某冰箱預(yù)裝線的工作站改進(jìn)建模仿真

李躍宇，洪沖沖，張 旭

（四川大學(xué) 工商管理學(xué)院，成都 610065）

0 引言

在生產(chǎn)制造系統(tǒng)中，生產(chǎn)線技術(shù)水平不斷提高，自動(dòng)化程度越來(lái)越高，生產(chǎn)管理者對(duì)生產(chǎn)改進(jìn)的每一個(gè)決策，都需要謹(jǐn)慎考慮，若措施不當(dāng)，往往需付出高昂的代價(jià)。生產(chǎn)線仿真是以計(jì)算機(jī)支持的仿真技術(shù)為前提，對(duì)生產(chǎn)線的各個(gè)元素和生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行統(tǒng)一的建模，在虛擬的環(huán)境中反映出裝配生產(chǎn)的全過(guò)程，其實(shí)質(zhì)是利用一個(gè)簡(jiǎn)化的、能夠表述系統(tǒng)特征的模型來(lái)模擬實(shí)際系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程，統(tǒng)計(jì)出模型特征量的結(jié)果或變化規(guī)律，從而更有效地組織生產(chǎn)[1]。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于流水線平衡的理論研究皆是從數(shù)學(xué)算法上來(lái)進(jìn)行求出最優(yōu)解，在第一生產(chǎn)線的IE工程師很難理解現(xiàn)有的理論和方法，且這些方法往往帶有復(fù)雜的計(jì)算，給實(shí)際應(yīng)用帶來(lái)困難[2]。同時(shí)我們看到，目前對(duì)于線平衡方面的文章，大部分是對(duì)生產(chǎn)線進(jìn)行靜態(tài)分析，靜態(tài)分析由于所提取數(shù)據(jù)均為某一時(shí)間瞬時(shí)值或者一時(shí)間段的平均值，反映不出裝配生產(chǎn)的全過(guò)程，不能表述系統(tǒng)的整體特征。

論文通過(guò)對(duì)現(xiàn)有的冰箱裝配線進(jìn)行建模仿真，探索了此類企業(yè)在生產(chǎn)過(guò)程中所遇到的問(wèn)題，提出了解決方法，進(jìn)而為此類企業(yè)提高生產(chǎn)線利用率提供了一種通用的解決方案。

1 生產(chǎn)線現(xiàn)狀調(diào)查

1.1 生產(chǎn)線簡(jiǎn)介

所研究為冰箱預(yù)裝線，主要負(fù)責(zé)上下膽的拼接以及附加配件的組裝。淡季實(shí)行每天單班，每班10小時(shí)工作制，旺季實(shí)行兩班制，每班10小時(shí)工作制；近年來(lái)公司生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大，特別是進(jìn)入夏季，產(chǎn)量要求逐年增加；由于生產(chǎn)工藝、生產(chǎn)設(shè)備布局沒(méi)有經(jīng)過(guò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[3～5]，造成某些配件搬運(yùn)距離較長(zhǎng)、工位布置和作業(yè)分工不合理等問(wèn)題，其生產(chǎn)流程如表1所示。

1.2 生產(chǎn)線現(xiàn)狀分析

1.2.1 確定現(xiàn)時(shí)生產(chǎn)節(jié)拍

根據(jù)公司目前有兩個(gè)預(yù)裝生產(chǎn)線，近期訂單需求為3600臺(tái)/天，單條預(yù)裝生產(chǎn)線工時(shí)利用率為90%，每天兩班制生產(chǎn)，每班工時(shí)為10小時(shí)，可計(jì)算目標(biāo)生產(chǎn)節(jié)拍時(shí)間為：

即要求我們預(yù)裝線的每一個(gè)工位的實(shí)際工時(shí)都必須在36秒以下，所有高于36秒的工站都必須改善。

1.2.2 崗位工時(shí)測(cè)定

首先對(duì)目前各崗位工時(shí)測(cè)定[6～8]。本文采用視頻錄制方法，視頻錄制較之前的秒表測(cè)定更為客觀，不受人為因素影響，因而更能反映生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)時(shí)間；對(duì)每一個(gè)崗位連續(xù)測(cè)定四次，求得平均值，如表1所示。

表1 預(yù)裝線各崗位工時(shí)測(cè)量

1.2.3 生產(chǎn)線負(fù)荷分析

影響生產(chǎn)線穩(wěn)定、均衡生產(chǎn)的因素較多，但最關(guān)鍵的還是由于“瓶頸”因素的制約[9～11]。由表1可知，線下工序的中膽壓粘合工作站的節(jié)拍時(shí)間大于36s，由于此工位只生產(chǎn)電腦冰箱配件，在平日電腦冰箱占當(dāng)日生產(chǎn)總量約30%的時(shí)候能夠滿足日生產(chǎn)需求，但在夏季訂單增多，有時(shí)一天都要生產(chǎn)要電腦冰箱型號(hào)時(shí)，則幾乎難以滿足當(dāng)日需求。由于工人行走時(shí)間和操作時(shí)間存在動(dòng)態(tài)性因素，可考慮通過(guò)仿真軟件模擬工作站的加工過(guò)程，以此分析其是否滿足當(dāng)前生產(chǎn)運(yùn)行狀態(tài)。

2 仿真模型的建立以及改善方案設(shè)計(jì)的實(shí)施

2.1 平衡前的DS01工序仿真模型分析

運(yùn)用simio系統(tǒng)仿真軟件對(duì)這個(gè)工站目前的流程進(jìn)行仿真[12]。

此工作站為線下工作站；建立兩個(gè)發(fā)生源source，模擬內(nèi)膽和蒸發(fā)器架的配送。工人從兩個(gè)路線分別拿取內(nèi)膽和蒸發(fā)器；一個(gè)加工處理中心，模擬機(jī)器對(duì)內(nèi)膽和蒸發(fā)器的粘合加工；一個(gè)sink模擬中膽的暫存區(qū)，如圖1所示。地墊配件的配給在實(shí)際中會(huì)每隔一定時(shí)間由配送員定期配送，配給充足。

對(duì)于參數(shù)設(shè)置如表2所示，具體規(guī)則如下：

1）工人的行走時(shí)間均為均勻分布；由于Pert分布和三角分布類似，它更能反映出加工時(shí)間分布函數(shù)的期望行為，因此我們選取Pert分布模擬工人拿取配件和機(jī)器加工處理的時(shí)間。

2）蒸發(fā)器配件以及內(nèi)膽均由附近倉(cāng)庫(kù)配送，可以隨時(shí)保證供給。

3）工人進(jìn)入處理器入口的delytime 即為加粘合墊時(shí)間，處理器的準(zhǔn)備時(shí)間即為工人扳動(dòng)機(jī)器手柄時(shí)間，拆卸時(shí)間即為工人去掉粘合墊時(shí)間。

4）全程模擬假設(shè)無(wú)機(jī)器故障時(shí)間和工人間歇休息時(shí)間。

在模型運(yùn)行過(guò)程中，考慮到工人工作的重復(fù)性和連貫性，可考慮選擇某一天60min的作業(yè)時(shí)間進(jìn)行仿真。

2.2 仿真實(shí)驗(yàn)的運(yùn)行與調(diào)試

圖1 中膽粘合工作站simio仿真模型建立效果圖

2.3 仿真試驗(yàn)結(jié)果分析

改進(jìn)前加工處理器的資源利用情況以及1h內(nèi)加工的實(shí)體如圖2所示，可以看出以下結(jié)果：

1）單位時(shí)間1h生產(chǎn)的中膽配件為90件，按照夏季旺季訂單需求，很難滿足目前的需求，如圖2所示。

表2 中膽粘合工作站的工序步驟以及數(shù)值分布特征

2）處理器processing時(shí)間占總時(shí)間25.13%，根據(jù)目前的工作情況觀察還有進(jìn)一步提高處理性能的可能，如圖3所示。

圖2 改善前1h內(nèi)被制造的產(chǎn)品數(shù)量累積圖

圖3 改善前處理器資源利用情況

2.4 改善方案及設(shè)計(jì)

1）經(jīng)過(guò)實(shí)際調(diào)研，發(fā)現(xiàn)工人存在重復(fù)的搬運(yùn)路線走動(dòng)[13,14]，由于物流入口設(shè)計(jì)，蒸發(fā)器架和內(nèi)膽貨架不可能再進(jìn)一步合并，但發(fā)現(xiàn)在機(jī)器加工內(nèi)膽時(shí)工人處于空閑等待時(shí)間，同時(shí)發(fā)現(xiàn)工人拿取內(nèi)膽的時(shí)間遠(yuǎn)小于機(jī)器加工時(shí)間；則可考慮建立一個(gè)中膽暫存區(qū)，工人可利用機(jī)器加工時(shí)間現(xiàn)行拿取內(nèi)膽至工作臺(tái)，如圖4所示。

2）發(fā)現(xiàn)工人在每次加工內(nèi)膽時(shí)均需要裝載和卸去加工墊，可考慮把粘合墊固定在機(jī)器加工面，可釋放工人雙手，同時(shí)減少工人操作機(jī)器時(shí)間。

3）根據(jù)人因工程理論中的作業(yè)空間設(shè)計(jì)，人站立時(shí)較舒適的工作面高度是比立姿肘關(guān)節(jié)高低1～5cm[15]。蒸發(fā)器架高度約155mm，內(nèi)膽貨架最高層也有165mm，發(fā)現(xiàn)此工位工人若身高太低，則會(huì)降低拿取配件的速度。因此可考慮制定工作規(guī)范，要求此工位工人身高在170～175cm之間。

4）蒸發(fā)器配件在支架存儲(chǔ)時(shí)管與管由于分枝較多，管與管之間牽連，纏繞，同時(shí)支架不可旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致工人拿取另一側(cè)蒸發(fā)器管困難。重新設(shè)計(jì)蒸發(fā)器捆綁方式，蒸發(fā)器架改為十字形可旋轉(zhuǎn)形式，這樣裝載量增多同時(shí)便于工人更為快捷拿取，改為3～5個(gè)蒸發(fā)器管用便捷繩捆綁纏為一組，這樣可減少管與管之間的牽扯，羈絆，減少工人拿取時(shí)間。

圖4 中膽暫存區(qū)改進(jìn)示意圖

表3 中膽粘合工作站流程優(yōu)化改進(jìn)表

2.5 平衡后的仿真模型分析及參數(shù)比較

從圖5可以看出，改善后處理器的processing時(shí)間由25.13%提升至31.91%。由手動(dòng)加粘合墊改為固定在機(jī)器上自動(dòng)加工，減少了工人手動(dòng)操作時(shí)間，工人和機(jī)器設(shè)備的空閑時(shí)間相對(duì)降低，生產(chǎn)效率進(jìn)一步提高。

圖5 改善后處理器資源利用情況

從圖6可以看出，1h內(nèi)加工的半成品數(shù)量由90提高到118個(gè)。充分利用機(jī)器加工的空閑時(shí)間，建立中膽暫存區(qū)，減少整個(gè)工人操作時(shí)間，同時(shí)對(duì)蒸發(fā)器配件的儲(chǔ)存形式進(jìn)一步改進(jìn)，減少了工人的拿取蒸發(fā)器的時(shí)間；工人身高增加，進(jìn)一步使工人拿取蒸發(fā)器配件時(shí)間縮短。

總之，通過(guò)上面的分析可以說(shuō)明，改進(jìn)后的生產(chǎn)布局方案中的中膽粘合工序的加工處理時(shí)間利用率明顯增加，空閑時(shí)間減少，對(duì)整個(gè)生產(chǎn)線生產(chǎn)效率的提升有很大的促進(jìn)作用，提高了生產(chǎn)線的平衡率。

圖6 改善后1h內(nèi)被制造的產(chǎn)品數(shù)量累積圖

3 結(jié)束語(yǔ)

生產(chǎn)加工是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程，本文運(yùn)用Simio仿真軟件對(duì)冰箱預(yù)裝配線進(jìn)行了仿真,并運(yùn)用工業(yè)工程方法對(duì)裝配線進(jìn)行了平衡研究，通過(guò)仿真一平衡一仿真,在不確定性因素增多的動(dòng)態(tài)情況下,達(dá)到了較好的平衡效果；本文提出的生產(chǎn)布局解決方案并不一定最優(yōu)，但是運(yùn)用此次方案的對(duì)比仿真結(jié)果分析，可以為企業(yè)提供一種解決生產(chǎn)線問(wèn)題的通用方法和工具，今后的研究工作中還需進(jìn)一步探討以下問(wèn)題：1）本文以工位為研究對(duì)象進(jìn)行仿真建模，在接下來(lái)的工作中，可以考慮以工序?yàn)榻?duì)象，甚至是整條生產(chǎn)線，這樣前期的工作量非常多，因此要考慮企業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中的實(shí)際情況。2）本文建模過(guò)程中沒(méi)有考慮到加工機(jī)器的故障、突發(fā)意外情況等因素，在今后的進(jìn)一步研究中可以加入這些影響因子，更為接近企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)系統(tǒng)。

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