汽车涂装生产线的三维动态仿真
作者：戴曼文章来源：机械工业第四设计研究院点击数：365 更新时间：2009-7-28
通过可视化仿真可以实现涂装车间的布局设计和生产过程的动态仿真，而且可以依据仿真结果确定生产线的技术参数以决策生产的意义。
近年来，随着经济全球化、区域经济一体化的加强，汽车工业正面临着越来越激烈的挑战，经历着重大的转折。
汽车行业的高投入、高产出特点要求企业必须在尽可能短的时间内，越过规模经济的门槛。
只有这样，才能保证整车和零部件企业以及相关产业进行经济的生产，才能保证开发能力的投入，才能在国际市场上抢先占有采购优先权，从而降低成本，进一步扩大实力。
因此，扩大生产、提高生产效率成为汽车行业的主要关注点。
作为汽车生产工艺中的重要环节，涂装质量的好坏直接影响人们对汽车质量的评价，涂装生产线也是整车厂中投资最大、运行费用最高、工艺最复杂、涉及管理环节及专业最多的环节。
涂装生产线的规划设计合理性和运行效率直接影响产品质量及生产成本。
传统的涂装生产线规划设计方法是采用平面设计和数学计算相结合的方式，生产线的布局采用对实体简化的方式进行布置，生产线运行的情况则通过计算进行推演，同时根据经验进行优化，并最终指导实际的布局设计。
用数学优化模型描述的布局问题尽管已做了简化，但与实际相差甚远，在算法求解的有限时间内得不到精确解，很难根据复杂的实际变化进行及时修改，更难以直观表现生产线实际运行的情况。
现代生产中企业自动化程度提高，生产系统日渐复杂，生产速度日渐加快，因此在设计系统的时候需要面临很多问题：如何验证系统的设计是否合理，如何确定缓存区的数量和瓶颈区域，如何验证生产大纲以及物流设备的控制逻辑等。
这些问题采用传统的规划设计方法难以解决，在生产线规划设计上，要找到技术性与经济性的最佳结合点，就需要借助于一种新的技术——系统仿真技术来解决。
建立涂装线动态仿真系统的意义
动态仿真是以计算机为工具，利用系统模型对生产线进行试验，并借助于专家的经验知识、统计数据和信息资料对试验结果进行分析研究，进而作出决策的一门综合试验性学科。
仿真通过数据驱动，精确模仿现场各种行为，并通过运行仿真模型具体反映现场的多变性。
在涂装生产线的规划完成后，三维动态仿真可以直接以动画的形式，在虚拟数字环境中实时地、并行地模拟出涂装生产线（未来）真实生产的全过程。
一方面能够精确真实模拟生产线的空间布置、运行情况，验证生产线产能、节拍、存储等规划设计要素的合理性，发现系统运行的瓶颈和对方案进行优化，使涂装生产线布局更合理有效；另一方面，能够预测涂装生产线的性能、制造成本、可制造性，从而更经济有效地、灵活地组织制造生产，使资源得到合理配置，增强汽车生产线柔性制造的能力，从而提高整个汽车生产线生产效率。
当前，系统仿真技术已成为分析、研究各种复杂系统的重要工具。
国际工程公司已将其作为常用的规划设计和分析手段，运用到生产线规划设计和运行分析中。
而在国内，对此技术的应用还基本处于起步阶段，无论是在生产线规划设计还是运行管理方面，大多数汽车企业、工程公司和设计院基本还是依赖传统的方式。
因此，汽车数字化涂装生产线的研究与开发具有很强的现实意义。
仿真系统的建立与实现
涂装生产线进行仿真通常需经过三个步骤：建立涂装生产线系统三维仿真场景；仿真模型参数设置和仿真流程控制；仿真模型的运行、验证与结果分析。
其中，建立正确的生产系统仿真模型，并且确定各组成要素以及表征这些要素的状态变量和参数之间的数学逻辑关系，是整个仿真过程能够正确进行并获得符
合实际情况的仿真结果的基础。
涂装生产线仿真系统的工作流程如图1所示，它包括三个基本的过程：建立物理模型、建立仿真模型和仿真试验。
1、建立三维场景模型
建立仿真系统首先要对生产线的各个部分进行三维造型，并根据所建立的模型构建生产线的三维立体模型库，从三维立体模型库中调用相应模型组成生产线总体模型。
在这里，首先定义系统中所需要的物理对象，而定义对象前要先定义它所属的类，建立系统所需要的对象类库，并将对象类库中的对象和三维模型库中的模型关联起来。
对象类库中每个类都具有特定的属性，这些属性都是通过采集数据得到的。
这些数据包括以往的生产统计数据、故障停机历史记录，以及大量在生产现场实测的数据。
如要建立涂装车间的某机器类，首先要构建该机器的三维模型，再设定其相关属性，如机器加工所需的零部件、加工时间、所产生的成品等。
结合涂装生产系统的实际情况，运用面向对象技术进行系统仿真建模，可以将涂装线仿真的对象类分成三大类：物理类，构建设备建立生产场景；信息、控制类，包括工艺规划、生产线运行过程控制、物流控制；服务类，包括生产计划、统计等，通过物理对象类的建立，构建仿真物理模型。
2、建立三维仿真模型
物理模型展示的仅仅是静态的信息，工艺流程动态仿真利用所建立的三维涂装线模型，根据生产工艺的要求，按照工厂的实际情况对整条涂装线的生产情况进行三维动态仿真。
布局设计阶段建立的对象类只描述自身的特征和行为，对象之间并不能通讯；而仿真模型的建立阶段通过描述对象之间的相互关系来进行系统建模，实现系统中的物流、信息流和控制流的传递。
通过定义对象类之间的相互关系来建立设备间的逻辑关系，从而建立仿真系统的逻辑模型。
设备间的逻辑关系控制着设备的行为以及零件在设备间的流转和成品的产生，通过逻辑模型的建立，对已经布局好的涂装线的工作流程进行定义，使生产线上一个个松散的设备组成一个有机的生产系统。
仿真逻辑模型即用物理模型展示随时间的变化系统的不同状态。
系统的状态包括各设备的加工运作和状态，与零件相关的事件以及零件在系统中流转的过程，通过系统不同状态的展示来控制仿真模型的行为。
生产仿真模型是实际生产系统的一个映射，实际生产系统中的约束条件抽象为仿真模型的约束条件，这些约束必须在逻辑模型中得以体现。
逻辑模型建立中主要构建了系统的信息、控制类，从而建立合理的工艺规划，生产线运行过程控制、物流控制。
涂装生产线三维仿真场景如图2所示。
3、涂装生产线的仿真试验
对仿真模型验证分析、修改模型参数的循环过程即优化，这一阶段主要涉及到系统的服务类。
在建立仿真模型时，已确定了仿真系统的目标变量和决策变量。
制造系统经足够时间的仿真运行后，可生成评价生产线的数据，这些数据以文本或图表方式显示，通过优化算法或设计人员进行系统评价，依据评价结果，可以选择合理的生产方案。
这些数据有：滚床、升降机等设备的利用率；产品产量；加工成本；工人操作成本；运输、废料消耗分析等。
表为涂装生产线的仿真试验输出结果。
应用仿真技术的意义
涂装生产线三维动态仿真的研发和实施对提高生产线规划设计水平、运行效率乃至整个汽车行业的竞争力都具有十分重要的意义。
它使汽车生产线的设计由原来针对单机、单台设备的数字仿真分析转向涵盖多种制造设备协同完成制造任务的全面数字化制造环境方面的研究，提高了汽车涂装生产线的设计水平和设计效率。
数字化涂装生产线的应用直接满足了三个指导汽车企业制造工程的主要度量标准：成本、质量和时间。
在成本上最大限度地减少了工程的更改量，减少了工人的操作量，减少了原型车的使用；在建设新的生产线时可重复利用生产设备；在时间方面，减少了试生产时间和工艺规划时间，缩短了生产准备周期；在效
率的提高方面，减少了重复工作，建立典型的工艺、经验库，实现了信息共享，提高了生产线和工艺设计的继承性。
数字化涂装生产线的应用，不仅能够大大缩短物流中心的规划设计周期，还可根据计算机仿真结果对方案进行优化。
在开放的人机界面上，可以看到未来实际生产过程中系统设备的全时空信息，看到未来的生产现场中各输送、存储设备和升降机、滚床、堆垛机、滑橇等设备的状态，以及系统中发生阻塞和瓶颈的位置和情况；可以改变参数输入，通过模拟生产情况及波动对系统造成的冲击，避免在理想化状态下系统设计所无法预料的各种因素，对系统的堵塞有着形象和直观的解决方案；在生产线未运行之前，就可全方位地了解未来自动化物流系统的实际流程和生产信息。
通过仿真系统的研究应用，可规划和设计出切实可行的工艺方案，使汽车企业更科学、合理地管理、运行汽车涂装生产线，为汽车企业解决实际问题，同时使我国的汽车生产线的规划设计和管理迈向国际先进水平的行列。
