基于仿真軟件的鉚接生產(chǎn)線設(shè)計(jì)的仿真研究

郭志成 周強(qiáng) 林浩 王剛

摘? 要：文章在對某鉚接生產(chǎn)線的基本構(gòu)成、工藝規(guī)劃和作業(yè)流程進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上，使用仿真軟件建立了鉚接生產(chǎn)線仿真模型。首先針對生產(chǎn)線布局問題，利用遺傳算法進(jìn)行布局優(yōu)化，在優(yōu)化布局的結(jié)果上根據(jù)模型特點(diǎn)和仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)方案，對仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，尋找生產(chǎn)線瓶頸，為生產(chǎn)線規(guī)劃提供數(shù)據(jù)支持，并進(jìn)行輔助決策。

關(guān)鍵詞：仿真軟件；生產(chǎn)線；遺傳算法；仿真

中圖分類號：TP391.9? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? 文章編號：2096-4706（2023）06-0160-05

Simulation Research on Riveting Production Line Design Based on Simulation Software

GUO Zhicheng， ZHOU Qiang， LIN Hao， WANG Gang

（CEC Intelligent Technology Co.， Ltd.， Beijing? 102200， China）

Abstract： Based on the research of the basic composition， process planning and operation process of a riveting production line， this paper establishes a simulation model of the riveting production line by using the simulation software. Firstly， aiming at the layout problem of the production line， Genetic Algorithm is used to optimize the layout. Based on the characteristics of the model and the purpose of the simulation experiment， an experimental scheme is designed on the results of the optimization layout. It conducts the data analysis on the results of simulation experiment to find the bottleneck of production line， provide data support for production line planning and make auxiliary decisions.

Keywords： simulation software; production line; Genetic Algorithm; simulation

0? 引? 言

生產(chǎn)線設(shè)計(jì)是制造系統(tǒng)實(shí)施的基礎(chǔ)，對于生產(chǎn)線設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)方式為：確定生產(chǎn)線生產(chǎn)節(jié)拍及設(shè)計(jì)基限，設(shè)備選型及效率分析，工序同期化設(shè)計(jì)，作業(yè)人員數(shù)量計(jì)算，物流動線分析及物流方式設(shè)計(jì)，生產(chǎn)線整體布局設(shè)計(jì)。

生產(chǎn)線設(shè)計(jì)中的車間布局問題由于不同優(yōu)化目標(biāo)、不同種類以及不同設(shè)計(jì)階段而呈現(xiàn)出多樣性，其解空間極為龐大，屬于組合優(yōu)化問題且具有NP完全屬性，傳統(tǒng)計(jì)算方法難以獲得最優(yōu)解，使用仿真技術(shù)可以較為快捷有效解決車間布局問題。

通過仿真方式找到產(chǎn)線較優(yōu)布局后，使用仿真對車間整體建模，在充分考慮到車間布局、工藝、作業(yè)流程等的基礎(chǔ)上，仿真模擬的統(tǒng)計(jì)指標(biāo)可以作為方案優(yōu)化的重要輔助決策數(shù)據(jù)。

本文主要介紹了采用數(shù)字化仿真軟件對某新建大型鉚接生產(chǎn)線方案進(jìn)行仿真分析的過程，以達(dá)到找出產(chǎn)線瓶頸、優(yōu)化組織生產(chǎn)、提供生產(chǎn)效能、縮短生產(chǎn)周期的目的。

1? 生產(chǎn)線仿真建模

1.1? 生產(chǎn)線布局設(shè)計(jì)模型建立

車間布局問題是組合優(yōu)化問題，難以用傳統(tǒng)的枚舉算法得到最優(yōu)解，遺傳算法對這類問題有比較好的應(yīng)用。首先，針對這類車間布局問題描述如下：已知n個設(shè)備兩兩之間的物料搬運(yùn)量大?。╥=1， 2， …n；j=1， 2， …， n）以及n個工作位置，并且這n個工作位置之間的距離為（i=1， 2， …， n；j=1， 2， …n）。布局問題是將n個設(shè)備分配到n個工作位置，使得總的物min流成本最小。即：。將初始方案布局設(shè)置于模型中，模型對種群進(jìn)行選擇、交叉變異得到新一代種群，即新的工廠布局。

根據(jù)鉚接產(chǎn)線的產(chǎn)線數(shù)據(jù)進(jìn)行工位信息輸入，包含工藝順序、工位加工時長信息，建立布局設(shè)計(jì)模型，因產(chǎn)線加工產(chǎn)品種類較多，當(dāng)前僅以A產(chǎn)品加工單元展開描述：該加工單元包含自動鉆鉚裝備、型面檢測工位、氣瓶支架裝配工位、激光投影輔助裝配系統(tǒng)、形位公差測量系統(tǒng)等，負(fù)責(zé)A產(chǎn)品加工的設(shè)備初始布局如圖1所示，運(yùn)行程序后，計(jì)算得當(dāng)前布局下30個工作日的運(yùn)輸成本總計(jì)11 855.6元。

以運(yùn)輸成本最低的目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，程序運(yùn)行結(jié)束后，得到優(yōu)化后布局如圖2所示。

同時得到5組較優(yōu)解序列，及其對應(yīng)的運(yùn)輸成本，如表1所示。

遺傳算法運(yùn)行迭代圖如圖3所示，優(yōu)化前與優(yōu)化后桑基圖如圖4所示，藍(lán)色線段代表物流流向，粗細(xì)代表物流流量大小。

從以上結(jié)果可以看出，經(jīng)過遺傳算法的選優(yōu)，將之前物流壓力較大的主線拆分和位置調(diào)整，緩解了主干道的運(yùn)輸壓力，將部分物流活動分解給了原本空白部分區(qū)域，同時調(diào)整了下方原有工位順序，使物流動線更加合理，將物流成本由原有的11 855.6元降低至了11 011.96元。

1.2? 生產(chǎn)線整體仿真建模

考慮到生產(chǎn)線體的實(shí)際運(yùn)行中，會涉及人員數(shù)量、班次設(shè)置、設(shè)備間的交互配合、物流運(yùn)輸?shù)牡却c阻塞等問題，需對生產(chǎn)線更多實(shí)體進(jìn)行詳細(xì)的仿真建模，以實(shí)現(xiàn)優(yōu)化產(chǎn)線設(shè)計(jì)的目的。基于設(shè)備布局的最優(yōu)序列表，使用仿真軟件對鉚接生產(chǎn)線進(jìn)行整體仿真建模分析，擬定的流程如圖5所示。

（1）將鉚接生產(chǎn)線各產(chǎn)品設(shè)計(jì)的加工裝配流程、工位人員配置、物流轉(zhuǎn)運(yùn)規(guī)則，廠區(qū)的生產(chǎn)班次設(shè)置以及產(chǎn)品的生產(chǎn)訂單順序等信息作為仿真的原始輸入數(shù)據(jù)，進(jìn)行仿真建模。

（2）通過對模型進(jìn)行的校驗(yàn)與調(diào)試，保證輸入?yún)?shù)的準(zhǔn)確性與調(diào)度邏輯代碼的準(zhǔn)確性，使建立的仿真模型與現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)保持較高的一致性。

（3）通過查看輸出數(shù)據(jù)，包含：年產(chǎn)量數(shù)據(jù)，產(chǎn)品生產(chǎn)周期情況、人員、加工設(shè)備、轉(zhuǎn)運(yùn)工具的利用率等信息，對比規(guī)劃需求，確認(rèn)是否符合要求，分析產(chǎn)線瓶頸點(diǎn)，進(jìn)行不斷迭代優(yōu)化，提出符合實(shí)際的優(yōu)化方案。

圖6為建模完成后的仿真基礎(chǔ)布局圖，該仿真模型按照比例因子0.05（一個像素點(diǎn)代表長度0.05米）的標(biāo)準(zhǔn)對方案圖紙進(jìn)行縮放后進(jìn)行布局。

根據(jù)設(shè)備布局的最優(yōu)序列表在各工位處布置工位控件，根據(jù)實(shí)際工作時長輸出工位工作時長，模擬各工位加工活動，與工位連線相連的為緩存區(qū)控件，用于模擬線邊存儲活動，黃色長方形圖形為產(chǎn)品及產(chǎn)品組件實(shí)體。橫跨車間的藍(lán)色長方形框?yàn)樘燔噷?shí)體，黃色內(nèi)部帶箭頭長方形圖形為AGV實(shí)體。彩色人形實(shí)體代表該處有操作人員進(jìn)行操作，灰色人形實(shí)體代表無操作人員進(jìn)行操作狀態(tài)。

2? 仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1? 仿真場景設(shè)定

仿真目標(biāo)：在當(dāng)前規(guī)劃方案下產(chǎn)線仿真模擬運(yùn)行一年，驗(yàn)證年產(chǎn)能是否能夠滿足實(shí)際需求，統(tǒng)計(jì)各產(chǎn)品完成時間情況及關(guān)鍵設(shè)備的利用率等，分析產(chǎn)線瓶頸點(diǎn)。

本仿真模型設(shè)定為：以規(guī)劃設(shè)計(jì)方案布局為基礎(chǔ)，還原產(chǎn)線的基礎(chǔ)設(shè)備設(shè)施布局，在一年的仿真周期內(nèi)，以每年250個工作日以及現(xiàn)場工作日歷為仿真班次日歷，根據(jù)仿真輸入?yún)?shù)進(jìn)行仿真輸入，模擬產(chǎn)線工作裝配過程。

在該場景下，各區(qū)域工作由仿真時鐘推進(jìn)觸發(fā)，初始狀態(tài)為2022/06/01 08：50：00.0000產(chǎn)線狀態(tài)，仿真時鐘推進(jìn)至工作時間后，觸發(fā)后續(xù)產(chǎn)線裝配活動，當(dāng)工位完成當(dāng)前任務(wù)后，觸發(fā)產(chǎn)品轉(zhuǎn)運(yùn)活動，根據(jù)緊后工作產(chǎn)品是否達(dá)到觸發(fā)當(dāng)前工位的緊后工作，無產(chǎn)品達(dá)到進(jìn)入等待狀態(tài)，有產(chǎn)品到達(dá)則觸發(fā)緊后工作。

2.2? 仿真輸入?yún)?shù)設(shè)定

根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，需要進(jìn)行鉚接產(chǎn)線仿真實(shí)驗(yàn)的設(shè)備和設(shè)施輸入?yún)?shù)的設(shè)置，根據(jù)仿真場景，確定實(shí)驗(yàn)的可變參數(shù)和不變參數(shù)?？勺儏?shù)，如：AGV、天車數(shù)量和速度、班次日歷、貨物數(shù)量等均可以根據(jù)需求進(jìn)行修改，是該模型中靈活性最高的輸入?yún)?shù)。不可變參數(shù)，如：產(chǎn)線基本布局信息、輸送線感應(yīng)器位置信息等已經(jīng)根據(jù)現(xiàn)實(shí)情況與仿真需要設(shè)計(jì)完畢，不可自行修改。表2為仿真實(shí)驗(yàn)的基本輸入端參數(shù)（部分參數(shù)）。

考慮實(shí)際工作情況，為避免實(shí)驗(yàn)結(jié)果過度程式化以保證實(shí)驗(yàn)的真實(shí)性和準(zhǔn)確性，其余作業(yè)指標(biāo)均做了隨機(jī)參數(shù)處理，如表3所示。

根據(jù)統(tǒng)計(jì)的歷史數(shù)據(jù)可得出參數(shù)的最大值與最小值，因該參數(shù)會隨每次工況不同而產(chǎn)生變化，故設(shè)置為均勻分布參數(shù)，如AGV插取效率參數(shù)，不同工作狀態(tài)會影響AGV的搬運(yùn)效率，因統(tǒng)計(jì)的單次工作數(shù)值最大值為6分鐘，最小值為5分鐘，故設(shè)置AGV插取效率服從均勻分布，參數(shù)值為（5，6）分/托。

通過歷史參數(shù)的擬合得，人工清點(diǎn)效率為3～5分鐘完成一托拆盤，選擇σ1=180，σ2=300的正態(tài)分布設(shè)置隨機(jī)參數(shù)。

工位的加工效率因不同人員操作導(dǎo)致單次加工時間存在隨機(jī)分布現(xiàn)象，設(shè)置為均勻分布，因產(chǎn)線工位較多，此處不再列舉，以框環(huán)類組裝裝配工位為例，最短加工時長為7.5小時，最長加工時長為8小時，故在此設(shè)置加工效率服從均勻分布，參數(shù)值為（7.5，8）小時。

貨物達(dá)到頻率依據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)值，在仿真中設(shè)置為密度Λ=

3 600的泊松分布用于描述貨物的到達(dá)頻率。

3? 仿真結(jié)果分析

3.1? 產(chǎn)能情況分析

采用單班制的工作制度，仿真運(yùn)行一年后，對結(jié)果統(tǒng)計(jì)如表4所示。

其中產(chǎn)品J、產(chǎn)品O滿足年產(chǎn)能20架的需求，其余產(chǎn)品均不滿足，查看產(chǎn)品工藝，產(chǎn)品J與產(chǎn)品O流程相對獨(dú)立，未與其他產(chǎn)品工作流程產(chǎn)生干涉，故單班制的模式能夠滿足該品類產(chǎn)能要求。

觀察結(jié)果發(fā)現(xiàn)，各產(chǎn)品距離年需求數(shù)量差值不一，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表5所示。

根據(jù)分析結(jié)果，將仿真中單班制工作制度調(diào)整至雙班制工作制度（此處將已滿不再繼續(xù)加工，且后續(xù)當(dāng)產(chǎn)品滿足年產(chǎn)要求后，不再繼續(xù)加工該產(chǎn)品），運(yùn)行仿真，結(jié)果如表6所示。

由結(jié)果表可見，當(dāng)調(diào)整為雙班制后，除產(chǎn)品F與產(chǎn)品G外，其余產(chǎn)品均可滿足年產(chǎn)20架的需求。

3.2? 工位效率分析

對關(guān)鍵工位進(jìn)行效率分析，從利用率、等待率、阻塞率進(jìn)行分析，利用率指工作時間比仿真時間的比率，等待率指設(shè)備等待產(chǎn)品進(jìn)入時間比仿真時間的比率，阻塞率指工位已完成當(dāng)前產(chǎn)品加工，但由于物流、緊后工位工作情況等原因滯留在當(dāng)前工位的時間比仿真時間的比率。此處對工位7、8、17、21、30、34、36、45、39、49、55、60、61、62工位的效率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表7所示。

（1）39工位（筒段自動鉆鉚裝備），利用率最高，且等待率最低，阻塞率為0，由該數(shù)據(jù)可知，該工位在仿真時間內(nèi)基本處于持續(xù)工作狀態(tài)，小零件供應(yīng)充足，無等待加工時間，且運(yùn)輸設(shè)備運(yùn)輸及時，無阻塞情況出現(xiàn)，但由最終結(jié)果可知，產(chǎn)品F和產(chǎn)品G產(chǎn)品未能滿足年產(chǎn)20架的要求，該設(shè)備使用率已達(dá)到最高，需考慮增加工位設(shè)備以繼續(xù)提高產(chǎn)能。

（2）由表7可知，工位等待率最長為60工位（激光投影輔助裝配系統(tǒng)），查找仿真數(shù)據(jù)可知，60工位負(fù)責(zé)儀器倉產(chǎn)品裝配工作，該產(chǎn)品于2021/3/8? 22：45：45完成全部20架產(chǎn)品裝配工作，距仿真結(jié)束的剩余時間均計(jì)算在該工位的等待時間中，故造成等待率較高，需考慮合理分配產(chǎn)品加工波次分配或考慮將該工位與其他工位進(jìn)行合并處理，形成多功能工位。

（3）工位34（通用平板壁板自動鉆鉚機(jī)），由表7可知，等待時間較長，且利用率較低，最后完成加工活動的時間較晚，工位屬性信息表如圖7所示。

由此可知，空閑率相對較高，考慮該工位工藝，負(fù)責(zé)承接緊前工位33工位的產(chǎn)品G、產(chǎn)品D、產(chǎn)品C產(chǎn)品，造成等待時間較長的原因是與33工位的加工頻率不一致，33工位加工時間較長，造成等待情況，考慮通過提高33工位的效率以減少34工位的資源浪費(fèi)。

（4）由效率統(tǒng)計(jì)分析表可知，當(dāng)前存在阻塞情況的工位為7，8，17，55，60，出現(xiàn)阻塞的情況原因在于天車效率限制，出現(xiàn)工作任務(wù)沖突，未能完成及時運(yùn)輸，其中工位7，8，17為第一跨（CAD布局圖從上至下）天車負(fù)責(zé)，55，60為第二跨天車負(fù)責(zé)，考慮增加天車的數(shù)量以實(shí)現(xiàn)及時運(yùn)輸，但需考慮因?yàn)樘燔嚶窂礁缮嬖斐傻谋芘龅却龁栴}，或考慮使用其他地面運(yùn)輸設(shè)備完成特殊情況下的產(chǎn)品轉(zhuǎn)運(yùn)。

4? 結(jié)? 論

本文應(yīng)用仿真軟件對鉚接生產(chǎn)線布局方案進(jìn)行了仿真研究和分析，使用遺傳算法對生產(chǎn)線布局問題進(jìn)行了求解，在優(yōu)化后的生產(chǎn)線布局基礎(chǔ)上，對模型進(jìn)行詳細(xì)建模，找出了生產(chǎn)線的運(yùn)行瓶頸，并提出了優(yōu)化方案。上述仿真結(jié)果表明了將仿真軟件合理應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐，基于仿真結(jié)果對建設(shè)方案進(jìn)行規(guī)劃及調(diào)整，對全面分析生產(chǎn)線瓶頸及后續(xù)建設(shè)有顯著的指導(dǎo)作用。

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作者簡介：郭志成（1994—），男，漢族，山東諸城人，工程師，碩士，研究方向：智能制造。

收稿日期：2022-10-27