（车辆工程专业论文）基于emplant的车身焊装线仿真优化研究.pdf

江苏大学工程硕士学位论文 摘要 传统生产中对车身装焊线的优化改造往往基于经验，通过对生产 现场的直接调整测试来实施，但在调整期间会影响正常生产，而且由 于对车间现场条件的限制和硬件设备投资成本的考虑，难以柔性地对 多种方案进行评估测试，从而使得整个改造的周期过长、成本偏大。 针对这一问题，论文基于e m p 1a n t 对车身装焊线进行了建模和仿真。 本文结合某厂车身焊装生产线的实际生产情况，基于e m p 1a n t 物 流仿真模块，应用面向对象技术建立焊装线二维可视化仿真模型。在 对焊装线生产过程进行动态分析的基础上，。找出了生产瓶颈。针对仿 真分析的焊装线生产瓶颈，提出了优化方案，重新修改了仿真模型。 将原生产线模型与改进后的生产线模型在产能、设备利用率等方面进 行了对比，验证了优化方案的可行性。 论文在调查分析了焊装仿真系统基本特点的基础上，对仿真环境 的构造要求进行了研究，提出了利用e m p 1a nt 构造满足焊装线的仿真 软件的基本思路，并着重探讨了运用e m - p l a n t 构造焊装线运行仿真软 件的三个关键技术： ( 1 ) 焊装设备实体建模。分析焊装线运行中的固定设备和移动设 备的仿真属性，基于e m p l a n 七模型库构建焊装线设备实体模型，定义 模型属性，设置仿真控制策略接口。 ( 2 ) 焊装线运行仿真控制策略。分析焊装线的技术作业流程和运 行过程，据此抽象焊装线运行过程中的控制流程和算法，定义仿真控 制策略。 ( 3 ) 焊装线运行仿真系统构造。阐述了运用焊装线设备实体模型 和焊装线运行仿真控制策略，阐述焊装线运行仿真系统的构造方法。 关健词：虚拟仿真：e m - p la n t ；建模；焊装线 江苏大学工程硕士学位论文 a b s t r a c t i nt r a d i t i o n a lp r o d u c t i o n ，t h er e b u i l do nt h ea s s e m b l i n g w e l d i n gl i n e i sb yt h ee x p e r i e n c eg e n e r a l l y ，a n dp u ti np r a c t i c et h r o u g ha d ju s t i n ga n d t e s t i n go nl o c a l e ，b u ti tw i l le f f e c tt h ep r o d u c t i o no fw o r k s h o pd u r i n gt h e p e r i o d i ti sd i f f i c u l tt oe v a l u a t ea n dt e s tt h e s ev a r i o u sp r o j e c tf l e x i b l yi n v i e wo ft h er e s t r i c to fw o r k s h o po nl o c a l ea n dt h ei n v e s t m e n tc o s to f h a r d w a r ee q u i p m e n tb yw h i c hl e a dt ot h ec y c l eo fr e b u i l d i n gi st o ol o n g a n dc o s t l y ，t os o l v et h e s ep r o b l e m s ，t h ep a p e rs t u d i e sa ne m p l a n t b a s e d a i d e dm o d e l i n gm e t h o do ft r a i nr u n n i n gs i m u l a t i o n t h ep a p e rr e f e r e n c et h ea c t u a l p r o d u c t i o np r o c e s so fo n eb o d y p l a n t sa s s e m b l i n g w e l d i n gl i n e ，a na s s e m b l i n g - w e l d i n gl i n e2 dv i s u a l s i m u l a t i o nm o d e li sc o n s t r u c t e db a s e do ne m p l a n tl o g i s t i c ss i m u l a t i o n m o d u l ea n du s i n go b j e c t o r i e n t e dt e c h n i q u e b a s e do nd y n a m i c a la n a l y s i s o fp r o d u c t i o np r o c e s s ，t h eb o t t l e n e c ko fp r o d u c t i o nl i n ei sd i a g n o s e d a n o p t i m i z e ds c h e m ei sp r o p o s e da n dt h es i m u l a t i o nm o d e li sr e b u i l t t h e o p t i m i z e ds c h e m ei sv e r i f i e db yc o m p a r i n gt h eo p t i m i z e dm o d e lw i t ht h e f o r m e rm o d e la tt h ea s p e c t so fp r o d u c t i o nc a p a c i t ya n de q u i p m e n tu t i l i t y r a t e b a s eo ni n v e s t i g a t i n ga n da n a l y z i n gt h ee s s e n t i a lc h a r a c t e r i s t i c so f t h ea s s e m b l i n g - w e l d i n gl i n es i m u l a t i o ns y s t e m ，t h ep a p e rs u m su pt h e d e m a n d so fb u i l d i n gt h es i m u l a t i o ne n v i r o n m e n t ，a tt h es a m et i m e ，p u t s t h em a i ne m p h a s i so na n a l y z i n gt h et r a i t so fe m p l a n t o nt h eb a s i so f t h e s e ，a i m i n ga tt h ed e m a n do fa s s e m b l i n g w e l d i n gl i n er u n n i n gc o n t r o l s a n ds t a t i o nt e c h n i c a lo p e r a t i o n s ，t h ep a p e rp u t sf o r w a r dat h i n k i n go f p r o g r a m m i n gaa s s e m b l i n g w e l d i n gl i n er u n n i n gs i m u l a t i o ns o f t w a r eb y e m p l a n ta n d p r o b e si n t o t h r e ek e y t e c h n o l o g i e s o fu s i n ge m - p l a n t e m p h a t i c a l l y ( 1 ) b u i l d i n gt h ee n t i t ym o d e l so fa s s e m b l i n g w e l d i n gl i n et r a n s p o r t 江苏大学工程硕士学位论文 f a c i li t i e s t h e p a p e ra n a l y z e s t h e s i m u l a t i o n p r o p e r t i e s o f a s s e m b l i n g - w e l d i n gl i n et r a n s p o r tf i x e da n dm o v a b l ef a c i l i t i e s ，b u i l d s t h ee n t i t ym o d e l sb a s i n go ne l e m e n t a r yl i b r a r yo fe m p l a n tm o d e l s ， d e f i n e st h e i rp r o p e r t i e s ，a n ds e t su pt h ei n t e r f a c e so ft h es i m u l a t i o n c o n t r o ls t r a t e g i e s ( 2 ) s i m u l a t i o nc o n t r o ls t r a t e g i e s o fa s s e m b l i n g - w e l d i n gl i n e r u n n i n g t h ep a p e ra n a l y z e st h ep r o c e s so ft e c h n i c a lo p e r a t i o n sa ts t a t i o na n d a s s e m b l i n g - w e l d i n gl i n er u n n i n gi ns e c t i o n ，a n dt h e n a b s t r a c t st h e c o n t r o lp r o c e s sa n da l g o r i t h mo ft r a i nr u n n i n go p e r a t i o n ，f i n a l l yd e f i n e s t h es i m u l a t i o nc o n t r o ls t r a t e g i e s ( 3 ) m e t h o d o f b u i l d i n g t h e a s s e m b l i n g - w e l d i n g l i n e r u n n i n g s i m u l a t i o ns y s t e m t h ep a p e re x p o u n d st h em e t h o dh o wt ob u i l da a s s e m b l i n g - w e l d i n gl i n er u n n i n gs i m u l a t i o ns y s t e mb ye n t i t ym o d e l so f a s s e m b l i n g - w e l d i n gl i n et r a n s p o r tf a c i l i t i e sa n ds i m u l a t i o ns t r a t e g i e so f a s s e m b l i n g w e l d i n gl i n e k e y w o r d s ：v i r t u a ls i m u l a t i o n ；e m - p l a n t ；m o d e l i n g ；a s s e m b l i n g w e l d i n g l i n e 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学位保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密团。 学位论文作者签名：淤 2 0 0 9 年月，日 指导教师签名：。汆o 2 0 0 9 年6 月r d 日 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：冰 日期：2 0 0 9 年月t 日 江苏大学工程硕士学位论文 第1 章绪论 车身是汽车的重要组成部分，其质量和制造成本约占整车的 2 0 3 0 t 1 1 。车身焊装线作为车身生产的关键装备，它的生产制造水平 不仅直接影响汽车生产规模、生产效率和生产质量，而且还关系到企 业的生产成本、生产竞争策略的制订以及预期的经营目标是否能够顺 利实现等。随着我国加入世贸组织，汽车市场的竞争越来越激烈，利 润空间越来越小。如何提高焊装线的生产效率、降低焊装线的成本， 就成为一个很重要的课题。 目前传统生产中对车身装焊线的优化改造往往基于经验，通过对 生产现场的直接调整测试来实施，但在调整期间会影响正常生产，而 且由于对车间现场条件的限制和硬件设备投资成本的考虑，难以柔性 地对多种方案进行评估测试，而随着计算机软件硬件和信息网络技术 的不断发展，计算机辅助工程和仿真技术发展的逐渐成熟，以数字化 描述的虚拟设计和虚拟制造技术应运而生。它是以计算机仿真技术为 基础，对生产过程进行建模，能够快速有效地评价不同的工艺方案， 评估和优化生产过程1 2 l 。在车身优化生产制造过程中采用虚拟制造等 先进制造技术，可以克服传统车身焊装线优化改造方法的不足，提高 焊装线优化改造的效率，使企业能够可靠地、优质地生产出满足顾客 需求的产品，同时快速响应市场需求的变化，提高企业的综合竞争能 力。 1 1 先进制造技术 先进制造技术是制造业不断吸收机械、电子、信息( 计算机与通信、 控制理论、人工智能等) 、能源及现代系统管理等方面的成果，并将其 综合应用于产品设计、制造、检测、管理、销售、使用、服务乃至回 收的全过程，以实现优质、高效、低耗、清洁、灵活生产，提高对动 江苏大学工程硕士学位论文 态多变的产品市场的适应能力和竞争能力的制造技术的总称【3 1 。美国 在8 0 年代末提出了先进制造技术的系统概括，它包括系统总体技术、 管理技术、设计制造一体化技术、制造工艺与装备技术、支撑技术五 大技术群【4 1 。经过十余年的发展，五大技术群的内容到现在已大大丰 富，其具体含义如下： ( 1 ) 系统总体技术群：研究如柔性制造、计算机集成制造、敏捷制 造、智能制造等先进制造技术的设计、规划、集成等总体技术。 ( 2 ) 管理技术群：研究与制造企业的生产经营和组织管理相关的各 种技术，如计算机辅助生产管理、物料需求计划制造资源计划企业资 源计划、供应链管理、全面质量管理、准时制造、精良生产、企业经 营过程重构等技术。 ( 3 ) 设计制造一体化技术群：研究与产品设计、制造、直到检测等 全过程相关的各种技术，如并行工程、计算机辅助设计计算机辅助工 程计算机辅助制造、拟实制造、可靠性设计、智能优化设计、质量功 能配置、数控技术、物料储运、自动控制、检测监控、以及质量保证 等技术。 ( 4 ) 制造工艺与装备技术群：研究与制造工艺及装备相关的各种技 术，如材料生产工艺及装备、常规加工工艺及装备、少无切削加工工 艺及装备、高速超高速加工工艺及装备、精密超精密与纳米加工工艺 及装备、特种加工工艺及装备等。 ( 5 ) 支撑技术群：这一技术群是以上技术群赖以生存并不断取得进 步的相关技术，如标准化技术、计算机技术、软件工程、数据库技术、 多媒体技术、网络通信技术、人工智能、虚拟现实技术、材料科学、 人员教育和培训、人机工程学、环境科学等。 2 江苏大学工程硕士学位论文 形成划制定 命周期) 图1 1 先进制造技术和产品生命周期1 4 】 f i g u r e l - 1a d v a n c e dm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g ya n dl i f ec y c l eo fp r o d u c t 4 】 以上涉及的主要制造技术及其在产品生命周期中所应用的阶段可 由图1 1 表示。从图中可以看到，虚拟制造在先进制造技术中占有非常 重要的位置。 1 2 虚拟制造 1 2 1 虚拟制造的概念 “虚拟制造 ( v i r t u a lm a n u f a c t u r i n g ，v m ) 是二十世纪九十年代由 美国首先提出的一种全新概念。作为一种新兴的概念，至今还没有形 成一个广泛认同的定义。目前比较通行的说法是：虚拟制造是实际制 造过程在计算机上的本质实现，即采用计算机仿真与虚拟现实技术， 在计算机上模拟出产品的整个制造过程，从而实现对产品的设计、工 艺规划、加工制造、性能分析、生产管理与调度、销售及售后服务做 出综合的评价，以增强制造过程各个层次的决策与控制能力【5 1 。 3 江苏大学工程硕士学位论文 产荔誊鼍娑i u b i j l a m 一二 |重ii薹i!-主*耋；息 最优工艺方案 生产计l t ：艺i 划模型：模型l 车间及机床控制模型 i 以控制为中心的i 一 虚拟制造 口标： ：优化车间层控制 剖t 和制造过程控制 质量估算结果 + 成本估算结果 图1 - 2 虚拟制造分类及关系1 1 2 1 f i g u r e1 - 2t h ec l a s s i f i c a t i o no fv i r t u a lm a n u f a c t u r i n ga n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n t h e m 1 2 】 “虚拟制造 中的“制造 是广义的制造，包含了一切与产品相 关的活动和过程。以c a d 、c a e 、c a m 等单元技术和d f a 、d f m 等 集成技术为支撑，特别是可视化和虚拟现实技术的应用，虚拟制造最 终提供了一个强有力的建模与仿真环境，通过对设计和制造过程进行 有效集成，将与产品制造相关的各种过程集成在统一模型之中，使虚 拟模型反映真实制造过程，其目的是在产品设计规划阶段，及时和并 行地仿真未来制造过程乃至产品全生命周期的活动及其对产品设计的 影响，并预测及评价现实模型的性能，从而更有效、更经济和更柔性 地组织生产，增强决策与控制水平，有力地降低由于前期设计给后期 制造带来的回溯更改，达到产品的开发周期和成本最小化、产品设计 质量的最优化和生产效率的最大化1 6 - 1 1 】。按照与生产各个阶段的关系， 可以将虚拟制造分成三类，即以设计为中心的虚拟制造、以生产为中 心的虚拟制造和以控制为中心的虚拟制造【1 2 】，如图1 2 所示。 4 江苏大学工程硕士学位论文 1 2 2 虚拟制造技术的研究及其应用 虚拟制造技术涉及的研究领域极为广泛，目前虚拟制造的研究与 应用已深入学术机构、企业甚至软件开发商。但由于人们对“虚拟 和“制造的内涵理解有所不同，以及从事领域的差异，所以虚拟制 造的研究存在不同的侧重点。 1 虚拟制造系统的体系结构 目前在虚拟制造系统体系的现有研究成果可归为两类：广义的及 狭义的体系。广义的体系提出时并未指明是针对v m 设计的，代表性 的体系有p e r a 、c i m o s a 、g e r a m 。狭义的体系提出时就指明是针 对v m 设计的，从某一个或几个方面出发，解决v m 体系中的一些关 键问题，代表性的体系有m e d i a t o r 、1 w a t a 、分布式、工具集【13 1 。 清华大学肖田元教授【1 4 j 等提出了基于产品数据管理( p d m ) 集成的 v m 体系结构。它包括虚拟加工平台、虚拟生产平台、虚拟企业平台， 分别对产品的“可加工性 、“可生产性 和“可合作性 的进行决策 支持。 虚拟加工平台支持产品的并行设计、工艺规划、加工、装配及维 修等过程，进行可加工性分析( 包括性能分析、费用估计、工时估计等) 。 它是以全信息模型为基础的众多仿真分析软件的集成，包括力学、热 力学、运动学、动力学等。 虚拟生产平台支持生产环境的布局设计及设备集成、产品远程虚 拟测试、企业生产计划及调度的优化，进行可生产性分析。 虚拟企业平台为敏捷制造提供可合作性的分析支持，为合作伙伴 提供协同工作环境和虚拟企业动态组合及运行支持环境 上海交通大学严隽琪教授【1 5 】提出了基于五层协议的v m 体系结 构。这五层协议分别是：界面层、控制层、应用层、活动层、数据层。 界面层提供了操作者和系统交换信息的方式和方法，并提供沉浸式的 虚拟环境。控制层基于网络，将通过界面层传送来的服务请求等工作 指令，转化为定的控制数据，以激发本地或远程应用系统服务。应 5 江苏大学工程硕士学位论文 用层由虚拟产品设计( 包括c a d ，d f x ，f e a 设计仿真等) 、虚拟产品制 造( 包括制造系统建模、布局定义、制造仿真等) 组成，也对产品开发过 程中的应用功能模块进行管理。活动层实现应用层中各种应用过程的 逐步分解，使其由标准的活动组成，并以类似进程的思想执行这些活 动。数据层对产品开发过程中的所有活动所需处理的静态和动态设计、 制造知识和模型等进行公共管理。 2 虚拟制造软件系统的研究开发 国外软件公司凭借雄厚的软件开发实力，在强大的资金支持下， 推出了一批支持虚拟制造的商业软件。目前应用较广具有代表性的有 t e c n o m a t i x 公司的e m p o w e r 和d a s s a u l t 公司的d e l m i a ，分别简单介绍 如下： f 1 ) t e c n o m a t i x 公司的e m p o w e r t e c n o m a t i x 公司的数字化工厂软件e m p o w e r 可以提供一个完整 的工厂从生产线、加工单元到工序操作的所有层次进行数据管理、虚 拟设计、物流仿真和优化集成的计算机环境。它是一个开放式的软件 应用平台，主要由三层结构组成：制造服务器e m s e r v e r ( e m a n u f a c t u r i n g s e r v e r ) 、底层数据库和客户端应用程序，其中制造服务器作为数据信 息更新、交流和共享的中心，是软件的核心部分。e m p o w e r 以电子化工 艺过程表e b o p ( e l e c t r o n i cb i l lo fp r o c e s s ) 的格式定义制造过程并把它 们存储在制造服务器上，实现制造信息的读写、交换和协同地交互式操 作。 e m p o w e r 软件是一个集成式的虚拟制造平台。在这个平台上，计 划和工艺人员可以采用组群工作的方式，采用计算机仿真的技术手段 模拟和预现产品的整个生产制造过程，并把这一过程用三维方式展示 出来，从而验证设计和制造方案的可行性，尽早发现并解决潜在的问 题。这对于缩短新产品开发周期、提高产品质量、降低开发和生产成 本、降低决策风险都是非常重要的【1 6 】。 e m p o w e r 面向白车身的解决方案主要解决白车身焊接生产线的工 艺规划、焊接管理、焊接仿真和装焊线的布局等问题，同时应用物流 仿真模块对整个生产线进行物流分析和优化。该解决方案由 6 江苏大学工程硕士学位论文 e m p l a n n e r 规划管理模块、e m e n g i n e e r 工程应用模块和协同作业模块 e m - r e p o r t 等组成。其体系结构和主要功能如1 3 图所示，通过诸多模 块有机地结合在一起，实现对工艺规划和制造过程的虚拟仿真。 i 厂_ r _ - 1 i 曩薯雷晕冒! 兰竺兰兰兰! 翠早：时；磊艺i更本程i=徉：；旱： 童i 雾星苣邑圜i竺三! ! 舅苣 生：竺一业一竺一一竺竺：一l 统一的底层数据库 制造网络服务器 图1 - 3e m p o w e r 白车身解决方案结构体系图 f i g u r e l 3t h ea r c h i t e c t u r em a po fe m p o w e rb i ws o l u t i o n ( 2 ) d a s s a u l t 公司的d e l m i a d e l m i a 是d a s s a u l ts y s t e m e s 公司为“数字化工厂 概念推出的 一套较完善的软件解决方案。d e l m i a 软件由两个相互关联的独立软 件组成即d p e ( d i g i t a l p r o c e s s e n g i n e e r ) 和d p m ( d i g i t a l p r o c e s s m a n u f a c t u r e ) 。 d p e 为数字化工艺规划平台，它能有效的将产品、资源、工艺数 据统一管理，实现产品分析，产品工艺流程的定义，总体工艺方案的 规划、评估，数据统计以及产品工艺结果的输出等项工作。d p e 也是 一套基于o r a c l e 数据库的协同工艺设计管理的信息平台。在数据库支 撑下，用户可以根据项目分工实现协同并行作业和集中的项目管理。 结合v b 的宏程序，在d p e 中可以快速实现e b o m ( e b i l lo fm a t e r i a l ) 的导入和3 d 浏览。在统一的数据库中，项目小组可以实现共同浏览产 品结构和对于其工艺结构b o m 划分的讨论分析。 d p m 提供工艺细节规划和验证的应用环境。它以d p e 中规划的产 品工艺流程、产品的三维数学模型、各种资源为基础进行数字化装配 过程的仿真与验证。通过仿真与验证的结果来分析工艺规划的可行性， 实现工艺规划的优化改进。d p e 和d p m 通过产品、工艺和资源数据库 7 江苏大学工程硕士学位论文 共享数据。 我国对虚拟制造领域的研究和应用尚属于起步阶段。近年来这方 面的工作受到了足够的重视，并出现了一些面向生产过程的仿真系统， 熊光楞在文献【1 7 】描述了由清华大学自动化系和航空航天部2 0 4 所共同 研制的一体化制造系统仿真软件i m s s ，该软件将建模、监控和输出分 析集成在一起，具有二维图形建模和动画仿真功能，但与虚拟制造的 要求还有相当的差距。另外，针对制造业中的某些专项问题，比如对 数控加工仿真、制造系统虚拟设计问题，都有了一定的研究 1 8 - 2 0 】，这 为进一步开发自主版权的虚拟仿真系统，进而开发我国自己的虚拟制 造软件打下了很好的基础。 3 虚拟制造技术在生产系统中的应用 将虚拟制造技术应用于生产系统规划过程中，可以在不同的规划 方案中做到最优选择，降低成本和生产系统设计和投资风险。面向生 产工程的虚拟制造的核心问题是生产系统的规划，而其基础是生产系 统的建模，目标是获得优化的生产系统性能指标。通过在计算机上进 行生产系统的可视化仿真，可以直观地模拟真实的生产系统的运行情 况，并对其运行的性能进行分析和评价。生产系统根据规模大小，可 分为四个层次：工位层、单元层、车间层和工厂层，其中单元层和车 间层合称为系统层。 系统层规划主要的研究方向有：缓冲站容量设计、生产瓶颈环节 的识别及优化、车间布局以及生产系统仿真建模方法等。生产系统的 系统层仿真是宏观层次的仿真，它主要涉及的是整个车间物流、生产 管理。系统层仿真是离散事件系统仿真的一个分支，这种仿真主要解 决生产系统中的以下问题：合理布置车间和生产线；验证和优化调度 控制算法；验证选择生产设计方案、运作方式；验证生产节拍合理性、 合理匹配设备利用率等；确定库存和警戒线、物流供应、物料存放： 生产管理、换班方式、人力资源优化；预计或验证车间生产能力。 工位层的规划是与由工位所组成的生产单元的规划密切相关的， 通过单元层的规划，保证了工位之间的物流通畅、工时消耗均衡，而 单元层规划后的各工位的具体内容需要相应的物流实现来保证，即两 8 江苏大学工程硕士学位论文 个层次之间存在相互约束和信息反馈的关系。工位层仿真是微观层次 的仿真，主要是仿真零件的具体加工过程和制造系统中各种机器人的 运动路径。主要解决以下问题：验证机床n c 代码；验证和选择机器 人运动轨迹；检查运动干涉；验证零件加工方法；检查刀具干涉；验 证刀具硬度和刚度、换刀方式；确定机床和加工中心的生产能力。 1 3 生产系统仿真优化的国内外研究 目前，在生产系统仿真优化设计方面，国内外已经开展了大量的 研究，下面对一些研究情况介绍如下： t h en e w j e r s e yi n s t i t u t eo ft e c h n o l o g y 的y i n gt a n g 2 1 2 2 】等人开展 了半导体生产线虚拟设计方法的研究。他们开发了一种自适应算法来 进行生产控制和资源管理的规划，算法应用启发式规则动态的配置生 产线参数，确保生产线负荷平衡，并能精确的预测每个工序的工时消 耗。同时考虑到设备的故障与维修等随机因素，应用排队网络法构建 设备模型来分析其产能。并且通过为每个空闲的设备指定一个优先权 值，允许系统动态的选择空闲设备，调整生产线。通过实例验证，该 算法可以有效提高生产线的产能和设备利用率。 t h em i s s i s s i p p is t a t eu n i v e r s i t y 的r o m m e lc o s m od s o u z a 2 3 】通过 对识别生产瓶颈的生产系统参数进行分析研究，开发了一种基于生产 系统产能的生产瓶颈识别技术。在这种技术中，根据生产系统的产能 会随着生产瓶颈的加入而大大降低这一特征，来识别出生产瓶颈。通 过在串行、并行等四种不同结构类型的生产线中使用验证，表明该技 术能够应用到绝大多数类型的生产线中。该技术能够避免使用基于设 备利用率或设备等待时间等其他瓶颈识别方法带来的缺点。 a n a r m e n d e s 2 4 】等人采取启发式算法和仿真模型相结合的方法 来平衡照相机装配生产线。他们把研究过程分为两个阶段，第一阶段 利用启发式算法得出使装配线具有最小工作站数量并且使工作站负荷 平衡的装配线配置方案；第二阶段以装配线配置方案构建仿真模型， 在仿真模型中设置一些启发式算法无法得出的系统参数，如返修率、 9 江苏大学工程硕士学位论文 设备故障率等，通过仿真运行获得装配线的性能评价参数，如工人利 用率等，来帮助调整优化装配线的配置。 北京理工大学的孙连胜【2 5 】等人研究了一种利用虚拟制造技术对生 产线进行可视化设计的方法。他应用面向对象技术建立制造环境中的 基本资源类库，并针对其中对象建立相应的模型库，然后通过可视化 的建模方式，构建出可模拟真实生产环境的虚拟生产线可视化模型。 该方法为生产线的设计以及快速可重组设计提供了有效的建模和分析 工具。 广东工业大学的王永超1 2 6 - 2 8 】等人以灌装生产线为研究对象，在系 统分析灌装线虚拟设计的基本任务的基础上，提出灌装线面向设计的 虚拟仿真系统结构，利用q u e s t 平台，开发了灌装线的三维仿真系统。 基于对象建模技术，将灌装线虚拟仿真系统分为：仿真引擎、虚拟环 境、环境管理和制造系统四个主题。深入研究了虚拟环境中的立体显 示、光照模型和主机运动模型的建模方法和几何模型数据转换的实现 方式。 华中科技大学的王书亭1 2 9 】等人研究了生产线虚拟仿真系统的功能 模型，提出了其模块化的体系结构；他对生产线的虚拟仿真建模方法 和仿真策略进行了详细研究，提出了一种能满足虚拟仿真需求，将面 向对象建模、三维图形建模和虚拟仿真策略统一起来的有向图仿真建 模机制；并且利用v c 和o p e n g l 开发出生产线虚拟仿真原型工具 i n t e v s s 。 清华大学的吴挺f 3 0 】等人基于仿真模型，采取遗传算法和系统仿真 相结合的方法，对装焊生产线缓冲区容量的优化分配进行研究。在系 统仿真模型中，假设工位故障发生时间满足指数分布，工位维修时间 和工位操作时间满足e r l a n g k 分布，而遗传算法采取最优个体保护策 略。优化结果使焊装线的生产率和设备平均利用率都明显提高。 1 4 课题的提出及意义 我公司为适应市场需求，决定对0 4 年新建的含6 台焊接机器人h o w 0 1 0 江苏大学工程硕士学位论文 车身半自动焊装线进行改造，拟将生产节拍从5 分钟提高为4 分钟， 提高焊装线的生产效率。本课题将基于仿真软件e m p 1a n t 平台，对车 身装焊线的进行建模仿真，比较各种改进方案，对其能取得的效益及 风险予以确实有效的评估，并确定最终方案。 1 5 课题的研究内容和结构 本文以e m p l a n t 软件为平台，进行车身焊装生产线的虚拟仿真研 究，各章节的主要内容如下： 第1 章首先概述了虚拟制造技术的概念、原理和技术基础：介绍 了具有代表性的虚拟制造软件系统；总结了生产系统仿真的研究现状； 最后引出了课题的研究内容及意义。 第2 章介绍中国重汽h o w o 焊装线。首先是回顾了车身焊装线 的发展历程，然后阐述了中国重汽h o w o 驾驶室焊装生产线组建的必 然性，最后介绍了h o w o 生产线概况，包括车间布局、工艺布局以及 生产设备、传输设备等计方法步骤。 第3 章首先介绍了离散事件系统仿真的技术理论；然后筒述了 e m p l a n t 模块的功能特点；最后构建了某厂焊装生产线的二维仿真模 型，并简述建模过程，通过仿真运行分析，找出了生产瓶颈，并对焊 装线进行了优化改造。 第4 章通过仿真运行分析，找出了生产瓶颈，分析产生瓶颈的原 因，并对焊装线进行了优化改造，比较各种改进方案，对其能取得的 效益及风险予以确实有效的评估，并确定了最终方案。 江苏大学工程硕士学位论文 第2 章中国重汽车身焊装线概述 2 1 车身焊装线的发展 自6 0 年代以来，随着汽车批量生产的需要以及制造技术、电子技 术、控制技术、机电一体化技术的发展，汽车装配输送线的规格、功 能和技术发展迅速，通过机器人部分代替人工操作，提高安装和焊接 的精度与效度，实现柔性化、自动化装配生产。 从发展历史来看，汽车装焊生产线的发展大体经历了以下三个阶 段 3 1 , 3 2 】： 第一阶段，6 0 年代以前，装焊生产线大量采用悬挂点焊机阶段。 生产线机械化及自动化水平较低，装配及装焊工作都是由人工完成。 这种装焊生产线劳动生产率很低但具有一定的灵活性，当汽车车身发 生某些局部变化或换型生产时，花费不大的费用就可以在原有生产线 上改造生产。所以，这种生产线很适合中小批量的生产纲领，在具有 廉价劳动力的发展中国家得到了广泛的应用。 第二阶段，6 0 一8 0 年代初期，装焊生产线大量采用多点自动焊机及 机械手，它最明显的特点是高度的机械化和自动化水平及高生产率。 但同时这种生产线投资巨大，而且基本没有柔性。当增加新车型或换 型时需要新建装焊生产线，有的甚至新建装焊车间。 第三阶段，8 0 年代中期以后，汽车装焊生产线向柔性化方向发展。 机器人的应用与计算机技术的普及使柔性生产成为可能，世界汽车发 达国家争先尝试柔性装焊生产线的开发与制造，使装焊生产线从局部 柔性到替换柔性、直至向全部柔性方向发展。 从生产形式来看，汽车装焊生产线的发展经历了以下阶段：单一 产品流水生产线、多品种混线生产线、多品种混流生产线和大规模定 制生产线。 从发展方向来看，汽车装配生产线的发展呈现以下趋势：汽车装 1 2 江苏大学工程硕士学位论文 配生产由普通控制系统向机电一体化、自动化和柔性化方向发展：汽车 装配方式由手工生产向机械化、自动化方向提升，由单线装配向混合 装配和柔性装配方向发展：汽车装配检测由终端检测向过程质量控制 和在线检测方向发展。 2 2 重汽h o w o 驾驶室焊装生产线组建的必然性 汽车工业是产业关联度高、规模效益明显，资金和技术密集的重 要产业。党的十四大，八届人大做出振兴机械、汽车等产业，使之成 为国民经济支柱产业的重大决策，确立了汽车工业在我国经济发展中 的战略地位。自上世纪八十年代开始，我国的重型汽车工业在逐年发 展与扩大。以生产大吨位重型汽车为主线的山东、四川、陕西三地的 重型汽车企业，于八十年代中期引进奥地利斯太尔重型汽车的制造技 术、设备和专利，经过十余年的自我发展、经验积累及管理改善，现 今生产的斯达一斯太尔及其它品牌的重型汽车性能、质量水平，已有 显著提高。鲁川陕三地重型汽车的年产销量已达到2 5 3 0 万辆的规 模。 随着经济的发展，重型汽车的市场需求也逐年提升，以生产中型 载货汽车为主的一汽集团、东风公司，在九十年代初也进入重型汽车 生产领域，初期开发出三轴6 2 的8 吨载货汽车以及两轴4 2 的8 吨载货汽车；近两年中则更进一步又向载重量为1 2 1 5 吨的重型汽车 领域扩展。 在八十年代中期的国家军转民政策指导下，包头、重庆的两家军 工车辆企业也开始生产民用重型汽车，即北方奔驰牌和铁马牌两种车 型。进入九十年代，重型汽车销售市场进一步升温，更吸引了家电企 业春兰集团、生产轻型汽车的庆铃公司，也加入到重型汽车行业的竞 争中。生产农用车的北汽福田公司，近期也已步入重型汽车生产行列。 国家经济持续发展，重型汽车市场需求不断升温，吸引着日益众 多的企业加入到重型汽车生产销售的激烈竞争行列之中，市场竞争的 压力，又推动着各企业努力改善管理、改进服务，不断提高产品的性 江苏大学工程硕士学位论文 能质量和制造水平，以求得在市场竞争中的生存与发展。优者强者将 会日益提升，劣者弱者将会转换方向与方式，或成为大集团的一员， 或专业生产某一类的专用特色车型。 中国重汽自2 0 0 1 年1 月重组以来，实现了“三年大变样的目标， 重组当年实现利税总额2 5 亿元，从根本上扭转了重组前的亏损局面， 且每年利税总额以1 0 0 以上的速度递增，2 0 0 3 年企业实现利税总额 达1 0 2 8 亿元。对促进国民经济的发展做出了应有的贡献。 中国重汽的发展有效地带动了与之相关的各行业相关企业的发 展，社会效益显著。 目前，随着国家西部大开发、振兴东北老工业基地等发展战略的 实施，给每个重型汽车市场的参与者带来了机遇和挑战，作为中国重 型汽车的摇篮一一中国重汽应该采取自主开发与技术引进相结合的发 展战略，调整产品结构，全面提升产品技术水平和制造工艺水平，为 国民经济建设提供最好的重型汽车，成为我国无法替代的重型汽车生 产基地。 2 3h o w o 焊装生产线概况 h o w 0 驾驶室焊装生产线是中国重汽集团卡车公司于2 0 0 4 年新建 的一条含6 台焊接机器人的半自动生产线，该线采用国内先进的工艺 技术，实现了三种车型的混线生产。焊装线由主拼生产线、左右地板 总成拼焊区域、发动机罩总成拼焊区域、前围总成拼焊区域、后围总 成拼焊区域、左右侧围总成拼焊区域、项盖总成拼焊区域和左右车门 总成拼焊区域几大部分组成。 2 3 1h o w o 焊装车间工艺流程 1 ) h o w o 焊装车间主要完成驾驶室各类冲压件的装配焊接任务。 2 ) 冲压件检验合格后进入焊装生产线，依照小分装、分总成、本 体、本体调整的工艺流程流水作业。小分装工序间采用悬链输送。总 1 4 江苏大学工程硕士学位论文 成工序间采用滑撬输送。焊装车间工艺流程示意图见图2 1 。 图2 1焊装工艺流程图 f i g u r e2 - 1t h ep r o c e s sf l o wd i a g r a mo fw e l d i n g 2 3 2 焊装生产线主要设备 表2 1 焊装车间主要设备 t a b l e2 - 1t h em a i ne q u i p m e n to fw e l d i n gw o r k s h o p 序号设备名称数量( 台、套)设备用途 1焊装生产线 1 1焊接机器人6分总成、总成焊接 1 2焊接生产线12分总成、总成焊接 2通用设备 2 1悬挂点焊机 13 0分总成焊接 2 2固定点焊机 8分总成焊接 2 3气体保护焊机8 0分总成焊接 2 4吊葫芦、吊具2 0分总成吊装 2 5储备线板式链1分总成运输 2 6拉力试验机1焊接强度试验 江苏大学工程硕士学位论文 2 4h o w o 焊装线总平面布局 根据驾驶室制造的工艺流程，以及最大限度的减少输送线的输送 距离，发动机罩总成和左右地板总成设置在主拼生产线的前方，前围 总成、后围总成、左右侧围总成和顶盖总成等拼焊区域分别在主拼生 产线的两侧，拼焊完成后的各分总成件由吊葫芦输送到主拼线进行总 拼。总拼完成后的驾驶室本体由专用吊具送到车门总成处安装车门， 最后送至涂装车间。 如图2 2 所示，h o w o 焊装线生产车间总占地面积1016 0 m 2 ，由1 1 个工艺区配备9l 套现代化胎具组成，1 l 条分总成焊装生产线、一条配 备六台机器人的7 工位自动穿梭、举升夹紧、定位、加工、送进、适 合多品种系列化生产的自动化程度极高的驾驶室本体主拼生产线及一 条14 工位配备自动排烟及良好照明条件的驾驶室本体c o ：焊接、修磨、 安装车门、检验的板式输送生产线组成。其中驾驶室主拼生产线及驾 驶室板式输送线居中布置，与各分总成焊装线成鱼刺及树枝状合理布 局，各分焊装线内及主拼线上的悬挂点焊机及焊钳、电缆、均由滑车 悬挂系统三点悬挂操作，各分焊装总成与主拼线间的工序转运、驾驶 室本体的工序转运均配备有多条轨式自行葫芦输送线或手动德马格葫 芦输送线设备来完成工序间合理物流输送及与涂装车间的自动生产发 运