1.引言
生產線的設計和診斷是最優生產中的關鍵技術問題之一[1]，如何有效地判斷各種參數的合理性、快速診斷出瓶頸工序是合理制定作業計劃、優化設備資源的關鍵問題之一。傳統的診斷方法是基于理論計算和實際運行后的數據來判斷的，其缺點為準確性差，不直觀，易浪費資源。
VMT技術借助計算機技術和仿真技術，從產品設計初期就可實時、并行地對產品制造過程進行建模和仿真，以檢查產品的可加工性和設計合理性，從而可及時地修改設計，更靈活有效地組織生產。將VMT技術用于生產線的設計過程，進行生產線的診斷分析，能彌補傳統診斷方式的不足。
2.診斷設計內容
生產線設計分為全新的生產線設計和已有生產線的再設計兩部分內容[2]，按傳統的診斷方法區分，生產線診斷分析也應該包含兩部分內容:新生產線的參數優化和已投產生產線的重組設計，但在VMT技術的支持下，對兩種形式的生產線都可進行統一建模和仿真，并能快速實現各種參數的診斷分析，其診斷分析的主要內容如下。
(1)在虛擬現實環境中規劃系統
生產線系統的規劃前提是:生產計劃和零件的加工工藝內容。根據生產綱領確定生產節拍；通過對工序的優化，合理選擇機床及其他設備，并根據現場空間狀況，初步實現生產線的布局方案，實現系統的初步規劃。
(2)診斷生產線的生產能力和生產管理方式
在虛擬現實環境中，診斷生產線是否能夠在所設計的條件下滿足生產能力，確定生產管理方式是否合理，如果不能滿足，可優化工藝參數，或者修改生產綱領及換班方式等參數。
(3)診斷設備系統
診斷機床加工參數、加工順序、裝夾和定位方式的合理性；可考慮系統隨機因素對生產任務的影響，例如，可診斷生產線上各設備的故障率、在線和離線狀況下故障修復時間、頻率及成本、在線和離線狀況下防護性保養的時間、頻率和成本對生產任務的影響。
(4)診斷物流系統
仿真運行時，可診斷傳送帶尺寸和速度的合理性、診斷機械手路徑的合理性、驗證AGV、機械手等物流運送設備的數量及任務分配的合理性。
(5)診斷庫存容量和緩沖站容量
可在仿真的條件下，診斷倉庫容量的合理性，診斷緩沖站的警戒量及緩沖站設置數量是否合理。
(6)診斷人力資源
通過仿真運行，診斷生產線上工人數量及工人看管設備數量的合理性，優化工人的行走速度和工作路線，診斷換班方式的合理性。
(7)診斷控制系統
診斷控制系統指令是否正確，診斷控制系統的精度和實時響應速度的合理性，診斷控制系統接口的合理性。
(8)診斷生產線的平衡性
生產線平衡性受生產線上各種隨機因素影響，可在各種假設的條件下，診斷隨機因素對平衡性的影響，尤其是診斷各工序的節拍時間、各設備的利用率和工人工時利用率對平衡性的影響；診斷瓶頸工序，并通過優化相關參數以減少瓶頸工序對生產任務的影響。
3.診斷設計流程
生產線診斷流程如圖1所示，其可描述為:基于工藝規程和生產計劃等相關數據，在虛擬現實環境中，完成生產線虛擬現實建模及系統布局規劃，設置仿真時間實現生產線的虛擬現實仿真，基于仿真結果診斷生產線各種參數的合理性，同時通過優化相關參數進行生產線調整，實現生產線的重組設計，以得到最優的生產線設計方案[3，4]。
(1)生產線虛擬建模
在可視化的虛擬現實環境中建立現實生產線的資源模型和系統布局，真實顯示生產線的現實狀況。其涉及的主要內容為生產線的虛擬建模，它包括虛擬設備建模、虛擬工藝建模、虛擬控制建模和虛擬布局。
圖1 診斷流程
虛擬設備建模:在虛擬的環境中，建立機床、上料站、緩沖站、卸料(倉儲)站、自動導向小車(AGV)、工人及裝卸機器手等資源的虛擬模型。
虛擬工藝建模:建立初始運行工藝、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度策略虛擬模型，建立控制系統指令等虛擬模型。
虛擬現實布局規劃:在虛擬環境中建立生產線的多種生產線布局方案。
(2)運行仿真
建模完畢后，設置仿真時間，即可仿真運行，以得到各種參數數據，如機床、AGV和工人工時利用率、產品產量、加工節拍、加工成本等，其仿真結果以多媒體、圖表和文本等形式輸出。在仿真的過程中，可通過相關的虛擬硬件設備，產生臨境逼真的三維沉浸感，以實施虛擬交互功能。
(3)診斷評價及優化
基于仿真結果和評價體系，可快速診斷生產線的瓶頸工序，并優化生產線的各種參數，包括設備數量、緩沖站數量、緩沖站工件的警戒量、工人人數及其看管設備的數量、AGV及工人的運行速度、換班方式、生產節拍、成本、生產能力、運行方式等。一旦獲得的設計方案不滿足各種約束條件，可以反饋到虛擬建模和虛擬布局環節，重新確定各種參數或連接方式。如果還不能滿足，甚至可反饋到工藝設計和生產計劃環節，重新調整工藝規程和生產計劃安排，直到獲得適合工廠實際條件的生產線組織形式。
4.應用實例
基于VMT的生產線診斷方法，以某企業一條已投產的生產線為例，診斷分析其瓶頸工序。
4.1.生產線虛擬模型
以某企業一條已投產的精加工生產線設計為例，分析其瓶頸工序。其中生產線設計的基礎工藝數據如表1所示。生產線不存在瓶頸工序的評價條件:①生產節拍不大于50秒；月生產能力不小于11000件；②各緩沖站中的積壓工件不大于30個/班；③工人不超過11人，設備不多于16臺。
基于工藝規劃和生產計劃等內容，建立該線的虛擬設備模型、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，其中設備包括零件上料站和卸料站各1臺，機床16臺(分別標記為:M1，M……M16)，緩沖站11個(B1，B2……B11)，工人1人(L1，L2……L11)。工件的流動方向是由粗加工到精加工。經過系統布局，可知該生產線占地面積約為128M2。
表1 基礎工藝數據
圖2 生產線布局
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、參數資料等方面，其中參數資料包括:生產線各工序節拍、機床的利用率和工人的利用率等方面。
(1)可視化的仿真圖形
當模型建立完畢后，可以設置不同的時間進行虛擬現實仿真，本文的仿真時間分別設置為1個班(8 0小時)和1周(40小時)，其仿真結果分別如圖3和圖4。
圖3 仿真時間為1個班的結果
圖4 仿真時間為1周的結果
由圖3和圖4可知:經過較長時間仿真后，各緩沖站內的零件堆積數量可直觀地顯示出來，具體各緩沖站內工件堆積量如表2所示，B5、B6及B11的工件堆積數量較多，根據工廠現場的衡量標準，B5和B11前的工序為瓶頸工序，即P6、P7和P14為瓶頸工序。
如果只通過調整瓶頸工序的工藝參數來改善瓶頸癥狀有可能引發新的瓶頸工序，因此有必要對生產線節拍的實際值、機床利用率和工人工時利用率等數據進行分析，為生產線重組設計提供依據。
表2 不同仿真時間下各個緩沖站中積壓的工件數量
(2)參數數據
生產線節拍分析 根據工件產量與時間的關系，可計算該生產線的生產節拍實際值，圖5表示工件產量與仿真時間基本成正比關系，生產節拍也隨仿真時間的增加而逐漸趨于穩定，其基本穩定在45 24秒。利用該值可計算與各個工序時間之間的差值，從而可診斷瓶頸工序和生產線的平衡性。
圖5 仿真時間與生產節拍的關系
圖6 生產線平衡性曲線
圖6表示生產線平衡性的趨勢曲線，可知:
①工人L4、L5、L10的工人產量有突變，可知其后續緩沖站內有零件積壓，即B5、B6、B11內有工件積壓。
②各個工人的單件工時也有差別，其中L4～L6、L10～L11間段突變較大，而L4的工序時間與生產節拍實際值之間的差值Δt為4 84秒，表明L5負責的兩道工序P6、P7是全線最突出的瓶頸工序。
機床利用率和工人工時利用率分析 機床利用率的高低反映工件在機床上駐留時間的長短，工人工時利用率的高低反映該工序需要工人操作的時間長短，因此機床利用率和工人工時利用率數據不但可提供其負荷狀況以診斷瓶頸工序，而且也是生產線參數調整和優化的數據基礎。表3為不同時間下機床的利用率和工人工時利用率。
表3 機床利用率和工人工時利用率
由表3可知:M1、M2、M7、M8、M9、M10、M16、L1、L5、L6、L11的利用率隨時間的變化不大，基本處于穩態過程，表明這些機床和工人在各個時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，不存在工序饑餓狀況；而其他的機床和工人都有趨向穩態的過程，即:仿真初期，預置工件量對其利用率有較大的影響，隨著仿真時間的增加，其影響逐漸減弱，從側面可以反應該工序機床和工人的工作狀況比較清閑，該工序前的緩沖站內幾乎不存在零件積壓。
M1、M2的機床利用率較高，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的機床和工人工況比較忙碌，工作較為緊張，屬于瓶頸工序，應該屬于調整范疇，以減低工人的勞動強度；M13、L8、M14、L9的利用率略為偏低，而機床M15的利用率和工人L10的利用率都較低，應從設備和人員兩方面調整工序P13:對設備而言，可考慮將該工序與其他工序設備進行合并，重組成新的組合機床；對工人而言，可考慮與其他工序工人進行合并。P14的機床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床上的停留時間較長，但工人較為空閑，應考慮與其他工序工人進行合并，以達到減少工人的目的。
經上述分析確定了工序P6、P7、P8、P9、P14為瓶頸工序，同時對生產線重組方案進行了診斷分析。
4.3.調整后的仿真結果
重組設計應該從以下方面進行調整和優化。
①重新布置生產線，進行生產線人員優化和調整，讓工人合理地看管一定數量的設備。
②重組工藝，進行全線工藝參數優化和調整。這些參數包括:生產計劃與管理、班組管理、工人素質、切削參數。其中，最重要的應該是調整切削參數。
③重組設備，其前提是在加工工藝確定的前提條件下，組合工藝，對設備進行改造，實現組合機床功能。
在表1的設計數據基礎上，根據工廠的現場條件和M7、M8、M9、M10、M16加工能力，本實例生產線著重調整機床的工藝參數，使工序時間更為合理。其調整后的機加工時間分別為:33 2秒、33 2秒、33 6秒、33 8秒、34 3秒；由L10同時看管M15和M16兩臺機床，除去L11和B11，并調整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 生產線重組后的仿真結果
設置仿真時間仍為1個班，其仿真結果如圖7，由圖可知:B5、B6、B10的積壓工件量分別為12、12、10件/班，其班產量為569件，全線生產節拍約為41 2秒左右，其調整結果滿足工廠生產線均衡性要求。雖然該調整方案并不是最優，但是已經可以充分滿足工廠的實際需求，而且該生產線經過虛擬診斷后的重組調整時間較快，成本較低。
5.結語
提出了基于VMT的生產線診斷方法，詳細討論了其設計內容和設計流程。該方法基于虛擬現實制造技術，可指導生產線資源的統一建模，并可動態仿真生產線的實際運行狀態，以診斷生產線各種參數設計的合理性。將該方法用于分析某企業一已投產的生產線，建立了其虛擬現實模型，通過可視化圖形和參數數據兩種方式快速診斷了瓶頸工序，并基于瓶頸工序的分析，快速實現了生產線的重組設計。該診斷方法快速方便，節約資源，成本較低，而且考慮了系統隨機、動態因素對生產任務的影響，診斷結果切實可信。
