揚(yáng)聲器組裝生產(chǎn)線平衡分析與仿真優(yōu)化

朱星宇，宮運(yùn)啟，張一博

（1.晉中學(xué)院機(jī)械系，山西晉中 030600；2.哈爾濱商業(yè)大學(xué)輕工學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150000；3.山西科技學(xué)院智能制造工程學(xué)院，山西晉城 030032）

隨著筆記本電腦的銷量逐年升高，電腦揚(yáng)聲器的市場需求也隨之增加。揚(yáng)聲器生產(chǎn)線以人工組裝為主，生產(chǎn)效率低，產(chǎn)線滿負(fù)荷運(yùn)行也無法滿足訂單需求，因而，提升揚(yáng)聲器產(chǎn)量迫在眉睫?；赑lant Simulation 仿真軟件對揚(yáng)聲器組裝線進(jìn)行仿真，分析其生產(chǎn)效率低的原因，并進(jìn)行改善優(yōu)化。

部分學(xué)者基于Em-Plant 對產(chǎn)線進(jìn)行仿真優(yōu)化。方建程使用Plant Simulation 仿真軟件對某車身車間進(jìn)行仿真分析，通過自主開發(fā)的仿真模塊搭建EMS 小車，分析載具數(shù)量對側(cè)圍生產(chǎn)線產(chǎn)能的影響[1]。張寶元針對手電筒生產(chǎn)線，借助Em-Plant 建立手電筒的產(chǎn)線仿真模型，基于仿真結(jié)果分析物流狀況，使用排時(shí)法改善瓶頸工序，進(jìn)而最大限度提高產(chǎn)線生產(chǎn)效率[2]。趙麗娜基于模擬退火方法解決了產(chǎn)線中檢測站設(shè)置的尋優(yōu)問題，并驗(yàn)證了SA方法是解決生產(chǎn)線中檢測站設(shè)置尋優(yōu)問題的有效方法[3]。

1 建立仿真模型

1.1 組裝工序

揚(yáng)聲器組裝工序和產(chǎn)線各工序組裝時(shí)間如表1。其組裝線共24 個(gè)組裝工序，需要按照緊前工序進(jìn)行組裝，這樣才能滿足揚(yáng)聲器組裝工藝要求。

1.2 建立仿真模型

1.2.1 設(shè)置仿真參數(shù)

工位12 的產(chǎn)品數(shù)大于等于1 時(shí)，自動(dòng)把物料從12運(yùn)轉(zhuǎn)到13。

1.2.2 設(shè)置人工作業(yè)任務(wù)

Working place 表示工作地，Amount 表示執(zhí)行對應(yīng)操作的工人數(shù)量，Additional Services 為工人作業(yè)任務(wù)。表2為人工作業(yè)分配表。

表2 人工作業(yè)分配表

1.2.3 設(shè)置模型運(yùn)行時(shí)間

為確保仿真結(jié)果的可靠性，仿真模型運(yùn)行時(shí)長設(shè)置為30 d，產(chǎn)線停線4 h 白夜班產(chǎn)線工作時(shí)間均為10 h，根據(jù)產(chǎn)線運(yùn)行時(shí)間設(shè)置Shiftcalendar。表3 為產(chǎn)線白夜班停線時(shí)間。

表3 排班表

表4 為產(chǎn)線優(yōu)化前的設(shè)備及人工利用率。由于工位8、工位12 及工位18 為設(shè)備自動(dòng)組裝，因而不存在人工利用率問題，所有用“-”表示。

表4 優(yōu)化前設(shè)備及人工利用率

1.3 仿真結(jié)果分析

由表4 可知產(chǎn)線各工位設(shè)備平均利用率為71%，從各工位生產(chǎn)節(jié)拍可明顯看出，各工位生產(chǎn)節(jié)拍數(shù)值差距較大，產(chǎn)線人工利用率不足70%。要想提高產(chǎn)線產(chǎn)量，首先，要解決產(chǎn)線設(shè)備及人工利用率較低的問題，其次，需要對產(chǎn)線組裝工序進(jìn)行優(yōu)化，基于遺傳算法對緊前工序進(jìn)行重排，進(jìn)而提高產(chǎn)線的平衡率，改善設(shè)備利用率及人工利用率低的現(xiàn)狀。

2 仿真優(yōu)化

2.1 選擇優(yōu)化算法

與其他優(yōu)化算法相比較，遺傳算法有以下優(yōu)勢：

（1）遺傳算法覆蓋面大，在不需知道空間信息的前提下，搜索到最優(yōu)解的概率更大。

（2）遺傳算法是把決策變量的編碼作為對象。而傳統(tǒng)優(yōu)化算法是以決策變量的實(shí)際值為基礎(chǔ)進(jìn)而進(jìn)行相關(guān)的優(yōu)化計(jì)算[4]。

（3）遺傳算法的適應(yīng)性和可擴(kuò)充性比較強(qiáng)，可以與其他方法結(jié)合進(jìn)行求解。

通過比較遺傳算法與其他優(yōu)化算法的優(yōu)缺點(diǎn)，最終選擇遺傳算法作為本模型的優(yōu)化算法[5-6]。遺傳算法的計(jì)算流程如圖1。首先，啟用GAOptimization 產(chǎn)生初始編碼，交換完成后的數(shù)據(jù)作為第一代。其次，由GASequence 通過選擇、交叉、變異產(chǎn)生子代。最后，通過Evaluate 對生成的編碼進(jìn)行檢驗(yàn)，檢驗(yàn)正常的子代直接輸出。生物的進(jìn)化過程主要是通過染色體之間的交叉和染色體基因變化來完成的。遺產(chǎn)算法中最優(yōu)解的搜索過程正是模仿生物的這個(gè)進(jìn)化過程，進(jìn)行反復(fù)迭代，最后尋找到最優(yōu)解。

圖1 遺傳算法的計(jì)算流程

2.2 優(yōu)化產(chǎn)線布局與模型參數(shù)

揚(yáng)聲器組裝線需滿足物料搬運(yùn)路程最短原則，確保產(chǎn)線人工、物料放置區(qū)的充分使用，不僅可以保證物流的暢通，而且可以提升組裝線的生產(chǎn)效率。

（1）產(chǎn)線布局

流向合理，移動(dòng)最短原則。組裝線布局設(shè)計(jì)需要以揚(yáng)聲器的組裝工序?yàn)榛A(chǔ)，物流設(shè)計(jì)必須符合產(chǎn)品的特點(diǎn)，產(chǎn)品的組裝過程一般是連續(xù)的，同時(shí)組裝過程中不能出現(xiàn)物料運(yùn)輸距離過長的情況。

高效利用面積原則。布局揚(yáng)聲器組裝線時(shí)，要充分利用廠房面積，在留有充足維修空間的前提下，設(shè)備之間的距離要盡可能縮短。不僅可以提高廠房面積的利用效率，縮短物料運(yùn)送距離。同時(shí)根據(jù)人工的流量、物流運(yùn)輸量的大小，設(shè)定通道寬度，進(jìn)而確保物料運(yùn)輸?shù)牧鲿砙7]。

安全利于工作原則。在確保產(chǎn)線正常生產(chǎn)的情況下，要以安全生產(chǎn)為前提。并且，要嚴(yán)抓車間6 s管理，其主要內(nèi)容包括：整理、整頓、清潔、清掃、素養(yǎng)、安全[7]。

柔性原則。揚(yáng)聲器組裝線布局的柔性要高，在不改變產(chǎn)線整體布局的前提下，可以根據(jù)相同規(guī)格產(chǎn)品的差異，對產(chǎn)線布局進(jìn)行快速微調(diào)，確保產(chǎn)線布局有較高的柔性[8]。

揚(yáng)聲器生產(chǎn)線要符合兩個(gè)遵守的原則，即逆時(shí)針排布、出入口相同。為同時(shí)滿足物料搬運(yùn)成本最小、空間的有效利用、工人的有效利用，將產(chǎn)線布局為“U”型，實(shí)現(xiàn)連續(xù)流甚至“一個(gè)流”生產(chǎn)[9]。

（2）設(shè)定模型參數(shù)

設(shè)定Method、開始優(yōu)化、編碼評估、初始化、作業(yè)指派、Ori、Opt 及Eva_1 和Eva_0 等控制模塊，同時(shí)修改模型中的全局變量[10-11]。全局變量具體數(shù)值如表5。

表5 全局變量

（2）優(yōu)化后工位重組，20 個(gè)工作地工作時(shí)間在19～23 s 內(nèi)，作業(yè)元素1 與作業(yè)元素2 為一個(gè)作業(yè)單元，作業(yè)元素8 與作業(yè)元素9 為一個(gè)作業(yè)單元，作業(yè)元素11 與作業(yè)元素3 為一個(gè)作業(yè)單元，作業(yè)元素19與作業(yè)元素20為一個(gè)作業(yè)單元。其余作業(yè)單元根據(jù)緊前工序依次排列。

根據(jù)以上參數(shù)建立產(chǎn)線模型，通過仿真后得到各工位運(yùn)行狀態(tài)的仿真結(jié)果。表6 為優(yōu)化后工位與人工利用率。

表6 優(yōu)化后工位與人工利用率

優(yōu)化后產(chǎn)線各工位平均利用率由76%提高為接近88%，人工利用率由通過遺傳對原來的工序進(jìn)行重組，工序重組后減少為20個(gè)，工位的利用率得到提升，各工位生產(chǎn)節(jié)拍數(shù)值差距減小。根據(jù)各工序時(shí)長、工位數(shù)、產(chǎn)線節(jié)拍求得產(chǎn)線優(yōu)化后的平衡率接近90%。

3 結(jié)語

文章針對揚(yáng)聲器組裝線生產(chǎn)效率低的問題進(jìn)行研究，使用plant simulation 軟件對揚(yáng)聲器組裝線進(jìn)行模擬仿真。通過仿真發(fā)現(xiàn)產(chǎn)線的設(shè)備利用率較低，生產(chǎn)節(jié)拍極不平衡，是導(dǎo)致生產(chǎn)效率低的主要原因。

（1）選用“U”型布局作為揚(yáng)聲器產(chǎn)線布局方式。

（2）應(yīng)用遺傳算法對產(chǎn)線組裝工序進(jìn)行合并重組，建立仿真優(yōu)化模型。通過對緊前工序進(jìn)行重組的方式，解決產(chǎn)線不平衡的現(xiàn)狀，進(jìn)而提高產(chǎn)線的生產(chǎn)效率。

（3）優(yōu)化后產(chǎn)線平衡率從76%提升到90%，人工利用率從66%提升為88%，設(shè)備利用率從70%提升到90%。通過仿真優(yōu)化解決了一些問題，首先，找出產(chǎn)線平衡率低、設(shè)備利用率及人工利用率低是導(dǎo)致產(chǎn)線生產(chǎn)效率低的主要原因；其次，基于產(chǎn)線布局的基本原則對產(chǎn)線進(jìn)行重新布局，減少不必要的物料運(yùn)輸成本；最后，使用遺傳算法重組組裝工序，提升產(chǎn)線平衡率，進(jìn)而提升產(chǎn)線生產(chǎn)效率。