牛增善，苗亞男，馬盈政

(1.新鄉(xiāng)航空工業(yè)(集團(tuán))有限公司 工藝研究所，河南 新鄉(xiāng) 453049；2.機(jī)械工業(yè)第六設(shè)計(jì)研究院有限公司工業(yè)與智能中心，河南 鄭州 450007)

隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的進(jìn)步，系統(tǒng)仿真技術(shù)得到了飛速發(fā)展，在各領(lǐng)域的應(yīng)用不斷向廣度和深度拓展.當(dāng)前，系統(tǒng)仿真技術(shù)已經(jīng)成為分析、研究各種復(fù)雜系統(tǒng)的重要工具，被廣泛用于工程領(lǐng)域和一些非工程領(lǐng)域.

工藝物流系統(tǒng)是現(xiàn)代制造廠的重要組成部分，生產(chǎn)工藝和物流方案合理化是提高制造廠生產(chǎn)力和生產(chǎn)效率最重要的方法.通過建立適當(dāng)顆粒度的離散型生產(chǎn)系統(tǒng)工藝物流仿真模型，形成數(shù)字化工廠的物理工廠與虛擬工廠的孿生映射關(guān)系，虛實(shí)結(jié)合，并經(jīng)過虛擬仿真模型的迭代式模擬實(shí)驗(yàn)，可優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，指導(dǎo)真實(shí)的工廠規(guī)劃、生產(chǎn)和管理；同時(shí)，該設(shè)計(jì)方案在真實(shí)工廠的應(yīng)用效果可用于驗(yàn)證虛擬仿真模型優(yōu)化方法的科學(xué)性.

雖然系統(tǒng)仿真技術(shù)已廣泛應(yīng)用于汽車、電子等大規(guī)模生產(chǎn)行業(yè)，但在航空領(lǐng)域應(yīng)用較少.航空工業(yè)生產(chǎn)屬于典型的多品種、小批量離散生產(chǎn)類型，近年來對系統(tǒng)仿真技術(shù)的需求日益強(qiáng)烈.因此，本文在對系統(tǒng)仿真需求進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，設(shè)定邊界條件，構(gòu)建基于Plant Simulation的離散型系統(tǒng)模型，并通過工藝仿真實(shí)現(xiàn)虛擬生產(chǎn)，以期優(yōu)化某壓力調(diào)節(jié)器生產(chǎn)單元(生產(chǎn)線)的實(shí)際生產(chǎn)工藝和物流方案.

1 系統(tǒng)仿真技術(shù)

系統(tǒng)仿真可定義為：在全部時(shí)間內(nèi)，通過對系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)模型性能觀測來求解問題的技術(shù).系統(tǒng)仿真的主要過程包括建立模型、模型實(shí)驗(yàn)和結(jié)果分析.以控制理論、相似理論和數(shù)理統(tǒng)計(jì)理論為基礎(chǔ)，借助計(jì)算機(jī)和其他專用的物理設(shè)備，可完成系統(tǒng)仿真的建模.利用所建立的系統(tǒng)模型，能夠?qū)φ鎸?shí)或假想的系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)(模型實(shí)驗(yàn)).運(yùn)用統(tǒng)計(jì)分析方法、專家經(jīng)驗(yàn)知識以及相關(guān)的系統(tǒng)資料，可完成實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析和輔助決策[1].

系統(tǒng)仿真可分為連續(xù)系統(tǒng)仿真和離散事件系統(tǒng)仿真.連續(xù)系統(tǒng)仿真是系統(tǒng)的狀態(tài)隨時(shí)間連續(xù)變化的仿真[2].多數(shù)工程系統(tǒng)都屬于連續(xù)系統(tǒng)，如電力系統(tǒng)、機(jī)電工程系統(tǒng)、航空發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)等.而離散事件系統(tǒng)的狀態(tài)僅與離散的時(shí)間點(diǎn)有關(guān)，當(dāng)離散的時(shí)間點(diǎn)改變時(shí)，系統(tǒng)狀態(tài)才發(fā)生變化.如果離散事件系統(tǒng)的活動(dòng)和狀態(tài)處于頻繁變動(dòng)的過程，就將其稱為離散事件動(dòng)態(tài)系統(tǒng)[3].

(1) 建模與仿真方法學(xué).它指對于真實(shí)系統(tǒng)，確定其仿真模型的結(jié)構(gòu)和參數(shù).

(2) 仿真算法.仿真算法是將系統(tǒng)模型轉(zhuǎn)換為仿真模型的一類算法.它經(jīng)歷了從串行算法到并行算法的發(fā)展過程[4]，當(dāng)前研究的重點(diǎn)在于實(shí)時(shí)連續(xù)算法、各類系統(tǒng)的并行算法及定性系統(tǒng)算法.

(3) 仿真軟件.仿真軟件充分吸收了仿真方法學(xué)、計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)、圖形/圖像、多媒體、軟件工程、自動(dòng)控制、人工智能等技術(shù)的新成果，從而得到很大發(fā)展.

(4) 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù).虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是在綜合系統(tǒng)仿真技術(shù)、計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)、傳感技術(shù)、顯示技術(shù)等基礎(chǔ)上發(fā)展起來的.它以仿真的方式使人置身于一個(gè)虛擬的世界.

(5) 分布仿真技術(shù).作為仿真技術(shù)的最新發(fā)展成果，它在高層體系結(jié)構(gòu)(HLA)上建立了一個(gè)廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域.不同地域的各種仿真系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)互操作和重用框架及規(guī)范[5].

2 系統(tǒng)仿真的需求分析

2.1 生產(chǎn)現(xiàn)場問題

某壓力調(diào)節(jié)器生產(chǎn)單元(生產(chǎn)線)主要用于航空座艙壓力調(diào)節(jié)部件的裝配.經(jīng)過調(diào)研，該裝配車間的生產(chǎn)現(xiàn)場存在一些突出問題.

(1) 受企業(yè)性質(zhì)和產(chǎn)品質(zhì)量要求限制，生產(chǎn)過程中零件加工工序重復(fù)，存在工序浪費(fèi)現(xiàn)象.

(2) 不重視人員使用效率，車間工位負(fù)荷不均，個(gè)別工位甚至存在較長的空閑時(shí)間.

(3) 設(shè)備利用率不高，經(jīng)常處于停機(jī)等待狀態(tài)，設(shè)備價(jià)值功率低.

(4) 車間生產(chǎn)調(diào)度采用人工操作方式，存在過多人為干擾因素，不符合智能生產(chǎn)要求.

(5) 因采用功能型生產(chǎn)組織方式，所以生產(chǎn)過程的斷點(diǎn)多，生產(chǎn)周期難于控制.

2.2 仿真策略

(1) 仿真人員利用率，以提出人員分配建議.

(2) 仿真設(shè)備利用率，以找出制約生產(chǎn)的瓶頸設(shè)備.

(3) 仿真年產(chǎn)量，以驗(yàn)證該生產(chǎn)線產(chǎn)能設(shè)計(jì)是否滿足需求.

3 仿真邊界條件

在仿真之前，需輸入工藝物流系統(tǒng)的生產(chǎn)信息.這些生產(chǎn)信息是影響仿真結(jié)果的重要因素，構(gòu)成了仿真的邊界條件[6].同時(shí)，考慮生產(chǎn)系統(tǒng)的復(fù)雜性，仿真過程應(yīng)忽略其他不重要因素.

參照該生產(chǎn)線的實(shí)際生產(chǎn)情況，本文針對仿真系統(tǒng)設(shè)定了五大邊界條件.

(1) 生產(chǎn)綱領(lǐng).按照產(chǎn)品的設(shè)計(jì)年產(chǎn)量，所選生產(chǎn)線的生產(chǎn)綱領(lǐng)為：某壓力調(diào)節(jié)器的年產(chǎn)量等于1 000套.

(2) 生產(chǎn)制度和年時(shí)基數(shù).按照J(rèn)BJ/T2-2000《機(jī)械工廠年時(shí)基數(shù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，對應(yīng)所選生產(chǎn)單元全年工作251 d，每周工作5 d，可查得該裝配生產(chǎn)單元的年時(shí)基數(shù)(表1).

表1 壓力調(diào)節(jié)器生產(chǎn)單元的年時(shí)基數(shù)

(3) 裝配工藝流程.按照某壓力調(diào)節(jié)器的裝配工藝流程，對生產(chǎn)單元設(shè)計(jì)過程中相關(guān)工位進(jìn)行規(guī)劃(圖1).

圖1 壓力調(diào)節(jié)器生產(chǎn)單元的裝配工藝流程

(4) 生產(chǎn)工藝參數(shù).依據(jù)實(shí)測工時(shí)，可計(jì)算出該生產(chǎn)單元的工藝參數(shù)(表2).

表2 壓力調(diào)節(jié)器生產(chǎn)單元的工藝參數(shù)

(5) 其他約束條件.壓力調(diào)節(jié)器生產(chǎn)單元的其他約束條件如表3所示.

表3 壓力調(diào)節(jié)器生產(chǎn)單元的其他約束條件

4 基于Plant Simulation的離散系統(tǒng)模型構(gòu)建

本文對企業(yè)的壓力調(diào)節(jié)器生產(chǎn)流程進(jìn)行模擬，針對車間工藝物流這一離散物流系統(tǒng)構(gòu)建系統(tǒng)模型.通過模擬工藝物流路徑和產(chǎn)品裝配流程，基于Plant Simulation仿真軟件對生產(chǎn)流程進(jìn)行仿真模擬運(yùn)行，采集并分析設(shè)備利用率、瓶頸設(shè)備、產(chǎn)量、人員利用率等相關(guān)生產(chǎn)要素[7].

Plant Simulation仿真軟件是一款關(guān)于生產(chǎn)過程實(shí)現(xiàn)的圖形化仿真軟件，它以物件和事件為導(dǎo)向，使用戶能夠快速構(gòu)建有關(guān)生產(chǎn)、物流等方面的系統(tǒng)模型.

工藝物流仿真模型主要包含虛擬三維模型和車間物流生產(chǎn)系統(tǒng)邏輯模型.

4.1 裝配車間的虛擬三維模型

壓力調(diào)節(jié)器裝配車間的虛擬三維模型主要包括：廠房建筑結(jié)構(gòu)模型、工藝設(shè)備模型、物流設(shè)備模型、典型產(chǎn)品模型等.所使用的建模工具主要為Autodesk Revit、Autodesk Inventor等.該三維模型漫游平臺為Autodesk Navisworks.

4.2 裝配車間的物流生產(chǎn)系統(tǒng)邏輯模型

采用基于Tecnomatix Plant Simulation二次開發(fā)的仿真柔性平臺(圖2)，構(gòu)建車間物流生產(chǎn)系統(tǒng)邏輯模型.該平臺可針對重點(diǎn)仿真實(shí)驗(yàn)的生產(chǎn)線、設(shè)備、人員建立邏輯模型，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和實(shí)驗(yàn).

(1) 按照車間實(shí)際的加工流程和物流路徑建立裝配車間仿真邏輯模型(圖3).

(2) 將廠房三維模型導(dǎo)入裝配車間三維模型(圖4)中.

(3) 依據(jù)人員、工位、產(chǎn)能的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)建立仿真統(tǒng)計(jì)模型(圖5).

(4) 采用Simtalk語言，對生產(chǎn)系統(tǒng)的生產(chǎn)邏輯進(jìn)行編程定義(圖6).

5 仿真及其結(jié)果分析

采用專業(yè)工藝系統(tǒng)仿真軟件進(jìn)行工藝設(shè)備建模、車間設(shè)備布局、工藝物流仿真分析等，驗(yàn)證各階段工藝設(shè)計(jì)方案的可行性，發(fā)現(xiàn)原生產(chǎn)工藝存在物流可達(dá)性、生產(chǎn)瓶頸等問題.為此，對部分設(shè)備的投入需求進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，并根據(jù)仿真結(jié)果，不斷迭代改進(jìn)工藝方案，以期實(shí)現(xiàn)虛擬試生產(chǎn)，突出方案設(shè)計(jì)的可視化和可量化，深度優(yōu)化工藝和物流方案.

5.1 設(shè)計(jì)產(chǎn)能驗(yàn)證

將裝配工藝設(shè)計(jì)參數(shù)輸入仿真系統(tǒng)，驗(yàn)證生產(chǎn)線能否滿足設(shè)計(jì)產(chǎn)能要求.產(chǎn)能驗(yàn)證輸出結(jié)果如圖7所示.

圖2 基于Tecnomatix Plant Simulation二次開發(fā)的仿真柔性平臺構(gòu)成

圖3 裝配車間仿真邏輯模型

圖4 裝配車間三維模型

圖5 仿真統(tǒng)計(jì)模型

圖6 基于Simtalk語言的編程定義

圖7 產(chǎn)能驗(yàn)證輸出結(jié)果

裝配車間某壓力調(diào)節(jié)器所折合產(chǎn)品的生產(chǎn)綱領(lǐng)為1 000件/年.將其與產(chǎn)能驗(yàn)證輸出結(jié)果對比可知，該裝配車間能夠滿足設(shè)計(jì)產(chǎn)能要求.

設(shè)計(jì)產(chǎn)能時(shí)各工位設(shè)備利用率如表4所示.

表4 設(shè)計(jì)產(chǎn)能時(shí)各工位設(shè)備利用率%

工 位設(shè)備利用率三通開關(guān)10總裝15試驗(yàn)20殼體組合件15膜片13活門座手柄10

從表4可以看出，各工位設(shè)備利用率均處于低位.其主要原因是每個(gè)工位只配備1個(gè)裝配工人，裝配生產(chǎn)線的效率主要取決于裝配工人的工作效率.

5.2 裝配車間人員負(fù)荷分析

根據(jù)車間正常生產(chǎn)安排，每個(gè)裝配工位均按1人進(jìn)行配備.裝配車間各工種的人員工作效率見表5.模擬驗(yàn)證可得出，裝配車間人員負(fù)荷狀況如圖8所示.

表5 裝配車間各工種人員工作效率

注：1.線長只統(tǒng)計(jì)了配送工作量，其他線內(nèi)管理類工作未統(tǒng)計(jì)；2.每個(gè)工位均配備1個(gè)裝配1人.

圖8 裝配車間的人員負(fù)荷狀況

5.3 裝配車間生產(chǎn)線平衡

要達(dá)到生產(chǎn)線平衡，就必須找出瓶頸工序，并進(jìn)行調(diào)整.從仿真結(jié)果可以看出，裝配車間生產(chǎn)效率主要取決于裝配工人的工作效率.根據(jù)裝配工人的效率統(tǒng)計(jì)可知，該裝配車間的瓶頸工序?yàn)椤叭ㄩ_關(guān)組合工位”.要達(dá)到整個(gè)生產(chǎn)線的平衡，就需對工人的配比進(jìn)行調(diào)整.

多次模擬驗(yàn)證得出，表6所示的裝配車間最佳人員配置能達(dá)到人員負(fù)荷最佳平衡狀態(tài).

表6 裝配車間最佳人員配置

注：線長只統(tǒng)計(jì)了配送工作量，其他線內(nèi)管理類工作未統(tǒng)計(jì).

對瓶頸工位“開關(guān)活門組件裝配工位”增加1人，調(diào)整后工人負(fù)荷基本上達(dá)到了相同水平，實(shí)現(xiàn)了整條生產(chǎn)線的平衡.

5.4 裝配車間最大產(chǎn)能分析

從前期仿真結(jié)果可以看出，當(dāng)達(dá)到設(shè)計(jì)產(chǎn)能時(shí)，裝配車間人員及設(shè)備負(fù)荷均不高，可對裝配車間進(jìn)行全負(fù)荷生產(chǎn)模擬，以測試該生產(chǎn)線最大生產(chǎn)能力.其輸出結(jié)果如圖9所示，對應(yīng)的人員負(fù)荷如圖10所示.

圖9 最大產(chǎn)能

圖10 最大產(chǎn)能時(shí)人員負(fù)荷

從模擬結(jié)果可以看出，裝配車間最大產(chǎn)能可達(dá)到2 769件/年，最大產(chǎn)能時(shí)人員負(fù)荷率基本處于80%以上.

6 生產(chǎn)線改善建議

采用專業(yè)工藝仿真軟件進(jìn)行工藝設(shè)備建模、車間設(shè)備布局、工藝物流仿真分析等，驗(yàn)證各階段工藝設(shè)計(jì)方案的可行性，發(fā)現(xiàn)工藝設(shè)計(jì)存在的問題，對瓶頸工序、人員配比等問題進(jìn)行迭代仿真分析，根據(jù)仿真分析結(jié)果提出建議，迭代改進(jìn)工藝方案，最終達(dá)到工藝方案最優(yōu)的目標(biāo).

6.1 瓶頸工位建議

裝配車間生產(chǎn)效率主要取決于裝配工人的工作效率.根據(jù)對裝配工人的效率統(tǒng)計(jì)，該車間瓶頸為“三通開關(guān)組合工位”，要達(dá)到整個(gè)生產(chǎn)線的平衡需要對工人的配比進(jìn)行調(diào)整[8].

針對裝配車間瓶頸工位，建議操作工人由1人增加至2人，其余工位保持1人配置不變.生產(chǎn)線平衡后人員負(fù)荷如圖11所示.由圖11可以看出，所有人員負(fù)荷率保持在30%左右，達(dá)到了生產(chǎn)線平衡.

圖11 生產(chǎn)線平衡后人員負(fù)荷

6.2 生產(chǎn)線產(chǎn)能建議

從仿真結(jié)果可以看出，當(dāng)達(dá)到設(shè)計(jì)產(chǎn)能(1 000件/年)時(shí)，生產(chǎn)線設(shè)備及人員負(fù)荷率均處于低位，這與智能裝配線目標(biāo)不符，因此建議調(diào)整產(chǎn)能需求.

6.3 物料轉(zhuǎn)運(yùn)及信息采集方式建議

現(xiàn)階段物料轉(zhuǎn)運(yùn)均采用人工推車方式，托盤均為開敞式通用托盤，容易出現(xiàn)物料混亂及丟失現(xiàn)象，增加生產(chǎn)線停滯風(fēng)險(xiǎn)，因此建議增加特定專用封閉托盤，減少物料遺落現(xiàn)象，使物料信息追蹤更加完善.

增加便攜式信息采集設(shè)備，如手持掃碼槍、無線讀碼器等，以減少人員上傳零件信息工作量，提高生產(chǎn)效率.