侯鹏,廖映华,刘福华

(1.四川轻化工大学机械工程学院，四川宜宾 644000；
2.四川省移动终端结构件全制程先进制造技术工程研究中心，四川宜宾 644000；
3.宜宾职业技术学院，四川宜宾 644000)

随着“工业4.0”“中国制造2025”与“数字化生产”的提出，企业逐渐开始重视生产线的智能化、数字化水平，并且开始着手车间生产线的数字化升级与改造。如何快速、准确地设计一条全新的生产线或对已有生产线进行升级改进以满足新产品制造的需求，是生产企业需要面对的一个重要问题。尤其是在规划设计阶段，中小型企业往往缺乏车间生产线规划设计的实践经验，投入了大量的时间和资金成本对生产线进行布局规划、工艺流程设计、系统控制策略设计等，结果却不理想。同时，存在生产线调试耗时长、机器人位姿轨迹规划困难、对操作水平要求较高的问题，这些问题对企业提出了巨大的考验。因此，如何在规划、调试阶段对生产线进行有效的设计或升级改进，优化生产流程，缩短生产线搭建时间，成为亟待解决的问题。

对此，国内外学者进行了大量的研究。Saint Loui大学开发了基于虚拟仿真技术的食品压缩输送线的设计系统，以实现对食品压缩输送线的布局进行优化评估，并获得了良好的经济效益[1]。QUYEN等[2]针对鞋类公司缝纫线生产线平衡问题，提出了动态规划算法，求解最优解来解决资源受限的生产线平衡问题。韩雪等人[3]根据ECRS原则对装配线的瓶颈工序进行改善，用Plant Simulation仿真软件对装配线改善前后进行对比分析，结果表明：优化后的装配线节拍降低，提高了日最大产能和平衡率。靳舒琪[4]定义了H-OOPN理论模型到Plant Simulation仿真模型的映射规则，制定了仿真控制器并分析了仿真结果，验证了优化方案的合理性和有效性。李慧等人[5]对航空发动机叶片机械加工生产线进行了仿真分析与优化，达到了节约投资成本和缩短设计周期的目的。但是，对于一些企业迫待解决的问题，上述研究仍然未给出解决办法，例如如何选择最适用的生产线优化方式、如何避免生产加工过程中的碰撞干涉、如何有效缩短生产线规划调试耗时。

针对上述问题，本文作者以刹车盘柔性制造生产线为对象，建立具有制造过程仿真、工艺流程优化、机器人轨迹规划和碰撞检测的生产线仿真模型。对工艺流程优化和平衡优化2种方式下生产线的产能、设备利用率、生产节拍等进行对比和分析，提出2种生产线优化方式的选择建议；
优化机器人运动轨迹与生产线碰撞检测，避免生产过程的不合理情况及碰撞干涉；
对该生产线进行建模、仿真、试验，缩短生产线规划、调试和物流耗时。

1.1 车间生产线布局

刹车盘柔性制造生产线主要设备包括：CK3050数控车床、VMC655H数控加工中心、机器人、物料台、辊道输送机等，主要完成盘类零件的车削、钻孔和镗孔加工。车间布局如图1所示。

图1 车间布局

1.2 生产线建模与渲染

根据物理车间生产线布局搭建生产线虚拟模型，在SolidWorks中分别对生产线相关设备进行三维建模。在零件模块建模完成后，根据零件的几何空间约束关系，对零件进行部件装配。为便于管理与运动编程，将各部件装配成有层次的整体设备模型。为保证虚拟模型的真实性，使用1∶1的比例搭建刹车盘柔性制造生产线三维模型，如图2所示。

图2 生产线虚拟模型

在SolidWorks中完成建模后，将模型文件以.wrl格式导入到CINEMA 4D环境中，进行贴图、材质渲染与坐标变换。为增添虚拟模型的真实感和沉浸感，通过各种类型的贴图，表现出物理真实实体的颜色、质地和纹理等特征，描述物理真实对象周围的环境和光线效果。操作如下：添加sky；
添加light；
添加材质球(包括color、reflection、specular等参数)；
表面贴图；
渲染设置。同样，为保证渲染效率以及减少计算机性能消耗，生产线部分内部不可见零件(如液压缸等)不进行渲染，渲染效果如图3所示。

图3 虚拟模型渲染效果

1.3 生产线Unity 3D运动建模

虚拟模型在CINEMA 4D渲染完成后，以Unity 3D最兼容的.fbx格式导出，选择单位为cm。导出完成后，将.fbx模型拖拽至Unity 3D完成模型导入。

生产线设备运动行为视觉上主要分为：移动副、转动副、弹性形变(防尘罩)、复杂运动(拖链)。调用Unity 3D脚本中Rigidbody、Transform类下的Translate()、MoveTowards()、Rotate()、AddForce()等函数，可满足运动部件的移动、旋转等基本运动需求。采用面向对象的模块化技术对生产线设备主要运动模块进行运动编程。

2.1 生产线工艺流程

刹车盘柔性制造生产线主要完成盘类零件的车削、钻孔和镗孔加工。首先在数控车床对工件(毛坯)一端粗车，然后机器人下料到物料台，手动翻转工件，换另一端在数控车床粗车；
粗车后工件进入加工中心进行钻孔和镗孔加工，完成后下料到物料台，翻转工件，再进入数控车床精车(精车同样也需要对两端分别加工)。刹车盘柔性制造生产线连续运行模式如表1所示[8]。

表1 刹车盘柔性制造生产线连续运行模式

2.2 生产线的控制流程

工件(毛坯)经辊道输送机到达物料台，由机器人抓取进入数控车床、加工中心等加工单元和料仓。机器人上料数控车床和加工中心前，工控机需要判断此时加工单元是否准备妥当，若不满足加工条件，则需准备相应条件，如：刀具换刀、切换加工程序等。加工中心加工完成后，呼叫机器人，机器人下料至料仓，至此完成一次生产流程。下料完成，再准备开始下一次的加工，控制流程如图4所示。

图4 生产线控制流程

2.3 虚拟仿真模型建立

根据生产线控制流程，将生产线机器人和加工中心、数控车床等设备主要运动模块通过Unity 3D脚本串联起来，以动态模拟生产线运行。建立生产线虚拟仿真模型，实现生产线制造过程仿真，如图5所示。

图5 生产线制造过程仿真

生产线虚拟仿真模型可直观展示出生产车间的生产布局、加工流程。通过制造过程仿真，注意到在数控车床运行时，加工中心处于等待状态；
在加工中心加工时，数控车床处于等待状态，设备利用率不高，生产线停滞时间较长，延长了加工时间，同时造成了设备资源浪费。

为提高生产线的流畅性及设备使用率，利用Plant Simulation软件优化生产线工艺流程，进而优化刹车盘柔性制造生产线的控制流程[9]。

3.1 生产线物流仿真

生产线共有数控车床加工、数控加工中心加工2个工作站，生产线每批次进入2个工件，上料的辊道输送机与工件产生源(Source)相连，存储生产线成品的料仓采用缓存(Buffer)建立，并与物料终结(Drain)连接。生产线中利用方法(Method)进行工序判断，使用@.move()方法确定工件下一个工序的物流方向。加入信息模块，用于统计生产线在一个生产周期中的产量，通过柱状图和表格统计设备利用率，通过建立图表显示对物流仿真结果的统计；
最后添加时间控制器，以控制仿真运行过程。仿真模型如图6所示。

图6 生产线物流仿真模型

在Method中，设置各个设备的加工时间以及工件各道工序的物流方向，设备故障率设置为2%。通过计算整个加工过程时间，调整后设定Source间隔46 min 20 s生成，物料生成间隔时间即为生产线节拍。设定仿真控制器的时间为13天(设置一个月31天为生产周期，每天工作10 h，总时间为13天整)。针对一个生产周期运行仿真，得到仿真结果为：一个周期中刹车盘生产线的产量为807个，平均加工一个工件耗时为23 min 12 s，生产节拍为46 min 20 s，设备利用率如图7所示。

图7 设备利用率

以上结果表明，在整个生产周期中，数控车床工作时间比例较合理，但存在车削工位不足和物料堵塞的问题。数控车床加工完成后，数控加工中心仍处于工作状态，工件在数控车床处滞留，不能继续进行下一步工序；
数控加工中心的工作时间占比低于50%，设备利用率太低，降低了生产线的加工效率，大大减少了出口产量。

3.2 基于ECRS原则的工艺流程优化

综合上述分析，刹车盘柔性制造生产线加工过程中，数控加工中心设备利用率较低，数控车床上锁时间长，存在工件滞留的情况。本文作者基于ECRS原则[6]，提出一种合并重排的方法，重新排序粗车、钻孔、镗孔工艺路线，新增料仓半成品缓存区，在粗车和钻孔、镗孔工序间添加以下工序：

(1)若数控车床加工完成，而加工中心未准备妥当，数控车床则下料半成品至料仓；

(2)若数控车床未加工完成，而加工中心准备妥当，加工中心则从料仓上料半成品；

(3)若数控车床加工完成，加工中心准备妥当，数控车床则直接下料至加工中心。

优化后生产线的控制流程如图8所示。根据优化后的控制流程，重新在Plant Simulation中进行物流仿真。仿真结果表明：一个周期内刹车盘生产线的产量为836个，平均加工一个工件耗时为22 min 24 s，生产节拍为44 min 40 s，设备利用率如图9所示。

图8 工艺流程优化的控制流程

图9 工艺流程优化后的设备利用率

以上结果表明：加入料仓半成品缓存区后，数控车床的利用率显著提高，工件滞留情况得到有效缓解；
产能提高了3.6%，平均加工一个工件耗时缩短了48 s。但数控加工中心设备利用率依旧处于较低状态，与数控车床设备利用率的差值高达60%，生产线存在平衡问题。

3.3 基于精益生产的生产线平衡优化

对刹车盘柔性制造生产线工艺路线重排优化后，新增的料仓半成品缓存区对于生产线产能的提升不明显，对生产节拍的缩短和数控加工中心设备利用率的提高能力也相对有限。数控车床加工工序最多，设备使用时长最长，是生产线易出现瓶颈工序的主要工位。

为提升生产线的平衡率，引入精益生产的设计理念[7]，主要目标是消除数控加工中心设备浪费。在数控车床工位加入一台新车床，新车床的默认参数与原车床同样设置，生产线的其余组成部分不变，仿真模型如图10所示。

图10 平衡优化物流仿真模型

加入新车床后，工件的车削工序可以选择其中一台车床进行，同时另一台车床进行其他的车削工序。工件按工序到达数控车床工位后，通过Method选择算法，并选择其中一台车床进行加工。算法逻辑如图11所示。

图11 数控车床选择算法逻辑

加入数控车床选择算法后，根据优化后的控制流程，重新在Plant Simulation中进行物流仿真。经测试，设定Source生成时间间隔26 min 50 s，运行事件控制器，得到的仿真结果为：生产线优化后的产量为1 392，平均加工一个零件耗时为13 min 27 s，生产节拍为26 min 50 s，设备利用率如图12所示。

图12 平衡优化后的设备利用率

以上分析表明：通过新增设备，优化易发生瓶颈工序的工位后，生产线的平衡率大大提高；
生产线产能显著提升，数控加工中心设备利用率提高，单个工件生产耗时有效缩短；
生产线设备间运行流畅，优化效果明显。优化前后对比如表2所示。

表2 刹车盘柔性制造生产线工艺优化对比

对于小型企业，若无较大资金流的支撑，基于ECRS原则的生产线工艺路线优化对生产线的产出有一定帮助。对于中型企业或者有较大资金流的小型企业，若希望生产线平衡率更高或者对产能有更高要求，可选择基于精益生产的生产线平衡优化方法，有助于产能的大幅提升,显著减少单个工件生产耗时。

在生产线虚拟仿真模型的基础上，制作机器人示教器，进行虚拟仿真试验。在机器人示教器虚拟环境中测试机器人位姿以及关节旋转角度，优化机器人运动轨迹。将位姿角度等信息用于物理车间实际生产线的机器人位姿角度控制，以减少实际生产线设备调试阶段耗时，同时能有效避免生产过程的不合理情况和碰撞干涉。

4.1 机器人示教器GUI绘制

根据机器人运动轴数据类型和个数，绘制机器人示教器位姿数据GUI面板。然后，通过脚本获取机器人各运动轴的位置和角度数据，并在Update()函数内部实时更新数据。最后，将机器人各轴数据转换成string格式，在GUI面板左侧显示。

对机器人示教器中的机器人进行单机控制，首先对机器人进行运动分析：(1)机器人第7轴可以前后移动；
(2)第1～6旋转轴可以正转和反转；
(3)机器人可以单轴旋转，也可以多轴合成运动。根据设计需求，前后移动和正反转恰好是一对相反的运动逻辑，可以通过一正一反两个按钮和bool数据类型实现。为实现机器人多轴合成运动，可以选用复选框的形式。绘制机器人示教器GUI如图13所示。

图13 机器人示教器GUI

4.2 机器人示教器仿真

机器人示教器可以单轴运动也可以多轴联动，只需在复选框中选中相应的运动轴。在按下“-”或 “+”按钮时，判断轴是否选中，调用复选框选中运动轴对应的运动控制函数，实现指定运动轴的正向或反向运动。最终，将生产线虚拟仿真平台封装成机器人示教器程序。

通过在示教器中模拟机器人运动轨迹，即可在GUI面板上获取机器人的位姿数据。同时，通过模拟运动过程，可以得到各运动关节的极限位姿，以规避车间调试时发生碰撞干涉。若机器人发生碰撞，改变碰撞物体颜色示警[10]，碰撞检测如图14所示。

图14 机器人碰撞检测

在生产线虚拟模型调试过程中，采用控制变量的方式，分别调试各旋转轴的旋转角度和极限位姿角度，并将最终结果反馈给物理车间实际生产线的机器人[11]。针对生产线的上下料过程，通过运动控制，选择一条较优的运动轨迹，节省了设备调试时间，同时缩短了生产物流阶段的耗时。

本文作者以刹车盘柔性制造生产线为研究对象，通过研究生产线仿真优化，得到如下结论:

(1)通过动态模拟生产线运行过程与物流仿真优化，调整生产线工艺流程，能提升生产线产能、缩短单个工件生产耗时、平衡生产线的利用率，对生产线搭建和改进有积极意义；

(2)对于不同规模的中小型企业，可以根据企业实际状况选择最适合的生产线优化方式，验证生产线布局、论证设计方案的可行性、弥补生产线规划设计阶段经验不足的缺陷；

(3)机器人示教器的使用，可以避免生产加工过程中的碰撞干涉；
优化后的工艺流程与机器人运动轨迹能有效缩短生产线规划、调试和物流耗时。

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