轉(zhuǎn)向單元裝配線仿真建模及優(yōu)化研究

陳紅霞，王曉昱

（1.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 機(jī)械學(xué)院，呼和浩特 010051； 2.裝甲兵技術(shù)學(xué)院 機(jī)械系，長春 130117）

0 引言

裝配是制造過程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，由于其過程復(fù)雜、技術(shù)要求高、自動(dòng)化程度較低，對其生產(chǎn)過程進(jìn)行優(yōu)化存在著較大潛力。高效率的裝配線是企業(yè)完成生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，可以決定生產(chǎn)企業(yè)的整體勞動(dòng)生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量[1]。

某企業(yè)的產(chǎn)品為重型車輛傳動(dòng)部件，其中轉(zhuǎn)向單元是其主要產(chǎn)品。隨著市場的發(fā)展，轉(zhuǎn)向單元的需求量與日俱增。但該企業(yè)的轉(zhuǎn)向單元裝配線投產(chǎn)至今，一直沒有在優(yōu)化平衡方面做深入研究，存在整條裝配線不平衡、生產(chǎn)率低的問題。由于裝配線各工序負(fù)荷的不均衡，極易造成工時(shí)損失甚至生產(chǎn)的中止，所以，急需對原有的轉(zhuǎn)向單元裝配線進(jìn)行優(yōu)化，提高生產(chǎn)率，降低成本，滿足企業(yè)擴(kuò)大產(chǎn)量的需求。

裝配線仿真優(yōu)化是以計(jì)算機(jī)支持的仿真技術(shù)為前提，對裝配線的各個(gè)單元進(jìn)行仿真建模，在仿真環(huán)境中模擬出裝配線的裝配全過程，根據(jù)仿真分析結(jié)果，制定出優(yōu)化方案。

1 轉(zhuǎn)向單元裝配線簡介

1.1 產(chǎn)品介紹

轉(zhuǎn)向單元部件專用于某重型車輛，位于傳動(dòng)路線末端，是一個(gè)回轉(zhuǎn)類部件，成品如圖1所示。該部件具有零件多、重量大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜和裝配工藝路線長的特點(diǎn)，轉(zhuǎn)向單元包含的主要零件如圖2所示。

1.2 裝配線介紹

圖1 轉(zhuǎn)向單元

圖2 轉(zhuǎn)向單元主要零件

該企業(yè)轉(zhuǎn)向單元裝配線每天三班連續(xù)生產(chǎn)，每班6小時(shí)（不含工休20分鐘），共18小時(shí)生產(chǎn)時(shí)間。由于采用人工操作，可以認(rèn)為無設(shè)備故障。在每個(gè)工位裝配完成后，當(dāng)即進(jìn)行檢驗(yàn)，可以假設(shè)產(chǎn)品100%合格。裝配線由一條總裝線及三條支線組成，共35個(gè)工位。三條支線分別負(fù)責(zé)裝配三套組件，之后將裝配好的組件輸送給總裝配線完成總裝配。該裝配線目前存在的問題是生產(chǎn)率低，節(jié)拍不穩(wěn)定，裝配線不平衡。

由于“仿真”研究具有投資少、周期短、見效快、可控、安全無破壞性、極易修改結(jié)構(gòu)及參數(shù)、易于考慮多種因素的綜合作用等優(yōu)點(diǎn)，對轉(zhuǎn)向單元裝配線采用Flexsim仿真軟件作為研究平臺，制定優(yōu)化平衡方案。

2 仿真研究

2.1 建立仿真模型

2.1.1 原裝配線建模

在Flexsim仿真軟件環(huán)境中，根據(jù)裝配線的實(shí)際配置，建立仿真模型，如圖3所示。合成器與處理器工位在裝配線中，用大寫英文字母“Z”開頭；字母后用數(shù)字表示所屬裝配工位，例如：“Z206”表示2號支線中的第6個(gè)工位，也代表模型中的對應(yīng)實(shí)體，以此類推。

圖3 Flexsim建立的裝配線仿真模型

2.1.2 設(shè)置參數(shù)實(shí)體

在Flexsim仿真軟件環(huán)境中進(jìn)行裝配線建模的常用參數(shù)包括：零件到達(dá)時(shí)間、暫存區(qū)容量、操作員數(shù)量、預(yù)置時(shí)間、裝配時(shí)間（或處理時(shí)間）及仿真運(yùn)行時(shí)間等。在轉(zhuǎn)向單元裝配線建模過程中，使用了如下參數(shù)：

1)零件到達(dá)時(shí)間。在實(shí)際裝配生產(chǎn)過程中，該裝配線有專人負(fù)責(zé)零件供應(yīng)，所以裝配線不受零件供應(yīng)缺乏影響。所以，設(shè)置參數(shù)為常值60，即可滿足仿真需要。

2)預(yù)置時(shí)間。在裝配線中，有些工位需要對零件進(jìn)行涂抹潤滑脂等操作，所以預(yù)置時(shí)間根據(jù)調(diào)研數(shù)據(jù)，按常值進(jìn)行設(shè)置。

3)裝配時(shí)間(或處理時(shí)間)。在裝配線中，用處理機(jī)及合成器實(shí)體模擬處理及裝配工位，該時(shí)間包括工位的裝夾、裝配、檢驗(yàn)等時(shí)間。各工位數(shù)據(jù)詳見表1～表4。

表1 1號支線數(shù)據(jù)

續(xù)表

表2 2號支線數(shù)據(jù)

表3 3號支線數(shù)據(jù)

表4 4號支線數(shù)據(jù)

4)仿真時(shí)間。該裝配線每個(gè)班次工作后，當(dāng)即進(jìn)行車間清理，每個(gè)班次互不干涉。所以，仿真模型模擬裝配線一個(gè)班次的裝配即可，仿真時(shí)間設(shè)置為216000秒（6小時(shí)，已排除工休時(shí)間），無預(yù)熱時(shí)間。

5)其他參數(shù)設(shè)置。對于仿真結(jié)果無影響的參數(shù)可以選擇軟件默認(rèn)值。

2.2 運(yùn)行仿真模型

運(yùn)行上述仿真模型，可得到如圖4所示透視圖。

圖4 仿真透視圖

從仿真運(yùn)行截圖中可以觀察到，零件供給暫存區(qū)內(nèi)零件供應(yīng)充足，1號支線中在Z102工位前，2號支線在Z202，Z211工位前，Z116工位與4號支線連接處，四處工位前的暫存區(qū)存在堆積。3號支線的工位Z301需要手工裝銷，效率很低,可以推斷3號支線的供應(yīng)速度比工位Z101慢，造成工位Z102等待3號支線供件，所以形成Z102工位前的暫存區(qū)零件堆積；Z116工位與4號支線連接處暫存區(qū)出現(xiàn)堆積，是因?yàn)?號線供應(yīng)速度慢，造成工位Z116等待，再對比數(shù)據(jù)，可知是3號支線的裝配速度慢，降低了1號線裝配效率，造成堆積；2號支線在Z202，Z211工位裝配速度慢于其他工位，造成上游堆積；3號支線與4號支線內(nèi)工件流暢。由統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可計(jì)算，在仿真時(shí)間216000秒內(nèi)共裝配出成品240件，裝配節(jié)拍為90秒。

從理論上說“只有達(dá)到平衡”各種資源的利用率和效率才最高。流量平衡化產(chǎn)生效率最佳化是所有生產(chǎn)系統(tǒng)追求的終極目標(biāo)。流水線作業(yè)效率可以用生產(chǎn)線的平衡率來評價(jià)[2]。計(jì)算公式如下：

在Flexsim軟件仿真數(shù)據(jù)報(bào)告中，可以得到各個(gè)工序的空閑率，所以生產(chǎn)線的平衡率計(jì)算公式可以變換如下[3]：

即：

定義原裝配線的平衡率為η0，根據(jù)上述公式及統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，由于Z301的空閑率最低，認(rèn)定該工位是整條裝配線的瓶頸?？梢杂?jì)算，η0＝41.82%。說明原裝配線平衡效率低，需要進(jìn)行平衡。

2.3 造成裝配線不平衡的原因

1）裝配車間的工人年齡跨度大，且男女工人都有，在工作分配時(shí)考慮到裝配線勞動(dòng)強(qiáng)度，實(shí)行崗位工資制，并把年長和女性工人分配在相對清閑的工位，年輕的男性工人分配在繁忙的崗位。

2）整條裝配線基本是每個(gè)工位裝配一個(gè)零件，由于技術(shù)條件的限制，導(dǎo)致裝配工作的強(qiáng)度和時(shí)間不同，并且某些工藝存在不足。

3）由于企業(yè)經(jīng)費(fèi)問題，只有鉗工工作臺適合多人操作，裝配線使用的裝配工作臺只適合一名工人操作，且車間空間無法容納同工位布置多個(gè)工作臺，因此導(dǎo)致零件裝配時(shí)間長的工位，無法依靠增加人員解決速度問題。

2.4 裝配線優(yōu)化平衡思路

1）改進(jìn)缺陷工藝：把同工位的多個(gè)技術(shù)條件進(jìn)行分散；工作負(fù)擔(dān)重的工位技術(shù)條件少，反之亦然；增加自動(dòng)化工具，提高裝配效率。

2）應(yīng)用啟發(fā)式平衡方法，對原裝配線進(jìn)行平衡。

2.5 優(yōu)化方案

使用啟發(fā)式裝配生產(chǎn)線平衡方法，并結(jié)合裝配車間的裝配線實(shí)際情況，對現(xiàn)有裝配線進(jìn)行優(yōu)化，方案如下：

1）按照啟發(fā)式方法所遵循原則更改工藝，先分配后繼作業(yè)多且作業(yè)元素重要的工位，在原有號線的工位Z206后，接入1號線工位Z115進(jìn)行裝配，這樣減少了工位Z115需要保證的技術(shù)條件數(shù)量，做到把技術(shù)條件分散，同時(shí)減輕工位Z115操作工人的操作強(qiáng)度，也相當(dāng)于后繼作業(yè)多的工位向前移動(dòng)；再將2號線的Z207工位接入到原1號線工位Z115后，工序?qū)?yīng)為原Z207，Z208，Z209，Z213，Z210，Z211，Z212，Z116（在新方案中按命名規(guī)律重新為工位編號），原3號線和4號線的接入位置不變。

2）再次應(yīng)用啟發(fā)式平衡方法，考慮由于實(shí)際情況限制原工位的作業(yè)元素不可分，所以只能對原工位做合并調(diào)整。將Z105、Z109、Z113、Z117、Z119、Z206、Z402工位并入上游工位（原工位編號取消），合并后的裝配時(shí)間是原工位裝配時(shí)間之和再加上轉(zhuǎn)換時(shí)間，這個(gè)時(shí)間，接近或等于裝配線預(yù)期節(jié)拍。合并后取消裝配線中對應(yīng)的工位編號。黏貼產(chǎn)品合格證的工作內(nèi)容增加到工位Z123，這樣裝配車間原來做這個(gè)工作的崗位可以取消。調(diào)整后，各個(gè)工位的操作時(shí)間均小于等于60秒，所以預(yù)計(jì)裝配線的生產(chǎn)節(jié)拍控小于60秒。調(diào)整后的裝配線（仿真模型）如圖5所示。

圖5 合并后的裝配線模型

3）為裝配線配置電工扳手，提高螺栓連接工位的裝配速度。

2.6 新方案仿真分析

運(yùn)行新方案仿真模型，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表5所示。

表5 仿真數(shù)據(jù)報(bào)告

計(jì)算裝配線平衡率：指定新的方案后，Z301仍是瓶頸工序，定義優(yōu)化后的裝配線平衡率為η1，使用公式（3）計(jì)算，裝配線平衡率為η1＝75.75%。一般情況下，當(dāng)裝配線的平衡率在75%～90%之間的時(shí)候，認(rèn)為裝配線處于平衡狀態(tài)。還可從統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)知：優(yōu)化后的裝配線共28個(gè)工位，較原裝配線減少7個(gè)工位，裝配線優(yōu)化平衡后，生產(chǎn)節(jié)拍是60秒。

2.7 裝配線優(yōu)化前后方案對比

原裝配線經(jīng)過優(yōu)化，取得明顯的成效：工位數(shù)量精簡，生產(chǎn)節(jié)拍加快，裝配線平衡率增加，具體如表6所示。

表6 數(shù)據(jù)對比

通過以上比較可知，按上述方案對裝配線進(jìn)行優(yōu)化平衡是可行的。

3 實(shí)際應(yīng)用效果

企業(yè)根據(jù)上述優(yōu)化方案進(jìn)行了裝配線改造：重新設(shè)置工位，為相關(guān)工位配備了電動(dòng)扳手、電動(dòng)修磨機(jī)及液壓軸承安裝機(jī)。試運(yùn)行期間，仍按原排班方式進(jìn)行裝配生產(chǎn)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，日產(chǎn)量提高50%左右，整條裝配線半成品堆積現(xiàn)象明顯好轉(zhuǎn)，部分工人反應(yīng)勞動(dòng)強(qiáng)度稍有增加但可以接受，企業(yè)對結(jié)果十分滿意。

4 結(jié)論

本文結(jié)合調(diào)研掌握的實(shí)際情況及數(shù)據(jù)，使用Flexsim仿真軟件建立原有裝配線仿真模型，運(yùn)行并統(tǒng)計(jì)仿真結(jié)果，研究原裝配線產(chǎn)生瓶頸的原因，以啟發(fā)式平衡方法作為理論基礎(chǔ)結(jié)合工藝改進(jìn)，制定出對原有裝配線進(jìn)行優(yōu)化平衡的方案。主要包括：重新分配作業(yè)元素；改進(jìn)原有裝配生產(chǎn)線的裝配工藝，對裝配時(shí)間短、操作簡單且相鄰的工位進(jìn)行合并，減少設(shè)備及人員數(shù)量；添加先進(jìn)工具，使裝配工作自動(dòng)化水平相對提高。對優(yōu)化裝配線的方案進(jìn)行建模及仿真分析，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示：工位由35個(gè)減少到28個(gè)；裝配線節(jié)拍由90秒減少到60秒；平衡率由41.82%提升到75.75%。采用優(yōu)化方案優(yōu)化后的裝配線生產(chǎn)效率明顯優(yōu)于原裝配線，且是平衡的裝配線，實(shí)際應(yīng)用效果良好。

[1] 陳紅霞, 劉軍, 王曉昱, 等.機(jī)械制造工藝學(xué)[M].北京.北京大學(xué)出版社.2010.

[2] 張群, 張杰, 譯.威廉史蒂文森.生產(chǎn)與運(yùn)作管理[M].北京: 機(jī)械工業(yè)出版社.2000.

[3] 陳紅霞, 王曉昱, 周歆華.Conform連續(xù)擠壓鋁扁管生產(chǎn)線仿真建模及優(yōu)化研究[J].鍛壓技術(shù).2010 (3).