什么是加工生產(chǎn)線系統(tǒng)仿真?

引自：《生產(chǎn)系統(tǒng)建模與仿真》（作者：朱海平）

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「?1. 生產(chǎn)流程描述?」

某全自動(dòng)化加工生產(chǎn)線系統(tǒng)生產(chǎn)一種工件，該工件的生產(chǎn)流程如圖1所示。首先，根據(jù)定時(shí)配送指令，通過(guò)AGV系統(tǒng)將存放在立體倉(cāng)庫(kù)中的工件毛坯件運(yùn)輸?shù)缴a(chǎn)線入口緩沖區(qū)，并由線頭機(jī)器人上載到生產(chǎn)線。毛坯件隨即在生產(chǎn)線上流轉(zhuǎn)，經(jīng)過(guò)三道工序加工后變?yōu)槌善芳?。其中，工?在設(shè)備M001、M002和M003中任一臺(tái)上完成，加工時(shí)長(zhǎng)45s，工序2在設(shè)備M004、M005和M006中任一臺(tái)上完成，加工時(shí)長(zhǎng)55s，工序3在設(shè)備M007、M008、M009和M010中任一臺(tái)上完成，加工時(shí)長(zhǎng)1min15s。如果3道工序全部完成，該成品工件由線尾機(jī)器人下載到生產(chǎn)線出口緩沖區(qū)，并由AGV系統(tǒng)運(yùn)回立體倉(cāng)庫(kù)，如果工件未加工完成，則再次上載到生產(chǎn)線上并進(jìn)行新一輪流轉(zhuǎn)，直到所有工序加工完畢。

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圖1?工件生產(chǎn)流程

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「?2.?仿真建模?」

基于FactorySimulation建立仿真模型，如圖2所示。該生產(chǎn)線采用U型布局，總長(zhǎng)54m，運(yùn)轉(zhuǎn)速度0.5m/s。在生產(chǎn)線上布置了10個(gè)工位點(diǎn)，每個(gè)工位對(duì)應(yīng)一個(gè)頂升裝置（B001-B010）和一臺(tái)加工設(shè)備（M001-M010），如果頂升裝置中有工件，該工位就不能再接納工件。一旦某設(shè)備空閑，并且頂升裝置中有工件在等待，則呼叫對(duì)應(yīng)的RGV，如果RGV空閑，則移動(dòng)機(jī)器人將頂升裝置中的工件移至設(shè)備上加工。系統(tǒng)配備了3臺(tái)RGV，其中RGV1為M001、M002、M009、M010這4臺(tái)相鄰設(shè)備服務(wù)，RGV2為M003、M004、M007、M008這4臺(tái)相鄰設(shè)備服務(wù)，RGV3為M005和M006這2臺(tái)相鄰設(shè)備服務(wù)，3臺(tái)RGV軌道長(zhǎng)度分別為7m、5.8m和3.2m，機(jī)器人移動(dòng)速度為1m/s，上下料的時(shí)間均為2s。

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圖2?仿真模型

圖2中，模型區(qū)左邊是立體倉(cāng)庫(kù)和AGV系統(tǒng)，AGV系統(tǒng)用于毛坯件和成品件運(yùn)輸。其中，毛坯件從P01站點(diǎn)（立體倉(cāng)庫(kù)的出入庫(kù)位置）運(yùn)送到P02站點(diǎn)（生產(chǎn)線入口緩存處），成品件從P03站點(diǎn)（成品待配送緩存處）運(yùn)送到P01站點(diǎn)，AGV路徑一周總長(zhǎng)40.45m，AGV承載量是10，即每臺(tái)AGV一次運(yùn)輸10個(gè)毛坯或成品件，AGV運(yùn)輸速度0.5m/s，AGV數(shù)量為2臺(tái)，AGV上下料時(shí)間均為15s。

仿真建模時(shí)，需要定義兩個(gè)重要的腳本方法：

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（1）仿真運(yùn)行中，工件在生產(chǎn)線上流轉(zhuǎn)，到達(dá)每一個(gè)工位點(diǎn)時(shí)要進(jìn)行判斷，決定是否將工件移至該工位頂升裝置內(nèi)，該判斷邏輯通過(guò)stationSensor腳本方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，如下：

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boolean flag = false;if(MUType.equals("毛坯")) {//毛坯件if(station.no.equals("1") && %{B001}%.allowEntrance(@)) {? @.move("B001");flag = true;} else if(station.no.equals("2") && %{B002}%.allowEntrance(@)) {? @.move("B002");flag = true;} else if(station.no.equals("3") && %{B003}%.allowEntrance(@)) {? @.move("B003");flag = true;}//工件已送至到B001或B002或B003，則開(kāi)始工序1if(flag) {@.MUType = "工序1";@.MUColor = Color.yellow;return;}} else if(MUType.equals("工序1")) {//工序1if(station.no.equals("4") && %{B004}%.allowEntrance(@)) {? @.move("B004");flag = true;} else if(station.no.equals("5") && %{B005}%.allowEntrance(@)) {? @.move("B005");flag = true;} else if(station.no.equals("6") && %{B006}%.allowEntrance(@)) {? @.move("B006");flag = true;}//工件已送至到B004或B005或B006，則開(kāi)始工序2if(flag) {@.MUType = "工序2";@.MUColor = Color.blue;return;}} else if(MUType.equals("工序2")) {//工序2if(station.no.equals("7") && %{B007}%.allowEntrance(@)) {? @.move("B007");flag = true;} else if(station.no.equals("8") && %{B008}%.allowEntrance(@)) {? @.move("B008");flag = true;} else if(station.no.equals("9") && %{B009}%.allowEntrance(@)) {? @.move("B009");flag = true;} else if(station.no.equals("10") && %{B010}%.allowEntrance(@)) {? @.move("B010");flag = true;}//工件已送至到B007或B008或B009或B010，則加工成成品if(flag) {@.MUType = "成品";@.MUColor = Color.green;return;}}//已到達(dá)線尾，如果是成品，則運(yùn)送到生產(chǎn)線出口，否則送到生產(chǎn)線入口，繼續(xù)加工if(station.getNo().equals("999")) {if(@.MUType.equals("成品"))%{線尾機(jī)器人}%.call("生產(chǎn)線", "生產(chǎn)線出口", @);else%{線尾機(jī)器人}%.call("生產(chǎn)線", "生產(chǎn)線入口", @);}

（2）為了實(shí)現(xiàn)定時(shí)將毛坯件從立體倉(cāng)庫(kù)出庫(kù)并通過(guò)AGV配送到生產(chǎn)線入口，定義觸發(fā)器及定時(shí)觸發(fā)方法。觸發(fā)器如圖3所示。從0時(shí)刻開(kāi)始，每隔4min觸發(fā)一次，共觸發(fā)100次，每次自動(dòng)執(zhí)行pickAndDelivery方法。

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圖4?用于毛坯投入的定時(shí)觸發(fā)器

pickAndDelivery方法內(nèi)容如下：

//從立體倉(cāng)庫(kù)分揀出10個(gè)毛坯件ListmuList = %{立體倉(cāng)庫(kù)}%.pick("毛坯|10", 0);//呼叫AGV，將毛坯件從立庫(kù)運(yùn)輸?shù)缴a(chǎn)線入口，一次運(yùn)輸10個(gè)，上載時(shí)間和卸載時(shí)間均為15秒%{AGV系統(tǒng)}%.call("P01", "P02", "立體倉(cāng)庫(kù)", "生產(chǎn)線入口", muList, null, 15*1000, 15*1000);

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3.?仿真分析?

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首先分析生產(chǎn)線的產(chǎn)能和瓶頸。假定每4min從立體倉(cāng)庫(kù)向生產(chǎn)線配送一個(gè)批次毛坯件（10個(gè)），共配送100次，合計(jì)生產(chǎn)1000個(gè)工件，通過(guò)仿真來(lái)觀察生產(chǎn)線的單位時(shí)間產(chǎn)量變化。

圖5顯示了產(chǎn)量隨時(shí)間變化的曲線，可以看出，總產(chǎn)量隨時(shí)間線性遞增，每小時(shí)產(chǎn)量則逐漸趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定在155~160個(gè)/h。設(shè)備利用率如圖6所示，可以看出線頭和線尾機(jī)器人的工作時(shí)長(zhǎng)占比均為81.42%，比較高，而3道加工工序各有一臺(tái)加工設(shè)備（M003、M006和M010）利用率不高，說(shuō)明加工設(shè)備的能力富裕，機(jī)器人則可能是瓶頸。

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圖5?產(chǎn)量變化圖

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圖6?設(shè)備利用率

根據(jù)定性分析，一方面，縮短配送周期，同時(shí)提升線頭和線尾機(jī)器人的處理速度，應(yīng)該有助于提升產(chǎn)能；另一方面，如果配送周期過(guò)短，由于生產(chǎn)線處理速度有限，可能造成毛坯件在生產(chǎn)線入口處積壓，或者在生產(chǎn)線上反復(fù)流轉(zhuǎn)，導(dǎo)致工件通過(guò)時(shí)長(zhǎng)變長(zhǎng)、在制品增多，因此，可能存在最佳的配送周期，為了驗(yàn)證這一點(diǎn)，設(shè)計(jì)如下仿真試驗(yàn)：

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（1）毛坯配送的時(shí)間間隔共7個(gè)水平值：1:30、2:00、2:30、3:00、3:30、4:00、4:30。

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（2）線頭/線尾機(jī)器人處理時(shí)長(zhǎng)共2個(gè)水平值：15s和20s。

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（3）試驗(yàn)的輸出參數(shù)：1000個(gè)工件加工的完成時(shí)間、每個(gè)工件的平均通過(guò)時(shí)間。

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采用全因子試驗(yàn)，共試驗(yàn)14次，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示?？梢钥闯觯渌烷g隔時(shí)間加長(zhǎng)，加工完成時(shí)間基本呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，但平均通過(guò)時(shí)間呈下降趨勢(shì)。試驗(yàn)5和試驗(yàn)12的綜合效果是不錯(cuò)的，因此，設(shè)定配送時(shí)間為3:30比較合適，機(jī)器人處理時(shí)長(zhǎng)從15s變化到20s，對(duì)兩個(gè)輸出參數(shù)的影響不大。

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表1?仿真結(jié)果

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「?4.?三維仿真動(dòng)畫(huà)?」

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FacotrySimulation內(nèi)置了三維動(dòng)畫(huà)引擎，可以瀏覽仿真過(guò)程的三維車(chē)間場(chǎng)景，如圖7所示。

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圖7?仿真過(guò)程的三維動(dòng)畫(huà)