汽车涂装工艺Witness仿真与优化

梁素梅 缪蕊

摘要：通过对某汽车涂装厂中的汽车涂装工艺流程的物流分析，在Witness2008仿真平台上;建立汽车涂装工艺仿真模型，并针对此厂不能如期交货的问题，通过优化成红色车身、绿色车身和黄色车身分别一条生产线对此模型进行仿真优化。本文的研究结果可为汽车涂装厂节能降耗，从较大程度上提高机器运行效率，加强汽车涂装厂核心竞争力。

关键词：涂装工艺;Witness仿真;优化

中图分类号：F426.471                                  文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）02-0217-03

0  引言

汽车生产物流系统是典型的复杂系统，在车辆制造过程中，不论布局和生产组织形式的外在表现如何，其一般都主要包含下料工艺、机加工艺、焊装工艺、涂装工艺和总装工艺五大工藝。其中涂装工艺是汽车生产物流系统中的五大重要工艺之一，涂装工艺是汽车生产物流系统中资源消耗和能源消耗最高的工艺。据统计，该工艺的资源能源消耗总量约占五大车间总运行成本的75%以上，除此之外，涂装工艺还是设计制造工艺最广、设备最复杂、三废排放量最高、颗粒控制要求最高以及建设周期最长的工艺。

在涂装工艺中涂装有两个重要的目的，第一个防止汽车腐蚀，第二个增加汽车美观性。涂装工艺过程较复杂，技术要求较高，对它进行建模、仿真和优化，可以实现交货期、库存、资源利用率、生产均衡性等方面的改善和优化。

通过对某汽车涂厂汽车涂装工艺系统的物流分析，建立了基于Witness洗车仿真模型，运行结果表明，汽车涂装工艺仿真模型中的喷涂工序是整个物流的瓶颈环节。车自身经常会有多种颜色喷涂，但该汽车涂装厂目前只有一条生产线，易出现车白身喷涂等待的时间过长问题。针对此问题，对汽车涂装工艺进行优化，增加两条喷涂生产线来解决，变成了红色车身、绿色车身和黄色车身分别一条生产线，并建立新的优化仿真模型。本文的研究结果可为汽车涂装厂节能降耗，从较大程度上提高机器运行效率，加强汽车涂装厂核心竞争力。

1  汽车涂装工艺模型描述

涂装工艺可以简化为以下工序：车白身—①预处理工艺（涉及化学加工、打磨、清洗）—②通过机器人喷涂工艺（按照计划按颜色红黄绿对车白身进行喷涂）—③工人检查装饰工艺（喷涂完成后由工人检查装饰，由文献可得，检查装饰会出现10%的喷涂质量不合格，这些不合格品有工人监督运至喷涂队列重新排队并喷涂;合格的则直接传送至烘干队列）—④烘干工艺（对车体进行烘干），其中见图1。还有环水处理、废水处理、纯水系统、空调系统和制冷系统等相关附属工艺在此次模型中不考虑。整个涂装工艺过程需要大量的化学试剂处理和精细的工艺参数控制，对油漆材料及各项加工设备的要求都较高[1-2]。

2  汽车涂装工艺Witness仿真模型

2.1 Witness简介

Witness是由英国Lanner公司推出的功能强大的仿真软件系统，它既可以应用于离散事件系统，也可以应用于连续流体系统的仿真，Witness软件是一个关于生产、运输、规划等的仿真软件，它可以可视化生产系统仿真的整个过程，让使用者清楚地了解到生产过程中发生的问题，并及时对模型的参数（对应的生产参数）进行调整和优化，实现对物流系统优化配置，在世界上得到了较为广泛的应用[3-5]。

2.2 汽车涂装工艺系统分析

汽车涂装工艺Witness仿真模型中所用到的六类元素，含零部件类型、缓冲器类型、机器类型、传送带类型、工人类型和变量类型。元素在模型中所起的作用如表1所示。

2.3 汽车涂装工艺仿真实验及结果分析

汽车涂装工艺仿真模型建立包括元素定义、元素可视化设计、元素详细设计（包括零部件、机器、缓冲器以及工人的设计）。假设汽车涂装工艺仿真模型是队列容量无限，等待制的排队模型[6]，参数设定如下：

①车白身进入涂装工艺车间的速率为随机，每隔3分钟到达一辆车白身，到达车身队列排队等候预处理。

②车体进行预处理和烘干工序的处理速度均符合三角分布函TRIANGLE（0.5，1，1.5），单位为分钟。

③喷漆工序是涂装工艺的重点，车体进入喷涂工序，喷涂耗时3分钟。

④传送带Conveyor1、2、3、4的长度分别为L1、L2、L3和L4。车体进入预处理工序、喷涂工序、检查装饰工序、因不合格返回喷涂工序重新喷涂和烘干传输速度均为5分钟。Length in parts为10m，Movement Index time为0.5m/s。

设定一天的时间60*8=480分，经过Witness2008中的Run，分别对相关元素进行统计，可以获得所需要的绩效指标数据。分别得到车白身零件、预处理工序、喷涂工序、检查装饰工序和烘干工序机器的运行数据，如表2，表3所示。

从仿真结果表1、车白身零部件统计表2和机器设备状态统计表3可以看出，当上道工序输送给本工序161台车体，被Shipped掉140台车体。汽车涂装工艺仿真模型中全部喷涂完成的平均加工时间为41.23分钟/台。喷涂设备忙率最高，为98.66%，即该工序很忙，不断进行喷涂作业。其次忙率较高的是检查装饰，为64.7%。整个系统中的工序只有预处理和烘干相对空闲，忙率分别为33.09%、29.13%。预处理完成160台车白身的生产，喷涂了157台车体，检查装饰了155台车体。

从车身队列、喷涂队列、检查装饰队列和烘干队列库存统计表4可以看出，喷涂队列的库存量较大，当前存量为14个车体，平均存量为6.76个车体，其他无库存。结合喷涂机器人的忙率，可以初步断定喷涂工序的喷涂能力不足，如果希望提高整个汽车涂装工艺的系统产能，则需要对喷涂工序的作业过程进行改善和优化。并且由红色、绿色和黄色三个变量的统计数据得，红色车体有56台，绿色车体有36台，黄色车体有48台。

3  汽车涂装工艺Witness仿真模型优化

将汽车喷涂工艺仿真模型中的喷涂工序过程中的1条生产线按照生产计划增添为3条喷涂不同颜色（红色、绿色和黄色）的生产线[7]来进行优化，分成三类进行喷涂，然后再匯集到一起进行检查装饰，如图2所示。这样可以避免由于等待时间过长而造成的堵塞和机器利用率低下等问题。其他条件不变。

从优化后的车自身零部件类统计表;车身队列、喷涂队列、检查装饰队列和烘干队列库存统计表表5和表6可以看出，与优化前相比，汽车涂装工艺仿真模型中全部喷涂完成的平均加工时间为39.38分钟/台。喷涂队列的库存量依然较大，当前存量为14台车体，平均存量为6.81台车体，其他无库存。车身队列和检查装饰队列不变，相对提高的是烘干队列，由140台车体提高到141台车体。有效的提高了整个涂装工艺的工作效率，提高了整个系统的产能。

4  结论

通过对某汽车涂厂汽车涂装工艺系统的物流分析，建立了基于Witness洗车仿真模型，运行结果表明，汽车涂装工艺仿真模型中的喷涂工序是整个物流的瓶颈环节。车自身经常会有多种颜色喷涂，但该汽车涂装厂目前只有一条生产线，易出现车白身喷涂等待的时间过长问题。针对此问题，对汽车涂装工艺进行优化，增加两条喷涂生产线来解决，变成了红色车身、绿色车身和黄色车身分别一条生产线，并建立新的优化仿真模型。结果表明，生产线运行中的堵塞现象得到明显改善，汽车涂装工艺系统的平均加工时间从41.23分钟/台减少到39.38分钟/台。将此优化方案应用在汽车涂装厂中，汽车的月产量从1400台提高到 1410台，为汽车涂装厂创造了良好的经济效益。提高汽车涂装厂的市场核心竞争力。

参考文献：

[1]马雁楠.汽车涂装生产线优化研究[J].现代工业经济和信息化，2020，6.

[2]蔡小丽.汽车车身涂装工艺及质量控制研究[J].南方农机，2019，50（08）：157.

[3]毛健，乔金友，王立军，等.基于Witness的汽车零部件生产物流系统仿真研究[J].工业工程，2011（3）：124-127.

[4]王亚超，马汉武.生产物流系统建模与仿真[M].北京：科学出版社，2006.

[5]WITNESS操作指南2008，http：//www.witness-China.com， 2008.

[6]唐加山.排队论及其应用[M].北京：科学出版社，2016.

[7]闫语馨.汽车车身涂装工艺及其质量控制研究[J].内燃机与配件，2019（03）：105-106.