李 慧，孫元亮，張 超

(中國航空規(guī)劃設(shè)計研究總院有限公司 智能技術(shù)中心，北京 100120)

0 引言

生產(chǎn)線仿真屬于典型的離散事件系統(tǒng)仿真，在生產(chǎn)線規(guī)劃設(shè)計階段其目的主要是評價和論證設(shè)計方案的可行性，通過動態(tài)模擬生產(chǎn)線的運行過程，預測生產(chǎn)線的運行狀態(tài)，驗證設(shè)備布局的合理性，分析生產(chǎn)線的產(chǎn)能及設(shè)備利用率，優(yōu)化資源配置，為生產(chǎn)線的優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù)[1-2]。

隨著系統(tǒng)仿真技術(shù)的快速發(fā)展，生產(chǎn)線仿真技術(shù)在我國航空制造業(yè)中的研究與應(yīng)用也越來越多[3-4]。屈琦等[5]以飛機中機身典型部件裝配生產(chǎn)線為研究對象，基于Plant Simulation建立了裝配生產(chǎn)線仿真模型，對裝配生產(chǎn)線的產(chǎn)能、瓶頸、平衡率等問題進行了分析及優(yōu)化。魏方劍[6]針對飛機脈動生產(chǎn)線，提出了多層級建模理論，并在DELMIA V6平臺上構(gòu)建了飛機脈動生產(chǎn)線的仿真模型，對系統(tǒng)運行狀態(tài)、產(chǎn)能、資源利用率等進行了分析研究。張超等[7]以某民用航空發(fā)動機傳動系統(tǒng)的齒輪與機匣綜合加工廠房的規(guī)劃設(shè)計為例，基于Plant Simulation平臺，建立了該綜合機加廠房的仿真模型，從產(chǎn)量滿足率、設(shè)備利用率、在制品庫存和生產(chǎn)線健壯性等多個指標進行了設(shè)施布局的仿真評價。張麗[8]應(yīng)用QUEST仿真軟件對某工廠鈑金生產(chǎn)線進行了仿真建模，從產(chǎn)能、設(shè)備利用率、人員利用率等方面進行了仿真分析，并提出了改進方案，仿真結(jié)果表明改進后的方案生產(chǎn)周期大大縮短，設(shè)備閑置時間大幅減少。

本文以規(guī)劃設(shè)計階段某航空發(fā)動機高壓工作葉片生產(chǎn)線為對象展開研究，基于Plant Simulation平臺建立生產(chǎn)線的仿真模型，從產(chǎn)能、設(shè)備利用率、線邊緩存等方面進行生產(chǎn)線性能評估，并以此為依據(jù)對葉片生產(chǎn)線進行初步優(yōu)化，比較結(jié)果顯示生產(chǎn)線性能得到了明顯提高。

1 生產(chǎn)線仿真分析流程

生產(chǎn)線仿真應(yīng)用的過程主要由三部分工作組成[9-11]：

(1)輸入數(shù)據(jù)的采集與分析。根據(jù)仿真目標確定數(shù)據(jù)采集清單，通過調(diào)研獲得相關(guān)數(shù)據(jù)，并對其進行分析，以滿足仿真系統(tǒng)需求。在生產(chǎn)線規(guī)劃設(shè)計階段，仿真需要收集的數(shù)據(jù)通常包含生產(chǎn)綱領(lǐng)、生產(chǎn)線布局方案、產(chǎn)品工藝流程、生產(chǎn)設(shè)備類型、物流運輸方式、各種工時數(shù)據(jù)等。仿真輸入數(shù)據(jù)的質(zhì)量直接影響著仿真輸出結(jié)果的有效性和可信度。

(2)仿真模型的構(gòu)建與驗證?；诜抡嫫脚_構(gòu)建生產(chǎn)線的仿真模型，仿真模型建立后，必須進行驗證。驗證仿真模型的正確性以及仿真模型與實際系統(tǒng)的相關(guān)性。如果仿真模型運行結(jié)果與生產(chǎn)線實際或預測狀態(tài)存在偏差，則需要根據(jù)具體情況，對仿真模型的基本對象、邏輯控制、物流系統(tǒng)等進行相應(yīng)修正，并重新進行驗證，直到驗證通過。仿真模型的構(gòu)建和驗證是一個相互交替的過程。

(3)仿真結(jié)果的分析與優(yōu)化。觀察仿真運行情況，根據(jù)仿真輸出結(jié)果量化分析生產(chǎn)線的產(chǎn)能、生產(chǎn)效率、瓶頸、健壯性等相關(guān)指標；然后基于分析結(jié)果對生產(chǎn)線進行優(yōu)化并再次構(gòu)建仿真模型，驗證優(yōu)化方案的可行性，和預期目標進行對比驗證，直至結(jié)果滿足需求。仿真結(jié)果的分析與優(yōu)化和仿真模型的構(gòu)建與驗證是一個相互迭代的過程。

本文以某航空發(fā)動機葉片機加生產(chǎn)線為研究對象，基于Plant Simulation平臺進行生產(chǎn)線的仿真分析和優(yōu)化。

2 葉片機加生產(chǎn)線建模

2.1 葉片機加生產(chǎn)線描述

某工廠規(guī)劃一條葉片數(shù)字化機加生產(chǎn)線，主要承擔某型號發(fā)動機的10個型號葉片的機械加工任務(wù)，該生產(chǎn)線擬實行全天24h無人干預運行，采用機器人進行工序間周轉(zhuǎn)及上下料，年產(chǎn)合格葉片(產(chǎn)品合格率按95%計算)數(shù)量達到25200件。

該生產(chǎn)線主要承擔葉片的粗銑、精銑、拋磨以及三坐標檢測等工序，加工工藝流程如圖1所示。該生產(chǎn)線仿真主要關(guān)注3個方面：

(1)產(chǎn)能是否滿足需求；

(2)主要設(shè)備平均利用率能否達目標值80%；

(3)零線邊緩存是否可行。

圖1 加工工藝流程

2.2 仿真模型的建立

Plant Simulation是面向工廠、生產(chǎn)線及生產(chǎn)物流過程的仿真與優(yōu)化的工具軟件，在建模、仿真和數(shù)據(jù)分析等方面都具有明顯優(yōu)勢，因此本文采用該軟件進行仿真建模。根據(jù)規(guī)劃的生產(chǎn)線方案，建立仿真模型，如圖2所示。

仿真模型中，根據(jù)各產(chǎn)品各工序采用的設(shè)備設(shè)置加工時間，運輸機器人行走速度與加減速度分別設(shè)定為1m/s和0.3m/s2，裝夾與卸載時間設(shè)定為20s。仿真模型嚴格按照各產(chǎn)品加工工藝流程運行，由于生產(chǎn)線中不包含緩存區(qū)，因此在設(shè)備加工完成后增加判斷，以防卡死，如當拋磨和清洗設(shè)備都被占用時，五坐標加工完成的產(chǎn)品不能去三坐標檢測，需等待清洗設(shè)備或拋磨設(shè)備空閑時再執(zhí)行配送。仿真過程中具體設(shè)置如下：①生產(chǎn)線三班運行，仿真按照5350h進行；②粗銑抽檢及精銑抽檢按每班的首件必檢及過程中10%檢測，拋磨檢測要求所有產(chǎn)品100%檢測；③產(chǎn)品合格率按95%設(shè)置隨機數(shù)；④保證上料充足；⑤加工時間在采集的加工時間基礎(chǔ)上考慮上下5%的波動。

圖2 生產(chǎn)線仿真模型

3 葉片機加生產(chǎn)線仿真分析及優(yōu)化

由于離散事件的隨機性，不能僅由1次仿真結(jié)果而得出評價結(jié)論。本文利用Plant Simulation提供的Experiment Manager元件進行仿真試驗，設(shè)定每次試驗觀察次數(shù)為10次，置信率為95%。本生產(chǎn)線仿真旨在研究該生產(chǎn)線連續(xù)長期運行時系統(tǒng)的各項性能指標，即當系統(tǒng)達到穩(wěn)態(tài)后系統(tǒng)的績效指標。具體措施為：先運行10h后認為模型運行基本穩(wěn)定，記錄下小該時段末的各產(chǎn)品的產(chǎn)量；再繼續(xù)運行5350h后停止運行，記錄下各產(chǎn)品產(chǎn)量，最終兩者求差值得到仿真模型平穩(wěn)運行5350h后的產(chǎn)量。

3.1 葉片機加生產(chǎn)線仿真結(jié)果輸出與分析

在假設(shè)零緩存，機器無故障運行的條件下，得出生產(chǎn)線運行結(jié)果如表1所示。

表1 年產(chǎn)量仿真結(jié)果

圖3 設(shè)備利用率

以上仿真結(jié)果表明，在零緩存、機器無故障運行條件下，各產(chǎn)品產(chǎn)量滿足率約為75%，關(guān)鍵設(shè)備平均利用率約為64%，該生產(chǎn)線規(guī)劃方案無法滿足生產(chǎn)綱領(lǐng)要求。原因主要有：①生產(chǎn)線不平衡，4軸加工中心作為首道工序加工設(shè)備是整個生產(chǎn)線的瓶頸；②加工設(shè)備阻塞和等待占時較長，這主要是由等待運輸機器人的裝卸和等待下一道設(shè)備加工完成兩方面原因造成的。其中等待運輸機器人的裝卸時間長度主要由運輸機器人的運行速度及裝卸時間決定，受到機器人本身性能的影響，通過仿真試驗發(fā)現(xiàn)當機器人裝卸產(chǎn)品時間減少至10s，其他條件不變的情況下，設(shè)備平均利用率可提高約5%。

綜上，由于等待運輸機器人的裝卸時間長度受機器人本身性能的影響，因此這里主要采用優(yōu)化加工工藝和增加緩存區(qū)的方式，對生產(chǎn)線設(shè)計方案進行優(yōu)化：

①優(yōu)化加工工藝，通過與工藝人員溝通與試驗加工，可以將四軸加工中心承擔的部分加工任務(wù)調(diào)整到五軸加工中心進行，提高生產(chǎn)線平衡率；

②增加緩存區(qū)，減少產(chǎn)品占機等待，緩存區(qū)容量大小通過仿真確定。

3.2 葉片機加生產(chǎn)線初步優(yōu)化

經(jīng)過多輪分析和比較，在五坐標加工中心和數(shù)控拋光機中間增加了線邊緩存區(qū)。改進后，假設(shè)線邊緩存區(qū)容量為無限大，仿真模型運行一年，總產(chǎn)量為25015件，產(chǎn)品滿足率約為99.3%，線邊緩存區(qū)最大占用數(shù)量為8。

圖4和圖5分別是生產(chǎn)線優(yōu)化前后的產(chǎn)量、設(shè)備利用率情況的對比，從中可以看出，在無故障運行條件下，各產(chǎn)品年產(chǎn)量較改進前增長約24%，平均設(shè)備利用率為81.5%，較優(yōu)化前提高17.3%。同時從圖5中可以看出，4軸加工中心和五坐標加工中心的設(shè)備阻塞占比分別降低約3%和10%，數(shù)控拋光機的阻塞占比略有增長，這主要是有兩方面原因造成的，一是增加線邊緩存區(qū)后有效降低了已加工完成的產(chǎn)品占用設(shè)備的時間，二是產(chǎn)能提升后，設(shè)備等待運輸機器人裝卸的次數(shù)增多。

圖4 優(yōu)化前后產(chǎn)量比較

圖5 優(yōu)化前后設(shè)備利用率比較

從仿真分析與優(yōu)化結(jié)果可以看出，優(yōu)化后的生產(chǎn)線產(chǎn)能基本能夠滿足生產(chǎn)綱領(lǐng)要求；主要設(shè)備平均利用率為81.5%，基本達到了目標值；零線邊緩存不可取，應(yīng)配置容量最少為8的線邊緩存區(qū)。

4 結(jié)論

本文利用Plant Simulation構(gòu)建了仿真模型，通過分析對生產(chǎn)線進行了初步優(yōu)化，提高了生產(chǎn)線性能。從改善后的結(jié)果可以看出，產(chǎn)能增加了24% ，設(shè)備平均利用率增加了17.3%，生產(chǎn)線性能得到了較大程度的提高。研究結(jié)果表明，在生產(chǎn)線規(guī)劃設(shè)計過程中，通過生產(chǎn)線仿真能夠有效地分析出設(shè)計方案可能存在的問題，對提高生產(chǎn)線設(shè)計質(zhì)量和設(shè)計效率有重要意義。