数字化工厂布局仿真

数字化工厂布局仿真

随着经济的全球化，产品的竞争消除了国界，其复杂程度越来越高。产品更新换代加速以及客户化定制生产方式的形成，给企业提出了更高的要求，如缩短新产品上市和交货时间（T），提高产品质量（Q），降低生产成本（C），提供全方位的服务（S），即TQCS。计算机仿真技术的发展和虚拟现实技术的产生，使数字化工厂技术（Digital Factory）逐渐成为一个新的研究热点。数字化工厂技术将传统的基于手工和经验的设计规划转变为基于计算机仿真和优化的精确可靠的规划设计，从而减少了工厂与工艺规划的时间，缩短了生产准备周期，优化了生产线配置，减少了工程更改量，降低了开发成本和投资风险。

1 数字化工厂技术

数字化工厂是以产品全生命周期的相关数据为基础，利用计算机仿真技术，根据虚拟制造原理，在虚拟环境中，对整个生产过程进行规划、仿真和优化的一种现代生产组织方式。在数字化工厂中，产品的加工制造、装配、测试、生产规划和物流管理等都可以得到模拟，这使得规划工程师、工艺工程师和工业工程师可以在一个虚拟的环境中对未来的过程进行预分析。数字化工厂的基本功能如图１所示。

图1 数字化工厂的基本功能

2 基于DELMIA/QUEST的虚拟仿真技术应用

DELMIA/QUEST是用于对工艺流程的准确性和生产效率进行仿真分析的全

三维数字环境。QUEST拥有强大的三维可视化功能和健全的导入／导出功能，可接收来自Auto CAD、Pro/E、UG、Catia、Creator等多种三维建模软件的模型，因此在QUEST环境中还可以采用精准的三维模型来解决工厂的布局规划问题。本文以某厂采煤机４大关键零部件的机械加工车间为例进行仿真说明。

2.1 搭建车间三维布局模型

搭建车间三维布局模型需要搭建的虚拟物理模型包括厂房框架、机器设备、物流运输设备等，这里以Pro/E为例说明模型导入的技巧。Pro/E模型包含了过多的面片和数据，如果直接导入QUEST会导致运行困难，再者QUEST中的模型只要求外形尺寸精准即可，因此要对Pro／E模型进行简化处理，具体步骤如下：

(1) 将建好的Pro / E（*.part.1）模型保存为*.wrl格式的文件，如果是装配体(*.asm.l)模型，最好先收缩包络简化后再保存为*.wrl格式文件。

(2)用Deep Exploration软件打开*.wrl格式文件，在此软件中按照面片的个数进行简化，直到模型大小合适为止，然后再保存成*.stl格式的文件，最后把导出的*.stl格式文档放到QUEST软件安装路径下的STL文件夹下即可。

为保证静态布局仿真的准确性，还必须要求所有模型按照二维图的位置摆放。先将Auto CAD图纸简化，删减与布局无关的信息，然后保存为*.dxf格式的文件，导入QUEST中作为三维模型摆放的标准；然后按照二维布局进行摆放，完成某采煤机机加车间数字化工厂的静态模型。

2.2 车间布局仿真

通过对车间模型的观察分析，发现二维规划中存在以下问题：

(1)原二维图未充分考虑空间干涉，钻孔工作区4台Z3080摇臂钻床公用一个

工件缓冲区会产生空间不足的现象，建议将4台钻床的缓冲区分开，这样

不但会减少工件的物流运输成本，而且加工前后工件容易辨识且空间充

裕，便于进行6S管理。

(2)二维图中半龙门吊只考虑X、Y 轴方向的工作范围，没有充分考虑Ｚ轴

方向的工作空间，在QUEST模型中可以直观地看出龙门镗铣床的高度已

经接近半龙门吊的高度，如果吊起工件的话，很可能会碰到昂贵的设备，

在此必须把半龙门吊换成高度更高的行车。

2.3 生产线仿真优化

物流仿真模型还应包括各种设施的层次关系和它们之间的交互行为。QUEST内部逻辑事件是由SCL语言编写的。通过仿真运行，对仿真结果进行分析，发现喷丸、喷底漆工位以及热处理工位有明显的堵塞情况，此时堵塞工位的机器利用率、缓冲区等待零件数量以及物流工具的利用情况如表 1 所示。

表1 堵塞工位的情况

由于喷丸线附近的空间很大，因此考虑在该区再建一条喷丸和喷底漆的生产线，形成两条并行的生产线。热处理处没有足够的空间增加设备，所以此处只能更换热处理速度更快的设备，此时假设更换设备后此处的节拍和前工位的节拍一致。另外，从表１可以看出行车的利用率都很低，同一区域内的两个行车可以共用，可以在这３个区域内分别减少一个行车以减少投资。改进后再次仿真运行，两条喷丸、喷底漆工位的利用率都控制在50%左右，没有在制品堆积；热处理炉的利用率为76%，虽有在制品堆积，但有所减少；行车的利用率都在10%以内。图２和图３分别为关键工序的在制品个数优化前后对比以及４种产品的产能随时间的分布情况。图２、图３的统计数据表明：

①经过调整优化后，喷丸生产线和热处理工位的负荷得到了很大的缓解，机器利用率回归正常，基本没有在制品堵塞现象，有效地解除了该瓶颈对整体产能的影响；

②车间内设备的利用率整体上都有所提高，减少了资源的闲置和浪费；

③在多数关键工序的设备处，在制品量基本趋于合理，基本不影响大局；

④４种产品的成品个数随着生产时间的增加有规律地增长，并且成套配置合理，即摇臂壳体、行走壳体和牵引壳体的个数基本上是电控箱体的两倍。

图2 关键工序在制品量优化前后对比

图3 ４种成品个数随时间分布

3 小结

现代制造企业面临着诸如生产线规划、制造工艺规划、物流规划等方面问题的挑战，数字化工厂作为现代制造领域新的研究方向，提供了产品从设计规划到产品下线整个过程，是对整个项目各项性能评估分析的有效工具。但是数字化工厂在国内的研究还有很多局限，与国外的差距还很大，另外数字化工厂是一个复杂而且庞大的系统，文中探讨的内容只是在基础应用层面上的沧海一粟，还有更多的问题值得去探讨。