基于Flexsim仿真技术在轮辐冲压生产线上应用

李 峰

（湖北汽车工业学院 机械工程系，十堰 442002）

0 引言

东风车轮厂旋压轮辐冲压生产线进行生产线改造，该线日生产轮辐2000件，整个轮辐冲压生产线由自动化的板链输送线、辊道输送线、自动送料装置、机器人组成的物料系统和由各类冲床构成的加工系统以及储料仓构成。轮辐冲压工艺主要由两道工序组成。分别为：工序1：冲压轮辐上的各类螺栓孔；工序2：冲压轮辐上的各类散热孔。

图1为新线设计图（CAD图）。轮辐生产流程如下：轮辐半成品先运送到1250吨压力的大型冲床的暂存区，然后在J31-1250冲床上冲压各类螺栓孔，工序1完成后，由板链输送机，经过单层动力辊道1、单层动力辊道2、单层动力辊道3、单层动力辊道4传送到两台JA11-250小型冲床上加工各类散热孔。两台小型冲床完成工序内容一样。新线设计了储料仓，原因：1）大冲工作速度快，小冲慢，如果不设置储料仓，辊道很块会堆满工件；2）大冲加工其他产品时需要停机换模，此外还为其他生产线生产产品，本身还有故障停机，为了充分提高小冲的利用率，新线设计思想是：当辊道上轮辐堆积到一定数量时，机器人开始工作，把大冲流过来的零件抓取到储料仓，当流向小冲的轮辐数量少到一定数量时，机器人开始把储料仓的零件搬运到辊道，流向小冲加工。

图1 轮辐冲压线布局图

表1 设备基础数据

机器人取料动作信号由设置在辊道3入口和辊道2的出口的光电开关及其PLC控制电路发出。取料规则如下：当辊道3的入口处和辊道2的出口处同时检测到有零件时，表示辊道3已经有零件堆积，机器人开始抓取工件放入储料仓，同时辊道2停线，单层动力辊道1由四节辊道组成，每节4米长，且都是自带动力辊道。每一节上的工件当运行到末端时，都会检测前面输送线的状态，如果检测到前面输送线停线，本传送线也将停止运行。如果检测到前面传送线开始运作，本传送线也开始运行。这样的控制目的防止零件堆积挤压。

新线设计好坏的评价标准和要解决的问题如下：

1）新线能否满足产能要求？生产是否流畅？尽量减少工序2的停机等待时间；控制策略是否合适？

2）目前的控制策略下，输送线不发生严重堆积，同时储料仓设置多大合适？

3）为了减少储料仓的面积，产量大时，按批量生产，批量多少合适？

旋压轮辐冲压新线看似简单，但是因为涉及到多品种生产，产品换模，还要考虑设备故障和开动率，因此评价这类产线问题难以通过简单计算确定，并且一旦产线购买安装生产后，发现设计参数不匹配，一些问题没有考虑到，再修改代价就很大。

本文拟通过利用系统仿真技术，全面仿真产线运行情况，对轮辐生产线进行评价和优化。

Flexsim是采用面向对象技术开放式系统仿真软件，通过三维可视化工具，进行系统仿真建模，功能强大，本文将采用Flexsim技术对轮辐生产线进行研究。

1 旋压轮辐冲压生产线基础数据收集

相关设备数据如表1所示。辊道数据如表2所示。

表2 辊道数据

机器人数据：机器人取料入库节拍为：6s/件，取料出库节拍6s/件。

2 旋压轮辐冲压生产线仿真模型的建立方法和步骤

2.1 生产线仿真模型的建立方法和步骤

2.1.1 CAD布局图导入

最新Flexsim7.3版本生产系统仿真软件可以直接把工厂车间布局图导入到Flexsim场景中，可以在场景中拖入一个地板图做为模型背景，再把CAD工厂布局图导入到地板图上，场景显示效果非常逼真。导入之前有两点注意：一个是尽量消除所有不必要的信息，CAD文件通常包括许多不必要的信息，消除这些信息可以使模型更加简洁，减少显卡负担。另外导入时，Flexsim的设置单位和CAD布局图的绘图单位要一致，否则图形失真。

2.1.2 建立模型

在导入的CAD图上建立仿真模型，这样一方面建模快捷，另一方面可以使模型布局和CAD布局图一致。此外还可以调节模型大小和尺寸，尽量使模型尺寸和实际机床、传送链尺寸一致。使仿真更加逼真。

2.1.3 参数设置

包括传送辊道的速度、冲床加工时间，机器人取放料速度，设备开动率等参数在实体中直接设置。设置要和设计一致，其中设备开动率是指在某时间段内（如一班、一天等）开动机器生产所占的时间比率，设备开动率=设备实际开动时间/设备正常工作时间×100%，为简化模型，设置时可把这个参数和设备故障率参数一起考虑设置，设置在机床实体的MTBF和MTTR中。

2.2 关键功能实现和代码编写

包括大冲、小冲换模功能和时间，机器人取放料逻辑、生产计划、生产顺序和批量的实现通过编程实现。

2.2.1 生产计划、生产顺序和批量的实现

旋压轮辐冲压生产线产量比较大的有三种轮辐，为A型、B型、C型，可以设置三个source，每个Source生产一种品种，source设置临时实体到达方式为“达到时间间隔”，到达时间间隔为6s。此外在Flexsim中生产计划事先录入到数据库、Excel表或者全局表中，三种方式都可行，程序运行时，对生产计划数据进行读取。本项目中，生产计划存于名为“outputtable”的全局表中，如表3所示。

表3 生产计划全局表

表3说明：

1）可以根据每天各产品的类型和产量在全局表中设置投产顺序；

2）如某产品数量为800，批次数为2，则大冲每批连续生产800/2=400件后停机，生产线开始消耗储料仓中的零件，当消耗完毕时，大冲开始开机继续生产，有助于减少产线上零件堆积和储料仓库存。

达到批量后冲床自动停机，这个功能使用stopobject(current,STATE_BREAKDOWN)；语句实现，到达批量后停止source产生新的实体，当批量消耗完毕后使用resumeobject(current)语句恢复source生产。

2.2.2 换模功能实现

换模功能主要由source、处理器14（小冲1）、处理器22（小冲2）中的senddelayedmessage(current,3600,cur rent,10,0,0)延迟语句实现；如：当sourceA产生的A产品生产完毕后，延迟1个小时换模时间后，同时如果小冲也延时换模完毕后，才开始恢复生产其他品种零件。

2.2.3 机器人取放料逻辑实现

旋压轮辐冲压生产线在设计时，在辊道3的入口处和辊道2的出口处安装有光电传感器，机器人抓取辊道上零件的判断依据是：当辊道3的入口处和辊道2的出口处同时检测到有零件时，表示辊道3已经有零件堆积，机器人开始截取工件放入储料仓，否则表示辊道3没有零件堆积，机器人把料仓中的零件搬运到辊道上。

这项功能由传送链上的设置的虚拟光电传感器实现。在Flexsim中可在传送带上全长的任意位置设置任意数量的虚拟光电传感器，逻辑关系在光电传感器中的onCover和Uncover触发器中编程实现。当传送带上的零件遮挡住光电传感器时会触发OnCover触发器，执行OnCover中的代码，当零件通过后，不再遮挡光电传感器时，会触发Uncover触发器。可在辊道3和辊道2光电传感器中的OnCover中设置标志变量，程序随时读取这两个变量，当标志都为1时（遮挡状态），给机器人发送消息，进行相应出入库作业。

2.2.4 双向推送料装置实现

双向堆送料装置是一个自带动力的，可升降的单层动力辊道。初始状态是落下状态，比辊道3低，当来自辊道3的轮辐落到双向堆送料装置后，送料装置抬升，并根据左右辊道4的状态（是否有空位），把轮辐传送到相应工位。产线设计时，其设计速度为抬升2s，落下2s在功能实现上采用基本传送带BasicConveyor加运动学实现其功能。BasicConveyor是一个双向传输的传送带，可任意改变方向、速度大小和启动、停止。其关键语句如下：

Bcsetdirection(object,num direction)；

其中：direction值为1时向前，为0时向后。

Bcsetitemconveystate(object,item,startpoint,startspeed,targetspeed,accdec)

其中startpoint为在传送带上工件被开始测量的起始位置，其他参数分别为：起始速度、目标速度，加速度。

双向堆送料装置升降功能实现：该动作可由Flexsim的运动学功能实现。Flexsim的运动学允许模型场景中任何一个实体对象或多个对象根据不同的速度要求同时实现多个移动操作、旋转操作。实现运动学主要是对以下三个函数调用使用。

Initkinematics（相关参数）；addkinematic（相关参数）；updatekinematics（相关参数）；

其中：Initkinematics（相关参数）命令，该命令为运动初始化数据，保存对象的起始位置、起始角度。初始化完毕后，调用addkinematic（相关参数）命令为对象添加平移或旋转动作。最后调用updatekinematics（相关参数）命令在运动过程中不断计算对象当前的位置和旋转角度，不断刷新视图5、仿真过程中的相关参数实时动态显示。

仿真过程中一些相关重要参数需要实时动态显示，如：计划要生产的数量、当前正在生产的品种和数量，储料仓的当前库存、最大库存、生产时间等信息需要动态实时显示，以便随时掌握仿真过程。在最新flexsim7.3版本中，数据实时动态显示可由视觉类实体的文本实体、布告板实体、平面实体等视觉类实体实现。

3 旋压轮辐冲压生产线仿真结果分析

使用Flexsim对旋压轮辐冲压生产线进行建模，模型如图2所示， 模拟实际生产线的加工情况。

图2 轮辐冲压线建模图

1）从仿真过程和结果看，辊道传送线流动相对流畅，没有发生4个辊道都堵塞堵满的情况，说明各传送链的设计速度，机器人的工作速度，基本匹配。

2）以该生产线平均每天产量2000件，每天平均开动率为70%来计算，总生产时间为：10个小时35分，每天需要加班两个半小时才能完成产量。

3）当改变投产先后顺序，如：先生产B型轮辐600件，然后再生产C型轮辐200件，最后再生产A型轮辐1200件时，总生产时间也为：12个小时41分，总生产时长基本不变，可知改变投产顺序对生产无影响。

4）仿真后，得到产量、批量、最大库存、大冲冲压时间、库存消耗时间如表4所示。

表4 批量-库存-消耗时间关系表

表中数据说明：以产量1200件为例，如果不采用批量投产方式，大冲一次性全部加工完1200件，则大冲冲压时间为2小时48分，储料仓最大库存量为535件轮辐，而小冲消耗完储料仓这些库存需要2小时22分。而如果采用分批投料，如：1200件轮辐分3批投料。每次投料400件，当大冲加工完400件后，休息一段时间，等储料仓的料基本消耗完，再进行第二个批次生产，这种情况下，每批加工完平均最大库存为180件左右，大冲平均冲压工作时间为56分，而库存平均消耗时间为48分。考虑到频繁启动生产的成本，批量数量设置为500较好，一方面储料仓库存小，占用空间小，另一方面，大冲备一次料时间也约为1小时，可在停工这段是时间进行备料。另外储料仓大小设置为能放置230个库存大小的储料仓为宜。

5）从仿真过程可以看出，整个辊道传送线长度33米太长，即便把辊道长度缩短到20米，也不会发生辊道堵塞。应该减少辊道长度，减少占地面积。

6）从仿真结果看，管理水平较低，设备开动率70%较低，即设备OEE较低，应该设法提高设备开动率，仿真结果表明，如果设备开动率提高到80%，同样加工2000件轮辐，总加工时间可以缩短到9小时20分。提升设备OEE可以从减少停机损失、换装和调试损失、暂停机损失、减速损失、废品返工损失等方面入手解决。

7）从仿真结果看，产品换模时间较长，生产3种产品，换2次模，要停机2小时，应该减少换模时间，如果单次换模时间从1小时缩短到0.5小时，则全天换模时间减少1个小时，同样加工2000件轮辐，总加工时间可以缩短到8小时20分。

4 结论

生产线设计的优劣，涉及到的因素很多，尤其是复杂多品种生产线，很难用简单的数学公式进行精确评价，而现代仿真技术的运用为生产线评价提供了一个直观精确的手段。本文通过对轮辐生产线进行仿真，阐述了用Flexsim进行建模、仿真和分析的方法，其结果对实际生产线设计和评价有指导意义。

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