倪玉晉，程　寓，夏陽(yáng)雨，徐玉高

(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南京　210094)

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基于FLEXSIM的發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋生產(chǎn)線的仿真與優(yōu)化研究*

倪玉晉，程寓，夏陽(yáng)雨，徐玉高

(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南京210094)

三維仿真技術(shù)在生產(chǎn)線平衡方面的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。文章運(yùn)用FLEXSIM三維仿真軟件，以某公司的發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋生產(chǎn)線為例，對(duì)其進(jìn)行了仿真分析，確定了瓶頸工位，找出了影響生產(chǎn)線效率的關(guān)鍵工序，并提出了改進(jìn)方案，最后與原方案進(jìn)行了對(duì)比，在30天的工作日內(nèi)，產(chǎn)量從5089件提高到了15798件，生產(chǎn)效率翻了2倍，年產(chǎn)量從6萬(wàn)臺(tái)提高到了18萬(wàn)臺(tái)。

缸蓋生產(chǎn)線；Flexsim；仿真優(yōu)化；年產(chǎn)量

0　引言

隨著經(jīng)濟(jì)全球化和我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)，國(guó)內(nèi)制造企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)模型發(fā)生了改變，從以前的注重生產(chǎn)規(guī)模、產(chǎn)品質(zhì)量逐漸地向注重生產(chǎn)效率、速度競(jìng)爭(zhēng)[1]。這種模式的轉(zhuǎn)變使得一個(gè)問(wèn)題越來(lái)越突出，就是生產(chǎn)線的平衡問(wèn)題。這一問(wèn)題直接影響企業(yè)產(chǎn)品的生產(chǎn)效率以及在市場(chǎng)上的核心競(jìng)爭(zhēng)力。

生產(chǎn)線平衡問(wèn)題最早由美國(guó)人提出，隨后，越來(lái)越多的學(xué)者專(zhuān)家開(kāi)始研究這一問(wèn)題。平衡方法有：數(shù)學(xué)最優(yōu)化方法、啟發(fā)式算法、工業(yè)工程的工作研究方法、三維軟件仿真等[2]。近年來(lái)三維仿真技術(shù)飛速發(fā)展，可以更加直觀方便地對(duì)生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行建模分析，對(duì)未來(lái)的規(guī)劃作科學(xué)的預(yù)測(cè)，對(duì)投入使用的生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化改善。三維仿真軟件集計(jì)算機(jī)三維圖像處理技術(shù)，仿真技術(shù)，人工智能技術(shù)，現(xiàn)代物流技術(shù)和高度數(shù)據(jù)庫(kù)處理技術(shù)為一體。

目前，常用的物流三維仿真軟件有Automod、Flexsim、RaLC、Witness[3]。運(yùn)用Flexsim可以在計(jì)算機(jī)內(nèi)建立研究對(duì)象的系統(tǒng)三維模型，通過(guò)逼真圖形動(dòng)畫(huà)顯示、完整的運(yùn)作績(jī)效報(bào)告、各種方案的大量反饋信息，分析者可以對(duì)模型進(jìn)行各種系統(tǒng)分析、優(yōu)劣比較和工程驗(yàn)證，最終獲得優(yōu)化設(shè)計(jì)或改進(jìn)方案[4]。國(guó)內(nèi)石宇強(qiáng)[5]、王薇[6]、馬云[7]、張帆[8]等均采用了Flexsim軟件來(lái)對(duì)生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析并解決了各自的問(wèn)題。在本文中，我們同樣采用Flexsim軟件來(lái)對(duì)生產(chǎn)線進(jìn)行仿真分析。

1　項(xiàng)目改造背景

隨著公司發(fā)展速度的加快，同時(shí)也會(huì)面臨著老舊生產(chǎn)線的替換與改進(jìn)。該線的投產(chǎn)日期比較早，年產(chǎn)量為6萬(wàn)臺(tái)，面對(duì)越來(lái)越大的市場(chǎng)需求，這一產(chǎn)量已經(jīng)無(wú)法滿足需求，于是對(duì)生產(chǎn)線的改進(jìn)就顯得尤為重要了。本文就是針對(duì)該公司的一條發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋生產(chǎn)線所存在的問(wèn)題做出的解決方案。

2　仿真模型建立

經(jīng)調(diào)研得知，生產(chǎn)線每隔一分鐘上一次料。整條線總共33道工序，按照工藝集中的原則分成了十三個(gè)工位。其中工位九由操作工在鉗工臺(tái)上作業(yè)，工位十三同樣由工人操作，其余工位則均為自動(dòng)化作業(yè)。各工位的工序如表1所示。

表1　缸蓋加工工藝

由于考慮到測(cè)量時(shí)候的一些人為或者器械的誤差，為了彌補(bǔ)這個(gè)誤差，我們對(duì)所測(cè)得的時(shí)間做一個(gè)誤差處理，使其服從±5的均勻分布。發(fā)生器中設(shè)置到達(dá)類(lèi)型為Inter-Arrival Time，時(shí)間設(shè)置為60s，產(chǎn)品類(lèi)型為一種。各個(gè)處理器的加工時(shí)間按照上述服從±5的均勻分布設(shè)置，同時(shí)按實(shí)際情況設(shè)置同時(shí)加工的數(shù)量。仿真模型如圖1所示。

圖1　仿真模型

在時(shí)間控制器中設(shè)置仿真時(shí)間為30個(gè)工作日(假設(shè)在30個(gè)工作日之內(nèi)無(wú)任何法定節(jié)假日)，該企業(yè)除法定節(jié)假日，每天生產(chǎn)時(shí)間為8h，每個(gè)工作日按8h計(jì)算，仿真模型以秒為單位，計(jì)算得出，模型運(yùn)行時(shí)間為864000s。點(diǎn)擊運(yùn)行按鈕，仿真結(jié)果如圖2、圖3所示。

圖2　Blocked

圖3　Processing

3　結(jié)果分析

Flexsim軟件具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析功能，與EXCEL有良好的數(shù)據(jù)接口，仿真的數(shù)據(jù)可以直接在EXCEL中生產(chǎn)表格、圖表。我們可以從中清楚的知道每個(gè)工位的阻塞、空閑時(shí)間、輸入輸出量等數(shù)據(jù)。從圖2中可以看出，工位六的阻塞率達(dá)到了50%，而其余工位基本都在10%左右。六工位發(fā)生了嚴(yán)重的堵塞。我們知道，瓶頸工序設(shè)備的特點(diǎn)是：處理零件的工時(shí)較長(zhǎng)，設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間的處于運(yùn)行狀態(tài)，設(shè)備利用率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其它設(shè)備[10]。

一般情況下，發(fā)生了嚴(yán)重堵塞現(xiàn)象工位的下一個(gè)工位就是瓶頸工位。那么工位七可能就是整條線的瓶頸工位。出現(xiàn)堵塞的原因是由于下一道工序的加工時(shí)間太長(zhǎng)，導(dǎo)致前一道工序不能進(jìn)一步向下游工序輸送零件。再對(duì)比各個(gè)工位的加工效率，工位七的加工效率達(dá)到了100%，也就是說(shuō)一直處于加工狀態(tài)，而其余工位均有較多的加工空閑時(shí)間。綜合這兩項(xiàng)數(shù)據(jù)不難得出一個(gè)結(jié)論，工位七就是生產(chǎn)線的瓶頸工位，嚴(yán)重影響了整條線的生產(chǎn)效率。加以適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)，必定能大大的提高生產(chǎn)線的加工效率。

針對(duì)優(yōu)化目標(biāo)，為使流水線上工位的空閑時(shí)間與阻塞時(shí)間最小化，優(yōu)化方法有以下幾種：

(1)對(duì)生產(chǎn)工藝路線和布局進(jìn)行改進(jìn)。合理的生產(chǎn)工藝路線能使生產(chǎn)線運(yùn)行流暢，使每個(gè)工位操作時(shí)間盡量接近于合理的流水線節(jié)拍時(shí)間，即保證生產(chǎn)線的平衡狀態(tài)，減少不必要的時(shí)間浪費(fèi)，從而降低空閑時(shí)間與阻塞時(shí)間，提高生產(chǎn)物流運(yùn)行效率。

(2)對(duì)于生產(chǎn)物流系統(tǒng)中的瓶頸節(jié)點(diǎn)增加設(shè)備或員工等方法以提高該工位的工作效率，使瓶頸工位的作業(yè)在生產(chǎn)節(jié)拍內(nèi)完成，減少阻塞時(shí)間。

(3)合理設(shè)置流水線節(jié)拍，使流水線上工位的閑置時(shí)間與阻塞時(shí)間和最小化，從而使工位利用率達(dá)到最大化。

對(duì)于以上三種方法，都可以利用Flexsim仿真的方法得到理想的方案?？紤]到實(shí)際生產(chǎn)線的狀況：該線早已投入生產(chǎn)，工藝路線和布局是已經(jīng)規(guī)劃好的。如果想要在這方面進(jìn)行改變，那么整條線都要面臨大的改動(dòng)，隨之而來(lái)的是更大的資金投入，顯然違背了公司的本意。同理，如果想要重新設(shè)置流水線的生產(chǎn)節(jié)拍，那么在工藝方面必然也會(huì)引起較大的改動(dòng)，同樣與原則想悖，所以生產(chǎn)節(jié)拍也不能輕易改變。綜合考慮，我們選擇第二種方法，從具體的一個(gè)小問(wèn)題入手，提出合理的改進(jìn)方案。

4　改進(jìn)方案

工位七是鉆噴油器孔，共有兩道工序。第一道工序?yàn)殂@深度為57mm的噴油器孔，第二道工序?yàn)殂@通下半部分的孔，長(zhǎng)度為20mm，總加工時(shí)間為92.8s。從之前的分析結(jié)果來(lái)看，工位七的加工時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，導(dǎo)致了上游工序的嚴(yán)重堵塞，從而引起了生產(chǎn)線一系列工序或多或少的堵塞現(xiàn)象。我們選擇從工藝參數(shù)方面做一些調(diào)整。原工藝如表2。

表2　原工藝

在允許范圍內(nèi)，我們適當(dāng)?shù)靥岣吡酥鬏S轉(zhuǎn)速以及走刀量，改進(jìn)后的工藝如表3。

表3　新工藝

改進(jìn)之后，兩道工序的主軸轉(zhuǎn)速分別從380、450轉(zhuǎn)/分提高到了450、500轉(zhuǎn)/分，走刀量分別從0.12、0.15mm/轉(zhuǎn)提高到了0.15、0.2mm/轉(zhuǎn)。切削速度與吃刀深度都保持不變。工位七的加工時(shí)間由75s+17.8s變成了50.67s+12s。改善之后的加工時(shí)間大大縮減。

5　仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證我們改進(jìn)方案的預(yù)期效果，對(duì)改進(jìn)之后的的生產(chǎn)線重新進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖4所示。

圖4　Blocked

圖5　Processing

可以看出，經(jīng)過(guò)改進(jìn)之后，每個(gè)工位的堵塞都大大的降低了，最高的只有1.6%左右。存在細(xì)微的堵塞是可以接受的情況，這些堵塞產(chǎn)生的原因是部分工位的空閑率比較低，加工時(shí)間略高于生產(chǎn)節(jié)拍。如果一條生產(chǎn)線上所有工位沒(méi)有一絲的堵塞，那就證明有過(guò)多的加工空閑，設(shè)備沒(méi)有得到充分的利用。同時(shí)我們可以看出各工位的加工效率基本都保持在95%以上，幾乎沒(méi)有空閑產(chǎn)生。我們可以對(duì)比一下瓶頸工位改進(jìn)前與改進(jìn)后的輸入與輸出量,如圖6所示。

圖6　輸入與輸出

從圖中我們可以看出，在30個(gè)工作日內(nèi)，原工位六的輸入量為11254件，輸出為5089件，產(chǎn)出率僅達(dá)到50%。而經(jīng)過(guò)改進(jìn)之后，輸入量達(dá)到15990件，輸入量的提高說(shuō)明上游工序的加工效率也受到了正影響，輸出量更是高達(dá)15798件，幾乎與輸入量持平，輸出產(chǎn)品的數(shù)量比之前翻了2倍。由于瓶頸工位的生產(chǎn)效率制約著整條線，工位六的產(chǎn)出量就代表了整條線的產(chǎn)出量?？梢灶A(yù)計(jì)，改進(jìn)之后的生產(chǎn)線年產(chǎn)量將會(huì)從6萬(wàn)件提高到18萬(wàn)件。

6　結(jié)論

本文運(yùn)用Flexsim對(duì)生產(chǎn)線進(jìn)行了仿真，清晰的展示了運(yùn)作過(guò)程、瓶頸問(wèn)題，并以此提出了改進(jìn)方案，使生產(chǎn)效率提高了2倍，將年產(chǎn)量從6萬(wàn)件提高到了18萬(wàn)件，成功地在低成本、高效率的前提下達(dá)到了預(yù)期的目的。實(shí)踐表明，F(xiàn)lexsim軟件對(duì)生產(chǎn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以及輔助分析都有非常大的作用，兩者的結(jié)合必能獲得深遠(yuǎn)的發(fā)展。在將來(lái)，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)必然會(huì)越來(lái)越多的替代以往傳統(tǒng)方法，成為一個(gè)主流趨勢(shì)。

[1] 高彩芝.基于Flexsim生產(chǎn)物流系統(tǒng)仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)[D].天津:天津大學(xué)，2010.

[2] 潘曉勇，巫江.H型生產(chǎn)線平衡研究[J].制造業(yè)自動(dòng)化，2014，36(4)：78-81.

[3] 曹玉華，彭鴻廣，馬航育.基于Flexsim在生產(chǎn)線上應(yīng)用研究[J].浙江科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，21(1):10-14.

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[5] 石宇強(qiáng).基于達(dá)寶易與Flexsim的生產(chǎn)線優(yōu)化研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，20011(2):130-132.

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[9] 王雪蘭.基于Flexsim凸輪軸生產(chǎn)物流系統(tǒng)仿真[D].武漢:武漢科技大學(xué)，2008.

[10] 何智春.基于Flexsim機(jī)加工車(chē)間設(shè)施布置建模與仿真[D].武漢:武漢理工大學(xué)，2009.

(編輯趙蓉)

The Simulation and Optimization of Cylinder Head Line Based on Flexsim

NI Yu-jin，CHENG Yu，XIA Yang-yu，XU Yu-gao

(School of Mechanical Engineering,Nanjing University of Science & Technology，Nanjing 210094，China)

The technology of 3D simulation is now widely used in the line balancing.we complete the simulation and analysis of a cylinder head line of X company with Flexsim simulation software,define the bottleneck process,and find out the key processe which affect the efficiency of the line,and put forward a improving program,at last make a contrast with the orignal program.The output increases from 5089 to 15798 in 30 weekdays,and the production efficiency doubles,and the annual output increases from sixty thousand to eighty thousand.

cylinder head line;Flexsim;simulatin and optimization；annual output

1001-2265(2016)04-0158-03DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.04.042

2015-06-11

國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)：“轎車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、缸蓋柔性精密制造單元”(2013ZX04002-011)

倪玉晉(1990—)，男，江蘇揚(yáng)州人，南京理工大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)檗I車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、缸蓋柔性精密制造單元總體設(shè)計(jì)，(E-mail)nyj_daoji@163.com。

TH165;TG659

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