1.引言

生產(chǎn)線(xiàn)的設(shè)計(jì)和診斷是最優(yōu)生產(chǎn)中的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題之一[1]，如何有效地判斷各種參數(shù)的合理性、快速診斷出瓶頸工序是合理制定作業(yè)計(jì)劃、優(yōu)化設(shè)備資源的關(guān)鍵問(wèn)題之一。傳統(tǒng)的診斷方法是基于理論計(jì)算和實(shí)際運(yùn)行后的數(shù)據(jù)來(lái)判斷的，其缺點(diǎn)為準(zhǔn)確性差，不直觀(guān)，易浪費(fèi)資源。

VMT技術(shù)借助計(jì)算機(jī)技術(shù)和仿真技術(shù)，從產(chǎn)品設(shè)計(jì)初期就可實(shí)時(shí)、并行地對(duì)產(chǎn)品制造過(guò)程進(jìn)行建模和仿真，以檢查產(chǎn)品的可加工性和設(shè)計(jì)合理性，從而可及時(shí)地修改設(shè)計(jì)，更靈活有效地組織生產(chǎn)。將VMT技術(shù)用于生產(chǎn)線(xiàn)的設(shè)計(jì)過(guò)程，進(jìn)行生產(chǎn)線(xiàn)的診斷分析，能彌補(bǔ)傳統(tǒng)診斷方式的不足。

2.診斷設(shè)計(jì)內(nèi)容

生產(chǎn)線(xiàn)設(shè)計(jì)分為全新的生產(chǎn)線(xiàn)設(shè)計(jì)和已有生產(chǎn)線(xiàn)的再設(shè)計(jì)兩部分內(nèi)容[2]，按傳統(tǒng)的診斷方法區(qū)分，生產(chǎn)線(xiàn)診斷分析也應(yīng)該包含兩部分內(nèi)容:新生產(chǎn)線(xiàn)的參數(shù)優(yōu)化和已投產(chǎn)生產(chǎn)線(xiàn)的重組設(shè)計(jì)，但在VMT技術(shù)的支持下，對(duì)兩種形式的生產(chǎn)線(xiàn)都可進(jìn)行統(tǒng)一建模和仿真，并能快速實(shí)現(xiàn)各種參數(shù)的診斷分析，其診斷分析的主要內(nèi)容如下。

(1)在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中規(guī)劃系統(tǒng)

生產(chǎn)線(xiàn)系統(tǒng)的規(guī)劃前提是:生產(chǎn)計(jì)劃和零件的加工工藝內(nèi)容。根據(jù)生產(chǎn)綱領(lǐng)確定生產(chǎn)節(jié)拍；通過(guò)對(duì)工序的優(yōu)化，合理選擇機(jī)床及其他設(shè)備，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)空間狀況，初步實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線(xiàn)的布局方案，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的初步規(guī)劃。

(2)診斷生產(chǎn)線(xiàn)的生產(chǎn)能力和生產(chǎn)管理方式

在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中，診斷生產(chǎn)線(xiàn)是否能夠在所設(shè)計(jì)的條件下滿(mǎn)足生產(chǎn)能力，確定生產(chǎn)管理方式是否合理，如果不能滿(mǎn)足，可優(yōu)化工藝參數(shù)，或者修改生產(chǎn)綱領(lǐng)及換班方式等參數(shù)。

(3)診斷設(shè)備系統(tǒng)

診斷機(jī)床加工參數(shù)、加工順序、裝夾和定位方式的合理性；可考慮系統(tǒng)隨機(jī)因素對(duì)生產(chǎn)任務(wù)的影響，例如，可診斷生產(chǎn)線(xiàn)上各設(shè)備的故障率、在線(xiàn)和離線(xiàn)狀況下故障修復(fù)時(shí)間、頻率及成本、在線(xiàn)和離線(xiàn)狀況下防護(hù)性保養(yǎng)的時(shí)間、頻率和成本對(duì)生產(chǎn)任務(wù)的影響。

(4)診斷物流系統(tǒng)

仿真運(yùn)行時(shí)，可診斷傳送帶尺寸和速度的合理性、診斷機(jī)械手路徑的合理性、驗(yàn)證AGV、機(jī)械手等物流運(yùn)送設(shè)備的數(shù)量及任務(wù)分配的合理性。

(5)診斷庫(kù)存容量和緩沖站容量

可在仿真的條件下，診斷倉(cāng)庫(kù)容量的合理性，診斷緩沖站的警戒量及緩沖站設(shè)置數(shù)量是否合理。

(6)診斷人力資源

通過(guò)仿真運(yùn)行，診斷生產(chǎn)線(xiàn)上工人數(shù)量及工人看管設(shè)備數(shù)量的合理性，優(yōu)化工人的行走速度和工作路線(xiàn)，診斷換班方式的合理性。

(7)診斷控制系統(tǒng)

診斷控制系統(tǒng)指令是否正確，診斷控制系統(tǒng)的精度和實(shí)時(shí)響應(yīng)速度的合理性，診斷控制系統(tǒng)接口的合理性。

(8)診斷生產(chǎn)線(xiàn)的平衡性

生產(chǎn)線(xiàn)平衡性受生產(chǎn)線(xiàn)上各種隨機(jī)因素影響，可在各種假設(shè)的條件下，診斷隨機(jī)因素對(duì)平衡性的影響，尤其是診斷各工序的節(jié)拍時(shí)間、各設(shè)備的利用率和工人工時(shí)利用率對(duì)平衡性的影響；診斷瓶頸工序，并通過(guò)優(yōu)化相關(guān)參數(shù)以減少瓶頸工序?qū)ιa(chǎn)任務(wù)的影響。

3.診斷設(shè)計(jì)流程

生產(chǎn)線(xiàn)診斷流程如圖1所示，其可描述為:基于工藝規(guī)程和生產(chǎn)計(jì)劃等相關(guān)數(shù)據(jù)，在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中，完成生產(chǎn)線(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)建模及系統(tǒng)布局規(guī)劃，設(shè)置仿真時(shí)間實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線(xiàn)的虛擬現(xiàn)實(shí)仿真，基于仿真結(jié)果診斷生產(chǎn)線(xiàn)各種參數(shù)的合理性，同時(shí)通過(guò)優(yōu)化相關(guān)參數(shù)進(jìn)行生產(chǎn)線(xiàn)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線(xiàn)的重組設(shè)計(jì)，以得到最優(yōu)的生產(chǎn)線(xiàn)設(shè)計(jì)方案[3，4]。

(1)生產(chǎn)線(xiàn)虛擬建模

在可視化的虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中建立現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)線(xiàn)的資源模型和系統(tǒng)布局，真實(shí)顯示生產(chǎn)線(xiàn)的現(xiàn)實(shí)狀況。其涉及的主要內(nèi)容為生產(chǎn)線(xiàn)的虛擬建模，它包括虛擬設(shè)備建模、虛擬工藝建模、虛擬控制建模和虛擬布局。

 
圖1 診斷流程

虛擬設(shè)備建模:在虛擬的環(huán)境中，建立機(jī)床、上料站、緩沖站、卸料(倉(cāng)儲(chǔ))站、自動(dòng)導(dǎo)向小車(chē)(AGV)、工人及裝卸機(jī)器手等資源的虛擬模型。
虛擬工藝建模:建立初始運(yùn)行工藝、加工工藝、裝夾工藝、拆卸工藝、工件路由路徑等工藝的虛擬模型。
虛擬控制建模:建立AGV控制器和工人控制器的調(diào)度策略虛擬模型，建立控制系統(tǒng)指令等虛擬模型。
虛擬現(xiàn)實(shí)布局規(guī)劃:在虛擬環(huán)境中建立生產(chǎn)線(xiàn)的多種生產(chǎn)線(xiàn)布局方案。

(2)運(yùn)行仿真

建模完畢后，設(shè)置仿真時(shí)間，即可仿真運(yùn)行，以得到各種參數(shù)數(shù)據(jù)，如機(jī)床、AGV和工人工時(shí)利用率、產(chǎn)品產(chǎn)量、加工節(jié)拍、加工成本等，其仿真結(jié)果以多媒體、圖表和文本等形式輸出。在仿真的過(guò)程中，可通過(guò)相關(guān)的虛擬硬件設(shè)備，產(chǎn)生臨境逼真的三維沉浸感，以實(shí)施虛擬交互功能。

(3)診斷評(píng)價(jià)及優(yōu)化

基于仿真結(jié)果和評(píng)價(jià)體系，可快速診斷生產(chǎn)線(xiàn)的瓶頸工序，并優(yōu)化生產(chǎn)線(xiàn)的各種參數(shù)，包括設(shè)備數(shù)量、緩沖站數(shù)量、緩沖站工件的警戒量、工人人數(shù)及其看管設(shè)備的數(shù)量、AGV及工人的運(yùn)行速度、換班方式、生產(chǎn)節(jié)拍、成本、生產(chǎn)能力、運(yùn)行方式等。一旦獲得的設(shè)計(jì)方案不滿(mǎn)足各種約束條件，可以反饋到虛擬建模和虛擬布局環(huán)節(jié)，重新確定各種參數(shù)或連接方式。如果還不能滿(mǎn)足，甚至可反饋到工藝設(shè)計(jì)和生產(chǎn)計(jì)劃環(huán)節(jié)，重新調(diào)整工藝規(guī)程和生產(chǎn)計(jì)劃安排，直到獲得適合工廠(chǎng)實(shí)際條件的生產(chǎn)線(xiàn)組織形式。

4.應(yīng)用實(shí)例

基于VMT的生產(chǎn)線(xiàn)診斷方法，以某企業(yè)一條已投產(chǎn)的生產(chǎn)線(xiàn)為例，診斷分析其瓶頸工序。

4.1.生產(chǎn)線(xiàn)虛擬模型

以某企業(yè)一條已投產(chǎn)的精加工生產(chǎn)線(xiàn)設(shè)計(jì)為例，分析其瓶頸工序。其中生產(chǎn)線(xiàn)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)工藝數(shù)據(jù)如表1所示。生產(chǎn)線(xiàn)不存在瓶頸工序的評(píng)價(jià)條件:①生產(chǎn)節(jié)拍不大于50秒；月生產(chǎn)能力不小于11000件；②各緩沖站中的積壓工件不大于30個(gè)/班；③工人不超過(guò)11人，設(shè)備不多于16臺(tái)。

基于工藝規(guī)劃和生產(chǎn)計(jì)劃等內(nèi)容，建立該線(xiàn)的虛擬設(shè)備模型、虛擬工藝模型、虛擬控制模型和虛擬布局，其虛擬模型如圖2，其中設(shè)備包括零件上料站和卸料站各1臺(tái)，機(jī)床16臺(tái)(分別標(biāo)記為:M1，M……M16)，緩沖站11個(gè)(B1，B2……B11)，工人1人(L1，L2……L11)。工件的流動(dòng)方向是由粗加工到精加工。經(jīng)過(guò)系統(tǒng)布局，可知該生產(chǎn)線(xiàn)占地面積約為128M2。

 
表1 基礎(chǔ)工藝數(shù)據(jù)

 
圖2 生產(chǎn)線(xiàn)布局

4.2.瓶頸工序的診斷

瓶頸工序的診斷途徑有:可視化的仿真圖形、參數(shù)資料等方面，其中參數(shù)資料包括:生產(chǎn)線(xiàn)各工序節(jié)拍、機(jī)床的利用率和工人的利用率等方面。

(1)可視化的仿真圖形

當(dāng)模型建立完畢后，可以設(shè)置不同的時(shí)間進(jìn)行虛擬現(xiàn)實(shí)仿真，本文的仿真時(shí)間分別設(shè)置為1個(gè)班(8 0小時(shí))和1周(40小時(shí))，其仿真結(jié)果分別如圖3和圖4。

 
圖3 仿真時(shí)間為1個(gè)班的結(jié)果

 
圖4 仿真時(shí)間為1周的結(jié)果

由圖3和圖4可知:經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間仿真后，各緩沖站內(nèi)的零件堆積數(shù)量可直觀(guān)地顯示出來(lái)，具體各緩沖站內(nèi)工件堆積量如表2所示，B5、B6及B11的工件堆積數(shù)量較多，根據(jù)工廠(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)的衡量標(biāo)準(zhǔn)，B5和B11前的工序?yàn)槠款i工序，即P6、P7和P14為瓶頸工序。

如果只通過(guò)調(diào)整瓶頸工序的工藝參數(shù)來(lái)改善瓶頸癥狀有可能引發(fā)新的瓶頸工序，因此有必要對(duì)生產(chǎn)線(xiàn)節(jié)拍的實(shí)際值、機(jī)床利用率和工人工時(shí)利用率等數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，為生產(chǎn)線(xiàn)重組設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

 
表2 不同仿真時(shí)間下各個(gè)緩沖站中積壓的工件數(shù)量

(2)參數(shù)數(shù)據(jù)

生產(chǎn)線(xiàn)節(jié)拍分析　根據(jù)工件產(chǎn)量與時(shí)間的關(guān)系，可計(jì)算該生產(chǎn)線(xiàn)的生產(chǎn)節(jié)拍實(shí)際值，圖5表示工件產(chǎn)量與仿真時(shí)間基本成正比關(guān)系，生產(chǎn)節(jié)拍也隨仿真時(shí)間的增加而逐漸趨于穩(wěn)定，其基本穩(wěn)定在45 24秒。利用該值可計(jì)算與各個(gè)工序時(shí)間之間的差值，從而可診斷瓶頸工序和生產(chǎn)線(xiàn)的平衡性。

 
圖5 仿真時(shí)間與生產(chǎn)節(jié)拍的關(guān)系

 
圖6 生產(chǎn)線(xiàn)平衡性曲線(xiàn)

圖6表示生產(chǎn)線(xiàn)平衡性的趨勢(shì)曲線(xiàn)，可知:

①工人L4、L5、L10的工人產(chǎn)量有突變，可知其后續(xù)緩沖站內(nèi)有零件積壓，即B5、B6、B11內(nèi)有工件積壓。

②各個(gè)工人的單件工時(shí)也有差別，其中L4～L6、L10～L11間段突變較大，而L4的工序時(shí)間與生產(chǎn)節(jié)拍實(shí)際值之間的差值Δt為4 84秒，表明L5負(fù)責(zé)的兩道工序P6、P7是全線(xiàn)最突出的瓶頸工序。

機(jī)床利用率和工人工時(shí)利用率分析　機(jī)床利用率的高低反映工件在機(jī)床上駐留時(shí)間的長(zhǎng)短，工人工時(shí)利用率的高低反映該工序需要工人操作的時(shí)間長(zhǎng)短，因此機(jī)床利用率和工人工時(shí)利用率數(shù)據(jù)不但可提供其負(fù)荷狀況以診斷瓶頸工序，而且也是生產(chǎn)線(xiàn)參數(shù)調(diào)整和優(yōu)化的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。表3為不同時(shí)間下機(jī)床的利用率和工人工時(shí)利用率。

 
表3 機(jī)床利用率和工人工時(shí)利用率

由表3可知:M1、M2、M7、M8、M9、M10、M16、L1、L5、L6、L11的利用率隨時(shí)間的變化不大，基本處于穩(wěn)態(tài)過(guò)程，表明這些機(jī)床和工人在各個(gè)時(shí)間段的工況情況一致，變化不大，其前道工序一直都有工件供應(yīng)，不存在工序饑餓狀況；而其他的機(jī)床和工人都有趨向穩(wěn)態(tài)的過(guò)程，即:仿真初期，預(yù)置工件量對(duì)其利用率有較大的影響，隨著仿真時(shí)間的增加，其影響逐漸減弱，從側(cè)面可以反應(yīng)該工序機(jī)床和工人的工作狀況比較清閑，該工序前的緩沖站內(nèi)幾乎不存在零件積壓。

M1、M2的機(jī)床利用率較高，而工人L1的利用率只有13 66%，工人L1有盈力看管其他工序設(shè)備(如M5)；M7、M8、L5，M9、M10、L6的利用率都較高，表明工序P6、P7、P8、P9的機(jī)床和工人工況比較忙碌，工作較為緊張，屬于瓶頸工序，應(yīng)該屬于調(diào)整范疇，以減低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度；M13、L8、M14、L9的利用率略為偏低，而機(jī)床M15的利用率和工人L10的利用率都較低，應(yīng)從設(shè)備和人員兩方面調(diào)整工序P13:對(duì)設(shè)備而言，可考慮將該工序與其他工序設(shè)備進(jìn)行合并，重組成新的組合機(jī)床；對(duì)工人而言，可考慮與其他工序工人進(jìn)行合并。P14的機(jī)床M16利用率較高，但是工人L11的利用率較低，表明工件在該工序機(jī)床上的停留時(shí)間較長(zhǎng)，但工人較為空閑，應(yīng)考慮與其他工序工人進(jìn)行合并，以達(dá)到減少工人的目的。

經(jīng)上述分析確定了工序P6、P7、P8、P9、P14為瓶頸工序，同時(shí)對(duì)生產(chǎn)線(xiàn)重組方案進(jìn)行了診斷分析。

4.3.調(diào)整后的仿真結(jié)果

重組設(shè)計(jì)應(yīng)該從以下方面進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化。

①重新布置生產(chǎn)線(xiàn)，進(jìn)行生產(chǎn)線(xiàn)人員優(yōu)化和調(diào)整，讓工人合理地看管一定數(shù)量的設(shè)備。
②重組工藝，進(jìn)行全線(xiàn)工藝參數(shù)優(yōu)化和調(diào)整。這些參數(shù)包括:生產(chǎn)計(jì)劃與管理、班組管理、工人素質(zhì)、切削參數(shù)。其中，最重要的應(yīng)該是調(diào)整切削參數(shù)。
③重組設(shè)備，其前提是在加工工藝確定的前提條件下，組合工藝，對(duì)設(shè)備進(jìn)行改造，實(shí)現(xiàn)組合機(jī)床功能。

在表1的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，根據(jù)工廠(chǎng)的現(xiàn)場(chǎng)條件和M7、M8、M9、M10、M16加工能力，本實(shí)例生產(chǎn)線(xiàn)著重調(diào)整機(jī)床的工藝參數(shù)，使工序時(shí)間更為合理。其調(diào)整后的機(jī)加工時(shí)間分別為:33 2秒、33 2秒、33 6秒、33 8秒、34 3秒；由L10同時(shí)看管M15和M16兩臺(tái)機(jī)床，除去L11和B11，并調(diào)整L5、L6、L11的行走速度，使他們行走速度由800MM/s提高為1000MM/s。

 
圖7 生產(chǎn)線(xiàn)重組后的仿真結(jié)果

設(shè)置仿真時(shí)間仍為1個(gè)班，其仿真結(jié)果如圖7，由圖可知:B5、B6、B10的積壓工件量分別為12、12、10件/班，其班產(chǎn)量為569件，全線(xiàn)生產(chǎn)節(jié)拍約為41 2秒左右，其調(diào)整結(jié)果滿(mǎn)足工廠(chǎng)生產(chǎn)線(xiàn)均衡性要求。雖然該調(diào)整方案并不是最優(yōu)，但是已經(jīng)可以充分滿(mǎn)足工廠(chǎng)的實(shí)際需求，而且該生產(chǎn)線(xiàn)經(jīng)過(guò)虛擬診斷后的重組調(diào)整時(shí)間較快，成本較低。

5.結(jié)語(yǔ)

提出了基于VMT的生產(chǎn)線(xiàn)診斷方法，詳細(xì)討論了其設(shè)計(jì)內(nèi)容和設(shè)計(jì)流程。該方法基于虛擬現(xiàn)實(shí)制造技術(shù)，可指導(dǎo)生產(chǎn)線(xiàn)資源的統(tǒng)一建模，并可動(dòng)態(tài)仿真生產(chǎn)線(xiàn)的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，以診斷生產(chǎn)線(xiàn)各種參數(shù)設(shè)計(jì)的合理性。將該方法用于分析某企業(yè)一已投產(chǎn)的生產(chǎn)線(xiàn)，建立了其虛擬現(xiàn)實(shí)模型，通過(guò)可視化圖形和參數(shù)數(shù)據(jù)兩種方式快速診斷了瓶頸工序，并基于瓶頸工序的分析，快速實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)線(xiàn)的重組設(shè)計(jì)。該診斷方法快速方便，節(jié)約資源，成本較低，而且考慮了系統(tǒng)隨機(jī)、動(dòng)態(tài)因素對(duì)生產(chǎn)任務(wù)的影響，診斷結(jié)果切實(shí)可信。