数字化仿真技术在空调生产线灌注工序系统的研究

数字化仿真技术在空调生产线灌注工序系统的研究

熊林，周勇，吴振，陈尚庚

珠海格力电器股份有限公司  广东,珠海 519000

摘要：冷媒灌注工艺广泛地应用于空调行业中，作为空调制造的核心关键工序，但在数字化仿真中缺乏相应的实体建模，给空调生产线仿真带来不便。借助Flexsim仿真平台对其工序设备及生产线，运动学及任务分配逻辑的建模二次开发，实现了生产功能。搭建了具有沉浸感的虚拟场景和数字化模型，通过FLexsim代码编程完成动画制作。将生产工序融入仿真系统，形成“虚拟体验、仿真计算”为特点的仿真模式，用于预先评估生产线的产能是否达标。为实际仿真规划与产线改造准确有效地预估其产能及优化仿真结果奠定了基础，扩展了数字化仿真技术在空调制造业的应用。

关键词：空调生产线；灌注；数字化仿真；虚拟现实；FLexsim

Research and Development of Air Conditioner Production Line Perfusion Process System based on Digital Simulation

XIONG Lin，ZHOU Yong，WU Zhen，Chen Shanggeng

Gree Electric Appliances, Inc.of Zhuhai   Zhuhai ,Guangdong  519000

Abstract: The refrigerant perfusion process is widely used in the air-conditioning industry as the core key process of air-conditioning manufacturing, but the lack of corresponding physical modeling in the digital simulation brings inconvenience to the simulation of the air-conditioning production line. With the help of the Flexsim simulation platform, the secondary development of its process equipment and production line, kinematics and task allocation logic modeling, realized the production function. An immersive virtual scene and digital model are built, and the animation is completed through the animation editor (Animation) and FLexsim code programming. The production process is integrated into the simulation system to form a simulation mode characterized by "virtual experience and simulation calculation", which is used to pre-assess whether the production line's capacity meets the standard. It laid the foundation for the actual simulation planning and production line transformation to accurately and effectively estimate its production capacity and optimize the simulation results, and expand the application of digital simulation technology in the air-conditioning manufacturing industry.

Key Words：Air conditioner production line ; Perfusion ; Digital simulation ; Virtual reality ; FLexsim

1 引言

多品种小批量的生产模式，以及客户个性化定制、插单生产导致的交货周期不稳定使得空调制造业在市场竞争中面临多重考验。通过生产线提效改造，可以敏捷且柔性地响应订单生产。而产线改造周期长，效率更是难以评估，因此，引入数字化仿真技术推动空调生产过程模拟分析、效率事前验证显得尤为重要。

国内高校在仿真实验取得了许多研究成果[1-7]，如虚拟仿真场景的搭建。但仅应用于学生认知实习与企业员工培训，缺乏应用于制造业生产过程的实例。本文基于Flexsim仿真平台和VR技术开发了生产线仿真平台，使工厂规划人员能通过可视化的形式对生产线运行事前模拟，验证其合理性与生产效率，并为产线布局规划与提效改造提供了参考价值。

2 现场数据采集与仿真建模

空调总装车间的冷媒灌注是空调生产过程中极其重要的工序，该工序不仅直接影响空调内部系统状况，直接决定制冷、制热、噪音等性能，而且极大程度上影响空调的安全生产及使用。

2.1 模型布局建立

G公司空调外机生产线的灌注工序模块有40个抽真空车位，3个灌注台站。在制品在该工序模块产线入口处被移载到工艺板上，进入抽真空车位。完成抽真空工艺后，按产线分配逻辑进入灌注台站。完成灌注工艺后，出台站经回板机构分离在制品与工艺板，工艺板供给产线入口处的在制品循环利用，在制品则进入下一道工序。总体布局如图1所示。

需采集的生产数据包括：发生器到达时间间隔，生产线速度，设备处理时间，人员操作时间，移载、升降、旋转机构时间、在制品进出设备时间。

Flexsim是面向对象的建模仿真平台，集合了计算机三维图像处理技术、数据处理技术、人工智能，用于制造、物流领域。搭建虚拟仿真场景步骤如下：

（1）绘制空调灌注工序模块的CAD布局图。车间面积、设备和传送带的外观尺寸，设备间距要求精确。

（2）运用3ds Max 软件绘制设备三维模型。Flexsim默认实体库中没有所需的设备实体，要想获得真实视觉效果，需根据真实尺寸及比例建立三维模型。

（3）在Flexsim仿真软件中导入CAD布局图、设备模型，并调整尺寸、比例一致，形成三维仿真环境。

图1  模型建立图

2.2 作业流程

本文空调外机生产线的灌注工序模块为例，事件驱动的作业流程描述如下：

图2 作业流程图

3 运动学代码实现

3.1 主要逻辑程序代码

3.1.1 环线车位逻辑

抽真空环线共40个车位，环线使用传送带建模，形成封闭回路。抽真空车位在装载与卸载时分别设定站点Station，方便车位在行驶中进行逻辑判断，如图1所示。设置全局变量value初始值为0。创建40个车位，在发生器创建触发：

involved.labels.assert(labelname).value = value;} value++; // 每创建一个车位后，value值自增1 //

离开触发：

创建40个车位后，结束创建

装载处站点Station：

处理加工Process：

if (current.change==1) {return 0.1;} else {return 0;}

加工完成触发Process finish：if ( true) {openinput(current);}// 若有在制品到达，则打开车位输入端口 //

到达触发Arrival：

if ( current.change) {openoutput(current);}// 车位到达后，允许在制品进入 //

string framename = "Box";

if ( current.change) { setframe(object, framename);item.Type=1;}

重置触发Reset：string labelname = "change";

double value = 0;// 模型重置后，标签值change回到0 //

卸载处站点Station的到达触发Arrival：

If (item.Type==1){openoutput(Model.find("Source2"));setframe(item,0);item.Type=0;}// 满载车位到达后，打开发生器2的输出端口，并使用空载模型外观 //

3.1.2 产线分配逻辑

在制品完成抽真空后，从环线车位移载至倍速线，沿滚筒线进入灌注台站。台站进站原则为由远及近，即优先进入远端台站式3号设备，如图3所示。

图3 产线分配逻辑图

中间滚筒线分三段，由实体库中三个Processor组成，并导入3D外观。每段滚筒线放置移载机，功能即可将在制品移载至台站设备。Flexsim中实体有向连接为A连接，三个Processor间依次进行A连接，每个Processor再A连接对应的台站设备。如此，在制品流经滚筒线，先进3号台站。后一台在制品若遇前方堵塞，则进入2号台站，同理后续的在制品将依次排队进入1321,321,321……号台站。

在制品在3台灌注台站加工后需出台站，以3号灌注设备为例：

加工结束触发Process finish：

string labelname = "leixing";

Variant value = 1;  // 设置标签leixing，值为1 //

involved.labels.assert(labelname).value = value;

closeoutput(Model.find("Processor1"));

closeoutput(Model.find("Processor29"));// 关闭1号、2号台站的输出端口 //

为避免堵机，在制品出3号台站前，关闭另两台台站的输出端口，保证滚筒线上只有一台在制品流动。

进入触发Entry：

if ( true) {closeinput(involved);// 若有在制品，则关闭设备输入端口 //

3号灌注台站若已经进入在制品，需关闭自身输入端口，避免堵机。

退出触发Exit：

if (true) {if (delaytime == NoDelay) sendmessage (toobject,fromobject,param1,param2,param3);

else

senddelayedmessage(toobject,max(0,delaytime), fromobject,param1,param2,param3);}

接收消息触发Message：if ( true) {openinput(involved);}

在制品离开灌注台站后，需要一段时间“delaytime”完全离开滚筒线，才可以再次打开台站设备输入端口，进入下一台在制品。同理，1号、2号灌注台站与3号代码逻辑一致。不同点在于标签值leixing与延迟时间delaytime，根据实际情况设定。

在制品离开滚筒线后，经过光电传感器，即实体库中Photo Eye。传感器Photo Eye触发器创建代码：

阻塞触发Block：

if ( item.leixing==1) {openoutput(Model.find("Processor29"));

openoutput(Model.find("Processor1"));  }// 若标签值leixing为1，则打开1号、2号设备输出端口 //

if ( item.leixing==2) {openoutput(Model.find("Processor1"));openoutput(Model.find("Processor33"));}// 若标签值leixing为2，则打开1号、3号设备输出端口 //

if(item.leixing==3){openoutput(Model.find("Processor33"));openoutput(Model.find("Processor29"));openinput(Model.find("Processor1"));  }// 若标签值leixing为3，则打开2号、3号设备输出端口与1号设备输入端口 //

这时该在制品之前所在的灌注台站为空位，其他两台台站为满载。因此逻辑为打开其他两台台站输出，灌注后的在制品能够出站。由于1号台站位置特殊，输入输出重叠，需等待在制品完全离开滚筒线后，才可打开输入端口。

4仿真平台数据模块的开发

在Flexsim的GUI上开发平台数据的输入与输出模块，并连接全局变量。输入数据后，平台可自动运行，输出报告与报表数据统计。

设定实验目标：建模型进行效率仿真，验证三个灌注台站的小时产量能否达到240台。如图5所示，三个灌注台站,仿真运行时间共计10小时，开始运行2小时后，单位小时产能稳定在266台，满足240台的目标值。各灌注机及灌注员工作业效率，工位间设备利用率均衡，且人员工时利用率较低，建议调整工作量，使得工作饱和。

图4 基于GUI的仿真数据输出界面

5结语

通过建模仿真以及各种规划、改善方法对空调生产线工序仿真系统进行研发有重要的意义。本文运用Flexsim软件对空调生产线灌注工序模块建模与仿真，结合虚拟现实(VR)显示技术，对运动学及任务分配逻辑进行二次开发，并搭建了空调生产线灌注工序的仿真平台，为实际仿真规划与产线改造准确有效地预估其产能及优化仿真结果提供了一定参考价值。

参考文献

[1]胡明茂,章弘毅,孙煜等.基于Flexsim和VR的机加工生产实习仿真系统研究和开发[J].实验技术与管理,2018,35(09):122-126.

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[4]胡明茂,李峰. 基于单元化“一个流”生产方式的曲轴生产线优化与仿真[J]. 现代制造工程,2018,(3).

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[7]孙慧,于宏飞.基于Flexsim的子母穿梭车的运动仿真研究[J].制造业自动化,2018,40(10):98-101.

作者信息

第一作者姓名：熊林  工作单位：珠海格力电器股份有限公司  职务：产品工艺员  职称：工艺工程师