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P119 两种AGV数量计算方法的对比分析与应用研究

来源:2017年第3期(总第202期) 作者:机科 浏览:

摘要:随着“中国制造2025”政策的出台,AGV系统作为智能工厂的重要组成部分,具有广阔的发展前景。在此背景下,合理规划AGV数量以发挥其最大作用就显得尤为重要。本文以城轨转向架制造工厂AGV自动化搬运项目中的AGV数量匹配问题为例,采用两种不同的方法进行计算,对比分析其特点,并总结出两种方法各自所适合的应用场景,从而为实际的工程应用提供建议与指导。
 
关键词:AGV数量配置、解析法、Flexsim
 
         移动搬运机器人AGV(Automatic Guided Vehicle)属于工业机器人的范畴,常应用于自动化生产线、自动化仓库以及自动化装配线等各种自动化物流生产系统中,它可代替传统的人工搬运形式,实现物料的自动化配送。随着“中国智能制造2025”政策方针的出台,中国制造业面临着升级转型的必然性,而 AGV系统作为智能工厂的重要组成部分,具有广阔的发展前景。但在实际应用中也应注意到,AGV系统具有智能化特点的同时也存在着高成本问题。制造企业通常会对AGV使用方案进行合理的规划,在满足生产效率的前提下,使用适当数量的AGV以降低成本。合理规划AGV数量以最大限度发挥AGV系统的优势就显得尤为重要。
目前项目规划及方案实施中计算AGV数量的方法分为两种,分别为解析法和仿真计算。两种计算方法不同,特点不同。本文针对这两种计算方法展开研究,分析两种方法的差异性,找出各自的优势所在,以便在不同的应用场景下选择最合适的计算方法,以达到事半功倍的效果。
 
一、案例描述
         本文以转向架制造工厂采用的AGV搬运方案为例,对AGV的数量优化问题进行分析与研究。
 
         转向架是车辆的重要组成部分,它的各种参数直接决定了车辆的稳定性和车辆的乘坐舒适性。某工厂有一条城轨转向架生产子线,用于城轨转向架组装的批量生产,包括转向架构架附件组装、转向架落车、转向架称重及收尾交验等工序。该生产线选择使用AGV对工件进行自动化转运,以提高生产效率。为了降低企业的生产成本,保证企业在满足生产效益的同时采用最少数量的AGV,需要对城轨转向架生产子线作业区内的AGV小车进行优化计算。本文将对此问题进行计算与分析。
 
以下是该生产线的基本情况:
1.生产制度及生产纲领(见表1)
 
2.工艺流程
       城轨构架上线 → 构架检查、整备 → 构架附件组装一 → 构架附件组装二 → 构架附件组装三 → 构架附件组装四 → 构架附件组装五 → 转向架落车 → 转向架称重调簧 → 转向架收尾 → 转向架交验 → 城轨转向架下线。
 
        构架通过天车吊运到“检查、整备”工位上,并由此上线。从“检查、整备”工位到“构架附件组装五”工位的生产过程中,构架均由AGV通过背驮构架支撑工装的方式自动转运到下工位。见图1。
 
3.工位设置及节拍(见表2)
 
4.AGV输送系统
       AGV 采用潜入背驮式。AGV系统须具备调度管理、控制管理、图形监控、自动充电控制管理等功能,AGV能自动调度,同时支持人工调度。主要用于各生产子线内部工序间构架和构架支撑工装自动转运。主要技术指标如表3所示。
 
二、计算方法
       计算AGV数量的方法有两种,一种为解析法,即传统的公式计算;另一种为仿真计算,仿真软件选用Flexsim进行优化仿真。
 
1.解析法计算
        解析法是将具体问题归纳整理成数学模型,通过对数学模型的求解,计算出AGV小车的数量。
 
        定义为AGV小车完成一次物料搬运过程总时间(单位为秒),依据AGV小车搬运货物流程,物料搬运过程总时间由空车等待时间、空车行驶时间、满箱负载行驶时间、空箱负载行驶时间以及物料装载卸载时间这几个部分时间组成,即
 (1)其中为小车等待时间,为空车行驶时间,为满车行驶时间(满箱负载行驶时间及空箱负载行驶时间),为物料装载卸载总时间。
 
        定义为物料需求时间(单次响应时间间隔),即每隔秒会产生一个任务需要进行搬运。计算出每小时AGV小车需要搬运的任务次数为
 
(2)
        AGV小车完成每小时预定的所有任务()所需要的总时间为
 
(3)
        AGV小车每运行50分钟需要充电10分钟,也就是每小时能工作50分钟(3000秒),因此小车数量计算的基本公式如下:
(4)
2.Flexsim仿真计算
Flexsim是一款功能强大的三维仿真软件,其自带的3D视图界面可以直观地观看布局效果,同时具备动画播放功能,可清晰便捷地观看到物流流向及堵塞情况,帮助我们做出更加明智的决策。仿真的原理就是将现实系统用计算机模型进行模拟,让模型具备与实际设备同样的工作属性,根据计算机模型的运行结果对现实系统进行评价、预测、改进。
 
仿真步骤如下:
(1)建立模型。依据项目现场实际情况,对需要仿真部分的系统进行建模。模型可从实体库中拖拽至模型视图中,模型尺寸及模型与模型之间的距离全部按照1:1比例进行布局。建模过程中可对模型进行适当简化,对整体建模模型可进行适当美化。
 
(2)连接端口。按照实际的物流流向,对设备与设备进行连线,使其可依据逻辑进行物流转运。保证设备内部物流流向与设备到设备的物流流向与实际工况一致。
 
(3)设置参数。对模型参数进行设置,使其与实际设备运行效率一致。其中包括设备运行速度,货物到达时间,货物加工时间,以及逻辑设置,如货物发送的端口,调用搬货的AGV车辆等。
 
(4)调试运行。对建立好的仿真进行运行,观察实体连接是否正确,物流流向是否与实际工况一致。调配叉车、AGV运行路线是否合理,是否可以正常工作运行。发生器产生货物数量及时间间隔是否满足实际情况。
 
(5)结果分析。通过查看设备的运行结果统计表,可以获取设备的完成任务情况,空载运行率、负载运行率、空闲率等重要的数据。了解设备物流效率是否达到预期目标。通过观察仿真时时动画,可以获取整个物流系统的瓶颈区域及设备,以便对方案进行修改。
 
三、实验分析
        在上文中主要阐述了使用解析法和使用Flexsim软件进行仿真来计算出AGV小车数量,接下来使用这两种方法结合案例进行计算。
 
1.使用解析法进行计算
        使用解析法计算,首先需要求出AGV小车运行一个周期所用的时间,从小车运行路径规划中可以看出,运行的线路比较复杂,如果用纯公式计算运行时间慢且容易出错,在此使用layout designer软件。此款软件用于绘制AGV路线,通过设置AGV运行速度,可以直接生成AGV沿各条路线运行的时间,方便快捷。
 
         通过layout designer软件求出AGV运行一个周期时间,即为10分钟。
 
         从工位加工及排表中可知,每个工位加工时间不等,在40到45分钟左右,且工位与工位之间为串联线体,在计算时可以认为每隔45分钟组装完成一件转向架,以此思路计算物料需求时间。
 
本次案例中为45min,则每小时需要完成的任务量为:
(5)
通过AGV小车,完成每小时预定的任务量  所需要的总时间为:
 
(6)
则最终需要的AGV小车数量为:
 
(7)         
从计算结果中可以看到需要1台AGV车。
 
2.使用Flexsim软件进行计算
         工厂对生产线的要求是在7个小时内生产7架转向架。本次仿真的思路是,首先找出AGV车搬运的周期规律。假设开始时每个工位上都有城轨转向架,且工位五的转向架刚刚组装完成。AGV小车从开始上线位置运行到工位五,将工位五的转向架运送至下线位置,按照规划路经将工装支架运送回上线位置并放下,再运行至工位四,将工位四的转向架向前移动至工位五并放下,然后退回至工位三,将工位三的转向架运送至工位四并放下,以此类推,计算AGV运行的时间。若AGV运行时间小于15分钟,则说明此条产线在满足生产效率的情况下一台车即可完成任务。
 
经过仿真计算得出AGV运行的时间为596秒,约为10分钟。
 
3.计算结果
         采用两种计算方法求解后,AGV数量均为1台,在实际的工程应用中,会建议客户购买两台,因为AGV在使用过程中可能会发生故障,当一台车在维修保养时另外一台车可以继续工作,以此保证生产节拍,不至于给生产企业造成物流堵塞,影响到经济效益。
 
4.方法对比
求解AGV数量,采用解析法计算和仿真法计算都可以准确地求解AGV数量,由于两种计算方法特点不同,所适合的场景也不同,下面从两个方面进行两种计算方法特点对比。
 
(1)快捷性。解析法计算的本质是使用公式对AGV数量进行计算,因此计算速度较快,只要工位的数量、位置、节拍、AGV运行路线确定,就可以快速用公式计算出结果。此外,在项目前期,方案会经常修改,AGV数量也会由于路线的改变,工位数量的增加而发生变化,采用解析法计算可以轻松应对方案更改,及时配合更改后的方案计算出AGV数量。对于仿真计算,需要建模、设置参数、调试运行,计算速度相对较慢,无法第一时间就计算出结果,一旦方案进行更改,在软件中进行修改耗时耗力。
 
(2)可视性。计算出AGV数量的主要目的是告诉顾客他们需要购买的数量。在投标及方案汇报中,顾客希望看到的是一份详细的方案汇报以及视频演示,直观清晰的判断出AGV数量是否合理,在这种情况下,使用仿真软件计算AGV数量就体现出其强大的功能性。Flexsim仿真软件地最大优势就是具有3D计算机模拟系统,可以模拟现实图像动画并具有强大的运行报告输出功能,满足顾客的需求。而解析法是通过计算公式得出结果,可视性差,无法做出直观的结果报告。
 
综上所述,两种计算方法的优缺点各不相同,不同的方法适用于不同的场景。实际应用中,在前期方案规划及初步报价时,需要快速计算出AGV数量及确定报价范围,应该优先选择解析法计算方式,这样可以有效推进方案进度。当对客户介绍方案或投标时,需要提供AGV数量计算报告及仿真视频时,需要选用Flexsim仿真软件,通过对真实系统进行模拟,直观反映系统运行的复杂相关性和动态特性,并且输出的仿真报告更科学严谨。
 
四、结论
         本文主要对比分析了两种不同的AGV数量优化方法。结合转向架制造工厂的AGV使用案例,本文分别使用解析法和Flexsim仿真法计算出了AGV的优化数量。实验显示出两种方法都可以计算出正确的AGV的数量。解析法有着比较好的快捷性,可以快速计算出AGV优化数量,并可以轻松应对方案的更改。Flexsim仿真法有着非常好的可视性,适用于演示或者报告。在实际应用中,应根据不同的需求选择不同的方法。
 
作者单位为机科发展科技股份有限公司



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