠有效地分析出設(shè)計(jì)方案可能存在的問題,對(duì)提高生產(chǎn)線設(shè)計(jì)質(zhì)量和設(shè)計(jì)效率有重要意義。