1、前言
    进入21世纪，国内的汽车制造行业发展迅猛，规模不断扩大，诸多因素威胁着汽车主机厂的生存环境。2009年国内汽车产销量突破1000万辆，国产乘用车共推出新车型221种，中国正式成为世界第一汽车产销大国。预计2010年汽车产销辆会达到1200万辆，在这种情况下汽车企业根据市场需求做出快速反应和决策，推出新的产品，有效地缩短产品的生产准备周期降低生产准备风险是提高企业竞争力的必要手段。
    那么如何才能做到有效地缩短产品的生产准备周期降低生产准备风险呢？本文主要针对汽车制造业焊装领域说明如何通过应用物流仿真技术在焊装前期工艺设计阶段对整体工艺方案进行分析验证，使焊装方案能够在生产系统正式建立运行之前对该系统运行流畅性进行确实有效的模拟仿真，对前期工艺方案设计进行确实有效的风险规避。
2、仿真的特点
    仿真技术日益成为各行各业分析和解决的重要支持工具，它在工程的前期规划、投资平衡分析、生产物流运行控制、库存控制、作业排序、资源分配、流程分析与改进等众多方面发挥着巨大作用。现在无论是在制造业、金融业、服务业还是在医疗业，人们所面临的决策问题都越来越庞大、越来越复杂，迫切需要一种有效解决问题的方法。它应该可以不设定过多的假设条件，可以达到任意复杂程度和任意规模的要求，可以不用建立过于抽象的模型而能够直接观察系统的行为。无疑，仿真具备上述所有的要求。
2.1 仿真的特点
    近年来许多学者针对仿真的适用环境进行了研究。结果显示，仿真在以下7种情况中较为适用：
    （1）研究复杂系统内部子系统的相互作用。
    （2）通过变更仿真、组织及环境的信息，观察这些改变对模型行为的影响。
    （3）在仿真模型设计过程中，获取的信息可能具有很大价值，利用这些信息可以为改进系统提出建议。
    （4）改变仿真的输入，观察产生的输出，可以使人们深入地了解哪些变量是最重要的以及变量之间是如何相互作用的。
    （5）在新设计或者新策略实施前，运用仿真进行实验。通过对实验过程的观察和对实验结果的分析，掌握新设计或者新策略可能带来的效果和可能存在的问题。
    （6）通过仿真实验，测试生产线对设备的各项参数有什么要求，从而确定实际生产线中需要使用的设备。
    （7）以动画的形式表现运行的系统，实现系统的可视效果。
    （8）现代工厂系统非常复杂，只能通过仿真才能处理其内部各部分之间的相互作用。
3、物流在工艺规划中的作用
    国外著名的RollsRoyce公司的调查表明，汽车产品在设计阶段决定了其最终产品成本的80%；通用汽车公司称载货车变速器70%的制造成本是由设计决定的；福特汽车公司估计在设计、材料、劳动力和制造费用4个因素中,70%的生产节约源于设计的改进。降低和控制产品成本必须贯穿设计的全过程,越早实施,设计者拥有的改进设计的自由度越大。同样道理生产系统的投资规模在其方案规划设计阶段就已经决定，因此一个方案的优劣及投资规模的大小在方案前期规划设计阶段就已经全部得以体现，正因为如此所以我们引入物流仿真软件eM－Plant来支撑我们的前期方案设计。
    注：eM－Plant是一款面向对象的离散事件动态系统仿真软件，是工厂、生产线及生产物流过程中仿真与优化的最佳解决软件之一。
3.1 工艺方案的车间内物流
    焊装车间是一个复杂的系统，该系统由横纵交叉的物流运输路径和生产系统组成。前期方案设计阶段根据工艺方案，我们必须确认焊装存储区到各条生产线工位的点对点的物流传输方案，确保物流能够满足生产系统要求。否则一旦在某一节点上产生瓶颈，将引起连锁反应，直接导致生产系统整体的产能下降，造成投资损失。
3.2 工艺方案工位间的物流
    根据不同产品的白车身结构特点，我们的工艺规划的过程中，要重点考虑工艺的流向，也就是物流的流向。工艺规划也可以理解为生产线的布置，而生产线的布置很大程度上取决于产品结构，或者说是工艺流程，也有人叫作过程流程。例如，车身骨架通常又由左右侧围、车身下部、仪表板水槽、顶盖、包裹架、后围板组成，这也可以绘制一个简单的过程流程图， 与这些零件对应的，应该有相应的生产线，如图1所示；
    车身通常由车身骨架、四个车门、前盖、后盖及其他一些零件组成。也就是说，我们首先要有车身骨架、四个车门、前盖、后盖，然后才能合成车身如图2所示。这样一个简单的过程流程图就形成了，由此我们确认了基本的生产线结构，既地板生产线、车身骨架生产线、四门两盖生产线、调整线等。

图1 车身骨架生产线流程图

 
图2 白车身生产线流程图

    各生产线间必然存在接口缓存，该接口关乎各线生产是否顺畅，因此各个接口缓存需要精确确认，以便满足最低生产要求，使各生产线不因短时间内的设备故障而造成生产停台。
3.3 Buffer链的设置
    Buffer链主要包括生产线内部的Buffer链、生产线间的Buffer链、各车间之间的Buffer链，这些Buffer链主要实现功能为满足各生产线、整个车间的内部故障自适应能力及满足区域缓存能力，具体如下：
    （1）生产线内部的Buffer链及生产线间的Buffer链
    该区域Buffer链不仅与生产线占用面积大小，而且决定前后工艺能力能否顺利实现，是否因此能够消除某一段设备造成的故障而不影响整线间的继续生产能力。
    （2）焊装车间通往涂装车间的Buffer链
    该区域Buffer链装置合理设置可以实现焊装一定数量的返修白车身在该处离线返修而不会影响整个车间节拍的功能，既实现焊装车间在一定返修率条件下的自适应能力，同时可以满足焊装车间、涂装车间其中某个车间由于设备故障造成短时间内停产（如30分钟）而不影响另一车间继续生产的功能。
    （3）自动线间的Buffer链
    自动线间的Buffer链装置可以实现之前自动生产线停台一定时间内不会影响本条生产线继续生产的功能，从而达到尽量减少由于生产线停台造成的停产损失。
4、一汽轿车物流仿真的应用
    2009年一汽轿车股份有限公司第二工厂破土动工。该工厂焊装车间具有生产车型多、自动化程度高、生产节拍短并且是单线比例混流生产的特点。这些特点对前期工艺规划造成很大难度，因此在整体工艺规划上焊装车间内物流传输既为该车间生产线规划的重要瓶颈点，倘若物流规划方案考虑并不周将直接影响该车间的生产效率，造成资源浪费。基于此我们针对一汽轿车第二工厂特点进行二工厂内物流传输模拟仿真，在前期工艺方案规划设计阶段即尽量消除瓶颈点，避免将此类问题带到现生产过程中。
4.1 一汽轿车物流仿真实施内容：
    一汽轿车二工厂焊装车间生产纲领为20万辆份/年。规划在该焊装车间内可以实现三个车型平台，四种以上车型的随机连续式生产。本次对以下区域工艺方案实施物流模拟仿真验证：
    （1）车身焊接总成柔性焊接装配线，以下简称主焊线；
    （2）车身下部焊接总成柔性焊接装配线，以下简称车身下部线；
    （3）左/右侧围总成柔性焊接装配线，以下简称侧围线；
    （4）顶盖总成柔性焊接装配线，以下简称顶盖线；
    （5）机械化部分传输存储验证；
    （6）各物流存储区域到各条生产线区域的物流运输及上件方式验证；
4.2 以下为部分区域模拟仿真结果：
    （1） 车身侧围线仿真报告

图3 车身侧围线二维布局方案

    图3方案变更前车身侧围线的二维图，经过仿真分析发现如下问题，具体如下：
    A处（侧围内板后段）存储区域面积比较小，建议按照生产顺序上件。
    B处（侧围外板）每20分左右进入一辆叉车，每40分左右需人力推入一辆零件器具（由于空间不足人工推工位器具到指定位置往返需80秒左右），建议将靠近中间部分的侧围外板的上件位置与其机器人的位置互换，这样B处（侧围外板）在均衡生产的时候每50分左右进入一部叉车，C处（侧围外板）每6分左右进入一部叉车，其余车辆应尽量减少通过中央通道的次数，以保证C处（侧围外板）叉车的运转安全。
    D处（侧围内板前段）工艺未完善，现需要上件种类为2，车型为4，共计8个零件布局的时候需注意空间的使用。
    E处（侧围加强板）人员上件行走距离在某种生产比例时过长（仅生产需行走距离最远两侧车型时），人员的工作强度达到80%。  
    最后更改后方案如图4所示：

图4 更改后的车身侧围线二维平面布局方案

    （2）车身地板线仿真报告：

图5 地板手工线初版规划方案

    初版本工艺规划方案后地板区域全部在A区（地板主焊上件缓存区），经仿真发现A区（后地板缓存区）B区（前地板缓存区）人工上件区域离地板主焊线上件工位（D区）距离太远，工人上件劳动强度大（工作负荷约98%，基本没有休息时间，不符合人机工程学），该方案必须更改，更改后的方案如图6所示：

图6 地板手工线更改后的方案

    我们对该方案A区（地板主焊上件缓存区）、B区（前地板缓存区）分别进行了模拟仿真验证，经仿真A区B区人工拖动工位器具到D区地板主焊上件工位，工人工作负荷较适中（均衡生产时在50%到70%，极限情况下在70%—85%。）结果显示方案可行，如图7、图8所示。

图7 地板B区仿真图示

 
图8 地板A区仿真图示

    （3）车身主焊线到调整线及调整线到涂装车间存储链仿真报告

图9 车身主焊线到调整线及调整线到涂装车间存储链二维图：

    图9为车身主焊线到调整线及调整线到涂装车间存储链二维图，经几次方案变更及仿真确认后，最终确定该方案，仿真过程中发现问题如下：
    A处最小存储值为14，由于存在2处检查和2处CO2焊接工位所以与提供的数据不符（提供的数据没有计算检查和CO2焊接的时间和滑橇运行的距离）。
    由于存在2处检查和2处CO2焊接工位所以A处两条传输链都要使用，每条传输链的使用率是一样的，不能只使用其中的某一条。这4处工位如果某一处出现问题将使调整线和主焊线的生产造成生产等待现象。
    B处正常使用时上部的两条传输链只用一条就能满足正常生产需求，仅仅在涂装车间停线的情况下才有使用2条传输链的需求。
    滑橇数量为134的情况下：
        非建储的时候：滑橇的工作效率为59.51%，空驶率为63.66%，空橇数量是83；
        50%建储的时候：工作效率为61.56%，空驶率为34.32%，空橇数量是53；
        100%建储的时候：工作效率为81.56%，空驶率为7.22%，空橇数量是23；
    当拉空线时，C处空滑橇数量极限为125左右，无法满足存放要求，多余滑橇计划为放在线下。或者建议增加C处存放
    以上为一汽轿车股份有限公司第二工厂焊装车间内物流的部分区域仿真结果。
5、结束语
    在2000年之前，国内的汽车主机厂很少独立完成整个汽车开发流程，尤其是轿车的产品设计、生产准备等一系列技术工作，大部分主要依靠进口国外品牌成型车进行生产。但在近些年，随着国内自主品牌的崛起，国内制造水平的提升，许多主机厂都已经转换为自主研发，自主生产的公司策略，一定程度上受到了市场的认可。但产品的开发成本以及质量都面临着巨大的问题。原因是传统的制造模式已经不符合的先进生产技术的要求。传统的制造模式是将设计与制造分开，设计实现的是功能的描述，而制造现实现的是设计的物化，两者之间缺乏集成，为了完成设计的意图，往往对生产制造要求很高或者生产无法满足设计要。
    随着计算机和网络技术的高速发展，使得基于多媒体计算机系统和通信网络的虚拟仿真技术为现代制造系统的并行作业、分布式运行、虚拟写作、远程操作与监视等提供了可能。基于这样的原因和条件，虚拟仿真技术在信息时代的制造业中应用而生。同时，可以在产品的设计、规划阶段就预测整个产品的全生命周期的本质行为，把潜在的问题早期解决在设计阶段，从而避免时间和资金的问题。相信不久以后，虚拟仿真制造技术会成为提高汽车企业和产品竞争力的重要手段。