由天潤曲軸股份有限公司為責任單位，沈陽機床成套設備有限責任公司、北京第二機床廠有限公司和湖南大學共同參與的“汽車曲軸加工柔性、敏捷、高效、精密、自動化生產線示范工程”課題自2011年1月正式啟動以來，研究人員做了非常深入的研究，將于2013年6月完成課題。該課題針對3L汽車發動機曲軸自動化生產線的國產化目標，通過攻克一批高精、高效曲軸加工關鍵裝備，集成應用本專項的曲軸精加工設備，形成汽車曲軸加工柔性自動生產線示范工程，以提升我國汽車成套裝備的自主制造能力和水平。該課題的主要任務為：
1. 根據曲軸多品種批量生產的特點，優化設計汽車發動機曲軸零件的加工工藝以及整條曲軸生產線設備的規劃布置，提高整線生產的柔性化水平。
2. 以新材料、新結構和新技術為切入點，提升國產曲軸精加工設備的性能，優化工藝匹配性，提高生產線設備的工藝能力、數控化率及整線的可靠性。
3. 研究開發曲軸加工自動化生產線的核心技術和設備，提升我國汽車成套裝備自主制造能力和水平。
4. 實現生產線的功能模塊化、加工柔性化、操作自動化和控制智能化，總體技術達到國際同類加工生產線的先進水平。
由于設計和建立曲軸加工柔性、敏捷、高效、精密和自動化的示范生產線是一種投資大、風險高的復雜技術，因此其設計和規劃需要嚴謹和精細，以確保生產線設計最終能夠實現高效、精益和柔性的目標，滿足產能要求。為避免企業面臨的各種技術和投資風險，必須在生產線的設計規劃階段進行系統的建模與仿真，以驗證生產線設計方案的可行性和有效性。
在曲軸生產線的設計優化階段且尚未正式投產前，通過建立曲軸生產線的數字化模型進行協同仿真，可以模擬曲軸的生產工藝流程以及原材料和制品的物流過程，模擬生產物流過程中可能出現的各類故障，分析生產線的狀態，并進行生產線抗干擾能力和負荷能力的分析和評價。同時，可以驗證曲軸生產線的規劃布局、生產設備和物料搬運設備的配置，以及物料搬運系統的合理性和有效性。此外，還可以分析生產線的生產方案，預測生產線在不同調度策略下的性能，從而為生產線的運行控制選擇較好的調度方案。不僅如此，還可以為生產線投產后選擇合理、高效的作業計劃，從而發揮生產線的生產能力，提高經濟效益。
依托湖南大學國家高效磨削工程技術研究中心和汽車車身先進設計制造國家重點實驗室，基于在汽車、機械制造和煙草等行業生產物流建模仿真優化的良好科研基礎和團隊優勢，湖南大學承擔了汽車曲軸加工柔性、敏捷、高效、精密和自動化示范生產線的協同仿真任務，以驗證曲軸生產線設計方案的可行性和有效性，并從邏輯上驗證生產線設計方案的高效、精益和柔性。
針對曲軸生產線系統仿真的研究目的，研究團隊細化了研究內容，制定了詳細的研究計劃。首先，對天潤曲軸股份有限公司、沈陽機床成套設備有限責任公司、北京第二機床廠有限公司以及機械臂供應商等各合作企業進行了系統調研，對曲軸生產線的工藝流程、工藝布局、設施規劃、生產物流設備參數、生產排班方式、物料的下料方式以及在制品的生產組織方式、物流設施調度和物流路徑、機械臂的調度策略和人員配置等，進行了系統的調研和數據收集。然后，以調研的真實生產數據為基礎，將抽象模型的輸入參數作為仿真建模和運行分析的基礎數據，在Plantsimulation仿真平臺上，應用面向對象的技術，建立生產線上各生產物流關鍵設備的對象模型，抽象出仿真產品對象的基本參數，建立產品對象的生產工藝模型，并對生產線設備模型與產品工藝模型進行集成，形成生產線的協同模型。結合所建立的生產線物流模型以及曲軸生產線的主要生產任務，實現仿真模型的動態運行。同時，建立了生產線的三維場景和動畫演示，模擬曲軸的生產工藝流程及原材料和在制品的物流過程，驗證曲軸生產線規劃布局、生產設備配置、物料搬運設備配置以及物料搬運系統的合理性和有效性。基于Plantsimulation仿真模型，運用參數化動態仿真、數理統計與數值分析及可視化圖表等技術，對生產線的整線生產能力、關鍵設備生產負荷、生產線中的平均在制品時間以及物料搬運等進行統計分析，并依據仿真結果，分析生產線設計存在的問題，提出平衡優化方案、排產優化方案、在制品控制優化方案，以及人員配置、設備配置和物料搬運系統等優化方案，并建立生產線協同仿真模型進行仿真驗證。最后，分析了生產線的狀態，進行生產線抗干擾能力和負荷能力的分析和評價；預測了生產線在不同調度策略下的性能，從而為生產線的運行控制選擇較好的調度方案。該協同模型的建立，還可為生產示范線的投產選擇合理、高效的作業計劃，從而發揮生產線的生產能力，提高經濟效益。
結果表明：生產線設計方案邏輯上是可行、有效的，能夠實現高效、精益而柔性的運作目標，滿足產能要求。項目研究過程中還對機械手的調度策略進行了優化，優化后的系統生產100根曲軸所用時間相比原系統降低了1.43%。
該項目研究成果不僅從邏輯上驗證了生產線設計方案的可行性，以及曲軸生產線規劃布局、生產設備配置、物料搬運設備配置、物料搬運系統的合理性和有效性，同時生動直觀地呈現了生產物流場景。
該項目研究成果，對于天潤曲軸股份有限公司曲軸生產線機械臂及輥子輸送機的安裝、調試和運行，對于機械臂和輥子輸送機的調度策略制定，以及曲軸生產線投產后生產作業計劃的制定均具有重要的指導意義，為機械臂供應商浙江金石機器人制造有限公司，以及合作單位北京第二機床廠有限公司和沈陽機床成套設備有限責任公司的產品研發和設計制造提供了重要的技術支持。
該曲軸生產線仿真研究成果，不僅可在機械裝備和汽車等離散制造業的生產線規劃、設計和優化中得到應用和推廣，為企業投資生產線提供重要的決策支持，而且可為各機床設計制造企業及物流裝備企業提供重要的技術支持。
1. 根據曲軸多品種批量生產的特點，優化設計汽車發動機曲軸零件的加工工藝以及整條曲軸生產線設備的規劃布置，提高整線生產的柔性化水平。
2. 以新材料、新結構和新技術為切入點，提升國產曲軸精加工設備的性能，優化工藝匹配性，提高生產線設備的工藝能力、數控化率及整線的可靠性。
3. 研究開發曲軸加工自動化生產線的核心技術和設備，提升我國汽車成套裝備自主制造能力和水平。
4. 實現生產線的功能模塊化、加工柔性化、操作自動化和控制智能化，總體技術達到國際同類加工生產線的先進水平。
由于設計和建立曲軸加工柔性、敏捷、高效、精密和自動化的示范生產線是一種投資大、風險高的復雜技術，因此其設計和規劃需要嚴謹和精細，以確保生產線設計最終能夠實現高效、精益和柔性的目標，滿足產能要求。為避免企業面臨的各種技術和投資風險，必須在生產線的設計規劃階段進行系統的建模與仿真，以驗證生產線設計方案的可行性和有效性。
在曲軸生產線的設計優化階段且尚未正式投產前，通過建立曲軸生產線的數字化模型進行協同仿真，可以模擬曲軸的生產工藝流程以及原材料和制品的物流過程，模擬生產物流過程中可能出現的各類故障，分析生產線的狀態，并進行生產線抗干擾能力和負荷能力的分析和評價。同時，可以驗證曲軸生產線的規劃布局、生產設備和物料搬運設備的配置，以及物料搬運系統的合理性和有效性。此外，還可以分析生產線的生產方案，預測生產線在不同調度策略下的性能，從而為生產線的運行控制選擇較好的調度方案。不僅如此，還可以為生產線投產后選擇合理、高效的作業計劃，從而發揮生產線的生產能力，提高經濟效益。
依托湖南大學國家高效磨削工程技術研究中心和汽車車身先進設計制造國家重點實驗室，基于在汽車、機械制造和煙草等行業生產物流建模仿真優化的良好科研基礎和團隊優勢，湖南大學承擔了汽車曲軸加工柔性、敏捷、高效、精密和自動化示范生產線的協同仿真任務，以驗證曲軸生產線設計方案的可行性和有效性，并從邏輯上驗證生產線設計方案的高效、精益和柔性。
針對曲軸生產線系統仿真的研究目的，研究團隊細化了研究內容，制定了詳細的研究計劃。首先，對天潤曲軸股份有限公司、沈陽機床成套設備有限責任公司、北京第二機床廠有限公司以及機械臂供應商等各合作企業進行了系統調研，對曲軸生產線的工藝流程、工藝布局、設施規劃、生產物流設備參數、生產排班方式、物料的下料方式以及在制品的生產組織方式、物流設施調度和物流路徑、機械臂的調度策略和人員配置等，進行了系統的調研和數據收集。然后，以調研的真實生產數據為基礎，將抽象模型的輸入參數作為仿真建模和運行分析的基礎數據，在Plantsimulation仿真平臺上，應用面向對象的技術，建立生產線上各生產物流關鍵設備的對象模型，抽象出仿真產品對象的基本參數，建立產品對象的生產工藝模型，并對生產線設備模型與產品工藝模型進行集成，形成生產線的協同模型。結合所建立的生產線物流模型以及曲軸生產線的主要生產任務，實現仿真模型的動態運行。同時，建立了生產線的三維場景和動畫演示，模擬曲軸的生產工藝流程及原材料和在制品的物流過程，驗證曲軸生產線規劃布局、生產設備配置、物料搬運設備配置以及物料搬運系統的合理性和有效性。基于Plantsimulation仿真模型，運用參數化動態仿真、數理統計與數值分析及可視化圖表等技術，對生產線的整線生產能力、關鍵設備生產負荷、生產線中的平均在制品時間以及物料搬運等進行統計分析，并依據仿真結果，分析生產線設計存在的問題，提出平衡優化方案、排產優化方案、在制品控制優化方案，以及人員配置、設備配置和物料搬運系統等優化方案，并建立生產線協同仿真模型進行仿真驗證。最后，分析了生產線的狀態，進行生產線抗干擾能力和負荷能力的分析和評價；預測了生產線在不同調度策略下的性能，從而為生產線的運行控制選擇較好的調度方案。該協同模型的建立，還可為生產示范線的投產選擇合理、高效的作業計劃，從而發揮生產線的生產能力，提高經濟效益。
結果表明：生產線設計方案邏輯上是可行、有效的，能夠實現高效、精益而柔性的運作目標，滿足產能要求。項目研究過程中還對機械手的調度策略進行了優化，優化后的系統生產100根曲軸所用時間相比原系統降低了1.43%。
該項目研究成果不僅從邏輯上驗證了生產線設計方案的可行性，以及曲軸生產線規劃布局、生產設備配置、物料搬運設備配置、物料搬運系統的合理性和有效性，同時生動直觀地呈現了生產物流場景。
該項目研究成果，對于天潤曲軸股份有限公司曲軸生產線機械臂及輥子輸送機的安裝、調試和運行，對于機械臂和輥子輸送機的調度策略制定，以及曲軸生產線投產后生產作業計劃的制定均具有重要的指導意義，為機械臂供應商浙江金石機器人制造有限公司，以及合作單位北京第二機床廠有限公司和沈陽機床成套設備有限責任公司的產品研發和設計制造提供了重要的技術支持。
該曲軸生產線仿真研究成果，不僅可在機械裝備和汽車等離散制造業的生產線規劃、設計和優化中得到應用和推廣，為企業投資生產線提供重要的決策支持，而且可為各機床設計制造企業及物流裝備企業提供重要的技術支持。
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