基于Flexsim的木門扇生產(chǎn)工藝優(yōu)化*

王 輝 張仲鳳 張繼娟

（中南林業(yè)科技大學(xué)；國(guó)家林業(yè)和草原局綠色家具工程技術(shù)研究中心；湖南省綠色家居工程技術(shù)研究中心，湖南 長(zhǎng)沙 410004）

隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，國(guó)內(nèi)制造企業(yè)之間競(jìng)爭(zhēng)日益激烈。從注重生產(chǎn)規(guī)模，逐漸轉(zhuǎn)向提高生產(chǎn)效率、產(chǎn)品質(zhì)量以及降低生產(chǎn)成本[1],這種觀念的轉(zhuǎn)變，使得生產(chǎn)線平衡方面的研究顯得尤為重要[2-4]。由于實(shí)木家具工藝復(fù)雜，大多采用手工與少量機(jī)械化設(shè)備相結(jié)合的制造方式，容易出現(xiàn)設(shè)備布置不合理、生產(chǎn)線不平衡等問(wèn)題。因此，如何以低成本、快速見(jiàn)效的方式提高實(shí)木家具企業(yè)的生產(chǎn)效率已成為亟待解決的問(wèn)題[5-6]。

針對(duì)生產(chǎn)線平衡優(yōu)化問(wèn)題，計(jì)算機(jī)仿真模擬技術(shù)能幫助企業(yè)快速找出生產(chǎn)瓶頸，并在軟件上模擬生產(chǎn)線的優(yōu)化過(guò)程，目前被廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外各個(gè)行業(yè)的生產(chǎn)研究。李宏敏等[7]利用Cadwork仿真平臺(tái)對(duì)典型斗拱進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，通過(guò)構(gòu)建外置模塊對(duì)接CNC加工中心，以實(shí)現(xiàn)數(shù)字化加工，來(lái)提高斗拱加工精度和效率。魏玲[8]基于EM-Plant軟件對(duì)不同工序的機(jī)器工作時(shí)間和投料速度進(jìn)行優(yōu)化，從而有效提高了整個(gè)生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率、成品數(shù)量和在制品數(shù)量。溫樂(lè)等[9]基于Witness軟件對(duì)轉(zhuǎn)向架生產(chǎn)裝配過(guò)程進(jìn)行建模和仿真，發(fā)現(xiàn)并解決了制約生產(chǎn)的瓶頸問(wèn)題。趙晏林等[10]利用JACK虛擬仿真技術(shù)對(duì)裁板鋸工作崗位進(jìn)行仿真，并優(yōu)化了該崗位的送料方式、平臺(tái)高度以及人機(jī)配合。Sun等[11]采用MOST方法和Em-Plant仿真來(lái)提高服裝制造業(yè)生產(chǎn)線效率，通過(guò)確定改進(jìn)方案，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)線平衡、提高效率、降低成本的目標(biāo)。以上研究表明，運(yùn)用仿真技術(shù)可以幫助企業(yè)提高生產(chǎn)效率和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，對(duì)現(xiàn)代制造企業(yè)的發(fā)展具有重要意義[12-15]。

本文應(yīng)用時(shí)間研究法[16]和Flexsim仿真軟件找出某企業(yè)（以下簡(jiǎn)稱J）木門扇生產(chǎn)線瓶頸工序，運(yùn)用工業(yè)工程方法發(fā)掘?qū)е律a(chǎn)線平衡率偏低的原因，然后提出相應(yīng)措施并進(jìn)行應(yīng)用。最后結(jié)合Flexsim仿真軟件驗(yàn)證優(yōu)化效果并持續(xù)改善，從而提高木門扇生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率。

1 實(shí)際生產(chǎn)線調(diào)查

1.1 實(shí)木木門結(jié)構(gòu)與工藝

實(shí)木木門的部件可分為門套、門扇和五金配件[17]，其工藝一般根據(jù)選材的不同以及客戶定制要求，選擇封閉漆或開(kāi)放漆。封閉漆木門是將所有木紋封閉，觸感光滑，具有鏡面效果；而開(kāi)放漆木門觸感更加立體，具有較強(qiáng)的視覺(jué)沖擊力。

1.2 企業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)狀

經(jīng)實(shí)地調(diào)研發(fā)現(xiàn)，J企業(yè)木門車間分成上下兩層，一樓主要進(jìn)行木門部件的機(jī)加工以及木門扇組裝，二樓則進(jìn)行后續(xù)工序的打磨、表面處理、油漆及檢驗(yàn)包裝。受限于設(shè)備、場(chǎng)地等因素，一樓暫無(wú)法進(jìn)行生產(chǎn)線改造。同時(shí)，木門扇組裝后體量較大，在二樓搬運(yùn)不便，因此木門扇的后續(xù)加工是本文進(jìn)行生產(chǎn)線優(yōu)化研究的重點(diǎn)。本文選取J企業(yè)的一款開(kāi)放漆木門扇進(jìn)行研究，并結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)對(duì)其作業(yè)時(shí)間進(jìn)行收集和分析。

2 木門扇生產(chǎn)作業(yè)時(shí)間分析

2.1 時(shí)間觀測(cè)結(jié)果

從J企業(yè)木門車間的實(shí)際生產(chǎn)情況出發(fā)，調(diào)查得出木門扇的加工工藝、生產(chǎn)設(shè)備以及人員數(shù)量。采用時(shí)間研究法對(duì)各工位進(jìn)行多次秒表測(cè)時(shí)，剔除異常值后運(yùn)用均值計(jì)算得出各工序的加工時(shí)間，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。木門扇后續(xù)生產(chǎn)工藝流程如下：木磨—表面處理—底漆1—油磨1—底漆2—油磨2—面漆—檢驗(yàn)包裝。

表1 木門扇加工工藝及時(shí)間Tab.1 Processing technology and time of wooden door leaf

2.2 生產(chǎn)線平衡分析

生產(chǎn)線平衡是通過(guò)分析生產(chǎn)線各工序的負(fù)荷，調(diào)整各工序之間的負(fù)荷分配，來(lái)平衡各工序能力（作業(yè)時(shí)間盡可能接近）的技術(shù)手段與方法[18]。衡量生產(chǎn)線平衡狀態(tài)的好壞，通常采用生產(chǎn)線平衡率（E）、生產(chǎn)線平衡損失率（D）和生產(chǎn)線平滑指數(shù)（S）等指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)，計(jì)算公式如下：

式中：T總為作業(yè)總時(shí)間，min；n為工序的數(shù)量，個(gè)；CT為生產(chǎn)線節(jié)拍，min；Ti為第i個(gè)工序的作業(yè)時(shí)間，min。

通過(guò)計(jì)算得出，木門扇生產(chǎn)線的平衡率為38.17%、平衡損失率為61.83%、平滑指數(shù)為30.41。根據(jù)表2中生產(chǎn)線平衡評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)現(xiàn)該生產(chǎn)線平衡性差，還有較大的改善空間。此外，平滑指數(shù)也反映出各工序加工時(shí)間波動(dòng)較大，存在嚴(yán)重破壞生產(chǎn)平衡的瓶頸工序。

表2 生產(chǎn)線平衡評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)Tab.2 Line balance evaluation criteria

3 基于Flexsim的木門扇生產(chǎn)線模擬

3.1 現(xiàn)有生產(chǎn)線模擬

Flexsim是一種面向?qū)ο蟮碾x散事件仿真建模軟件，可以看到生產(chǎn)過(guò)程與各生產(chǎn)單元之間的關(guān)系，并輸出完整的運(yùn)作績(jī)效報(bào)告[19]?；谏鲜鰧?duì)木門扇各工序作業(yè)時(shí)間的收集分析，將表1中的數(shù)據(jù)導(dǎo)入Flexsim軟件中，建立起一條簡(jiǎn)單的木門扇生產(chǎn)作業(yè)流程，如圖1所示。J企業(yè)一天工作時(shí)長(zhǎng)為8h，因此將模擬時(shí)間設(shè)定為480 min，產(chǎn)線模型運(yùn)行480 min后，可以看出所有暫存區(qū)都未產(chǎn)生積壓，吸收器總共完成成品8件，還有3件正處于加工過(guò)程中。

圖1 初步模擬生產(chǎn)線作業(yè)流程Fig.1 Preliminary simulation of production line operation process

通過(guò)模擬得到各工位設(shè)備利用率如圖2（a）所示。其中，木磨工序的工作時(shí)間占比最大，說(shuō)明在木門扇加工過(guò)程中，木磨工序的設(shè)備負(fù)荷最大。此外，從其它工序的設(shè)備利用率來(lái)看，也能發(fā)現(xiàn)木磨工序嚴(yán)重限制了后續(xù)工序的正常運(yùn)行，是整條生產(chǎn)線的主要瓶頸工序。

圖2 生產(chǎn)線模擬優(yōu)化Fig.2 Production line simulation and optimization

3.2 木門扇生產(chǎn)線優(yōu)化過(guò)程

3.2.1 生產(chǎn)線第一次模擬改進(jìn)

通過(guò)對(duì)生產(chǎn)線進(jìn)行實(shí)際調(diào)研，發(fā)現(xiàn)木磨工序成為瓶頸的主要原因有以下兩點(diǎn)：1） 組裝后的木門扇搬運(yùn)不便，依靠單個(gè)工人打磨比較困難；2） 木門扇側(cè)面進(jìn)行打磨時(shí)，沒(méi)有使用裝置進(jìn)行固定，因此打磨費(fèi)時(shí)費(fèi)力。解決方法有增加可調(diào)節(jié)固定裝置、增添人手或更換高效的機(jī)器設(shè)備等。綜合考慮企業(yè)資金、成本等因素，選擇成本低、見(jiàn)效快的改進(jìn)方法，即增加一個(gè)木磨工位以及安裝可調(diào)節(jié)固定裝置。

油磨工序中，依靠單個(gè)工人打磨木門扇效率過(guò)低，且油磨區(qū)域運(yùn)貨架隨意堆放，工人搬運(yùn)不便。針對(duì)上述問(wèn)題，合理規(guī)劃布局，并通過(guò)每個(gè)油磨工序都增加工位的方式來(lái)提高生產(chǎn)效率，降低工作強(qiáng)度?；贔lexsim仿真軟件，將木磨時(shí)間設(shè)置為24.6 min，第一次油磨時(shí)間設(shè)置為22.4 min，第二次油磨時(shí)間設(shè)置為20.8 min，模型運(yùn)行結(jié)果如圖2（b）所示。改進(jìn)后的生產(chǎn)線平衡率為67.30%，平滑指數(shù)為5.88，生產(chǎn)效率顯著提高。

3.2.2 生產(chǎn)線第二次模擬改進(jìn)

在檢驗(yàn)包裝工序中，由于包裝區(qū)域過(guò)小，且包裝臺(tái)底部零部件擺放雜亂，包裝工人需頻繁彎腰尋找工具等原因，使得包裝過(guò)程緩慢，效率低下。另外，相比木門線條等其它零部件而言，木門扇包裝步驟要更加復(fù)雜。除添加氣泡膜外，還需要現(xiàn)場(chǎng)裁剪硬紙板對(duì)木門扇表面進(jìn)行包裝。改善前木門扇包裝流程的具體分析結(jié)果如表3所示。

表3 改善前木門扇包裝流程程序Tab.3 Improve the packaging process of front wooden door leaf

針對(duì)上述流程中存在不合理的地方，合理規(guī)劃包裝區(qū)域布局以及現(xiàn)場(chǎng)清理，利用ECRS法則改進(jìn)現(xiàn)行包裝作業(yè)流程[20]。改善后木門扇包裝流程具體分析結(jié)果如表4所示。

表4 改善后木門扇包裝流程程序Tab.4 Improve the packaging process of rear wooden door leaf

根據(jù)改善前后包裝布局對(duì)比（圖3和圖4）可知，改善后包裝區(qū)域明顯增大，且遠(yuǎn)離了辦公區(qū)，距離油漆作業(yè)區(qū)域路程更短。包裝臺(tái)的整理、整頓減少了工人勞動(dòng)負(fù)荷，且更方便尋找工具，最終使包裝時(shí)間壓縮到10.9 min。將改善后的包裝作業(yè)時(shí)間輸入Flexsim軟件，再次運(yùn)行模型，結(jié)果如圖2（c）所示。第二次模擬改進(jìn)后，生產(chǎn)線平衡率為74.71%，平滑指數(shù)為4.19，設(shè)備利用率進(jìn)一步提高。

圖3 改善前包裝布局圖Fig.3 Packaging layout before improvement

圖4 改善后包裝布局圖Fig.4 Improved packaging layout

3.2.3 生產(chǎn)線第三次模擬改進(jìn)

經(jīng)過(guò)前兩次仿真模擬改進(jìn)，生產(chǎn)設(shè)備的平均利用率有了很大提高，但油漆作業(yè)的加工能力仍需加強(qiáng)。從圖2（c）中可以看出，整條木門扇生產(chǎn)線油漆作業(yè)的工作效率最低，三個(gè)工序的機(jī)器利用率都不到60%。經(jīng)實(shí)際調(diào)研發(fā)現(xiàn)，輔助工只輔助搬運(yùn)面漆房木門扇部件，其空閑時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。而油漆作業(yè)除搬運(yùn)部分外，依靠一位油漆工人就能獨(dú)立完成，因此整個(gè)油漆作業(yè)有極大的人員浪費(fèi)。改進(jìn)措施是減少一位底漆工的同時(shí)，讓輔助工協(xié)助底漆工和面漆工進(jìn)行作業(yè)，這樣不僅減少了人員的浪費(fèi)，還提高了生產(chǎn)效率。改善后油漆作業(yè)的三名員工操作程序及相互協(xié)作關(guān)系如圖5所示，其中a、b、c分別代指油漆作業(yè)各工序的木門扇半成品。

圖5 油漆工序操作者作業(yè)分析Fig.5 Operation analysis of paint process operators

通過(guò)上述改善，最終優(yōu)化后的木門扇生產(chǎn)作業(yè)流程如圖6所示。將改善后的生產(chǎn)參數(shù)導(dǎo)入Flexsim軟件進(jìn)行模擬運(yùn)行，運(yùn)行結(jié)果如圖2（d）所示。分析表明，改善后生產(chǎn)線平衡率為87.31%，平滑指數(shù)為1.57，基本沒(méi)有生產(chǎn)瓶頸，產(chǎn)能大幅度提高。

圖6 優(yōu)化后木門扇生產(chǎn)線作業(yè)流程Fig.6 Optimize the operation process of rear wooden door leaf production line

此外，根據(jù)Flexsim軟件前后優(yōu)化對(duì)比（表5）可知，木門扇生產(chǎn)線工位增加了37.5%，日產(chǎn)量提升了250%，生產(chǎn)線平衡性由差提升至良。結(jié)果表明：通過(guò)優(yōu)化生產(chǎn)工藝，合理配置各工序人員，能有效減少浪費(fèi)，提高生產(chǎn)效率，使生產(chǎn)運(yùn)行更加高效有序[21-22]。

表5 Flexsim軟件優(yōu)化前后對(duì)比表Tab.5 Comparison table before and after Flexsim software optimization

4 結(jié)語(yǔ)

實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線平衡是提高產(chǎn)品生產(chǎn)效率的重要手段，可以有效防止生產(chǎn)過(guò)剩、調(diào)節(jié)生產(chǎn)過(guò)程。本研究結(jié)合實(shí)際調(diào)研和計(jì)算機(jī)仿真的方法，針對(duì)木門扇生產(chǎn)線的瓶頸工序，通過(guò)添加定位裝置、合理配置人員、調(diào)整包裝區(qū)域等一系列措施對(duì)生產(chǎn)線進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，最終使木門扇生產(chǎn)線平衡率提高至87.31%，平衡性大大提高，由差提升為良[23]。然而，計(jì)算機(jī)軟件模擬與實(shí)際情況相比，可能會(huì)存在一定的誤差。目前，該研究?jī)H限于木門門扇部件，后續(xù)可在木門部件組成的混流生產(chǎn)線基礎(chǔ)上，可采用計(jì)算機(jī)仿真軟件進(jìn)一步開(kāi)展系統(tǒng)仿真和優(yōu)化設(shè)計(jì)[24-29]。