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      柔性制造仿真模擬技術(shù)在裝配線的應(yīng)用

      2019-07-15 07:03:12黃軼春韋松谷柯捷舒
      裝備制造技術(shù) 2019年5期
      關(guān)鍵詞:裝配線工位工藝流程

      黃軼春,韋松谷,柯捷舒,韋 璇

      (廣西柳工機(jī)械股份有限公司,廣西 柳州545007)

      1 研究背景

      1.1 柔性制造技術(shù)

      柔性制造技術(shù)就是對(duì)各種不同形狀加工對(duì)象實(shí)現(xiàn)程序化柔性制造加工的各種技術(shù)的綜合。它是一種技術(shù)密集型的技術(shù)群,凡是側(cè)重于柔性,適應(yīng)于多品種、中小批量(包括單件產(chǎn)品)的加工技術(shù)都屬于柔性制造技術(shù)[1]。

      柔性制造技術(shù)的特點(diǎn)是:1)三相似原則:形狀相似、尺寸相似和工藝相似;2)柔性生產(chǎn)線幾乎無(wú)停工損失,設(shè)計(jì)利用率高;3)柔性制造技術(shù)組合了當(dāng)今機(jī)床技術(shù)、監(jiān)控技術(shù)、檢測(cè)技術(shù)、刀具技術(shù)、傳輸技術(shù)、電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的精華,具有高質(zhì)量、高可靠性、高自動(dòng)化和高效率;4)縮短新產(chǎn)品的發(fā)布時(shí)間,適應(yīng)瞬息萬(wàn)變的市場(chǎng)需求;5)減少工廠內(nèi)庫(kù)存,改善產(chǎn)品質(zhì)量和降低產(chǎn)品成本;6)減少工人數(shù)量,減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度;7)一次性投資大。

      柔性制造技術(shù)是實(shí)現(xiàn)未來(lái)工廠的新穎概念模式和新的發(fā)展趨勢(shì),是決定制造企業(yè)未來(lái)發(fā)展前途的具有戰(zhàn)略意義的舉措,將成為21世紀(jì)機(jī)構(gòu)制造業(yè)的主要生產(chǎn)模式。

      1.2 系統(tǒng)仿真

      系統(tǒng)仿真是指通過(guò)建立和運(yùn)行系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型,來(lái)模仿實(shí)際系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)及其隨時(shí)間變化的規(guī)律,以實(shí)現(xiàn)在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)的全過(guò)程。

      生產(chǎn)線自動(dòng)化程度越高,柔性越大,設(shè)計(jì)時(shí)考慮的因素越多,生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)越復(fù)雜,仿真設(shè)計(jì)的作用也就越大。

      1.3 國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀

      Arena是美國(guó)Rockwell公司開(kāi)發(fā)的新一代可視化通用交互集成模擬環(huán)境軟件(見(jiàn)圖1),它提供了將近20個(gè)模板和近300個(gè)邏輯模塊,很好地解決了計(jì)算機(jī)模擬與可視化的有機(jī)集成。Arena仿真軟件在國(guó)外大學(xué)、企業(yè)都有非常廣泛的應(yīng)用,但在國(guó)內(nèi)應(yīng)用范圍并不大,僅有少部分高?;蚱囆袠I(yè)公司應(yīng)用。而在工程機(jī)械行業(yè),幾乎沒(méi)有應(yīng)用于產(chǎn)線的建設(shè)與改造的先例。為此,筆者希望在工程機(jī)械裝配產(chǎn)線改造中,通過(guò)運(yùn)用Arena仿真軟件,對(duì)工藝布局進(jìn)行建模,并基于生產(chǎn)線平衡優(yōu)化方法對(duì)仿真模型進(jìn)行分析,從而探索出一套在工程機(jī)械行業(yè)產(chǎn)線建設(shè)和改造的高效高質(zhì)量應(yīng)用方法。Arena的建模步驟如圖2所示。

      圖1 Arena軟件操作界面

      圖2 Arena建模步驟圖

      2 現(xiàn)狀描述

      近兩年隨著工程機(jī)械市場(chǎng)的回暖,我公司裝載機(jī)產(chǎn)品的產(chǎn)量也在逐漸增加。同時(shí),裝載機(jī)的機(jī)型也在不斷的增加,目前已達(dá)到20種機(jī)型。因此,迫切需要建立柔性制造線以滿足市場(chǎng)的需要。

      本文以裝載機(jī)某合套線為例,通過(guò)仿真模擬柔性裝配線生產(chǎn)過(guò)程,改進(jìn)工藝流程方案。

      合套線的工藝布局方式為環(huán)形布局,環(huán)形生產(chǎn)線主線有8個(gè)主線工位、1個(gè)支線工位(變速箱預(yù)裝工位)以及四個(gè)緩存工位。

      隨著新產(chǎn)品的不斷投入,需要頻繁調(diào)整合套線的生產(chǎn)流程,將對(duì)批量產(chǎn)品的生產(chǎn)流程造成影響。本文以某公司批量產(chǎn)品A為例,各工位的作業(yè)時(shí)間是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)裝配時(shí)間多次測(cè)量取平均值,見(jiàn)表1。

      表1 合套線工位作業(yè)時(shí)間測(cè)定

      傳統(tǒng)的方法是利用線平衡墻,將各工序的作業(yè)時(shí)間進(jìn)行排列組合,尋找最優(yōu)的工藝流程方案。需要通過(guò)人工不斷的進(jìn)行嘗試,周期長(zhǎng),而且在系統(tǒng)描述、程序模擬過(guò)程中存在不足,無(wú)法進(jìn)行動(dòng)態(tài)展示,并直觀的展現(xiàn)優(yōu)化過(guò)程的資源投入及有效性情況。

      2.1 仿真模型建立

      2.1.1 繪制工藝流程圖

      在Arena軟件繪圖區(qū)內(nèi)按照產(chǎn)品A的合套線9個(gè)工位的實(shí)際順序繪制工藝流程圖,并建立虛擬工位“Start”和“End”,共計(jì) 11個(gè)工位,如圖 3 所示?!癝tart”工位下方的數(shù)字代表投料數(shù)量,“End”工位下方的數(shù)字代表產(chǎn)出數(shù)量,其他各個(gè)工位下方的數(shù)字代表在此工位等待裝配的部件數(shù)量(WIP)。

      圖3 工藝流程圖

      2.1.2 工序設(shè)置

      根據(jù)生產(chǎn)線的產(chǎn)能要求,對(duì)各工位作業(yè)時(shí)間進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)置。

      第一步,將工藝流程圖中的虛擬工位“Start”的節(jié)拍時(shí)間設(shè)定為7 min。

      第二步,設(shè)置各工位數(shù)據(jù)樣本概率分布表達(dá)式。

      第三步,根據(jù)各工位的多次測(cè)量作業(yè)時(shí)間數(shù)據(jù)樣本,運(yùn)用Arena軟件中的專業(yè)工具Input Analyzer計(jì)算數(shù)據(jù)樣本的概率分布類型和表達(dá)式,將其輸入工位設(shè)置中。由于樣本量較少,本文工位設(shè)置中的表達(dá)式統(tǒng)一采用均勻分布(Uniform),如圖4所示。

      圖4 工位設(shè)置

      2.1.3 模擬運(yùn)行

      工位設(shè)置完成后,進(jìn)行模擬系統(tǒng)設(shè)置。在合套裝配線模擬運(yùn)行過(guò)程中,可以直觀的看出在480 min的生產(chǎn)時(shí)間內(nèi),二工位和三工位的等待裝配的部件數(shù)量(WIP)最多,如圖5所示。

      圖5 模擬運(yùn)行過(guò)程

      2.1.4 結(jié)果輸出

      系統(tǒng)模擬運(yùn)行結(jié)束后,Arena軟件自動(dòng)生成各種分析報(bào)告,便于進(jìn)行系統(tǒng)分析和改進(jìn)。本次模擬運(yùn)行分析報(bào)告顯示:

      1)合套裝配線以現(xiàn)階段的生產(chǎn)能力,在8 h工作時(shí)間內(nèi),投產(chǎn)69臺(tái),產(chǎn)出38臺(tái),平均等待裝配的部件數(shù)量(WIP)為18.12臺(tái),最大值為31臺(tái)。

      2)二工位和三工位存在等待時(shí)間,說(shuō)明該工位為目前合套線的瓶頸工位。

      3)各工位的設(shè)備利用率參差不齊,嚴(yán)重影響線平衡率,如圖6所示。

      圖6 分析報(bào)告(工位設(shè)備利用率)

      3 改進(jìn)和驗(yàn)證

      合套裝配線的改進(jìn)需要運(yùn)用“工廠物理學(xué)”的知識(shí),按照各工位中各工序的工作時(shí)間進(jìn)行重新排序,尋找最優(yōu)化的工藝路線[2]。

      首先,建立工藝清單,即對(duì)產(chǎn)品A合套裝配各工位的工序工作時(shí)間進(jìn)行測(cè)量,如表2所示。其次,根據(jù)產(chǎn)品A裝配過(guò)程的物理特性要求,對(duì)裝配工序進(jìn)行排序,如表3所示。

      表2 工序作業(yè)時(shí)間數(shù)據(jù)(單位:min)

      表3 工序順序表

      然后,根據(jù)工序排序的順序要求和各個(gè)工序的作業(yè)時(shí)間,按照1個(gè)預(yù)裝工位和8個(gè)主線工位的布局,對(duì)工序重新組合,尋找優(yōu)化的工藝路線。本次重新組合是建立在各工序的人員和設(shè)備需求都相同的假設(shè)前提下,實(shí)際情況需要考慮人員、設(shè)備和環(huán)境等外部因素的影響。重新組合的結(jié)果見(jiàn)圖7。

      圖7 工序組合圖

      輸出優(yōu)化后的工藝流程,見(jiàn)表4。

      表4 優(yōu)化作業(yè)時(shí)間數(shù)據(jù)

      最后,運(yùn)用Arena軟件重新進(jìn)行運(yùn)行測(cè)試,輸出分析報(bào)告。通過(guò)與優(yōu)化前的分析報(bào)告進(jìn)行對(duì)比,發(fā)現(xiàn):

      1)優(yōu)化后的產(chǎn)出數(shù)量為54件,增加16臺(tái);平均等待裝配的部件數(shù)量(WIP)為11.24,下降6.88臺(tái),最大值為16臺(tái),下降15臺(tái);

      2)瓶頸工位由二、三工位轉(zhuǎn)移至一工位;

      3)各工位的設(shè)備利用率差值(最大利用率-最小利用率)由原來(lái)的57%下降至22%,線平衡率明顯上升。

      以上數(shù)據(jù)說(shuō)明優(yōu)化后的生產(chǎn)線各指標(biāo)均優(yōu)于優(yōu)化前。后續(xù)針對(duì)運(yùn)行報(bào)告,不斷改進(jìn)工藝優(yōu)化方案,包括重復(fù)上述各步驟,調(diào)整工序或增加資源(人員和設(shè)備)等,直至符合期望值。

      4 結(jié)論

      在建立柔性生產(chǎn)線,調(diào)整工藝流程的過(guò)程中,通過(guò)Arena軟件的運(yùn)用,在較短的時(shí)間內(nèi)就能得出裝配線的瓶頸工序和設(shè)備利用率等信息,同時(shí)在無(wú)任何投入的前提下,模擬產(chǎn)線優(yōu)化,直至得到最優(yōu)的方案,比傳統(tǒng)的方法省時(shí)省力,而且是以實(shí)際數(shù)據(jù)作為支撐,調(diào)整方案更加合理。

      Arena軟件在實(shí)際運(yùn)用過(guò)程中,需要將對(duì)生產(chǎn)線有影響的內(nèi)外部因素均轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)模型的參數(shù),才能準(zhǔn)確的反映實(shí)際情況。

      5 結(jié)束語(yǔ)

      從目前工業(yè)發(fā)展情況來(lái)看,中小批量,多品種生產(chǎn)所占的比重會(huì)越來(lái)越大,傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式已不能適應(yīng)新的市場(chǎng)需求。為了按期完成生產(chǎn)任務(wù),企業(yè)就必須根據(jù)產(chǎn)品種類和批量的變化調(diào)整生產(chǎn)過(guò)程,修改生產(chǎn)工藝方案。以現(xiàn)有裝配線為基礎(chǔ),基于仿真模仿軟件的運(yùn)用,通過(guò)建立裝配資源優(yōu)化數(shù)學(xué)模型,對(duì)裝配線進(jìn)行前瞻性仿真,解決裝配線布局調(diào)整和現(xiàn)行生產(chǎn)在時(shí)間和效率上的矛盾,并且能夠快速準(zhǔn)確的獲取最優(yōu)化裝配工藝路線。柔性制造仿真模擬結(jié)果,如工位工裝數(shù)據(jù),作業(yè)單元分配和產(chǎn)出率等相關(guān)數(shù)據(jù)對(duì)后續(xù)柔性裝配線作業(yè)工位的虛擬布局具有重要作用,不僅可以縮短裝配線柔性布局周期,而且可以大幅降低裝配線布局調(diào)整費(fèi)用。

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