基于Flexsim的汽車空調(diào)生產(chǎn)線優(yōu)化研究

袁亞銀 葉學(xué)敏

(上海馬勒熱系統(tǒng)有限公司，上海 201206)

1 引言

在全球化日益成熟的今天，對于制造業(yè)，有效的工廠布局和規(guī)劃有助于控制制造業(yè)成本和制造時間。尤其，在面對客戶日益多變的需求和多品種小批量的產(chǎn)品需求時，實(shí)現(xiàn)制造的快速響應(yīng)是至關(guān)重要的。工廠設(shè)施的合理設(shè)計(jì)可以加速物料的流轉(zhuǎn)，縮短資源運(yùn)輸時間和產(chǎn)品的生產(chǎn)周期。另外，設(shè)備布局的合理性有助于提高制造系統(tǒng)的運(yùn)行性能，有效地降低平均制造成本[1]。

Flexsim軟件是由美國FlexSim公司開發(fā)的生產(chǎn)系統(tǒng)仿真軟件，旨在對離散事件系統(tǒng)、連續(xù)流體生產(chǎn)系統(tǒng)及物流系統(tǒng)進(jìn)行模擬。在國外，該軟件應(yīng)用涉及生產(chǎn)設(shè)施和布局優(yōu)化、航空公司對機(jī)場進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)，以及政府和金融部門的統(tǒng)籌規(guī)劃等領(lǐng)域。國內(nèi)目前對該軟件的應(yīng)用也趨近廣泛，如石宇強(qiáng)應(yīng)用達(dá)寶易和Flexsim軟件對產(chǎn)品生產(chǎn)線進(jìn)行分析，找出瓶頸工序并進(jìn)行優(yōu)化，提高生產(chǎn)線平衡率[2]。王珊珊、吳保國等使用Flexsim仿真軟件建立了小麥粉生產(chǎn)線加工流程模型并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，大大提高了設(shè)備利用率[3]。石菁菁通過Tecnomatix軟件對燃?xì)廨啓C(jī)數(shù)字化生產(chǎn)線進(jìn)行了仿真實(shí)踐，介紹了數(shù)字化工廠的技術(shù)路線和主要功能[4]。通過以上這些研究分析，將Flexsim軟件應(yīng)用于碼頭相關(guān)物流仿真的相對較多，而用于分析加工制造業(yè)領(lǐng)域的相對較少。

本文結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，使用Flexsim三維仿真軟件對A公司汽車空調(diào)生產(chǎn)線進(jìn)行建模仿真。通過對生產(chǎn)線的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析，確定關(guān)鍵瓶頸工序后提出優(yōu)化方案，對優(yōu)化前后生產(chǎn)線進(jìn)行仿真模擬和數(shù)據(jù)結(jié)果分析比較，進(jìn)而對生產(chǎn)線進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化改造，提高生產(chǎn)效率。

2 制造流程簡析

A公司是一家開發(fā)、生產(chǎn)汽車電子設(shè)備系統(tǒng)(汽車溫度控制系統(tǒng))及相關(guān)零部件現(xiàn)代化高科技企業(yè)。該企業(yè)擁有多條汽車空調(diào)生產(chǎn)線，是行業(yè)內(nèi)規(guī)模最大的汽車溫度控制系統(tǒng)的制造企業(yè)之一。

本文主要對A公司汽車空調(diào)系統(tǒng)的生產(chǎn)線進(jìn)行研究。該生產(chǎn)線流程由各分布式殼體運(yùn)動機(jī)構(gòu)裝配、左右側(cè)殼體及風(fēng)門裝配、暖風(fēng)熱泵及電機(jī)裝配、線束裝配、分布式殼體及新回風(fēng)殼體合殼裝配、管路及支架等后出風(fēng)模塊裝配、密封條及防火墻裝配、空調(diào)總成功能檢測以及最后的目檢裝箱等多部分組成。具體生產(chǎn)線工藝流程如圖 1。

圖1 汽車空調(diào)生產(chǎn)線流程圖Fig.1 HVAC flowchart

3 現(xiàn)狀分析及建模仿真

3.1 生產(chǎn)現(xiàn)狀

生產(chǎn)節(jié)拍(cycle time)是衡量生產(chǎn)線平衡的指標(biāo)之一[5]，它是指相鄰兩個工位之間傳輸?shù)臅r間間隔[6]。若工位的操作時間與節(jié)拍接近，則此工位處于平衡狀態(tài)；若工位的操作時間大于節(jié)拍，則此工位處于滯后狀態(tài)，也將這樣的工位成為瓶頸工序；若工位的操作時間小于節(jié)拍，則表示此工位的工作內(nèi)容不足，同樣會影響其緊前和緊后工位，進(jìn)而影響生產(chǎn)線平衡[7]。根據(jù)對該公司汽車空調(diào)生產(chǎn)線的實(shí)地觀察測定，得到各工位的操作時間，如表1所示。

表1 空調(diào)生產(chǎn)線各工位操作時間Tab.1 HVAC assembly line labor time for every stations

根據(jù)表1可以看到，各工位的加工時間非常不均衡，其中“暖風(fēng)熱泵蓋板及電機(jī)裝配”和“管路，支架、后風(fēng)道線束等裝配”兩個工位加工時間遠(yuǎn)大于其他工位，是整條生產(chǎn)線中的關(guān)鍵瓶頸工序。

同時，根據(jù)該生產(chǎn)線每天有效工作時間(8h)和最長工位加工時間(220s)，得出該生產(chǎn)線每天汽車空調(diào)產(chǎn)能和線平衡率分別為：

(1)

(2)

3.2 生產(chǎn)線建模與仿真

建?；顒邮峭ㄟ^對實(shí)際系統(tǒng)的觀測和檢測，在忽略次要因素以及不可檢測變量的基礎(chǔ)上，用物理或數(shù)學(xué)的方法進(jìn)行系統(tǒng)描述，從而獲得實(shí)際系統(tǒng)的簡化近似模型[8]。對生產(chǎn)線的優(yōu)化過程，首先要對產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝流程、各生產(chǎn)工段的加工時間進(jìn)行建模和仿真分析，找出影響生產(chǎn)效率的主要因素；并在此基礎(chǔ)上針對影響生產(chǎn)效率的問題制定相應(yīng)的改進(jìn)方案。由于該汽車空調(diào)生產(chǎn)線涉及的設(shè)備較多且流程較復(fù)雜。本文在采用Flexsim仿真軟件進(jìn)行建模仿真時，為使仿真模型盡量簡單實(shí)用，在保證功能實(shí)現(xiàn)的前提下，對其工藝流程進(jìn)行了合并簡化：即使用一臺設(shè)備模擬代替某一生產(chǎn)工段。

3.2.1 模型建立

根據(jù)生產(chǎn)線流程，采用Flexsim仿真軟件進(jìn)行建模，首先對汽車空調(diào)生產(chǎn)線的相關(guān)工序(詳見圖1)進(jìn)行實(shí)體定義，設(shè)置1個發(fā)生器(Source 1)用以表示進(jìn)入生產(chǎn)線的物料；11個處理器(PWS1, WS1～WS10)表示各道工位；2個暫存區(qū)(Queue1，Queue2)用來暫時分別存放加工配件和成品。并將各實(shí)體進(jìn)行A或S連接[9](其中：A連接為實(shí)體連接，使相鄰的Ports產(chǎn)生聯(lián)系，可以交換flow items；S連接類似信息流，能夠使操作者對被操作者發(fā)出各種指令并執(zhí)行)，使各實(shí)體構(gòu)成連貫的生產(chǎn)線模型，完成可視化模型結(jié)構(gòu)基本布置。

完成可視化模型結(jié)構(gòu)基本布置后，需設(shè)定假設(shè)條件以保證該模型運(yùn)行可行。假設(shè)條件如下：汽車空調(diào)生產(chǎn)線各中間產(chǎn)品在各工位上的加工時間基本服從正態(tài)分布且標(biāo)準(zhǔn)差較?。粫捍鎱^(qū)最大庫存量為1 000個；中間產(chǎn)品在傳送帶上的傳遞時間由于較短設(shè)置為0；中間產(chǎn)品資源量無限(即不考慮因零部件不足而造成停線的狀況)。在完成假設(shè)條件的設(shè)定后，根據(jù)該產(chǎn)品生產(chǎn)工藝流程建立的仿真模型如圖2所示。

圖2 生產(chǎn)線仿真模型示意圖Fig.2 HVAC assembly line schematic diagram of simulation model

3.2.2 結(jié)果分析根據(jù)A公司汽車空調(diào)系統(tǒng)生產(chǎn)線實(shí)際生產(chǎn)計(jì)劃，設(shè)定有效工作時間仿真鐘后，得到該生產(chǎn)線模擬運(yùn)行數(shù)據(jù)結(jié)果，詳細(xì)見表2。

表2 生產(chǎn)線模型優(yōu)化前仿真結(jié)果Tab.2 HVAC assemblyline simulation results before model optimization

結(jié)合上述數(shù)據(jù)可以看出：

(1)WS4暖風(fēng)熱泵蓋板及電機(jī)裝配和WS7管路、支架、后風(fēng)道線束等裝配(含后出風(fēng)模塊預(yù)裝配)兩個工位的繁忙率最高，達(dá)到90%以上，為該生產(chǎn)流程關(guān)鍵瓶頸工序。

(2)WS1分布式殼體運(yùn)動機(jī)構(gòu)裝配、WS2左側(cè)殼體及風(fēng)門裝配熱泵及電機(jī)裝配、WS3右側(cè)殼體及風(fēng)門裝配熱泵及電機(jī)裝配、WS5線束裝配、WS8密封條及防火墻裝配、WS9空調(diào)總成功能檢測以及WS10目檢裝箱工位的有效加工率都在70%以下，空閑率比較高，存在很大的浪費(fèi)。

(3)WS1分布式殼體運(yùn)動機(jī)構(gòu)裝配、WS2左側(cè)殼體及風(fēng)門裝配熱泵及電機(jī)裝配、WS3右側(cè)殼體及風(fēng)門裝配熱泵及電機(jī)裝配，配件堵塞率超過45%，影響該生產(chǎn)線產(chǎn)能。

同時，結(jié)合3.1中生產(chǎn)線平衡率計(jì)算結(jié)果，可以看出，該生產(chǎn)線不同工位之間加工時間相差較多，整條生產(chǎn)線平衡狀態(tài)較差。

4 生產(chǎn)工藝流程優(yōu)化方案

結(jié)合上述生產(chǎn)線平衡率計(jì)算數(shù)據(jù)和生產(chǎn)線模擬仿真結(jié)果，制定如下生產(chǎn)工藝流程優(yōu)化方案。

4.1 工位優(yōu)化方案

(1)當(dāng)前生產(chǎn)線加工時間最長的工位是暖風(fēng)熱泵蓋板及電機(jī)裝配和管路、支架、后風(fēng)道線束等裝配(含后出風(fēng)模塊預(yù)裝配)，時間分別為220 s、200 s。結(jié)合仿真結(jié)果和考察實(shí)際發(fā)現(xiàn)，該工序同時存在容易導(dǎo)致下一道工序線束裝配、密封條、防火墻裝配空閑時間過長。經(jīng)核實(shí)現(xiàn)場SOP( 標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)指導(dǎo)書) ，暖風(fēng)熱泵蓋板及電機(jī)裝配工序包括暖風(fēng)熱泵預(yù)裝配及暖風(fēng)熱泵蓋板及電機(jī)裝配兩個主要動作，分別是94 s和110 s，根據(jù)工藝要求，無法減少步驟。因此，增加一臺機(jī)器和一名操作工，進(jìn)行暖風(fēng)和熱泵的預(yù)裝配，優(yōu)化后該工位加工時間94 s。

(2)將暖風(fēng)熱泵蓋板及電機(jī)裝配工位優(yōu)化后，管路、支架、后風(fēng)道線束等裝配(含后出風(fēng)模塊預(yù)裝配)成為新的關(guān)鍵瓶頸工序，加工時間為200 s。結(jié)合仿真結(jié)果和考察實(shí)際發(fā)現(xiàn)，管路、支架、后風(fēng)道線束等裝配(含后出風(fēng)模塊預(yù)裝配)工序包括將管路、支架、后風(fēng)道線束等裝配和后出風(fēng)模塊預(yù)裝配這2個主要動作，分別是100 s和116 s。因此，同樣增加一臺機(jī)器和一名操作工，預(yù)裝后出風(fēng)模塊，然后交給下一站進(jìn)行密封條、防火墻裝配。經(jīng)過優(yōu)化，該工位工時為116 s。

(3)根據(jù)表2的阻塞率數(shù)據(jù)，分布式殼體運(yùn)動機(jī)構(gòu)裝配工位、左右側(cè)殼體及風(fēng)門裝配工位存在配件堵塞的情況。結(jié)合仿真結(jié)果和考察實(shí)際，采用增加兩個工位優(yōu)化工時為96s和98s。同時增加兩臺機(jī)器和一名操作工可以有效解決配件堵塞的情況。

4.2 流程優(yōu)化方案

采用工位優(yōu)化方案后，發(fā)現(xiàn)瓶頸工位移動至右側(cè)殼體及風(fēng)門裝配工位，其工時為120 s。對其前后工位進(jìn)行細(xì)化分析，發(fā)現(xiàn)該工位打螺釘時間為10 s，后續(xù)工位打螺釘時間為15 s，因此考慮優(yōu)化為: 將右側(cè)殼體及風(fēng)門裝配工位和后續(xù)工位的打螺釘動作合并到一個打螺釘工位上。經(jīng)過上述流程優(yōu)化，右側(cè)殼體及風(fēng)門裝配工位工時為85 s，后續(xù)工位暖風(fēng)熱泵蓋板及電機(jī)裝配工時為74 s。

5 優(yōu)化前后數(shù)據(jù)對比分析

制定上述生產(chǎn)工藝流程優(yōu)化方案后，運(yùn)用Flexsim三維仿真軟件來對該汽車生產(chǎn)線重新建立生產(chǎn)線仿真模型，如圖3所示。

圖3 優(yōu)化后生產(chǎn)線仿真模型圖Fig.3 Simulation model diagram of the optimized production line

重新建立生產(chǎn)線仿真模型后，將暖風(fēng)熱泵蓋板及電機(jī)裝配工位和分布式殼體新回風(fēng)殼體及蒸發(fā)器殼體裝配工位都增加一個處理器，并將各個工位的加工時間按照表3進(jìn)行修改。

表3 優(yōu)化后生產(chǎn)線工位加工時間表Tab.3 Optimized production line station processing schedule

根據(jù)A公司汽車空調(diào)系統(tǒng)生產(chǎn)線實(shí)際生產(chǎn)計(jì)劃，設(shè)定有效工作時間仿真鐘后，得到該生產(chǎn)線模擬運(yùn)行數(shù)據(jù)結(jié)果，如表4所示。

表4 生產(chǎn)線優(yōu)化后模型的仿真結(jié)果Tab.4 HVAC assemblyline simulation results aftermodel optimization

將優(yōu)化前和優(yōu)化后仿真數(shù)據(jù)整理對比如表5所示。

表5 優(yōu)化前后仿真數(shù)據(jù)對比Tab.5 Comparison of simulation data before and after optimization

結(jié)合上述數(shù)據(jù)可以看出：優(yōu)化前各工位的平均利用率只有58.98%，平均空閑率較高，達(dá)到24%；優(yōu)化前各工位的平均利用率得到很大提升，達(dá)到89.52%，平均空閑率降低到1.1%。

基于上述數(shù)據(jù)分析，A公司汽車空調(diào)系統(tǒng)生產(chǎn)線采用工位和流程優(yōu)化方案進(jìn)行系統(tǒng)改造，汽車空調(diào)生產(chǎn)線上總工時由1 276 s縮短至987 s，每天產(chǎn)量由163 臺增加到310 臺。該生產(chǎn)線合理地實(shí)現(xiàn)了各工序間人員的調(diào)度，閑置時間大大減少，產(chǎn)量大幅提升。

6 結(jié)語

本文針對A公司汽車空調(diào)系統(tǒng)生產(chǎn)線實(shí)際流程特點(diǎn)，應(yīng)用Flexsim三維仿真軟件建立模型并進(jìn)行系統(tǒng)仿真計(jì)算，并結(jié)合生產(chǎn)線平衡率計(jì)算結(jié)果，找到制約生產(chǎn)的關(guān)鍵瓶頸工序，制定相應(yīng)優(yōu)化方案并進(jìn)行驗(yàn)證。對該汽車空調(diào)系統(tǒng)生產(chǎn)線實(shí)施改進(jìn)后，生產(chǎn)線平衡率和生產(chǎn)產(chǎn)能得到大幅提升。