این مقاله در مورد نیازها و استفاده‌های شبیه‌سازی گسسته ـ پیشامد در طراحی جایگاه‌های تست برای قطعات مونتاژی powertrain بحث می‌کند و کاربرد آزمایش شبیه‌سازی شده مورد استفاده برای بهبود طراحی یک ساختار جایگاه تست نوعی را به تصویر می‌کشد. این مقاله مبتنی بر تجربیات نویسنده می‌باشد که از طراحی این نوع سیستم‌ها نتیجه گرفته است.

1 ـ معرفی

 

تولید خودرو امر پیچیده‌ای است که به تولید و ترکیب هزاران جزء مختلف نیاز دارد. سیستم powertrain یکی از مهمترین قطعات هر خودرو می‌باشد؛ موتور و جعبه‌دنده نیز مهمترین اجزایی هستند که سیستم powertrain را تشکیل می‌دهند. تولید موتور و جعبه‌دنده با کیفیت خوب برای کیفیت خودرو ضروری است. نوعاً همة اجزا یا قطعات زیرمونتاژی مهم خودرو، مثل موتور و جعبه‌دنده به طور جداگانه تولید می‌شوند و در مرحله مونتاژ نهایی خودرو، به هم و روی شاسی مونتاژ می‌شوند. در تولید هر قطعه زیرمونتاژی اصلی، یک ساختار مشابه وجود دارد. بنابراین اجزای مهمی که موتور را تشکیل می‌دهند، مثل میل‌بادامک، میل‌لنگ و غیره در زیرمونتاژهای مربوطه، ماشین‌کاری و یا مونتاژ می‌شوند. سپس قطعات زیرمونتاژی برای ساخت یک موتور به هم مونتاژ می‌شوند. موتورهای مونتاژ شده، به محل مناسب در خط مونتاژ نهایی خودرو تحویل داده می‌شوند، جایی که هر موتور به یک شاسی خودرو مونتاژ می‌شود.

 

شبیه‌سازی گسسته ـ پیشامد اکنون یک ابزار استاندارد مورد استفاده در طراحی و پیاده‌سازی سیستم‌های مختلف تولید خودرو می‌باشد (از زیرسیستم ماشین‌کاری میله رابط گرفته تا سیستم مونتاژ خودرو). اهداف استفاده از شبیه‌سازی متفاوت هستند؛ تعدادی از اهداف مرسوم عبارتـند از:

 

·        تعیین عملکرد سیستم

 

·        کشف گلوگاه

 

·        تخصیص نیروی انسانی و بهینه‌سازی

 

·        فلسفه‌های عملیات

 

·        پشتیبانی‌ها

 

·        موضوعات ذخیره مواد

 

·        بهینه‌سازی الگوهای کاری

 

·        طراحی سیستم‌های انتقال مواد

 

این مقاله بر سیستم‌های تولید powertrain خودرو و مخصوصاً بخش کوچکی از سیستم‌های مونتاژ نهایی موتور متمرکز شده است؛ به عبارت دیگر، تمرکز این مقاله بر ایستگاه‌های مورد استفاده برای تست و تعمیر موتورهای مونتاژ شده می‌باشد. این ایستگاه‌های تست نوعاً بخشی از سیستم مونتاژ نهایی هستند. معمولاً همه موتورها تست می‌شوند (بازرسی 100%).

 

فضای جایگاه تست پویاترین محل در هر سیستم مونتاژ موتور می‌باشد؛ همچنین این فضا تمایل دارد که به یک گلوگاه تبدیل شود. با توجه به هزینه هر جایگاه تست و نیاز پایه‌ای برای همه سیستم‌های تولید (برآورده کردن موضوع عملکرد هدف با شاخص‌های تصادفی)، در این مقاله کمک شبیه‌سازی به طراحی و بهینه‌سازی فضای جایگاه تست، مسائل معمولی و استفاده از شبیه‌سازی برای مقابله با مسأله، با استفاده از چند مثال ساده بررسی می‌شود. مثال‌ها مبتنی است بر پروژه‌های قبلی اجرا شده توسط نویسنده.

 

2 ـ سیستم‌های مونتاژ موتور

 

همه قطعات زیرمونتاژی موتور نوعاً در خط مونتاژ نهایی با هم به موتور مونتاژ می‌شوند. قطعات زیرمونتاژی عمده‌ای که یک موتور را تشکیل می‌دهند، عموماً 5c خوانده می‌شوند که عبارتند از میل‌بادامک، میل‌لنگ، بدنه سیلندر، سر سیلندر و میله رابط. هر کدام از این زیرسیستم‌ها از صدها جزء جدا تشکیل شده‌اند. این قطعات زیرمونتاژی عمده، در سیستم‌های تولید مربوط به خودشان ماشین‌کاری یا مونتاژ می‌شوند. قطعات زیرمونتاژی تکمیل شده، به خط مونتاژ نهایی موتور منتقل می‌شوند. یک خط مونتاژ نهایی موتور شامل مجموعه‌ای از عملیات مونتاژ است. این عملیات دستی، نیمه‌اتوماتیک یا اتوماتیک هستند. عملیات توسط نقاله‌های جمع شدنی به هم مرتبط هستند. جزء اصلی، قالب و بدنه ماشین‌کاری شده موتور می‌باشد. همه قطعات زیرمونتاژی در ایستگاه‌ها یا عملیات مختلف مونتاژ، به صورت دستی یا اتوماتیک به بدنه موتور مونتاژ می‌شوند. نوعاً هر بدنه موتور از یک ایستگاه به ایستگاه بعدی بر روی پالت حمل می‌شود. مجدداً همان طور که گفته شد، بدنه‌های موتور روی پالت‌ها بر روی نقاله‌هایی بین ایستگاه‌ها یا عملیات حمل می‌شوند. موتورهای تکمیل شده از روی پالت‌ها برداشته شده و به انبار منتقل می‌شوند. پالت‌های خالی به ایستگاهی برگردانده می‌شوند که در آنجا بدنه‌های جدید روی پالت سوار می‌شوند. بنابراین خط مونتاژ نهایی به شکل یک لوپ نقاله با عملیات مختلف مونتاژ بین یک ایستگاه بارگیری و یک ایستگاه تخلیه بار می‌باشد. پالت‌ها دوباره جریان پیدا می‌کنند و همیشه در این حلقه نگه داشته می‌شوند. عملیات یا ایستگاه‌ها می‌توانند درون خط یا خارج خط باشند. ایستگاه‌های درون خطی از همان نقاله اصلی انتقال که همه پالت‌ها روی آن حرکت می‌کنند، استفاده می‌نمایند. هر پالت در هر ایستگاه با استفاده از ایست پالت تأخیر دارد و بعد از اینکه عملیات کامل شد، آزاد می‌شود. پالت‌های متوالی، پشت ایستگاه تشکیل صف می‌دهند و منتظر می‌مانند تا فرایند روی پالت کنونی تکمیل شود. آزادسازی معمولاً با دست (برای عملیات دستی) یا با استفاده از حسگرهای چشمی و تایمرها برای ایستگاه‌های اتوماتیک انجام می‌شود. بنابراین در ایستگاه‌های درون خطی، همه پالت‌ها در نقاله اصلی می‌مانند. در ایستگاه‌های خارج از خط، پالت‌ها از مسیر نقاله اصلی انتقال به نقاله‌های محرک کوچک‌تر فرستاده می‌شوند. پالت بعد از اینکه عملیات آن در ایستگاه خارج از خط کامل شد، دوباره به نقاله اصلی ملحق می‌شود. سپس پالت بعدی به خارج از خط فرستاده می‌شود. بیشتر ایستگاه‌های دستی و اتوماتیک، داخل خط هستند. ایستگاه‌های تست نوعاً خارج خط هستند.

 

یک طرح نمونه از حلقه موتور، در شکل 1 ارائه شده است. در این شکل، هیچ ایستگاهی وجود ندارد. همان گونه که توضیح داده شد، ایستگاه‌ها همگی دور حلقه قرار گرفته‌اند. همه موتورهای تکمیل شده قبل از اینکه از خط خارج شوند، تست می‌شوند (تست 100%). موتورهایی که در تست رد شوند، از خط اصلی جمع‌آوری شده و درون یک محرک می‌روند و اگر ممکن باشد تعمیر یا بازیافت و یا دور ریخته می‌شوند. تست معمولاً به عنوان آخرین عملیات قبل از اینکه موتور از سیستم خارج شود، انجام می‌شود.

 

 

 

شکل 1: طرح خط مونتاژ موتور

 

 

3 ـ ترکیب‌های سیستم معمولی تست موتور

 

دو جایگاه تست مهم در سیستم مونتاژ وجود دارد: تست نشت و تست سرما.

 

همان گونه که قبلاً گفته شد، خط مونتاژ موتور شامل مجموعه‌ای از ایستگاه‌های مونتاژ اتوماتیک، نیمه‌اتوماتیک و دستی می‌باشد. یک مثال برای یک ایستگاه دستی می‌تواند آن جایی باشد که قطعه زیرمونتاژی میل‌لنگ از فضای انبار، به پالت بدنه موتور بارگیری می‌شود و در صف قرار می‌گیرد. یک مثال برای ایستگاه اتوماتیک جایی است که میل‌لنگ توسط چرخاندن پیچ به بدنه موتور بسته می‌شود. معمولاً کارهایی مثل بارگیری بدنه موتور و تخلیه موتور تکمیل شده، دستی هستند. جایگاه‌های تست معمولاً اتوماتیک یا نیمه‌اتوماتیک هستند.

 

3 ـ 1 ـ زمان سیکل خط

 

در هر ایستگاه، هر مجموعه موتور تقریباً در یک دوره زمانی ثابت که «زمان سیکل ایستگاه» خوانده می‌شود، به عمل می‌آید. نوعاً زمان سیکل برای ایستگاه‌های دستی در مقایسه با ایستگاه‌های اتوماتیک از یک سیکل تا سیکل بعدی نسبتاً طولانی‌تر و متغیرتر است. زمان سیکل برای ایستگاه‌ها بر اساس تعدادی معیار مقرر می‌شود. مهمترین عامل تعیین‌کننده برای زمان سیکل یک ایستگاه کارهایی است که در آن ایستگاه انجام می‌شود. هر چه کارهایی که باید در یک ایستگاه انجام شود پیچیده‌تر باشد و تعداد آنها بیشتر باشد، زمان سیکل طولانی‌تر می‌شود. برنامه‌ریزان فرایند سعی می‌کنند کارها را تا آنجا که امکان دارد به طور هموارتر در بین ایستگاه‌ها تقسیم کنند تا خط متعادل شود. هر گاه کاری خیلی پیچیده یا وقت‌گیر باشد، برنامه‌ریز فرایند سعی می‌کند آن کار را به قسمت‌های کوچکتر تقسیم کند تا بین بیش از یک ایستگاه قابل پخش باشد. هدف متعادل‌کننده خط یا برنامه‌ریز فرایند این است که کارها را به گونه‌ای تقسیم کند که همه ایستگاه‌ها در خط تولید، زمان سیکل مشابه یا تقریباً مشابه داشته باشند تا ایستگاه خاصی به یک گلوگاه فاحش تبدیل نشود.

 

هدف دیگر برقراری زمان سیکل (که به صورت زمان سیکل سیستم یا زمان بین موتورهای تکمیل شده از خط تعریف می‌شود) مبتنی است بر تقاضا برای موتور. یک تقاضای ثابت و معین برای موتور وجود دارد که مستقیماً به تقاضای بازار برای خودرویی که آن نوع موتور روی آن مونتاژ می‌شود مرتبط می‌باشد. این تقاضا می‌تواند به تعداد موتورهایی که باید به طور متوسط در هر ساعت تولید شود، تبدیل شود (با استفاده از الگوهای کاری و زمانبندی تولیدکننده خودرو). در عوض، وظایف ایجاد شده در هر ساعت می‌تواند به سرعت خط یا زمان بین موتورهایی که از خط خارج می‌شوند، تبدیل شود. زمان سیکل بیشینه برای هر ایستگاه در طول خط نمی‌تواند بیشتر از سرعت مورد نیاز خط باشد. منطق بالا در مورد کارهایی به کار می‌رود که بتوان آنها را تقسیم کرده و بین ایستگاه‌های متوالی پخش نمود؛ ولی کارهای ثابت نمی‌توانند تقسیم و پخش شوند. یک مثال خوب، عملیات تست است. تست نیازمند مقدار قابل ملاحظه‌ای از زمان است (معمولاً دو یا سه برابر زمان سیکلی که می‌تواند در ایستگاه‌های دیگر به دست آید). برای حفظ سیکل خط، جایگاه‌های تست زیاد می‌شوند تا موتورها به طور موازی تست شوند. برای مثال، اگر سیکل تست حدود سه برابر سیکل تولید باشد، پس برای برآورده کردن تقاضا، سه جایگاه تست مورد نیاز خواهد بود.

 

3 ـ 2 ـ آرایش جایگاه تست

 

هنگامی که مسأله زمان سیکل جایگاه تست و تعداد اولیه جایگاه‌ها مشخص شد، مکان نسبی و آرایش جایگاه‌ها مورد توجه قرار می‌گیرد. محدودیت‌های ثابت بر روی این تصمیم‌گیری تأثیر می‌گذارند. مهمترین محدودیت مربوط به آرایش (Layout) می‌شود. کارخانه خودروسازی از جهت فضای کارخانه محدودیت دارد؛ لذا استفاده مؤثر از فضا مهم است. آرایش جایگاه‌های تست (نوعاً فضاگیر) برای صرفه‌جویی در فضا مهم است. دومین محدودیت فیزیکی در مورد این واقعیت است که جایگاه‌های تست، در مقایسه با دیگر ایستگاه‌ها نیازهای خاصی دارند؛ مثل لوله‌کشی آب یا گاز. نزدیک‌تر کردن جایگاه‌های تست به هم می‌تواند یک فرضیه باشد. از آنجایی که زمان در جایگاه‌های تست کم است، این مهم است که همه جایگاه‌های تست به اندازه بیشتری مورد استفاده قرار بگیرند. ولی اگر ایستگاه‌های دیگر که از جایگاه‌های تست بالاتر هستند (مخصوصاً ایستگاه‌های اتوماتیک) نسبت به دوره زمانی مورد انتظار کندتر باشند، ممکن است جایگاه‌های تست کمبود پالت داشته و لذا به پالت نیاز داشته باشند. برای جلوگیری از این وضعیت، برخی اشکال ذخیره اطمینان (بافر) در جلوی جایگاه‌های تست به خوبی خدمت‌دهی می‌کنند. فضای جایگاه تست پیچیده‌تر است (به علت فضای تعمیر). موتورهایی که در جایگاه تست رد می‌شوند، برای دوباره‌کاری به فضای تعمیر فرستاده می‌شوند. موتورهای دوباره‌کاری شده، مجدداً برای آزمایش شدن به جایگاه فرستاده می‌شوند. بنابراین مطلوب است که فضای تعمیر نزدیک به جایگاه‌های تست باشد. یک آرایش مرسوم، داشتن یک حلقه نقاله‌ای برای هدایت موتورها از فضای جایگاه‌های تست به فضای تعمیر و برگرداندن آنها به جایگاه‌های تست می‌باشد. این امر به ایجاد ترافیکی از پالت‌ها در فضای تست منجر می‌شود؛ در نتیجه، کنترل ترافیک برای جلوگیری از مسدود شدن حلقه، اهمیت بسیاری می‌یابد. شکل 2 ، آرایش مذکور را به تصویر می‌کشد.

 

 

 

شکل 2: طرح ترکیب مرسوم برای جایگاه‌های تست

 

 

این شکل، آرایش نسبتاً ساده‌ای از جایگاه‌های تست و فضای تعمیر را نشان می‌دهد؛ این ساختار اولیه برای بهبودهای بیشتر یا ظرفیت بیشتر جابه‌جایی‌ها، تغییر می‌یابد. می‌توان با استفاده از شکل 2، در مورد عملیات و موضوعات همراه با حلقه تست توضیحات بیشتری داد. مسیر جریان با استفاده از فلش‌ها نشان داده شده است. از حالا به بعد، واژه پالت به «پالت به همراه یک موتور بر روی آن» مربوط می‌شود. پالت‌ها به یکی از سه جایگاه تست T1، T2 یا T3 فرستاده می‌شوند و سپس با استفاده از نقاله‌های محرکی که هر جایگاه تست را به خط اصلی وصل می‌کنند، به خارج خط فرستاده می‌شوند. بر روی پالت‌ها بر اساس آزمایش، برچسب «خوب» یا «مردود» می‌زنند. در نقطه B موتورهای «خوب»، مستقیم در مسیر نقاله اصلی ادامه مسیر می‌دهند. پالت‌های مردود با استفاده از یک نقاله،‌ به نقطه D فرستاده می‌شوند. سپس پالت‌های مردود تعمیر شده و با نقاله به نقطه C و سپس به نقطه A فرستاده می‌شوند. سپس این موتورهای تعمیر شده برای آزمایش دوباره، به یکی از جایگاه‌های تست ارسال می‌شوند.

 

دو شیوه عملیاتی وجود دارد؛ در شیوه اول، موتورها اجازه ندارند از نقطه A عبور کنند، مگر اینکه یک جایگاه تست برای ورود موتور در دسترس باشد. این باعث ایجاد ذخیره‌ای از پالت‌ها در نقطه A می‌شود. پالت‌هایی که برچسب تعمیر خورده‌اند، به فضای تعمیر فرستاده می‌شوند. وقتی که این پالت‌ها تعمیر شدند، دوباره به نقطه A فرستاده می‌شوند، جایی که آنها اولویت بیشتری برای آزمایش دوباره خواهند داشت (برای جلوگیری از ایجاد ذخیره در فضای تعمیر). در شیوه دوم، عملیات تعمیر در خارج از خط انجام می‌گیرد. پالت‌هایی که باید تعمیر شوند، به یک نقاله محرک از نقاله تعمیر فرستاده می‌شوند. این پالت‌ها به صورت دستی از روی محرک برداشته می‌شوند و بعد از تعمیر شاید مجدداً در نقطه D قرار گیرند. به جای نگه داشتن پالت‌هایی که باید تست شوند در نقطه A تا زمانی که یک جایگاه تست در دسترس باشد، پالت‌ها آزاد می‌شوند. پالت‌هایی که باید تست شوند، بر روی نقاله اصلی از نقطه A عبور می‌کنند. در هر محرکی که به سمت جایگاه تست حرکت می‌کند، اگر جایگاه در دسترس باشد، باید یک پالت تست نشده تست شود. جایگاهی در دسترس را در نظر می‌گیریم که در آن هیچ پالتی وجود نداشته باشد و هیچ پالتی در راه ورود یا خروج از آن نیز نباشد. اگر یک موتور تست نشده مجبور شود از کنار سه جایگاه تست (به علت اینکه مشغول هستند) عبور کند، در نقطه B به سمت نقطه D فرستاده شده و دوباره به نقطه A بر می‌گردد. در واقع، پالت‌ها به صورت تست شده / تست نشده و خوب / مردود با استفاده از به طور مثال برچسب‌های RF برچسب زده می‌شوند. این چرخه تکرار می‌شود و فقط پالت‌هایی که با موفقیت آزمایش شده‌اند، اجازه دارند روی نقاله اصلی از نقطه B عبور کنند. در این شیوه عملیاتی، مدیریت ترافیک کمی پیچیده‌تر می‌شود. در واقع در برخی نقاط، تعداد پالت‌ها در چرخه تست باید برای جلوگیری از تراکم و ازدحام بالقوه تنظیم شود؛ ولی اگر زمان سیکل ایستگاه تست با بقیه خط بالانس نباشد (در شیوه عملیاتی اول)، پالت‌ها به سرعت شروع به جمع شدن در نقطه A می‌کنند و بر جریان روان تولید (برای بقیه خط) نیز تأثیر می‌گذارند. همچنین در شیوه عملیاتی اول، یک پالت بعد از دریافت علامت در دسترس بودن یک جایگاه تست، باید مسافتی را به سمت جایگاه تست حرکت کند. نقاله‌ها با نهایت سرعت کار می‌کنند و زمان این حرکت اضافی، ظرفیت کلی جایگاه‌های تست را کاهش می‌دهد. در شیوه عملیاتی دوم، پالت‌های آزمایش نشده برای انتقال به جایگاه تست به محض اینکه در دسترس شدند، آماده هستند و جایگاه‌های تست، بهتر مورد استفاده قرار می‌گیرند.

 

شیوه عملیاتی باید بر اساس تقاضا، زمان‌های سیکل جایگاه تست و منطق کنترل در جایگاه‌های تست تطبیق یابد. تطبیق یک شیوه عملیاتی و پیاده کردن آن در عمل کار ساده‌ای نیست. برای مثال، شیوه عملیاتی دوم شامل کنترل‌های زیاد و تجهیزات هوشمند می‌باشد. دستاوردهای زیاد در عملکرد این سیستم، با تنظیم این شیوه عملیاتی با هزینه‌های اضافی برای تجهیزات بهتر قابل مقایسه خواهد بود.

 

اگر شیوه عملیاتی اول انتخاب شود، موضوع توالی باید مورد توجه قرار گیرد. ممکن است فرستادن جایگاه به اولین جایگاه در دسترس بهینه باشد. گزینه‌های بعدی عبارتند از انتخاب نزدیک‌ترین جایگاه (برای کاهش زمان انتقال) یا انتخاب جایگاه کمتر استفاده شده برای اینکه از همه جایگاه‌ها به طور یکنواخت استفاده شود.

 

این واقعیت که جایگاه‌های تست، قابلیت اطمینان خاص خود را دارند نیز به محدودیت‌های بالا اضافه می‌شود. مثل دیگر ایستگاه‌های خط، ایستگاه‌های تست نیز از کارافتادگی‌ها یا شکست‌هایی را به صورت تصادفی تجربه می‌کنند. این می‌تواند برای مدیریت ترافیک و جریان روان بقیه خط تا زمانی که جایگاه‌ها به حالت اول برگردند، مسأله مهمی باشد. به همین دلیل، ذخایر اطمینان قبل و بعد از فضا‌های بک‌آپ ایستگاه‌های تست باید مورد بررسی قرار گیرند. از کارافتادگی‌های متناوب جایگاه‌ها و تقاضای بالا برای موتور، ممکن است نیاز به یک یا چند جایگاه اضافه را ایجاب نماید.

 

4 ـ نیاز برای شبیه‌سازی

 

همان طور که در قسمت قبل دیده شد، فضای جایگاه‌های تست در خط مونتاژ موتور می‌تواند خیلی پویا باشد؛ چرا که در این زمینه موضوعات متعددی تأثیرگذار می‌باشد، نظیر تعداد بهینه جایگاه‌های تست، مدیر%D