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东北大学硕士学位论文 摘要 汽车变速箱装配线的设计及仿真 摘要 装配线设计是一个古老而又全新的问题。在近几十年里，大量的设计方法学及 相关学科已经发展起来。产品及制造领域中科技的不断革新经常会导致新的设计问 题。一方面，科技的进步带来了更加复杂的制造系统：另一方面，市场的竞争缩短 了产品的生产周期。这些因素都迫使装配线的改变和服务期的缩短，因此装配线的 设计在制造领域就起到了非常重要的作用。 在装配线设计领域里，布局和负载平衡性及物流系统的稳定性直接影响整个装 配系统的效率和产品的质量。因此，研究这几方面的理论和方法具有深刻意义。另 外，在装配线规划设计阶段，对装配线在真实运行状态下的负载平衡和物流系统的 性能参数很难做出正确的判断，这就需要利用仿真技术，在装配线未建成之前对其 进行验证。 本论文主要包括四部分内容：一是分析装配线的布局构型，介绍两种常用的手 工平衡方法分级位置权法和最大候选原则，用分级位置权法解决汽车变速箱装配线 的负载平衡问题。二是分析汽车变速箱装配线的物流系统，确定物流形式、物流设 备以及物流设备的数量。三是根据设计者提供的汽车变速箱装配线三维c a d 模型和 二维布局图纸，用3 d s m a x 软件进行装配线的虚拟布局，用t r u f r a m e 软件和 p r e m i e r e 软件创建装配线的三维球形场景，使其在e l u m e n s 虚拟显示系统中显示。 四是利用e m p o w e r 软件的e m p l a n t 模块对汽车变速箱装配线进行面向对象的仿 真，对装配主线的平衡性，装配工位的负荷率以及物流系统的缓冲区库存安全值和 物流设备数量等进行分析验证。 本论文主要对汽车变速箱装配线的负载平衡、物流系统进行了设计，创建了装 配线的三维虚拟布局场景，并利用面向对象的仿真技术模拟真实的装配线运行状态， 获得了装配线设计中些主要的参数，验证了设计的可行性。 关键词汽车变速箱装配线，布局构型，负载平衡，物流系统，虚拟布局，面向对 象仿真 i i 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t d e s i g na n d s i m u l a t i o no f a s s e m b l y - l i n eo f a u t o m o b i l eg e a r b o x a b s t r a c t d e s i g no fm a n u f a c t u r i n ga s s e m b l yl i n ei sa l lo l dp r o b l e ma n dy e ti ti sa l s oan e w p r o b l e m i nt h ep a s ts e v e r a ld e c a d e s ，a ne n o r m o u sa m o u n to fk n o w l e d g ei nd e s i g n m e t h o d o l o g ya n dr e l a t e ds u b j e c t sh a sb e e nd e v e l o p e d i n n o v a t i o n si np r o d u c ta n di n m a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g yo f t e nr e s u l t i nn e wd e s i g np r o b l e m o n t h eo n eh a n d ， t e c h n o l o g i c a la d v a n c e sl e a dt om o r es o p h i s t i c a t e dm a n u f a c t u r i n gs y s t e m s o nt h eo t h e r h a n d ，m a r k e tc o m p e t i t i o nc a n s c sas h o r tp r o d u c tl i f et i m e ，w h i c hf o r c e sl i n ec h a n g eo r r e d u c e st h es e r v i c ey e a r so fam a n u f a c t u r i n gl i n e l i n ed e s i g n , t h e r e f o r e ，p l a y sa n i n c r e a s i n g l yi m p o r t a n tr o l ei nm a n u f a c t u r i n g ， f o rt h ed e s i g no fa s s e m b l y l i n e ，t h ee f f i c i e n c yo fw h o l ea s s e m b l ys y s t e ma n dt h e q u a l i t yo fp r o d u c t i o na r ee f f e c t e dd i r e c t l yb yl a y o u t ，w o r k l o a db a l a n c ea n ds t a b i l i t yo f m a t e r i a lh a n d l i n gs y s t e m ( m h s ) t h e r e f o r e ，i th a sa ni m p o r t a n ts i g n i f i c a t i o nt h a t s t u d y i n gt h et h e o r i e sa n dm e t h o d sa b o u tt h o s e i na d d i t i o n ，i nt h ep h a s eo fd e s i g n ，i ti s v e r yd i f f i c u l tt oe s t i m a t et h ep e r f o r m a n c ep a r a m e t e r so fm h sa n dl o a db a l a n c eo f a s s e m b l yl i n e i nr e a l - t i m er u n n i n g i ti sn e c e s s a r yt oe v a l u a t et h ea s s e m b l yl i n eb y s i m u l a t i o nt e c h n o l o g yb e f o r et h ea s s e m b l yl i n ei se s t a b l i s h e d t h ec o n t e n t so ft h i sp a p e ri n c l u d ef o u rp a r t s t h ef i r s ti sa b o u tt h el a y o u ta n d l o a db a l a n c eo fa s s e m b l yl i n e i ti n t r o d u c e st h er a n k e dp o s i t i o n a lw e i g h t ( r p w ) a n d l a r g es e tr u l e ( l s r ) ，t h et w om e t h o d so fs o l v i n gt h el o a db a l a n c eo fa s s e m b l yl i n e t h a t o fa u t o m o b i l eg e a r b o xi sd e s i g n e du s i n gr p w t h es e c o n di sa n a l y z i n gt h em h so f a s s e m b l yl i n eo fa u t o m o b i l eg e a r b o xa n de s t a b l i s h i n gt h es t y l eo fm h s ，t h ee q u i p m e n t a n dt h eq u a n t i t yo ft h ee q u i p m e n t t h i r d l y ，t h ea s s e m b l yl i n ei sl a i do u tu s i n g3 d s m a x s o f t w a r ea c c o r d i n gt o3 dm o d e la n d2 dd r a w i n g s ，i tc r e a t e s3 ds p h e r i c a ls c e n e so f a s s e m b l yl i n eo fa u t o m o b i l eg e a r b o xu s i n gt m f r a m es o f t w a r ea n dp r e m i e r es o f t w a r es o t h a ti te a r lb ep l a y e dt h r o u g hs p h e r i c a ls c r e e n ，t h el a s to n ei sm a k i n gu s eo fe m p l a n t ， t h em o d u l eo fe m - p o w e rs o f t w a r e ，s i m u l a t i n gt h ea s s e m b l yl i n eo fa u t o m o b i l eg e a r b o x a n de v a l u a t i n gs u c hp e r f o r m a n c eo fa s s e m b l yl i n ea st h eb a l a n c eo fm a i na s s e m b l yl i n e ， t h er a t eo fl o a d i n go fs t a t i o n s ，t h er e a s o n a b l em i n i m u mq u a n t i t yo ft h e b u f f e r s ，t h e q u a n t i t yo f a g v a n ds oo n i i i 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t i ng e n e r a l ，t h ep a p e rd e s i g n st h el o a db a l a n c ea n dm h so fa s s e m b l yl i n eo f a u t o m o b i l eg e a r - b o xa n dc r e a t e st h e3 dv i r t u a ls c e n eo fl a y o u to ft h el i n e m a k i n gu s eo f o b j e c t - o r i e n t e ds i m u l a t i o n ，i ts i m u l a t e sr e a l - t i m em r m i n gs t a t eo fa s s e m b l yl i n ea n dg e t s s o m ek e yp e r f o r m a n c ep a r a m e t e r si nl i n ed e s i g nw h i c h t e s t i f y i n gt h ef e a s i b i l i t yo ft h e d e s i g n k e yw o r d sa s s e m b l yl i n eo fa u t o m o b i l eg e a r - b o x ，l a y o u t ，l o a db a l a n c e ，m h s ，v i r t u a l s c e n eo f l a y o u t ，o b j e c t o r i e n t e ds i m u l a t i o n i v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写 过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明 并表示谢意。 学位论文作者签名：起瓶 日期： z 卯r 2 ， 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位 论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权东北大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名；否则视为不同意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题的来源及研究的目的和意义 装配作业是按照确定的精度标准和技术条件，通过合理的工艺流程及各种必 要的方式，将一组零散的零件连接组合起来的过程，它比机械加工复杂得多，因 为装配方法往往因产品而异。自从美国福特汽车公司开创流水作业以来，在保证 产品质量，提高生产效率，降低制造成本的前提下，装配线已经得到了广泛的应 用。尤其在7 0 年代以后，随着汽车工业的发展，各汽车、发动机生产厂家先后对 原有的装配作业车间进行了改造，以先进的装配流水线代替了落后的单件装配作 业。 装配线的设计需根据主导产品的类型、产量、装配工艺等系统特性选择装配 设备、物流设备以及各种辅助设备，结合车间空间结构特点对这些设备进行空间 配置，并充分考虑设备之间在空间位置上的协调性，以确保整个系统的通畅和自 动化。与传统制造方法相比，柔性装配线线生产效率可提高1 4 0 t 2 0 ，工件 传送时间可缩短4 0 6 0 ，生产面积利用率可提高2 0 4 0 ，设备利用率每 班可达9 5 。柔性装配线将硬件、软件、数据库与信息集成在一起，融合了普通 设备的灵活性和专用设备及刚性自动化系统的高效率、低成本的特性，因而具有 制造和装配精度高、可靠性好、对市场响应速度快、能够对物流管理实现理想配 置、适用于中小批量多规格、多品种工件生产等优点。 由于柔性装配线具有以上诸多的优越特性，因此在装备制造业中占有重要地 位，在我国装备制造业快速发展的今天具有广阔的发展前景。柔性装配线具有广 泛的用途，典型的应用包括发动机加工与装配、汽车及其部件装配、电器装配等。 就柔性装配线而言，全国年市场需求为2 0 亿，其中9 0 为进口。因此我国急需拥 有自主设计开发柔性装配线的能力，以迅速提高我国在汽车变速箱、发动机方面 的设计装配水平，从而提高我国汽车产业的国际竞争力，加快我国制造业的发展 速度。 对于企业个体而言，面对不可预测、持续发展、快速多变的市场需求，全球 制造企业之间的竞争越来越激烈，企业必须在适当的时机以较短的时间和较低的 费用迅速实现转产，作为实施企业生产活动的装配线线经常会面临设计调整，而 设计合理的装配线不仅可以减少运行成本和维护费用，提高设备利用率和系统生 产效率，而且对系统的快速重组和长期可靠运行均具有十分重要的意义，因此设 计快速有效的装配线变得日益重要。 变速箱是汽车的重要组成部分，其质量的优劣直接影响着汽车的整体性能， 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 其生产效率是决定汽车业产量的主要因素。针对我国汽车产业普遍存在生产社会 化、专业化程度低、生产效率低、达不到经济规模、设计与生产技术水平落后， 汽车成本居高不下等急待解决的问题，引进世界上先进变速箱，应用柔性装配线 可快速缩短与先进国家的差距。 山西大同齿轮集团是一家以生产加工汽车变速箱为主的企业，企业规模很大， 从零件的制造加工到整机的装配都可以自行完成，然而由于一直采用的装配线效 率低下，使得企业的效益长期以来总是不太乐观，外部的竞争环境迫使企业进行 观念的调整，采用先进的技术及管理方法提高企业综合能力，因此他们委托中科 院沈阳自动化研究所开发一条先进的柔性装配线以适应d c l 2 j 1 5 0 t 等几种型号汽 车变速箱的装配。 对于这一工程项目，合同双方都投入了大量的人力、物力、财力。如果在设 计规划中有不合理的因素存在，那么装配线在建成后就不能满足生产的需要，这 所带来的损失将是非常巨大的。例如a p p l e 计算机公司的m a c i n t o s h i i 生产线就 是因为设计不合理，使得它在第一年的实际运行中，在制品数量和操作人员的空 闲时间过多，生产线产量比期望值低了3 0 。 为了保证这条汽车变速箱装配线在落成后，能够按照预期的设想投入生产， 给企业带来所期望的经济效益。厂方要求对装配线的负载平衡及物流系统这两方 面的设计要有一套系统的理论依据，并能在工程未建成之前，对装配线的整体布 局、负载平衡性及物流系统的稳定性加以验证，避免因设计不周影响系统建成后 的实际运行效率或者甚至造成系统不能正常工作。 本课题就是要用系统的理论方法对这条装配线的负载平衡和物流系统进行设 计，并以e l u m e n s e 系统和e m p l a n t 软件为工具虚拟装配线的布局，仿真装配线的 运行状态，对规划设计加以验证。 1 2 国内外装配线设计研究的现状 1 2 1 流水线定义及特点 生产流水线是指劳动对象按照一定的工艺路线，顺序地通过各个工作中心， 并按照一定的生产速度( 节拍) 完成作业的连续重复的一种生产组织形式。生产 流水线( 以下简称流水线) 具有下述几个基本特征。 ( 1 ) 单纯单向性。流水线上只生产一种或少数几种工艺结构相似的系列产品， 并且物料只向一个方向移动。 ( 2 ) 连续高效性。流水线的生产过程是按照一定的节拍连续重复进行的，其运 作是高效的，有很强的节奏性。因中间一般不允许间断，故而基本不允许制品有 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 过长的等待时间和设备的加工间歇时间。 ( 3 ) 专业性。在流水线上，各个工序( 生产上称为加工中心) 的专业化程度很 高，各工序是按照产品的工艺过程的顺序排列，并且每道工序只单纯地完成一种 或少数几种作业。 ( 郫平衡性。流水线上各工序的生产能力是平衡的、成比例的。不允许瓶颈的 存在。生产所需的物料必须按节拍准时、准量、合格地配送到位。 ( 5 ) 主导性。生产的各类辅助过程、物料配送活动都是围绕生产线为中心展开 的。原材料、零部件均要按要求从各区反复性地配送上流水线，流水线上的产品 是运动的，工人是相对固定的，生产流水线是“被服务者”。 流水线按其生产出产品的种类分为：单品种流水线和混合型流水线。单品种 流水线只生产一种产品，流水线设计上属于刚性流水线，生产管理上较之混合型 流水线简单。混合型流水线是指在此生产线上可以生产出两种以上产品，通常这 两种产品一般都属于同类产品，所以其柔性也是有限的。 在流水线的设计中，通常都要确定流水线的节拍，节拍指流水线两次产出的 时间间隔。节拍标定了流水线的生产能力，必须恰当合理，不合理的节拍将导致 严重后果。节拍过快，会使工人因“追赶”节拍，而工作热情下降，产生逆反心 理；另外在工人穷于应付中将导致产品的质量下降，留下隐患。节拍慢，将使流 水线上的设备的利用率减小，从而使完成任务的可靠性大大降低。 流水线平衡也是流水线在设计及管理中必须重视的问题。平衡的目标是使生 产保持一种均衡、连续的流动状态，减少工作站的闲置时间和超载时间，提高人 员和设备的利用率。流水线平衡问题是生产管理中的长期决策问题，涉及投资、 厂房及设备的布局规划，一旦制定，短期内难以改动。 1 2 2 装配线概述 装配线是能完成若干装配工序的流水线，它能满足大批量生产的需要。对于 装配线，般需选择一个基本零件( 基件) ，然后在此基件上按规定的装配工序， 逐添装零件，直至构成部件或产品。 装配线还存在工位之间是否有缓冲存储器的差别。若无缓冲器，则一个工位 的故障会导致整个装配线的停工。若有缓冲器，则可避免此种现象。缓冲器一般 都要设定一个安全值，当系统获知缓冲器的剩余库存达到安全补料库存值时，发 出请求补料信号给物流管理系统。这一点将在第三章中详细阐述。 装配线具有如下特点：( 1 ) 装配线一般采用产品布局。( 2 ) 装配线的物料处理 较复杂。( 3 ) 装配线的生产率要求较高。( 4 ) 装配线的各生产单元间的联系更紧密。 ( 5 ) 装配线是最接近市场的制造环节。装配线设计质量不仅直接影响装配系统本身 一3 东北大学硕士孝住论文 第一章绪论 过眭的等待时间和设各的加工间歇时问。 f 3 1 专业性。在流水线上，各个工序( 生产上称为加工中心) 的专业化程度很 高，各工序是按照产品的工艺过程的顺序排列，并且每道工序只单纯地完成一种 或少数几种作业。 ( 4 ) 平衡性。流水线上各工序的生产能力是平衡的、成比例的不允许瓶颈的 存在。生产所需的物料必须按节拍准时、准量、合格地配送到位。 f 5 ) 主导性。生产的各类辅助过程、物料配送活动都是围绕牛产线为中心展开 盼。原材料、零部件均要按要求从各区反复性地配送上流水线，流水线上的产品 足运动的，工人是相对固定的，生产流水线是“被服务者”。 流水线按其生产出产品的种类分为：单品种流水线和混合型流水线。单品种 流水线只生产一种产品，流水线设计上属于刚性流水线，生产管理上较之混合型 流水线简单。混合型流水线是指在此生产线上可以生产出两种以上产品，通常这 两种产品一般都属于同类产品，所以其柔性也是有限的。 在流水线的设计中，通常都要确定流水线的节拍，节拍指流水线两次产出的 时间间隔。节拍标定了流水线的生产能力，必须恰当合理，不合理的节拍将导致 严重后果。节拍过快，会使工人因“追赶”节拍，而工作热情下降产生逆反心 理；另外在工人穷于应付中将导致产品的质量下降，留下隐患。节拍慢，将使流 水线上的设备的利用率减小，从而使完成任务的可靠性大大降低。 流水线平衡也是流水线在设计及管理中必须重视的问题。平衡的目标是使生 产保持一种均衡、连续的流动状态减少工作站的闲置时间和超载时间，提高人 员和设备的利用率。流水线平衡问题是生产管理中的长期决策问题，涉及投资、 厂房及设备的布局规划，一旦制定，短期内难| 三i 改动。 1 2 2 装配线概述 装配线是能完成若干装配工序的流水线。它能满足大批量生产的需要。对于 装配线，一般需选择一个基本零件( 基件) ，然后在此基件上按规定的装配工序， 逐添装零件，直至构成部件或产品。 装配线还存在工位之间是否有缓冲存储器的差别。若无缓冲器，则一个工位 的故障会导致整个装配线的停工。若有缓冲器，则可避免此种现象。缓冲器一般 都要设定一个安全值，当系统获知缓冲器的剩余库存达到安全补料库存值时，发 出请求补料信号给物流管理系统。这一点将在第三章中、洋细阐述。 装配线具有如f 特点：( 1 ) 装配线一般采用产品布局。( 2 ) 装配线的物料处理 较复杂。( 3 ) 装配线的生产率要求较高。( 4 ) 装配线的各生产单元间的联系更紧密。 ( 5 ) 装配线是最接近市场的制造环节。装配线设计质量不仅直接影响装配系统本身 ( 5 ) 装配线是最接近市场的制造环节。装配线设计质量不仅直接影响装配系统本身 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 的性能，而且影响整个制造系统的效率和最终产品的质量，装配线设计是离散制 造系统设计中的重要环节之一。 1 2 3 国内外装配线设计的研究现状 1 9 1 3 年，美国汽车工业家h e n r yf o r d 受1 9 世纪中后期芝加哥等地肉制品业的 启示，他和他的同事在m i c h i g a n 的h i g h l a n d p a r k 设计了第一条装配线，用于发动 机飞轮的装配。图1 1 所示为f o r d 汽车公司早期的装配线。此后，装配线刁逐渐 在汽车工业和其它工业得到应用。当时的装配线的设计主要是凭经验设计，直到 s a l v e s o n 于1 9 5 5 年第一次对装配线平衡问题发表分析性论述。从此，装配线设计 的理论研究引起了人们的关注。 1 9 9 0 年i b m 公司的w e m i nc h o u 比较系统地阐述了装配线设计的基本概念 及相关的基础理论知识。近年来，有关装配线设计的研究工作主要集中在装配线 的布局和负荷平衡问题。s a l v e s o n 首次对装配线平衡问题发表分析性论述，提出了 s a l b p ( s i m p l ea s s e m b l yl i n eb a l a n c i n gp r o b l e m ) 的线性规划模型；s u p n i k 和 s o l i n g e r ，w h i t e 等对装配线的平衡问题进行过研究：b a y b a r s 、g h o s h 和g a g n o n 分别综述了单模型确定操作时间装配线问题基于分枝定界法的各种精确算法； e r d a le r e l 和s u b h a s hc s a r i n 综述了装配线平衡问题的启发式方法：e r d a le r e l 和 a r m i ns c h o u 分别对装配线的平衡问题进行了分类研究；e r d a 2e r e l 不仅将装配线 的平衡问题分为s m d ( s i n g l em o d e ld e t e r m i n i s t i c ) 、s m s ( s i n g l em o d e ls t o c h a s t i c ) 、 m m d ( m u l t i m i x e dm o d e ld e t e r m i n i s t i c ) 、m m s ( m u l t i m i x e dm o d e ls t o c h a s t i c ) 四类， 而且给出了各类问题对应的求解思路，此种分类法使用方便。 m b a z a r g a n l a r i 等人对单元化制造中的布局形式及布局设计问题进行了研 究，通过研究不同的单元划分策略对生成的单元内部、单元之间的布局方案的影 响，可以为设计决策提供更多的选择。美国的“下一代布局研究委员会”( t h e c o n s o r t i u m o i l n e x t g e n e r a t i o n f a c t o r y l a y o u t s ) 是布局问题研究的专门机构。该机 构受美国国家科学基金的和几个企业支持，联合明尼苏达州大学、俄亥俄州州立 大学、俄亥俄州工学院等三所大学，开展了装配线布局的研究，其目的是研究新 的布局构型和布局设计准则以适应敏捷制造模式的需要。该机构对动态设备布局、 不确定生产环境中的设备布局、柔性布局、分布式布局、可重构布局及敏捷布局 的研究进行了回顾，并指出目前布局设计准则和评价方法存在着局限性。 日本的汽车业发展很快，所应用的汽车装配线多是基于机电一体化技术的装 配线。在技术方面，日本经历了从模仿抄袭到独创，从强调现代化设备到采用最 新技术同时也强调人，强调人与机器之间的和谐的转变。如丰田汽车公司把 m o t o m a c h i 装配线改造成装配r a v 4 的装配线，用单一的工作小组完成单元的工 以 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 作，将工作负荷最大限度地加以降低，把人机之间的和谐关系放在首位，获得了 很高的生产效率。马自达公司在日本汽车业位居第五位，汽车销售量很大，而且 某些型号在较短时间内的需求变化大，每条线上3 至5 个平台上需装配5 7 种车 型，所以，马自达决定把原来打算建造的大量生产单一型号的全自动线h l 改造成 为走自己自动化道路的h 2 线。h 2 线由一条短而简单的基本线和众多的子线组成， 主线分成6 条子线，每一条子线完成与汽车生产相关的基本工作。 国内研究装配线的重点是装配过程的建模、装配工艺规划方法以及装配企业 的信息化，对装配线的设计研究主要是在单元设备层次上进行，如对装配机器人、 装配工作站的研究等。国内少数研究装配线平衡问题的文献，也仅仅是在不考虑 装配任务优先约束的条件下，应用传统的启发式方法或基于分枝定界法的方法来 进行装配线的负荷平衡研究。 上海交通大学对装配线的研究主要集中在虚拟建模及虚拟仿真方面，通过仿 真研究，分析零件到达时间间隔的均值、各装配工位自动装配机服务时间的分布 参数和缓冲区大小对装配线性能的影响。南京航空航天大学主要研究装配线的平 衡算法，对任意给定序列的混合品种装配线平衡问题建立数学模型，将平衡问题 进行分类，开发相应的平衡算法。中国科学院沈阳自动化研究所主要研究装配线 的智能化和可重构性，研究基于智能装配单元的可重构装配线制造系统环境中的 产品装配建模方法与装配序列表达机制，分析由产品层次装配模型与生产线装配 工艺齿状结构描述相结合的重构装配线装配序列规划与表达方法。 随着先进制造技术、自动化技术、信息技术等在装配系线中的应用，现代装配 线已经是一个复杂的工程系统，如中华轿车装配线以人性化设计为目标，采用电 动悬挂输送技术，车架悬挂装置具有三维动作，可翻转、旋转和升降，每个机构 采用带有变频控制功能的电机减速器驱动，定位准确。如图1 2 所示为先进的中华 轿车装配线。 图1 1 早期的f o r d 汽车装配线 f i g 1 1a s s e m b l y l i n eo f o l d f o r dc a r 图1 2 中华轿车装配线 f i g 1 2a s s e m b l yl i n eo f z h o n g h u a c a r 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 1 3 仿真技术的发展水平及趋势 1 - 3 1 仿真技术概述 “仿真”一词来自英文s i m u l a t i o n ，另一个曾用过的译名是“模拟”，1 9 6 1 年，g w m o r g e n t h e r 首次对仿真一词作了技术性的解释，认为仿真是指在系统尚 不存在的情况下，对于系统或活动本质的复现。 在计算机技术高速发展之前，仿真只能作为般的理论研究而无法实际应用。 仿真技术高速发展是同计算机技术紧密结合起来的。从本质上讲仿真是一种实验 技术，它是在一个实际系统建立之前，在计算机上先建立其数学模型，该模型是 对真实系统在某一层次上的抽象，使得此模型既可以反映真实系统的本质特征， 又易于进行试验分析。在计算机上利用此模型模拟系统真实工作状态，从而可以 早期发现系统的设计不足或缺陷，并能优化系统各项指标。与建立实际系统进行 试验相比，仿真技术具有更高效、更节省、更灵活、更安全的特点。所以它一出 现就受到科研人员的广泛重视，现已在各个领域广泛应用。 仿真技术是一门多学科的综合性技术，集成了计算机、网络技术、图形图像 技术、多媒体技术、软件工程、信息处理、自动控制等多个技术领域的知识。计 算机技术使仿真过程中快速处理大量数据成为可能；图形图象及多媒体技术广泛 应用于可视化仿真；网络技术促使分布式仿真高速发展：另外软件工程、信息处 理、自动控制等技术为开发功能完善的仿真软件系统提供技术支持。 由于计算机仿真可以替代费时、费力、费钱的真正试验，它已成为各种系统 分析、运筹规划和预测、决策等的强有力工具。现在，仿真技术广泛应用于航天、 航空、航海、石油、化工、机械制造、钢铁、冶金、社会经济、生物、医学和工 业管理等部门。 1 3 2 仿真技术的发展趋势 8 0 年代后期，仿真在诸多方面发生了十分重大的转变。仿真研究的对象已由 对连续系统转向离散事件系统。仿真已由重视实验转向重视建模及结果分析。由 强调并重视与人工智能结合转向强调与图形技术和对象技术结合，使仿真的交互 性大大增强。就应用领域方面而言，仿真已由航空航天转向制造业，并从研究制 造对象( 产品) 的动力学、运动学特性及加工、装配过程，扩大到研究制造系统 的设计和运行，并迸一步扩大到后勤供应、库存管理、产品开发过程的组织、产 品测试等，涉及到企业制造活动的各个方面。制造的分布性使得仿真与网络技术 相结合，出现了分布式仿真。这些转变十分明显地说明，计算机仿真已经进入一 6 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 个崭新的发展阶段，它的重要性与特殊功能已越来越突出。 目前主要的制造系统仿真软件可以分为两大类： ( 1 ) 仿真语言。指一种自然语言软件包，通过编程开发模型。传统的编程意味 着通过写代码建立模型，但近几年的仿真语言向图形建模的方向发展，比较著名 的有；a r e n a ，a w e s i m ，e x t e n d ，g p s s h ，m i c r o ，s a i n t ，m o d s i m ，s e s w o r k b e n c h ， s i m p l e + + s i m s c r i p t ，s m u l8 和s l x 。这类仿真语言的主要优点在于建模的柔 性，缺点在于使用者需要专门的编程技术。 ( 2 ) 面向制造的仿真语言。模型构造是面向制造或物料传送的，在其强大的对 象库中已经建立了强有力的机床、装卸站、缓冲区、传送带等的三维模型，填入 相关参数，建立逻辑关系就可以运行仿真。典型的软件有：a u t o m o d 和q u e s t 。 这类软件的优点在于编程时间相对减少，但是建模的柔性相对来说要差一些。 值得一提的是，上述的软件正在或已经具备了三维动画仿真的特点，部分软 件( 如q u e s t ) 还提供了与虚拟现实设备的接口，可以实现虚拟现实仿真。 1 4 课题的研究内容及主要工作 本课题结合沈阳自动化研究所的科研项目：山西大同齿轮集团d c l 2 j 1 5 0 t 型 汽车变速箱装配线开发，对汽车变速箱装配线负载平衡、物流系统设计，装配线 物流系统的仿真进行了研究。主要研究内容是阐述成套装配线的布局、负载平衡 的相关理论，对装配主线的工位进行配置：选择装配线物流系统的形式、物流设 备及物流设备的数量；虚拟显示装配线的整体布局：仿真评价装配线的性能，验 证设计的可行性。课题的主要工作如下： ( 1 ) 分析装配线的布局构型，介绍两种常用的手工平衡方法分级位置权法和 最大候选原则，用分级位置权法解决汽车变速箱装配线的负载平衡问题。 ( 2 ) 分析汽车变速箱装配线的物流系统，确定物流形式、物流设备以及物流 设备的数量。 ( 3 ) 根据设计者提供的汽车变速箱装配线三维c a d 模型和二维布局图纸，用 3 d s m a x 软件进行装配线的虚拟布局，用t r u f r a m e 软件和p r e m i e r e 软件创建装 配线的三维球形场景，使其在e l u m e n s 虚拟显示系统中显示。 ( 4 ) 利用e m p o w e r 软件的e m p l a n t 模块对汽车变速箱装配线进行面向对象 的仿真，对装配主线的平衡性，装配工位的负荷率以及物流系统的缓冲区库存安 全值和物流设备数量等进行分析验证。 东北大学硕士学位论文第二章汽车变速箱装配线负荷平衡设计 第二章汽车变速箱装配线负荷平衡设计 2 1 装配线的布局构型 现代装配线的规模较大，往往由不同布局类型的子系统组成，各予系统可能 属于不同的布局类型。装配线是以流水线为主的产品布局类型，常见的布局构型 有如下几种，如图2 1 所示。 基体上线 + 0 亡口= d 工匕工 工皿o + 产品下线 基体上线 o o 产品下线 ( a ) 直线型 一一 基体上线 p o 产品下线 一 一一一 一一一一 ( b ) u 型线 一一一一 ( c ) 环型线 图2 1 不同的装配线布局 f i g 2 1d i f f e r e n tl a y o u t so f a s s e m b l yl i n e ( d ) l 型线 四种布局中，直线型布局当然是最简单的，但易受场地限制。如果装配工序 较多，车间长度有限，就不能用这种形式。u 型、l 型、环型线避免了直线型布局 的缺点，此外，这三种布局形式还更有利于工人的监管，但由于它们有拐弯处的 存在，故输送装置略微复杂些。 2 2 装配线的负荷平衡问题研究 2 2 1 装配线的负荷平衡问题简述 装配线的平衡指的是装配加工各工序及装配线上装配任务的排列如何保证每 个工序或每个工作站的总制作、处理和装配作业时间近似接近于不变，即有相近 8 东北大学硕士学位论文 第二章汽车变速箱装配线负荷平衡设计 或相等的总作业时间。使生产线上每个组成单元的物件流动为同一生产率，而不 会出现“等待”或传送零件过程中零件的“堆积”失衡，其基本思想是安排各工 位所需的工作时间最大限度的接近或者相等。生产线平衡问题的研究，主要集中 在两类目标： ( 1 ) 给定生产节拍，最小化生产线的工作站数； ( 2 ) 给定生产线的工作站数，最小化生产线的节拍。 为了正确合理的进行流水生产线的负载平衡设计，针对不同的问题采用相应 的方法，需要下述基本信息： ( 1 ) 产品项目及其生产量。这两项一般在生产线设计之初由使用部门指定。如 前后结构变速箱总成：规划装配1 0 万辆份，年。 ( 2 ) 最小合理工作单元。它是工作所能划分的，实际上已不能再分的最小任务。 例如用螺栓和螺母将两个元件连接在一起等。之所以进行这种划分，是为了根据 需要在各工位上合理的组合各工作单元。 ( 3 ) 完成单位产品装配工作所需的总工作量。在计算总工作量时，一般都是将 在工作线上所需进行的全部工作单元时间相加。但实际情况上，把若干工作单元 合并在一个工位上比在若干工位上完成时，有可能节省某些动作，实用时间可能 小于把若干工位同时相加而成的总工作时间。但为了方便计算，这个差别加以忽 略。 总工作量可表示为： h 。 p = t e ， ( 2 1 ) = 1 式中n 。完成全部装配工作的工作单元数； 死，工作单元所需时间。 ( 4 ) 循环时间。也称生产节拍，它是生产相邻两件产品的时间间隔考虑到流水 生产线的停工时间，生产节拍可表示为： t s 妻 ( 2 2 ) 式中 e 生产线的利用率； r 。所需要的平均生产率。 一般由于各种原因，在生产过程中难免产生停机。因而，流水生产线的利用 率难于达到1 0 0 。但人工操作的生产线，由于不会发生机械故障，利用率比较接 东北大学硕士学位论文 第二章汽车变速箱装配线负荷平衡设计 近1 0 0 ，譬如，要求的生产率为1 件m i n ，在生产线利用率为1 0 0 时，生产节 拍应为1 r a i n ，利用率不到1 0 0 时，理想的生产节拍值减少，而理想的生产率提 高，以补偿停工时间。 ( 5 ) 工位时间。工位上由一个或一组工人完成工位所含各单元工作任务所需时 间之和称工位时间。工位时间应等于或者小于生产节拍。 ( 6 ) 先行约束。一般在每一项装配任务中，都有些限制该项任务完成的序列 先行条件，通常称为先行约束。例如必须先完成罩内的安装任务，才能进行加装 罩盖的生产单元。通常用图解方法来表示先行约束所要求的工作单元序列，这种 图称为优先图。如图2 2 所示，用节点表示工作单元，用箭头连接各节点，表示各 单元必须经过的加工序列。为了计算方便，在务节点旁注出工作单元的相应工时。 如1 节点旁注出0 - 2 ，代表1 工作单元相应工时为0 2 个时间单位。 o i t 图2 2 优先图 f i g 2 ，2t h ep r e c e d e n c eg r a p h 2 2 2 装配线负荷平衡的性能指标 ( 1 ) 生产线总的停顿时间d 。生产线总的停顿时间d 是因工作站作业时间分配 不均衡导致的空程时间。 d = k 疋一p( 2 3 ) 式中 k 生产线的工位数，它必须是整数： r 生产节拍； j p 总工作量。 1 0 一 东北大学硕士学位论文 第二章汽车变速箱装配线负荷平衡设计 ( 2 ) 平衡延迟亦称之为平衡损耗d 。平衡延迟亦称之为平衡损耗d 是指不平衡 的空程时间对装配线无效性影响的度量。 d = 寺 ( 2 4 ) 式中符号同前。 2 2 3 装配线负荷人工平衡方法 装配线平衡是制造领域里一个传统的问题。首先，装配线设计者应该建立一 个装配任务列表，在表中列出所有的工作单元和它们的优先级关系，然后确定一 个循环时间即生产节拍。装配线设计的问题就是要把工作单元组成具有一定顺序 的操作任务，遵循的原则是： ( 1 ) 确定优先级即装配的先后次序，也就是说一个操作只有在它之前的所有工 作单元完成之后才能进行； ( 2 ) 每个工位的处理时间不能超过循环时间。 许多装配线平衡方法都是基于启发式方法，设计者们还没有找到一种能够求 得正确解的计算方法，不同方法之间的比较主要是看计算时间和平衡效率。 在实际装配线设计中，根据装配线复杂程度的不同所应用的负载平衡方法也 不尽相同。象变速箱这种多数大批量生产的产品，它的一些部、组件的装配都比 较简单，这时更适于采用简便易行的负载手工平衡法。最大候选原则和分级位置 权法是两种最常用装配线手工平衡的方法。 ( 1 ) 装配线手工平衡的最大候选规贝, i ( l a r g e s ts e tr u l e 简称l s r ) 。该规则是根 据最小理论装配单元要求的作业标准时间死值分派工作站的作业，选择装配作业 元。用乳，表示第，个( ，= 1 , 2 ，n ) 最小装配单元的作业标准时间，最大候选规则 实施装配线平衡的步骤如下： 步骤1 ：根据n 值从大到小排序； 步骤2 ：按步骤1 的排列顺序，从上到下选取满足优先约束，但是乃总值不 超过作业循环时间z 的可行装配单元配置在第一个装配站上，依次类推； 步骤3 ：重复步骤2 ，直到合理分配到y t e t 为止： 步骤4 ：重复步骤2 、3 ，安排完第2 至最后一个工作站。 ( 2 ) 装配线手工平衡的分级位置权法( r a n k e dp o s i t i o n a lw e i g h t 简称r p w ) 此方法是h e l g e s o n 和b i m i e 在1 9 6 1 年提