航空發(fā)動(dòng)機(jī)脈動(dòng)總裝生產(chǎn)線建模仿真系統(tǒng)*

李 慧，宋迎軍，王園園，魏小紅，黃 健

（1.中國航空規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院有限公司，北京 100120；2.中國航發(fā)動(dòng)力股份有限公司，西安 710021）

0 引言

脈動(dòng)式裝配生產(chǎn)線是按節(jié)拍移動(dòng)的一種裝配線，運(yùn)用精益制造思想，對裝配過程進(jìn)行流程再設(shè)計(jì)、優(yōu)化和平衡，實(shí)現(xiàn)按設(shè)定節(jié)拍的站位式裝配作業(yè)，達(dá)到縮短裝配周期、滿足客戶要求的裝配生產(chǎn)形式，是介于固定站位裝配與連續(xù)移動(dòng)裝配之間的一種裝配生產(chǎn)形式[1-3]，其典型特征是產(chǎn)品移動(dòng)時(shí)不進(jìn)行裝配作業(yè)，裝配作業(yè)時(shí)產(chǎn)品不移動(dòng)?？傃b是航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造過程中最為重要的環(huán)節(jié)之一，其裝配技術(shù)水平和裝配質(zhì)量顯著影響航空發(fā)動(dòng)機(jī)的工況特性，直接決定發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性、壽命及主要性能參數(shù)[4]。國外的飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)裝配技術(shù)起步較早，尤其是美國和德國，更是處于行業(yè)絕對領(lǐng)先位置[5]，而我國航空發(fā)動(dòng)機(jī)仍主要采用固定站位式裝配模式，基于剛性型架進(jìn)行手工垂直裝配[6]，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，人員、工裝堆積，裝配效率較低，脈動(dòng)裝配生產(chǎn)線的采用能夠有效地解決這些問題。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)脈動(dòng)總裝生產(chǎn)線規(guī)劃建設(shè)過程復(fù)雜、投資大，運(yùn)行過程中具有計(jì)劃管理約束條件復(fù)雜、現(xiàn)場條件多變等特點(diǎn)，因此有必要針對脈動(dòng)總裝線的總體布局設(shè)計(jì)方案進(jìn)行定量分析和優(yōu)化，同時(shí)對排產(chǎn)調(diào)度方案進(jìn)行仿真驗(yàn)證，以減少系統(tǒng)運(yùn)行過程中的沖突次數(shù)，保障總裝線的正常脈動(dòng)。魏方劍[7]針對飛機(jī)脈動(dòng)生產(chǎn)線，提出了多層級(jí)建模理論，并在DELMIA V6平臺(tái)上構(gòu)建了飛機(jī)脈動(dòng)生產(chǎn)線的仿真模型，對系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)、產(chǎn)能、資源利用率等進(jìn)行了分析研究。連宇臣等[8-9]針對航空發(fā)動(dòng)機(jī)脈動(dòng)式裝配生產(chǎn)線建設(shè)需求，通過Plant Simulation對關(guān)鍵生產(chǎn)指標(biāo)及其主要影響要素進(jìn)行仿真及優(yōu)化，并量化分析了主要影響要素的關(guān)聯(lián)特性以及對總體產(chǎn)能的貢獻(xiàn)規(guī)律。柴猛[10]研究了飛機(jī)總裝脈動(dòng)線建模仿真和優(yōu)化方法，并基于DelmiaV6平臺(tái)進(jìn)行了仿真優(yōu)化，仿真結(jié)果包括系統(tǒng)利用率、系統(tǒng)性能狀態(tài)以及產(chǎn)量等。劉霞[11]針對客機(jī)裝配過程提出了一種基于Petri網(wǎng)的建模方法，并將其與Quest和eM-Plant相結(jié)合進(jìn)行建模仿真，根據(jù)仿真結(jié)果分析裝配線平衡率進(jìn)而提出了改進(jìn)優(yōu)化方案。孫星[12]基于Petri網(wǎng)和eM-Plant軟件對飛機(jī)裝配線進(jìn)行了建模仿真，對裝配周期、在制品數(shù)量、各站點(diǎn)平均裝配時(shí)間及工作率等指標(biāo)進(jìn)行綜合分析，找到了生產(chǎn)線的瓶頸。

本文針對航空發(fā)動(dòng)機(jī)脈動(dòng)裝配生產(chǎn)線特點(diǎn)和仿真需求，結(jié)合實(shí)際工程案例，基于Plant Simulation平臺(tái)建立了航空發(fā)動(dòng)機(jī)脈動(dòng)總裝生產(chǎn)線仿真系統(tǒng)，可針對類似脈動(dòng)裝配生產(chǎn)線快速構(gòu)建仿真模型，實(shí)現(xiàn)對總裝線設(shè)計(jì)方案的量化分析和優(yōu)化，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對脈動(dòng)總裝生產(chǎn)線排產(chǎn)調(diào)度方案的仿真驗(yàn)證，最后通過實(shí)例應(yīng)用驗(yàn)證了仿真系統(tǒng)的有效性。

1 脈動(dòng)總裝線仿真系統(tǒng)模塊組成

航空發(fā)動(dòng)機(jī)脈動(dòng)總裝生產(chǎn)線仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，以脈動(dòng)總裝生產(chǎn)線仿真模型為基礎(chǔ)，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)輸入數(shù)據(jù)，通過運(yùn)行仿真模型，就可以得到生產(chǎn)線性能指標(biāo)以及物料配送要求等信息。

圖1 航空發(fā)動(dòng)機(jī)脈動(dòng)裝配生產(chǎn)線仿真系統(tǒng)模塊組成

1.1 仿真模型

航空發(fā)動(dòng)機(jī)脈動(dòng)總裝生產(chǎn)線仿真模型采用模塊化建模方法，將各站位作為一個(gè)單獨(dú)的模塊，某站位模型如圖2所示，站位模型中包含機(jī)匣吊運(yùn)脈動(dòng)系統(tǒng)（以傳送帶元素表示）、裝配工序和相關(guān)裝配資源（如操作人員）等。參照實(shí)際裝配中操作人員圍繞機(jī)匣的裝配工序，利用仿真工具中提供的元素模型表示相應(yīng)工序，這些元素模型間的緊前緊后關(guān)系對應(yīng)實(shí)際裝配線中的工藝要求，其屬性字段主要有工序名稱、時(shí)間、優(yōu)先關(guān)系、所需物料/工裝等的種類和數(shù)量、所需人員情況等。實(shí)際使用中，各站位模型可根據(jù)信息輸入模塊中配置的信息進(jìn)行自動(dòng)更新。

圖2 站位X仿真模型

鑒于排產(chǎn)計(jì)劃仿真驗(yàn)證需要仿真模型在滿足工藝要求的情況下按照排產(chǎn)結(jié)果運(yùn)行，即某工序開始執(zhí)行前需滿足排產(chǎn)順序要求、緊前工序均完成、所需資源均可使用等條件，仿真模型中具體邏輯流程如圖3所示。當(dāng)產(chǎn)品進(jìn)入某站位，首先在初始化模塊Init中根據(jù)排產(chǎn)信息表初始化形成人員信息表，其中人員信息表主要包含人員編號(hào)、當(dāng)前任務(wù)、當(dāng)前狀態(tài)、下一項(xiàng)任務(wù)、下一項(xiàng)任務(wù)所在站位以及任務(wù)列表等信息；然后由任務(wù)決策模塊ProcessCtrl遍歷人員信息表，獲取空閑人員即將執(zhí)行的工序編號(hào)，依次判斷該工序是否存在緊前工序、緊前工序是否均已完成、所需人員是否空閑以及所需所有人員的下一任務(wù)是否為該工序，如果滿足條件，則開始執(zhí)行該工序，并更新狀態(tài)信息；如果條件不滿足，則從人員信息表中獲取下一個(gè)空閑人員即將執(zhí)行的工序并重新按照上述邏輯判斷。當(dāng)人員信息表遍歷完成后，等待至有人員狀態(tài)信息發(fā)生變化觸發(fā)ProcessCtrl模塊，重新按照上述流程執(zhí)行。其中任務(wù)決策模塊ProcessCtrl的部分程序如下：

圖3 排產(chǎn)驅(qū)動(dòng)仿真邏輯

1.2 控制模塊

控制模塊主要通過界面交互實(shí)現(xiàn)仿真信息輸入、模型更新、模型參數(shù)設(shè)置、仿真運(yùn)行控制以及仿真結(jié)果查看等功能。在Plant Simulation中，通過Dialog單元和Method相結(jié)合的方式來實(shí)現(xiàn)。

（1）信息輸入

根據(jù)仿真模型及生產(chǎn)計(jì)劃的要求，載入生產(chǎn)線相關(guān)數(shù)據(jù)信息并更新仿真模型，主要包含工序工時(shí)信息、排產(chǎn)信息、關(guān)鍵設(shè)備維保故障信息等。其中工序工時(shí)信息主要包含工序、工時(shí)、所需人員數(shù)量以及所屬站位等信息。當(dāng)該仿真模型用于規(guī)劃設(shè)計(jì)階段的脈動(dòng)線平衡方案評估時(shí)，可不輸入排產(chǎn)信息；當(dāng)用于運(yùn)營階段對生產(chǎn)線的排產(chǎn)結(jié)果進(jìn)行量化驗(yàn)證時(shí)，則必須輸入排產(chǎn)信息。

（2）模型設(shè)置

根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際和仿真運(yùn)行的需求實(shí)現(xiàn)參數(shù)的設(shè)置，主要包含裝配節(jié)拍、投入數(shù)量、吊運(yùn)穿梭車數(shù)量、工時(shí)波動(dòng)、生產(chǎn)班制以及站位人員數(shù)量等的設(shè)置。其中工時(shí)波動(dòng)的實(shí)現(xiàn)涉及到工序（或工步）對象SingleProc、工序工時(shí)信息表DataTable等，三角分布工時(shí)實(shí)現(xiàn)的部分代碼如下：

（3）運(yùn)行控制

該模塊主要用于仿真運(yùn)行的控制，包含仿真日期的設(shè)置以及仿真控制、打開時(shí)鐘控制器、打開模型、實(shí)驗(yàn)設(shè)置以及仿真結(jié)果查看等功能。應(yīng)用時(shí)可以直接在交互界面輸入仿真日期、預(yù)熱期等相關(guān)信息，單擊初始化、開始、重置、快進(jìn)和暫停等相關(guān)功能按鈕控制仿真過程，也可以打開仿真控制時(shí)鐘對象進(jìn)行仿真過程控制。

（4）結(jié)果輸出

通過仿真運(yùn)行預(yù)演排產(chǎn)計(jì)劃的執(zhí)行情況，記錄各站位任務(wù)執(zhí)行開始時(shí)間、結(jié)束時(shí)間以及關(guān)聯(lián)人員、物料等相關(guān)信息，并以表格方式輸出。同時(shí)，通過仿真可以量化關(guān)注的生產(chǎn)性能評價(jià)指標(biāo)，如裝配節(jié)拍、裝配線平衡率、站位利用率、人員利用率等。

2 航空發(fā)動(dòng)機(jī)脈動(dòng)裝配生產(chǎn)線仿真系統(tǒng)案例

以某航空發(fā)動(dòng)機(jī)脈動(dòng)總裝線平衡設(shè)計(jì)方案為例，利用仿真系統(tǒng)的信息輸入模塊載入相關(guān)信息，即可快速得到更新的仿真模型，根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行相應(yīng)參數(shù)設(shè)置，運(yùn)行仿真模型，就可以給出裝配流程仿真執(zhí)行信息表和物流配送要求，并從裝配線平衡率、生產(chǎn)節(jié)拍、站位利用率、各站位平均等待時(shí)間及人員利用率等裝配線性能指標(biāo)方面對生產(chǎn)線平衡方案或排產(chǎn)信息進(jìn)行定量分析，其中站位平均等待時(shí)間如圖4所示。從圖中可以看出，站位4任務(wù)不飽滿，等待時(shí)間接近1 h，站位5為瓶頸站位，幾乎不存在等待時(shí)間，因此建議該平衡方案在符合工藝約束的前提下，將站位5的部分任務(wù)調(diào)整至站位4，或?qū)⒄疚?的部分操作人員調(diào)整到站位5，以使各站位任務(wù)更加均衡。

從本項(xiàng)目實(shí)例可以看出，對規(guī)劃中的生產(chǎn)線進(jìn)行建模，能夠直觀真實(shí)地識(shí)別系統(tǒng)存在的問題，為評估、優(yōu)化系統(tǒng)起到很好的輔助作用。

3 結(jié)束語

通過航空發(fā)動(dòng)機(jī)脈動(dòng)裝配生產(chǎn)線仿真，在規(guī)劃設(shè)計(jì)階段可以預(yù)知生產(chǎn)線的運(yùn)行情況，對裝配線平衡方案進(jìn)行量化分析論證，以指導(dǎo)優(yōu)化設(shè)計(jì)；在運(yùn)營階段則可以對現(xiàn)存的生產(chǎn)線做各種仿真實(shí)驗(yàn)，分析其排產(chǎn)的合理性，更好地控制生產(chǎn)線的產(chǎn)能。為提高仿真建模效率，基于Plant Simulation仿真平臺(tái)研發(fā)了航空發(fā)動(dòng)機(jī)脈動(dòng)裝配生產(chǎn)線建模仿真系統(tǒng)，該系統(tǒng)將生產(chǎn)控制邏輯嵌入仿真模型，通過界面交互實(shí)現(xiàn)仿真數(shù)據(jù)導(dǎo)入、模型更新、參數(shù)設(shè)置、運(yùn)行控制以及仿真結(jié)果輸出。實(shí)例應(yīng)用證明，應(yīng)用研發(fā)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)脈動(dòng)裝配生產(chǎn)線仿真系統(tǒng)，可較快速便捷搭建起脈動(dòng)總裝生產(chǎn)線仿真模型，使更多設(shè)計(jì)人員能夠快速使用仿真分析工具，有利于工藝仿真在實(shí)際項(xiàng)目中的應(yīng)用和推廣。