柔性制造仿真模擬技術(shù)在裝配線的應(yīng)用

黃軼春，韋松谷，柯捷舒，韋 璇

（廣西柳工機(jī)械股份有限公司，廣西 柳州545007）

1 研究背景

1.1 柔性制造技術(shù)

柔性制造技術(shù)就是對(duì)各種不同形狀加工對(duì)象實(shí)現(xiàn)程序化柔性制造加工的各種技術(shù)的綜合。它是一種技術(shù)密集型的技術(shù)群，凡是側(cè)重于柔性，適應(yīng)于多品種、中小批量（包括單件產(chǎn)品）的加工技術(shù)都屬于柔性制造技術(shù)[1]。

柔性制造技術(shù)的特點(diǎn)是：1）三相似原則：形狀相似、尺寸相似和工藝相似；2）柔性生產(chǎn)線幾乎無(wú)停工損失，設(shè)計(jì)利用率高；3）柔性制造技術(shù)組合了當(dāng)今機(jī)床技術(shù)、監(jiān)控技術(shù)、檢測(cè)技術(shù)、刀具技術(shù)、傳輸技術(shù)、電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的精華，具有高質(zhì)量、高可靠性、高自動(dòng)化和高效率；4）縮短新產(chǎn)品的發(fā)布時(shí)間，適應(yīng)瞬息萬(wàn)變的市場(chǎng)需求；5）減少工廠內(nèi)庫(kù)存，改善產(chǎn)品質(zhì)量和降低產(chǎn)品成本；6）減少工人數(shù)量，減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度；7）一次性投資大。

柔性制造技術(shù)是實(shí)現(xiàn)未來(lái)工廠的新穎概念模式和新的發(fā)展趨勢(shì)，是決定制造企業(yè)未來(lái)發(fā)展前途的具有戰(zhàn)略意義的舉措，將成為21世紀(jì)機(jī)構(gòu)制造業(yè)的主要生產(chǎn)模式。

1.2 系統(tǒng)仿真

系統(tǒng)仿真是指通過(guò)建立和運(yùn)行系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，來(lái)模仿實(shí)際系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)及其隨時(shí)間變化的規(guī)律，以實(shí)現(xiàn)在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)的全過(guò)程。

生產(chǎn)線自動(dòng)化程度越高，柔性越大，設(shè)計(jì)時(shí)考慮的因素越多，生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)越復(fù)雜，仿真設(shè)計(jì)的作用也就越大。

1.3 國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀

Arena是美國(guó)Rockwell公司開(kāi)發(fā)的新一代可視化通用交互集成模擬環(huán)境軟件（見(jiàn)圖1），它提供了將近20個(gè)模板和近300個(gè)邏輯模塊，很好地解決了計(jì)算機(jī)模擬與可視化的有機(jī)集成。Arena仿真軟件在國(guó)外大學(xué)、企業(yè)都有非常廣泛的應(yīng)用，但在國(guó)內(nèi)應(yīng)用范圍并不大，僅有少部分高?；蚱囆袠I(yè)公司應(yīng)用。而在工程機(jī)械行業(yè)，幾乎沒(méi)有應(yīng)用于產(chǎn)線的建設(shè)與改造的先例。為此，筆者希望在工程機(jī)械裝配產(chǎn)線改造中，通過(guò)運(yùn)用Arena仿真軟件，對(duì)工藝布局進(jìn)行建模，并基于生產(chǎn)線平衡優(yōu)化方法對(duì)仿真模型進(jìn)行分析，從而探索出一套在工程機(jī)械行業(yè)產(chǎn)線建設(shè)和改造的高效高質(zhì)量應(yīng)用方法。Arena的建模步驟如圖2所示。

圖1 Arena軟件操作界面

圖2 Arena建模步驟圖

2 現(xiàn)狀描述

近兩年隨著工程機(jī)械市場(chǎng)的回暖，我公司裝載機(jī)產(chǎn)品的產(chǎn)量也在逐漸增加。同時(shí)，裝載機(jī)的機(jī)型也在不斷的增加，目前已達(dá)到20種機(jī)型。因此，迫切需要建立柔性制造線以滿足市場(chǎng)的需要。

本文以裝載機(jī)某合套線為例，通過(guò)仿真模擬柔性裝配線生產(chǎn)過(guò)程，改進(jìn)工藝流程方案。

合套線的工藝布局方式為環(huán)形布局，環(huán)形生產(chǎn)線主線有8個(gè)主線工位、1個(gè)支線工位（變速箱預(yù)裝工位）以及四個(gè)緩存工位。

隨著新產(chǎn)品的不斷投入，需要頻繁調(diào)整合套線的生產(chǎn)流程，將對(duì)批量產(chǎn)品的生產(chǎn)流程造成影響。本文以某公司批量產(chǎn)品A為例，各工位的作業(yè)時(shí)間是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)裝配時(shí)間多次測(cè)量取平均值，見(jiàn)表1。

表1 合套線工位作業(yè)時(shí)間測(cè)定

傳統(tǒng)的方法是利用線平衡墻，將各工序的作業(yè)時(shí)間進(jìn)行排列組合，尋找最優(yōu)的工藝流程方案。需要通過(guò)人工不斷的進(jìn)行嘗試，周期長(zhǎng)，而且在系統(tǒng)描述、程序模擬過(guò)程中存在不足，無(wú)法進(jìn)行動(dòng)態(tài)展示，并直觀的展現(xiàn)優(yōu)化過(guò)程的資源投入及有效性情況。

2.1 仿真模型建立

2.1.1 繪制工藝流程圖

在Arena軟件繪圖區(qū)內(nèi)按照產(chǎn)品A的合套線9個(gè)工位的實(shí)際順序繪制工藝流程圖，并建立虛擬工位“Start”和“End”，共計(jì) 11個(gè)工位，如圖 3 所示?！癝tart”工位下方的數(shù)字代表投料數(shù)量，“End”工位下方的數(shù)字代表產(chǎn)出數(shù)量，其他各個(gè)工位下方的數(shù)字代表在此工位等待裝配的部件數(shù)量（WIP）。

圖3 工藝流程圖

2.1.2 工序設(shè)置

根據(jù)生產(chǎn)線的產(chǎn)能要求，對(duì)各工位作業(yè)時(shí)間進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)置。

第一步，將工藝流程圖中的虛擬工位“Start”的節(jié)拍時(shí)間設(shè)定為7 min。

第二步，設(shè)置各工位數(shù)據(jù)樣本概率分布表達(dá)式。

第三步，根據(jù)各工位的多次測(cè)量作業(yè)時(shí)間數(shù)據(jù)樣本，運(yùn)用Arena軟件中的專業(yè)工具Input Analyzer計(jì)算數(shù)據(jù)樣本的概率分布類型和表達(dá)式，將其輸入工位設(shè)置中。由于樣本量較少，本文工位設(shè)置中的表達(dá)式統(tǒng)一采用均勻分布（Uniform），如圖4所示。

圖4 工位設(shè)置

2.1.3 模擬運(yùn)行

工位設(shè)置完成后，進(jìn)行模擬系統(tǒng)設(shè)置。在合套裝配線模擬運(yùn)行過(guò)程中，可以直觀的看出在480 min的生產(chǎn)時(shí)間內(nèi)，二工位和三工位的等待裝配的部件數(shù)量（WIP）最多，如圖5所示。

圖5 模擬運(yùn)行過(guò)程

2.1.4 結(jié)果輸出

系統(tǒng)模擬運(yùn)行結(jié)束后，Arena軟件自動(dòng)生成各種分析報(bào)告，便于進(jìn)行系統(tǒng)分析和改進(jìn)。本次模擬運(yùn)行分析報(bào)告顯示：

1）合套裝配線以現(xiàn)階段的生產(chǎn)能力，在8 h工作時(shí)間內(nèi)，投產(chǎn)69臺(tái)，產(chǎn)出38臺(tái)，平均等待裝配的部件數(shù)量（WIP）為18.12臺(tái)，最大值為31臺(tái)。

2）二工位和三工位存在等待時(shí)間，說(shuō)明該工位為目前合套線的瓶頸工位。

3）各工位的設(shè)備利用率參差不齊，嚴(yán)重影響線平衡率，如圖6所示。

圖6 分析報(bào)告（工位設(shè)備利用率）

3 改進(jìn)和驗(yàn)證

合套裝配線的改進(jìn)需要運(yùn)用“工廠物理學(xué)”的知識(shí)，按照各工位中各工序的工作時(shí)間進(jìn)行重新排序，尋找最優(yōu)化的工藝路線[2]。

首先，建立工藝清單，即對(duì)產(chǎn)品A合套裝配各工位的工序工作時(shí)間進(jìn)行測(cè)量，如表2所示。其次，根據(jù)產(chǎn)品A裝配過(guò)程的物理特性要求，對(duì)裝配工序進(jìn)行排序，如表3所示。

表2 工序作業(yè)時(shí)間數(shù)據(jù)（單位：min）

表3 工序順序表

然后，根據(jù)工序排序的順序要求和各個(gè)工序的作業(yè)時(shí)間，按照1個(gè)預(yù)裝工位和8個(gè)主線工位的布局，對(duì)工序重新組合，尋找優(yōu)化的工藝路線。本次重新組合是建立在各工序的人員和設(shè)備需求都相同的假設(shè)前提下，實(shí)際情況需要考慮人員、設(shè)備和環(huán)境等外部因素的影響。重新組合的結(jié)果見(jiàn)圖7。

圖7 工序組合圖

輸出優(yōu)化后的工藝流程，見(jiàn)表4。

表4 優(yōu)化作業(yè)時(shí)間數(shù)據(jù)

最后，運(yùn)用Arena軟件重新進(jìn)行運(yùn)行測(cè)試，輸出分析報(bào)告。通過(guò)與優(yōu)化前的分析報(bào)告進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)：

1）優(yōu)化后的產(chǎn)出數(shù)量為54件，增加16臺(tái)；平均等待裝配的部件數(shù)量（WIP）為11.24，下降6.88臺(tái)，最大值為16臺(tái)，下降15臺(tái)；

2）瓶頸工位由二、三工位轉(zhuǎn)移至一工位；

3）各工位的設(shè)備利用率差值（最大利用率-最小利用率）由原來(lái)的57%下降至22%，線平衡率明顯上升。

以上數(shù)據(jù)說(shuō)明優(yōu)化后的生產(chǎn)線各指標(biāo)均優(yōu)于優(yōu)化前。后續(xù)針對(duì)運(yùn)行報(bào)告，不斷改進(jìn)工藝優(yōu)化方案，包括重復(fù)上述各步驟，調(diào)整工序或增加資源（人員和設(shè)備）等，直至符合期望值。

4 結(jié)論

在建立柔性生產(chǎn)線，調(diào)整工藝流程的過(guò)程中，通過(guò)Arena軟件的運(yùn)用，在較短的時(shí)間內(nèi)就能得出裝配線的瓶頸工序和設(shè)備利用率等信息，同時(shí)在無(wú)任何投入的前提下，模擬產(chǎn)線優(yōu)化，直至得到最優(yōu)的方案，比傳統(tǒng)的方法省時(shí)省力，而且是以實(shí)際數(shù)據(jù)作為支撐，調(diào)整方案更加合理。

Arena軟件在實(shí)際運(yùn)用過(guò)程中，需要將對(duì)生產(chǎn)線有影響的內(nèi)外部因素均轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)模型的參數(shù)，才能準(zhǔn)確的反映實(shí)際情況。

5 結(jié)束語(yǔ)

從目前工業(yè)發(fā)展情況來(lái)看，中小批量，多品種生產(chǎn)所占的比重會(huì)越來(lái)越大，傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式已不能適應(yīng)新的市場(chǎng)需求。為了按期完成生產(chǎn)任務(wù)，企業(yè)就必須根據(jù)產(chǎn)品種類和批量的變化調(diào)整生產(chǎn)過(guò)程，修改生產(chǎn)工藝方案。以現(xiàn)有裝配線為基礎(chǔ)，基于仿真模仿軟件的運(yùn)用，通過(guò)建立裝配資源優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，對(duì)裝配線進(jìn)行前瞻性仿真，解決裝配線布局調(diào)整和現(xiàn)行生產(chǎn)在時(shí)間和效率上的矛盾，并且能夠快速準(zhǔn)確的獲取最優(yōu)化裝配工藝路線。柔性制造仿真模擬結(jié)果，如工位工裝數(shù)據(jù)，作業(yè)單元分配和產(chǎn)出率等相關(guān)數(shù)據(jù)對(duì)后續(xù)柔性裝配線作業(yè)工位的虛擬布局具有重要作用，不僅可以縮短裝配線柔性布局周期，而且可以大幅降低裝配線布局調(diào)整費(fèi)用。