基于Flexsim仿真的生產(chǎn)線精益優(yōu)化

王輝

(北京建筑大學(xué)，北京 100044)

基于Flexsim仿真的生產(chǎn)線精益優(yōu)化

王輝

(北京建筑大學(xué)，北京 100044)

精益生產(chǎn)對(duì)提高生產(chǎn)線效率有著重要的意義。目前制造業(yè)向著小批量多品種方向發(fā)展，F(xiàn)公司精益生產(chǎn)改造已是大勢(shì)所在。應(yīng)用Flexsim仿真軟件，對(duì)現(xiàn)有生產(chǎn)線進(jìn)行仿真，在系統(tǒng)分析仿真數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，以精益生產(chǎn)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)線平衡、物流優(yōu)化設(shè)計(jì)為理論，對(duì)生產(chǎn)線進(jìn)行優(yōu)化。再次仿真優(yōu)化后的生產(chǎn)線，得出相應(yīng)數(shù)據(jù)證明優(yōu)化方案的可行性。研究結(jié)果表明：精益生產(chǎn)線設(shè)計(jì)、生產(chǎn)平衡、物流優(yōu)化對(duì)提高生產(chǎn)線效率有著重要的意義。

Flexsim仿真；精益生產(chǎn)線設(shè)計(jì)；生產(chǎn)平衡；物流優(yōu)化設(shè)計(jì)

0 引言

精益生產(chǎn)方式是戰(zhàn)后日本汽車工業(yè)在“資源稀缺”和“多品種、少批量”的市場(chǎng)條件下的產(chǎn)物，它是從豐田相佐詰開始，經(jīng)豐田喜一郎及大野耐一等人的共同努力直到20世紀(jì)60年代才逐步完善而形成的生產(chǎn)方式[1]。1981年大野耐一應(yīng)邀來到中國(guó)長(zhǎng)春，首次把豐田生產(chǎn)方式介紹到我國(guó)。隨后很多企業(yè)開始進(jìn)行精益生產(chǎn)的改造。尤其是在《改變世界的機(jī)器》[2]一書在中國(guó)制造業(yè)風(fēng)行以來，廣大學(xué)者開始研究精益生產(chǎn)。鄧修權(quán)等[3]將精益生產(chǎn)方式拉動(dòng)生產(chǎn)系統(tǒng)的支撐條件分作設(shè)計(jì)性條件和改善性條件，并在僅考慮設(shè)計(jì)性條件的情況下對(duì)精益生產(chǎn)方式拉動(dòng)生產(chǎn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)程序進(jìn)行了初步的總結(jié)和研究。魏大鵬[4]較為全面、系統(tǒng)地分析了準(zhǔn)時(shí)化生產(chǎn)方式的技術(shù)支撐體系以及各項(xiàng)技術(shù)間的相互關(guān)系。趙曉波等[5]主要研究了豐田生產(chǎn)系統(tǒng)中以Kanban為信息傳播媒介的生產(chǎn)管理方式，著重說明該系統(tǒng)的兩個(gè)核心概念 JIT和 Automation，同時(shí)探討在我國(guó)開發(fā)豐田生產(chǎn)系統(tǒng)的可行性。

文中主要根據(jù)F公司的實(shí)際情況，對(duì)該公司的生產(chǎn)線進(jìn)行優(yōu)化。借助Flexsim仿真軟件以精益生產(chǎn)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)線平衡、物流優(yōu)化設(shè)計(jì)為理論基礎(chǔ)，提出優(yōu)化方案，再運(yùn)用Flexsim軟件仿真優(yōu)化后的生產(chǎn)線，分析優(yōu)化方案的可行性。

1 現(xiàn)有生產(chǎn)線問題分析

該生產(chǎn)線生產(chǎn)36種產(chǎn)品，其中20%的產(chǎn)品訂單比較多，80%的產(chǎn)品訂單較少。服從2∶8原則。訂單較多的產(chǎn)品具有較高的研究?jī)r(jià)值。

K518產(chǎn)品是該生產(chǎn)線產(chǎn)量較大的產(chǎn)品，具有一定的代表性，所以用這種產(chǎn)品做研究。BOM是產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的分解，它將產(chǎn)品層層分解，直至最底層的外購(gòu)零件或原材料，它描述了產(chǎn)品的構(gòu)成及數(shù)量，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的層次性決定了BOM也應(yīng)該有的層次性，能反映零部件間的相對(duì)位置和層次級(jí)別。K518產(chǎn)品的BOM如圖1，該BOM反映出的是該生產(chǎn)線的工藝結(jié)構(gòu)及各部件工藝流，最底層的構(gòu)件并不全是外購(gòu)件，有些是其他線生產(chǎn)的部件。

K518產(chǎn)品在圓形生產(chǎn)線加工的工藝順序依次是：OP30工位的壓裝過濾磚，OP40工位的焊接過濾磚，OP90A工位的壓裝進(jìn)氣分總成和壓裝端蓋，OP110A工位的焊接進(jìn)氣分總成和焊接端蓋，OP110工位的焊接3個(gè)套筒，OP120工位的對(duì)套筒、端蓋和進(jìn)氣分總成進(jìn)行補(bǔ)焊，OP130工位的氣密性檢查，OP140工位的在大外皮上刻字，OP170工位的擦拭產(chǎn)品及焊接飛濺的檢查，OP180工位的用通用止規(guī)檢查套筒孔。各工位工藝及CT時(shí)間見表1。

表1 K518產(chǎn)品在圓形生產(chǎn)線各工位工藝及CT時(shí)間表

根據(jù)生產(chǎn)流程對(duì)現(xiàn)有生產(chǎn)線進(jìn)行建模，根據(jù)工廠的生產(chǎn)線布局圖(圖2)，設(shè)置生產(chǎn)線設(shè)備的位置。根據(jù)表1設(shè)置處理器的運(yùn)行時(shí)間。根據(jù)每條線的產(chǎn)品合格率，設(shè)置合格產(chǎn)品到下一條線、不合格產(chǎn)品流出線外。仿真時(shí)間設(shè)置為工廠一天的生產(chǎn)時(shí)間，F(xiàn)公司一天生產(chǎn)8 h，所以仿真生產(chǎn)時(shí)間為28 800 s。模型布局如圖3所示。

運(yùn)行模型得出相關(guān)數(shù)據(jù)輸出，如圖4和圖5所示。

生產(chǎn)線存在的問題分析：

(1)生產(chǎn)線的設(shè)備利用率相差很多，生產(chǎn)線存在嚴(yán)重的不平衡。

(2)生產(chǎn)線有一些設(shè)備的利用率不高。

(3)生產(chǎn)線在制品的數(shù)量過高。在制品的過量堆積會(huì)占用很大的空間，從而所需的花費(fèi)是浪費(fèi)的。

(4)操作員的利用率不高，空閑時(shí)間較長(zhǎng)，存在人員冗余現(xiàn)象。

REGP線10臺(tái)設(shè)備中利用率最高的為OP140工位的，達(dá)到89.15%，所以該工序?yàn)槠款i工序。仿真結(jié)束后，成品數(shù)量為114，在制品數(shù)量為77。根據(jù)各工序的生產(chǎn)時(shí)間算出需求生產(chǎn)節(jié)拍，公式為：

(1)

式中：T為需求生產(chǎn)節(jié)拍；

Ta為可用工作時(shí)間(Time Available)，min/d；

Td為客戶需求時(shí)間(Time Demanded or Customer Demand)，件/d。

客戶需求量為每天125件，需求生產(chǎn)節(jié)拍為3.84 min/件，此生產(chǎn)線的生產(chǎn)能力為4.21 min/件，此生產(chǎn)線不能滿足生產(chǎn)需求。

2 生產(chǎn)線優(yōu)化設(shè)計(jì)

生產(chǎn)線優(yōu)化設(shè)計(jì)要從精益生產(chǎn)線設(shè)計(jì)、生產(chǎn)平衡、生產(chǎn)物流優(yōu)化設(shè)計(jì)3個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化，但是這3個(gè)方面不是單獨(dú)存在的，是存在相互聯(lián)系的。所以在研究一個(gè)方面的優(yōu)化時(shí)必須考慮已經(jīng)優(yōu)化的方面，這樣優(yōu)化會(huì)更加全面具體。

2.1 精益生產(chǎn)線設(shè)計(jì)

精益生產(chǎn)線設(shè)計(jì)要遵循“總分總”的原則，即從整條生產(chǎn)線到單個(gè)工位再到整條生產(chǎn)線的優(yōu)化過程。首先從生產(chǎn)線布局入手，該生產(chǎn)線為U型布局，U型布局符合精益原則，這種布局可以滿足客戶的少量、多變、及時(shí)的要求，減少搬運(yùn)是其中一個(gè)比較大的優(yōu)點(diǎn)，而且I/O一致、操作工人間信息可流通也是此生產(chǎn)線布局的優(yōu)點(diǎn)。但是在生產(chǎn)過程中，料箱和成品箱堆積在生產(chǎn)線外，不利于生產(chǎn)員工的裝卸，因此根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)線的特點(diǎn)設(shè)計(jì)了一種改良的U型生產(chǎn)線，稱為U型不對(duì)稱生產(chǎn)線，把來料箱和成品箱放到相應(yīng)的位置，節(jié)約空間。

OP30、OP40工位所需的設(shè)備體積較小，把兩個(gè)工位合并，一前一后通過機(jī)械手實(shí)現(xiàn)兩個(gè)工位間的物流。OP130和OP140工位合并。OP180此工位其他產(chǎn)品生產(chǎn)時(shí)很少用，而且此工位不需要任何復(fù)雜的機(jī)械設(shè)備，基本上有個(gè)工作臺(tái)就能實(shí)現(xiàn)，所以把該工位改成可移動(dòng)工位，這樣在不需要此工位時(shí)就可以把它移到指定區(qū)域，節(jié)省物流距離。

2.2 生產(chǎn)線平衡

生產(chǎn)線平衡(Line Balance)，是對(duì)生產(chǎn)線的全部工序進(jìn)行負(fù)荷分析，通過調(diào)整工序間的負(fù)荷分配使各工序達(dá)到能力平衡(作業(yè)時(shí)間盡可能相近)的技術(shù)手段與方法，最終消除各種等待浪費(fèi)現(xiàn)象，提高生產(chǎn)線的整體效率。生產(chǎn)線的平衡用生產(chǎn)節(jié)拍來衡量，生產(chǎn)節(jié)拍符合下列公式：

CT=δ×Max(Ti)

(2)

Ti=Th+Tm-Tb

(3)

(4)

式中：CT為生產(chǎn)節(jié)拍；δ為節(jié)拍波動(dòng)因子；Th為第i道工序的手動(dòng)操作時(shí)間；Tm為第i道工序的機(jī)器加工時(shí)間；Tb為第i道工序的手工與機(jī)器的并行加工時(shí)間；公式(4)為生產(chǎn)平衡率的計(jì)算公式[6]。

由公式(1)可以看出生產(chǎn)線的生產(chǎn)節(jié)拍取決于加工時(shí)間最長(zhǎng)的工序，也就是生產(chǎn)瓶頸工位的時(shí)間，由表1可以判斷出生產(chǎn)瓶頸為OP170。由公式(4)計(jì)算出生產(chǎn)平衡率為66.4%，各工序節(jié)拍不平衡。

由公式(3)可以看出手動(dòng)操作與機(jī)器加工的并行時(shí)間決定了生產(chǎn)節(jié)拍時(shí)間，手動(dòng)操作時(shí)間和機(jī)器加工時(shí)間基本不會(huì)改變。所以通過壓縮手動(dòng)操作與機(jī)器加工的并行時(shí)間來調(diào)節(jié)生產(chǎn)線的生產(chǎn)平衡率。其次把CT時(shí)間過長(zhǎng)的工序拆成兩道工序，CT時(shí)間短的工序相互合并，從而調(diào)節(jié)生產(chǎn)線平衡率。

2.3 生產(chǎn)物流優(yōu)化設(shè)計(jì)

生產(chǎn)線上的物流優(yōu)化主要從兩方面入手：(1)物料流；(2)人員流。首先進(jìn)行物料流的優(yōu)化，根據(jù)工藝的特點(diǎn)進(jìn)行物流設(shè)備的改造，同時(shí)優(yōu)化運(yùn)輸工具釋放人力。生產(chǎn)線加工設(shè)備在裝夾工件時(shí)，只要通過Y方向的轉(zhuǎn)動(dòng)就都能實(shí)現(xiàn)，所以工位與工位之間的物流通過傳送帶來完成。其次進(jìn)行人員流的優(yōu)化。把OP30和OP40工位的操作員合并只留一個(gè)，把OP90A和OP110A工位的操作員合并只留一個(gè)，把OP110和OP120工位的操作員合并只留一個(gè)，把OP130和OP140工位的操作員合并只留一個(gè)，由于OP170和OP180工位為手工操作，OP170為瓶頸工序，OP180為潛在瓶頸工序，增加一個(gè)操作員在兩個(gè)工位輪流操作。

3 優(yōu)化方案仿真

根據(jù)上述的優(yōu)化方案進(jìn)行生產(chǎn)線改造，生產(chǎn)線布局和人員配置情況如圖6所示，工藝流程及節(jié)拍時(shí)間如表2所示。

生產(chǎn)工位加工工藝CT時(shí)間/sOP30壓裝過濾磚、焊接過濾磚142OP90A壓裝進(jìn)氣分總成和端蓋130OP110A焊接進(jìn)氣分總成和焊接端蓋132OP110焊接3個(gè)套筒和出氣管153OP120對(duì)套筒、端蓋和進(jìn)氣分總成進(jìn)行補(bǔ)焊141OP130氣密性檢查、在大外皮上刻字156OP170擦拭產(chǎn)品及焊接飛濺的檢查145OP180用通止規(guī)檢查套筒孔141

根據(jù)圖6和表2進(jìn)行生產(chǎn)線仿真，得出仿真數(shù)據(jù)如圖7—8所示。

4 結(jié)論

優(yōu)化完成后設(shè)備和員工的利用率明顯得到提高。成品數(shù)量由114件提高為135件，在制品數(shù)量由77件降低為48件，生產(chǎn)線能力得到了提高，提高為3.6 min/件，滿足了客戶需求。緩存區(qū)數(shù)量減少，節(jié)約成本。由公式(4)得出優(yōu)化后的生產(chǎn)線平衡率為91.34%，較原來的66.4%有明顯的改善。

生產(chǎn)線布局由原來的U型生產(chǎn)線優(yōu)化為改良的U型生產(chǎn)線，合并一些冗余的工位和人員，有效提高了生產(chǎn)線的精益程度。

【1】王立柱.精益生產(chǎn)在亞特公司的應(yīng)用研究[D].北京:北京交通大學(xué),2009:11.

【2】JAMES P W,DANIEL T J,DANIEL R.The Machine That Changed the World[M].Beijing：The Commercial Press,1999.

【3】鄧修權(quán),齊二石.精益生產(chǎn)方式拉動(dòng)生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)程序的研究[J].工業(yè)工程與管理,2004(5):28-31.

【4】魏大鵬.準(zhǔn)時(shí)化生產(chǎn)方式的技術(shù)支撐體系[J].工業(yè)工程與管理,1998(2):30-33.

【5】趙曉波,周兆英.豐田生產(chǎn)系統(tǒng)特性分析[J].中國(guó)機(jī)械工程,1997(1):62-65.

【6】梁中華.精益生產(chǎn)設(shè)施布局優(yōu)化[J].江蘇科技信息,2015(8):43.

中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組通過高速試驗(yàn)

“大考”為投入運(yùn)用考核奠定基礎(chǔ)

由中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司研發(fā)并生產(chǎn)的時(shí)速350 km中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組，2015年11月18日在大西(大同至西安)客運(yùn)專線跑出了385 km/h的試驗(yàn)速度，列車各項(xiàng)技術(shù)性能表現(xiàn)優(yōu)異。

就像飛機(jī)需“試飛”一樣，任何一款新型動(dòng)車組在正式投入運(yùn)營(yíng)之前，都需要進(jìn)行試驗(yàn)。中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組自2015年6月30日起在北京鐵科院進(jìn)行了為期近4個(gè)月的環(huán)線試驗(yàn)，順利完成了靜態(tài)和時(shí)速160 km/h以下速度等級(jí)低速試驗(yàn)。為進(jìn)一步驗(yàn)證中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組各項(xiàng)性能，中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組10月24日抵達(dá)大西客運(yùn)專線，開始更為關(guān)鍵的高速試驗(yàn)，并在11月18日下午開始以385 km/h試跑。

中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司總工程師梁建英表示，高速試驗(yàn)的路段條件復(fù)雜，不僅有橋梁隧道，沿途還有國(guó)內(nèi)坡度最大的路段，坡度達(dá)3%，以及8 000 m半徑大彎道。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果，列車的動(dòng)力學(xué)性能、空氣動(dòng)力學(xué)、弓網(wǎng)受流、牽引性能、噪聲等各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)均表現(xiàn)優(yōu)異，全部達(dá)到設(shè)計(jì)要求。這意味著中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組順利通過了高速試驗(yàn)“大考”，為下一步投入運(yùn)用考核打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

此次在大西線，中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組除高速試驗(yàn)外，還將進(jìn)行重載試驗(yàn)。預(yù)計(jì)全部型式試驗(yàn)在2016年2月完成，之后正式投入6×105km線路運(yùn)用考核。

(來源：中國(guó)科技網(wǎng))

Production Line Lean Optimization Based on Flexsim Simulation

WANG Hui

(Beijing University of Civil Engineering and Architecture，Beijing 100044,China)

Lean production is of great significance to improve the efficiency of production line. At present manufacturing industry is developed toward small batch more varieties, F company lean transformation is a general trend. Flexsim simulation software was applied to simulate the existing production line. Based on the simulation data, with lean production design, production line balancing, logistics optimization design theory, the production line was optimized. The optimizated production line was simulated again, the corresponding data proved the feasibility of the optimized scheme. The results show that lean production line design, production balance, logistics optimization are of great significance to improve the efficiency of production line.

Flexsim simulation; Lean production line design; Production balance; Logistics optimization design

2015-11-29

王輝(1989—)，男，碩士，研究方向?yàn)樯a(chǎn)過程管理。E-mail：wh1018321593@126.com。