基于FlexSim的換擋器生產(chǎn)線優(yōu)化與仿真

葉洪旭，王思淇，高 宇

(沈陽工業(yè)大學，遼寧 沈陽 110870)

0 引言

在經(jīng)濟全球化的今天，市場競爭越來越激烈，不斷變化的市場環(huán)境給企業(yè)帶來了巨大的壓力。遼寧圣加倫控制系統(tǒng)有限公司是一家中外合資企業(yè)，公司主要產(chǎn)品包括換擋器總成及各類汽車控制拉索、變速操縱機構(gòu)、手柄和皮裙系列、全車踏板系列、各類沖壓件等。在一個企業(yè)中，生產(chǎn)率這一量化的指標常常被用來評價一條生產(chǎn)線管理水平的高低，而生產(chǎn)線生產(chǎn)率的高低又決定著生產(chǎn)能力的大小[1]。對于企業(yè)管理者來說，如何從宏觀上把握生產(chǎn)線，在不增加投入的前提下提高生產(chǎn)過程中的工作效率并減少作業(yè)時所產(chǎn)生的浪費是其主要研究方向[2]。

本文以該公司換擋器車間的生產(chǎn)線為研究對象，在對裝配線的現(xiàn)狀運用工業(yè)工程相關(guān)方法進行分析的基礎(chǔ)上，借助生產(chǎn)線平衡的相關(guān)理論并運用ECRS(Eliminate,Combine,Rerrange,Simplify)原則提出優(yōu)化方案[3]，同時結(jié)合FlexSim仿真軟件對改進前、后的生產(chǎn)線進行數(shù)據(jù)仿真，以驗證方案的合理性。

1 換擋器生產(chǎn)線現(xiàn)狀分析

1.1 生產(chǎn)線現(xiàn)狀

該公司換擋器的裝配生產(chǎn)過程包括零部件的裝配、安裝、檢測、總成等基本操作，是流水線的生產(chǎn)方式，所以各類換擋器的工序基本上是相同的，共分為19道，如圖1所示。

圖1 換擋器裝配流程

1.2 作業(yè)時間測定

經(jīng)過對該裝配線的實地考察以及與管理人員和操作工人的溝通，我們得出以下信息：

工人每天工作時間為8 h，寬放率為5%，所以有效工作時間=8×(1-5%)=7.6 h，年有效工作時間=7.6×3 600×250=6 840 000 s。目前對于一條生產(chǎn)線我們計劃的年產(chǎn)量為490 000件，因此節(jié)拍時間=有效工作時間/計劃工作量=6 840 000/490 000=13.95 s/件。

我們通過MTM(Methods-Time Measurement，時間測量方法)測時法對每個工序的動作進行了分析，并參照標準時值卡得到了相應(yīng)的時間，時間單位為TMU(Time Measurement Unit),根據(jù)相關(guān)換算得出各個工序的具體時間，如圖2所示。

由圖2可得，瓶頸工序是工序4“裝配滑動塊、O型圈”和工序18“裝配換擋器總成”。平衡率是表示生產(chǎn)線是否達到最優(yōu)、過程中的浪費是否減少到最小的可量化的指標[4]，所以我們需要計算該生產(chǎn)線的平衡率來說明原生產(chǎn)線達到最優(yōu)的程度。其中，有些工序兩個工序在同一個工位，如工序12和工序13在同一工位，因此該生產(chǎn)線的工位數(shù)為17，根據(jù)以上數(shù)據(jù)和生產(chǎn)線平衡率計算公式得出：

圖2 改進前各工序時間

1.3 原換擋器生產(chǎn)線存在問題分析

(1) 工序同期化不合理。工序1和2時間相差較大，易造成2工位空閑時間較大同時導致1工位工作壓力大不利于長時間工作。同樣工序12和13也有同樣問題，12工位工作時間短完成快而13工位的工作時間長所以容易導致12工位產(chǎn)生大量在制品堆積，不利于生產(chǎn)線的運行，所以需要改善工位的時間，對類似工序進行分解重排。

(2) 存在瓶頸工序。工序4和18兩個工序作業(yè)時間長且大于節(jié)拍時間，所以是該生產(chǎn)線的瓶頸工序，將直接影響生產(chǎn)線的節(jié)拍時間，所以改善瓶頸工序勢在必行，應(yīng)考慮這兩個工序中的動作是否可以取消或改善。

(3) 機器作業(yè)利用率低。工序6作業(yè)時間少且為機器作業(yè)所以容易導致機器停工時間長，同理14與15工序也一樣，機器作業(yè)的高效率會由于后續(xù)工序的長時間作業(yè)而導致利用率低下，不利于機械的正常運作。

2 生產(chǎn)線優(yōu)化改善研究

根據(jù)ECRS原則，對原有的工序進行分析，發(fā)現(xiàn)有些工序能取消，有些工序不能取消但可以通過工序合并達到優(yōu)化的目的[5]，有些工序則是因變動而被取消的。最終得到的改進方案如下：

(1) 同期化不合理工序改善。由于工位1、2的工作時間相差大且工位3的工作時間也較低，所以我們將工位1、2、3上的工序進行重排，即將2工位上工序拆分由1、3工位上人員分擔。工位1上人員分擔拿取主支架并將手柄桿組件安裝至主支架的工序，工位3上人員分擔2工位上安裝總線束的工序。12與13工位上工序改善：由于12工位上工序少作業(yè)時間短，故可將12工位與13工位上工序進行合并而且還能減少拿取工件的動作。

(2) 瓶頸工序改善。4工位上工序改善是針對自動注油的等待時間較長，我們將在滑動塊自動注油時進行O型圈的安裝，從而達到人機同時聯(lián)合作業(yè)減少工作時間。18工位上工序的改善也是結(jié)合了人機同時聯(lián)合作業(yè)的方法，在等待設(shè)備夾緊工作與自動注油工作的同時進行下一步的無關(guān)工序的操作，從而達到減少作業(yè)時間的目的，改善了瓶頸工序。

(3) 無緊前工序的工序改善。6工位的工序不需要緊前工序且6工序的作業(yè)時間大部分為機器工作時間，所以一人可以操作兩臺設(shè)備運行，從而可以在節(jié)拍時間內(nèi)產(chǎn)出兩個產(chǎn)品提供給兩個生產(chǎn)線使用，除此之外還減少了工作人員。10工位的上料過程同樣不需要緊前工序，所以在生產(chǎn)線工作之初進行上料作業(yè)。同時因為11工序為系統(tǒng)自動注油環(huán)節(jié)，即可用傳送帶將其運輸至11工序，所以10工位上的工人可以減少啟動按鈕的檢測過程而由自動檢測設(shè)備代替。當10工序完成上料后檢測系統(tǒng)就進行檢測環(huán)節(jié)，當合格后將工件直接傳送至11工序完成自動注油。這樣10工位上的作業(yè)時間將減少3 s的檢測時間，也使得10工位可以供應(yīng)兩條生產(chǎn)線。

(4) 機器作業(yè)工序改善。14和15工序均為機器自動工作，作業(yè)時間少，且都可滿足兩條生產(chǎn)線的需求量。所以可以將14與15工序放置于兩條生產(chǎn)線之間供兩條生產(chǎn)線使用，既可以提高機器利用率又可以減少對機器設(shè)備的需求[6]。同樣10工位的上料工序所需的人工操作時間也少(5.37 s)，可以在節(jié)拍時間內(nèi)產(chǎn)出兩件產(chǎn)品供給兩條生產(chǎn)線使用。因此為提高機器的利用率，我們將這兩道工序改為雙生產(chǎn)線共用工序。

(5) 零部件改善工序。9工序是將拉索支架組件與8工序工件進行鉚合安裝，現(xiàn)在我們將引入帶有拉索支架組件的主支架零件從而減少該鉚合過程進而達到取消9工序的目的。

改進后的換擋器裝配流程如圖3所示，由之前的19道工序變?yōu)楝F(xiàn)在的16道工序，包括13個工位。

圖3 改進后換擋器裝配流程

由改進后的工序時間得出瓶頸工序時間變?yōu)?4 s，其中工序5、工序8、工序9這三個工序為機器加工，與其他工序可同時進行工作且不影響整體生產(chǎn)線進程，由此可計算新生產(chǎn)線的平衡率為：

可以看出，通過ECRS原則對工序進行改進后，生產(chǎn)線的平衡率得到了大幅度提高，進而縮短了產(chǎn)品裝配時間，增加了單位時間的產(chǎn)量，降低了生產(chǎn)成本，減少了工序間的在制品。

除了對生產(chǎn)線的平衡率進行提高之外，對生產(chǎn)線的配送方式也進行了優(yōu)化。改進后，作業(yè)人員由原來一條生產(chǎn)線需要17人變?yōu)楝F(xiàn)在兩條生產(chǎn)線需要24人。配送方式由之前的從后方貨架上取貨補貨，變?yōu)楝F(xiàn)在分為內(nèi)、外補給兩種方式：內(nèi)補給為兩條生產(chǎn)線中間設(shè)置一名配送人員，外補給為AGV。我們還引入了一些新技術(shù)以保證生產(chǎn)過程中的準確性，在一些特定工序如工序5、工序8等，安裝防錯裝防漏裝裝置，達到減少錯報和漏報、提高加工精度和裝配精度的目的。在工序10采用圖像檢測技術(shù)，通過攝像機獲取目標物體的圖像，經(jīng)過處理、提取之后，利用辨別結(jié)果來控制現(xiàn)場設(shè)備的動作。采用RFID溯源技術(shù)，可以實時采集生產(chǎn)流程各環(huán)節(jié)的工藝參數(shù)及監(jiān)測數(shù)據(jù)。

3 FlexSim仿真

3.1 改進前仿真

以改進前生產(chǎn)線為依據(jù)，按照原生產(chǎn)線中各個設(shè)施位置，將與設(shè)施相對的FlexSim實體依次放置在布局圖的相應(yīng)位置。根據(jù)生產(chǎn)車間的工藝流程，除去裝配線中能夠同時進行且不影響生產(chǎn)流程的工序，如工序6和工序10，建立的模型中主要包括1個發(fā)生器、16個處理器、17個傳送帶和1個吸收器。設(shè)置好相關(guān)參數(shù)后，將運行時間調(diào)整為1 h即3 600 s，可仿真得出一條生產(chǎn)線1 h的產(chǎn)量為189件。圖4為仿真模型及結(jié)果。

圖4 改進前仿真結(jié)果

3.2 改進后仿真

經(jīng)過ECRS改進后，拆分了工位2由工位1、3人員進行分擔，引入帶有拉索支架組件的主支架零件代替原零件從而減少鉚合過程即取消原工序9;為提高機器利用率，將工序11、12這種均為機器自動工作、作業(yè)時間少且可滿足兩條生產(chǎn)線使用的工序放置在了兩條生產(chǎn)線之間的位置。從而將之前的一條直線型生產(chǎn)線變?yōu)楝F(xiàn)在由兩條結(jié)合的U型生產(chǎn)線。按照優(yōu)化后的新布局重新放置了FlexSim實體，除去不影響生產(chǎn)進度的工序5、工序8和新的工序9，同樣設(shè)置時間為3 600 s。改進后的仿真結(jié)果如圖5所示，一條生產(chǎn)線1 h的產(chǎn)量變?yōu)?15件。

圖5 改善后仿真結(jié)果

優(yōu)化后的裝配方法不僅使得生產(chǎn)線的產(chǎn)量有所提高，1 h增加了26件，也大大提高了工作人員的作業(yè)效率。

4 結(jié)論

通過MTM測時法得出了換擋器裝配線各工序時間，從而根據(jù)生產(chǎn)平衡率的計算找出了瓶頸工序，之后運用ECRS原則對瓶頸工序進行了優(yōu)化，對其中存在不合理問題的工序進行了重新分配。通過使用改善后的工藝裝備取消了工序9，有效地解決了工作量不均衡以及浪費時間的問題，并增加了實時監(jiān)測的設(shè)備以保證生產(chǎn)過程的準確性。通過此次優(yōu)化，瓶頸工序由之前的15 s縮短為14 s,生產(chǎn)線平衡率由74.97%提高到95.39%，一條生產(chǎn)線1 h的產(chǎn)量增加了26件，合理分配工序的同時大大提升了工作人員的作業(yè)效率、設(shè)備利用率和產(chǎn)量，對企業(yè)生產(chǎn)效率的提高具有實際意義。