生产线协同建模与仿真优化在汽车自动化生产线示范工程中的应用

由天润曲轴股份有限公司为责任单位，沈阳机床成套设备有限责任公司、北京第二机床厂有限公司和湖南大学共同参与的“汽车曲轴加工柔性、敏捷、高效、精密、自动化生产线示范工程”课题自2011年1月正式启动以来，研究人员做了非常深入的研究，将于2013年6月完成课题。该课题针对3L汽车发动机曲轴自动化生产线的国产化目标，通过攻克一批高精、高效曲轴加工关键装备，集成应用本专项的曲轴精加工设备，形成汽车曲轴加工柔性自动生产线示范工程，以提升我国汽车成套装备的自主制造能力和水平。该课题的主要任务为：

1. 根据曲轴多品种批量生产的特点，优化设计汽车发动机曲轴零件的加工工艺以及整条曲轴生产线设备的规划布置，提高整线生产的柔性化水平。

2. 以新材料、新结构和新技术为切入点，提升国产曲轴精加工设备的性能，优化工艺匹配性，提高生产线设备的工艺能力、数控化率及整线的可靠性。

3. 研究开发曲轴加工自动化生产线的核心技术和设备，提升我国汽车成套装备自主制造能力和水平。

4. 实现生产线的功能模块化、加工柔性化、操作自动化和控制智能化，总体技术达到国际同类加工生产线的先进水平。

生产线协同建模与仿真优化的重要意义

由于设计和建立曲轴加工柔性、敏捷、高效、精密和自动化的示范生产线是一种投资大、风险高的复杂技术，因此其设计和规划需要严谨和精细，以确保生产线设计最终能够实现高效、精益和柔性的目标，满足产能要求。为避免企业面临的各种技术和投资风险，必须在生产线的设计规划阶段进行系统的建模与仿真，以验证生产线设计方案的可行性和有效性。

在曲轴生产线的设计优化阶段且尚未正式投产前，通过建立曲轴生产线的数字化模型进行协同仿真，可以模拟曲轴的生产工艺流程以及原材料和制品的物流过程，模拟生产物流过程中可能出现的各类故障，分析生产线的状态，并进行生产线抗干扰能力和负荷能力的分析和评价。同时，可以验证曲轴生产线的规划布局、生产设备和物料搬运设备的配置，以及物料搬运系统的合理性和有效性。此外，还可以分析生产线的生产方案，预测生产线在不同调度策略下的性能，从而为生产线的运行控制选择较好的调度方案。不仅如此，还可以为生产线投产后选择合理、高效的作业计划，从而发挥生产线的生产能力，提高经济效益。

生产线协同建模与仿真优化的研究进展及成果

依托湖南大学国家高效磨削工程技术研究中心和汽车车身先进设计制造国家重点实验室，基于在汽车、机械制造和烟草等行业生产物流建模仿真优化的良好科研基础和团队优势，湖南大学承担了汽车曲轴加工柔性、敏捷、高效、精密和自动化示范生产线的协同仿真任务，以验证曲轴生产线设计方案的可行性和有效性，并从逻辑上验证生产线设计方案的高效、精益和柔性。

针对曲轴生产线系统仿真的研究目的，研究团队细化了研究内容，制定了详细的研究计划。首先，对天润曲轴股份有限公司、沈阳机床成套设备有限责任公司、北京第二机床厂有限公司以及机械臂供应商等各合作企业进行了系统调研，对曲轴生产线的工艺流程、工艺布局、设施规划、生产物流设备参数、生产排班方式、物料的下料方式以及在制品的生产组织方式、物流设施调度和物流路径、机械臂的调度策略和人员配置等，进行了系统的调研和数据收集。然后，以调研的真实生产数据为基础，将抽象模型的输入参数作为仿真建模和运行分析的基础数据，在Plantsimulation仿真平台上，应用面向对象的技术，建立生产线上各生产物流关键设备的对象模型，抽象出仿真产品对象的基本参数，建立产品对象的生产工艺模型，并对生产线设备模型与产品工艺模型进行集成，形成生产线的协同模型。结合所建立的生产线物流模型以及曲轴生产线的主要生产任务，实现仿真模型的动态运行。同时，建立了生产线的三维场景和动画演示，模拟曲轴的生产工艺流程及原材料和在制品的物流过程，验证曲轴生产线规划布局、生产设备配置、物料搬运设备配置以及物料搬运系统的合理性和有效性。基于Plantsimulation仿真模型，运用参数化动态仿真、数理统计与数值分析及可视化图表等技术，对生产线的整线生产能力、关键设备生产负荷、生产线中的平均在制品时间以及物料搬运等进行统计分析，并依据仿真结果，分析生产线设计存在的问题，提出平衡优化方案、排产优化方案、在制品控制优化方案，以及人员配置、设备配置和物料搬运系统等优化方案，并建立生产线协同仿真模型进行仿真验证。最后，分析了生产线的状态，进行生产线抗干扰能力和负荷能力的分析和评价；预测了生产线在不同调度策略下的性能，从而为生产线的运行控制选择较好的调度方案。该协同模型的建立，还可为生产示范线的投产选择合理、高效的作业计划，从而发挥生产线的生产能力，提高经济效益。

结果表明：生产线设计方案逻辑上是可行、有效的，能够实现高效、精益而柔性的运作目标，满足产能要求。项目研究过程中还对机械手的调度策略进行了优化，优化后的系统生产100根曲轴所用时间相比原系统降低了1.43%。

生产线协同建模与仿真优化对推动行业进步的作用和意义

该项目研究成果不仅从逻辑上验证了生产线设计方案的可行性，以及曲轴生产线规划布局、生产设备配置、物料搬运设备配置、物料搬运系统的合理性和有效性，同时生动直观地呈现了生产物流场景。

该项目研究成果，对于天润曲轴股份有限公司曲轴生产线机械臂及辊子输送机的安装、调试和运行，对于机械臂和辊子输送机的调度策略制定，以及曲轴生产线投产后生产作业计划的制定均具有重要的指导意义，为机械臂供应商浙江金石机器人制造有限公司，以及合作单位北京第二机床厂有限公司和沈阳机床成套设备有限责任公司的产品研发和设计制造提供了重要的技术支持。

该曲轴生产线仿真研究成果，不仅可在机械装备和汽车等离散制造业的生产线规划、设计和优化中得到应用和推广，为企业投资生产线提供重要的决策支持，而且可为各机床设计制造企业及物流装备企业提供重要的技术支持。