基于SLP法的零件加工車(chē)間布置優(yōu)化

熊 輪，陳緒兵，戴耀南，張 聰

武漢工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢430205

在全球制造業(yè)的智能化、自動(dòng)化水平的不斷提升的情況下，隨之而來(lái)的企業(yè)生產(chǎn)成本也在不斷提高，為了控制生產(chǎn)成本和提高產(chǎn)品質(zhì)量，首先要解決不良的設(shè)施布置問(wèn)題，R·繆瑟［1］認(rèn)為在設(shè)備安裝前規(guī)劃布局能顯著減少損失，因?yàn)樵愀獾牟季质购笃诘闹匦乱?guī)劃既費(fèi)時(shí)又費(fèi)錢(qián)。合理的車(chē)間設(shè)施布置可將搬運(yùn)費(fèi)用降低10%～30%［2］。

系統(tǒng)布置設(shè)計(jì)（systematic layout planning，SLP）方法是R·繆瑟?jiǎng)?chuàng)立的方法，該方法能系統(tǒng)的解決企業(yè)在規(guī)劃布局上面遇到的問(wèn)題，如寧芳［3］、石鑫等［4］運(yùn)用SLP對(duì)企業(yè)設(shè)施布置進(jìn)行優(yōu)化。但傳統(tǒng)的SLP法存在過(guò)于依賴(lài)經(jīng)驗(yàn)、約束過(guò)多問(wèn)題，鄧兵［5］、汲紅旗［6］、馮定忠［7］等對(duì)此通過(guò)簡(jiǎn)化SLP的設(shè)計(jì)流程、改進(jìn)SLP的輸入因素，并且將其與物料搬運(yùn)系統(tǒng)分析（system handling analysis，SHA）相結(jié)合，解決了各自企業(yè)設(shè)施布置問(wèn)題，但是仍存在物流和非物流關(guān)系權(quán)重賦值不精確問(wèn)題。因此，為了解決這些問(wèn)題，侯智［8］、李輝［9］、MATAI［10］等分別將SLP與遺傳算法、蟻群算法、模擬退火算法等算法結(jié)合在一起，借助算法魯棒性強(qiáng)、全局搜索尋優(yōu)能力和梯度信息不依賴(lài)性等優(yōu)點(diǎn)，提高了設(shè)施布置方案的合理性。隨著制造業(yè)的快速發(fā)展，如何提高設(shè)施布置的效率和準(zhǔn)確性成為亟需解決的研究難點(diǎn)，故研究人員將計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)應(yīng)用到設(shè)施布置領(lǐng)域。如周爾民等［11］將SLP與Em-plant軟件相結(jié)合，解決了臺(tái)鉆廠(chǎng)設(shè)施布置問(wèn)題。張惠等［12］將SLP與Flexsim軟件相結(jié)合，解決了某企業(yè)的機(jī)加工車(chē)間的布置問(wèn)題。李琴等［13］利用Witness軟件解決了某門(mén)業(yè)制造企業(yè)設(shè)備利用率不均衡的問(wèn)題等。上述雖解決了各自企業(yè)設(shè)施布置問(wèn)題，但鮮有涉及到航天零件加工企業(yè)設(shè)施布置問(wèn)題。

本文以航天集團(tuán)某公司改造某零件加工車(chē)間為例，運(yùn)用SLP法對(duì)該車(chē)間的總體布置進(jìn)行評(píng)價(jià)和分析，并應(yīng)用Flexsim軟件對(duì)零件加工車(chē)間的設(shè)備布置和零件生產(chǎn)流程進(jìn)行仿真建模和優(yōu)化，以期提高該車(chē)間的設(shè)備利用率在合理區(qū)間（60%～85%），并使該車(chē)間設(shè)備布置更加合理。

1 零件加工車(chē)間基本要素分析

1.1 作業(yè)單位劃分

零件加工車(chē)間總共23臺(tái)機(jī)加工設(shè)備，4臺(tái)輔助上料工業(yè)機(jī)器人；有2個(gè)出入口，分別位于車(chē)間的左邊和右邊；現(xiàn)將該車(chē)間作業(yè)區(qū)域劃分為15個(gè)作業(yè)單位，作業(yè)單位代碼表如表1所示。

1.2 產(chǎn)品-產(chǎn)量-物流流程分析

該車(chē)間主要生產(chǎn)支架類(lèi)、本體類(lèi)、臺(tái)體類(lèi)、基座類(lèi)等零件，每一大類(lèi)里面的各種零件之間差異不大。由表2零件加工車(chē)間主要零件及物流流程表可知，車(chē)間的生產(chǎn)方式屬于多品種、小批量的生產(chǎn)方式。

1.3 作業(yè)單位綜合相互關(guān)系分析

在工廠(chǎng)設(shè)施布置過(guò)程中，決定作業(yè)單位的布置主要因素是物流關(guān)系和非物流關(guān)系（如人員管理、生產(chǎn)安排等），當(dāng)物料搬運(yùn)是工藝過(guò)程的主要部分時(shí)，物流關(guān)系則是設(shè)備布置設(shè)計(jì)中主要考慮因素；而在物料搬運(yùn)量小或者其他輔助部門(mén)明顯多于生產(chǎn)部門(mén)的工廠(chǎng)，各作業(yè)單位間的非物流關(guān)系則是布置設(shè)計(jì)的主要考慮因素；如果介于上述兩者之間的情況時(shí)，則需要綜合考慮作業(yè)單位間物流與非物流相互關(guān)系，而該零件加工車(chē)間屬于典型需要考慮作業(yè)單位綜合相互關(guān)系的類(lèi)型。接下來(lái)首先對(duì)零件加工車(chē)間的物流量進(jìn)行分析，具體步驟如下：分別統(tǒng)計(jì)每種單件零件在各個(gè)作業(yè)單位前后的質(zhì)量，由公式：物流量=質(zhì)量×產(chǎn)量［14］，計(jì)算出作業(yè)單位間物流量，最后計(jì)算出零件加工車(chē)間的物流強(qiáng)度，繪制作業(yè)單位物流相關(guān)圖。而作業(yè)單位間的非物流關(guān)系，則通過(guò)與一線(xiàn)工人、工藝人員、以及車(chē)間管理者交流統(tǒng)計(jì)得出。

表1作業(yè)單位劃分Tab.1 Division of operation units

依照上述分析步驟可以得到作業(yè)單位間的物流相關(guān)表和非物流相關(guān)表，該計(jì)算過(guò)程不再一一贅述。通過(guò)量化物流相關(guān)表和非物流相關(guān)表等級(jí)，最終得到作業(yè)單位綜合相互關(guān)系圖。物流相關(guān)表和非物流相關(guān)表量化等級(jí)取值為X=4、Y=3、Z=2、O=1、U=0。由公式（1）計(jì)算作業(yè)單位間的綜合相互關(guān)系密切程度數(shù)量值Tij［14］。

式（1）中：i、j為 任 意 兩 個(gè) 作 業(yè) 單 位（1≤i≤15；1≤j≤15且i≠j）。m∶n=1∶1為物流和非物流關(guān)系的加權(quán)值，該車(chē)間取值：m∶n=1∶1。Mij為量化的作業(yè)單位物流相互關(guān)系等級(jí)。Nij為量化的作業(yè)單位非物流相互關(guān)系等級(jí)。Tij是一個(gè)量值，需要經(jīng)過(guò)等級(jí)劃分才能建立出作業(yè)單位綜合關(guān)系相互關(guān)系圖，表3給出了綜合相互關(guān)系等級(jí)與劃分比例［14］。

表2零件加工車(chē)間主要零件及物流流程表Tab.2 Main parts and logistics flow table of parts processing workshop

表3綜合相互關(guān)系等級(jí)與劃分比例Tab.3 Comprehensive interrelationship level and division ratio %

通過(guò)上述計(jì)算和綜合相互關(guān)系等級(jí)劃分，最終得到了作業(yè)單位綜合相互關(guān)系圖，如圖1所示。

根據(jù)零件加工車(chē)間作業(yè)單位綜合相關(guān)圖，計(jì)算出該車(chē)間各作業(yè)單位的綜合接近度，量化等級(jí)取值為X=4、Y=3、Z=2、O=1、U=0。以工業(yè)機(jī)器人1區(qū)為例，其與數(shù)控車(chē)銑復(fù)合區(qū)的綜合等級(jí)為Y、與數(shù)控立式加工區(qū)綜合等級(jí)為X、與壓裝區(qū)綜合等級(jí)為O、與插床區(qū)綜合等級(jí)為O、與檢驗(yàn)區(qū)綜合等級(jí)為Y、與熱處理區(qū)綜合等級(jí)為Z、與辦公室區(qū)綜合等級(jí)為O，因此工業(yè)機(jī)器人1區(qū)的綜合接近度為3+4+1+1+3+2+1=15，通過(guò)此計(jì)算方法，其它作業(yè)單位的綜合接近度可以依次得出，然后根據(jù)所得的綜合接近度數(shù)值大小進(jìn)行排序，最終得到該車(chē)間作業(yè)單位綜合接近度排序表如表4所示。在布置過(guò)程中，作業(yè)單位的綜合接近度數(shù)值越大的優(yōu)先考慮布置在車(chē)間的中心位置，數(shù)值越小則布置在車(chē)間的邊緣位置［15］。

圖1作業(yè)單位綜合相互關(guān)系圖Fig.1 Comprehensive interrelationship chart of operating units

表4作業(yè)單位綜合接近度排序表Tab.4 Sequence table of comprehensive proximity for operation units

2 仿真分析與優(yōu)化

2.1 仿真分析的假設(shè)條件

本文應(yīng)用Flexsim軟件基于下列假設(shè)條件對(duì)零件加工車(chē)間進(jìn)行建模仿真，該車(chē)間現(xiàn)有設(shè)施布置圖如圖2所示。

圖2零件加工車(chē)間設(shè)備布置圖Fig.2 Facility layout diagram of parts processing workshop

1）物料在不同工序間的流動(dòng)主要使用人力搬運(yùn)，人員的行走速度為1 m/s，平均裝載時(shí)間為10 s。上料機(jī)器手的裝載時(shí)間為5 min，每次上下料的數(shù)量為1個(gè)。

2）每個(gè)作業(yè)單位內(nèi)有暫存區(qū)，暫存區(qū)的容量為100（詳見(jiàn)表1）。

3）采用單個(gè)零件的生產(chǎn)方式，每種零件成批存放于毛坯區(qū)，每種零件的數(shù)量如表2所示。

4）設(shè)備故障率符合泊松分布，修復(fù)率為96%。

2.2 初始布置仿真結(jié)果分析

仿真程序運(yùn)行至26 000 s時(shí)，發(fā)現(xiàn)該車(chē)間存在設(shè)備利用率低、生產(chǎn)流程不合理等問(wèn)題。例如熱處理設(shè)備阻塞率達(dá)到了92.97%、數(shù)控立式加工區(qū)的設(shè)備利用率達(dá)到85%以上，致使這些設(shè)備的下游生產(chǎn)設(shè)備利用率嚴(yán)重不足，如圖3所示。

圖3初始布置中部分設(shè)備的利用率Fig.3 Utilization rates of some facilities in initial layout

為了使設(shè)備在一個(gè)平穩(wěn)的范圍內(nèi)運(yùn)行（如設(shè)備利用率在60%～85%之間）并且解決零件生產(chǎn)流程不合理和設(shè)備利用率低問(wèn)題，通過(guò)對(duì)仿真模型的修改，做出以下調(diào)整。

1）將鋼套的生產(chǎn)加工流程調(diào)整為A→B→C→B→L→K→N，降低熱處理區(qū)的阻塞率。

2）增加數(shù)控立式加工區(qū)的2臺(tái)加工中心D5、D6，并相應(yīng)的增加操作員，以提高數(shù)控立式加工區(qū)的生產(chǎn)能力。

3）減少數(shù)控車(chē)銑復(fù)合區(qū)2臺(tái)加工中心C2、C3，并相應(yīng)減少操作員。以使數(shù)控車(chē)銑復(fù)合區(qū)設(shè)備能夠得到充分利用。

4）減少數(shù)控臥式加工區(qū)的1臺(tái)加工中心F2，并相應(yīng)減少操作員，提高數(shù)控臥式加工區(qū)的利用率。

5）減少工業(yè)機(jī)器人2區(qū)的一臺(tái)上下料機(jī)械手E2，提高該區(qū)域的設(shè)備利用率。

6）增加檢驗(yàn)區(qū)的檢驗(yàn)人員，提高該區(qū)域設(shè)備的利用率。

7）基于SLP對(duì)總體布置的評(píng)價(jià)與優(yōu)化分析結(jié)果，結(jié)合之前作業(yè)單位綜合接近度排序表（見(jiàn)表5），得到優(yōu)化后的零件作業(yè)車(chē)間設(shè)備布置圖，如圖4所示。

2.3 零件加工車(chē)間設(shè)施布置優(yōu)化前后對(duì)比

零件加工車(chē)間布置優(yōu)化前后作業(yè)單位設(shè)備利用率的對(duì)比如表5所示，優(yōu)化后的設(shè)施布置和生產(chǎn)流程使設(shè)備利用率提高較多。優(yōu)化前的總體設(shè)備數(shù)量為27個(gè)，優(yōu)化后的總體設(shè)備數(shù)量為20個(gè)，騰出占地面積70.5 m2，為以后擴(kuò)大生產(chǎn)留出空間。雖然部分作業(yè)單位內(nèi)的設(shè)備使用率未達(dá)到60%～80%之間，如插床、磨床、壓裝機(jī)等設(shè)備，但考慮這些設(shè)備的數(shù)量已經(jīng)為1臺(tái)，屬于必要工序中的設(shè)備無(wú)法減少，故不做優(yōu)化。優(yōu)化后的數(shù)控立式加工區(qū)設(shè)備利用率下降至76.27%，主要是因?yàn)椴糠至慵D(zhuǎn)移至數(shù)控車(chē)銑復(fù)合區(qū)加工。通過(guò)仿真軟件模擬將所有零件加工完畢時(shí)間的對(duì)比，優(yōu)化后對(duì)比優(yōu)化前的時(shí)間減少24.18%。

圖4優(yōu)化后零件加工車(chē)間布置圖Fig.4 Optimized layout diagram of parts processing workshop

表5作業(yè)單位優(yōu)化前后設(shè)備利用率Tab.5 Utilization rates of facilities before and after optimization %

3 結(jié)論

本文基于SLP法對(duì)某航天企業(yè)零件加工車(chē)間總體布置進(jìn)行分析和優(yōu)化，并采用Flexsim系統(tǒng)仿真軟件對(duì)該車(chē)間布置方案和零件生產(chǎn)流程進(jìn)行定量分析和系統(tǒng)驗(yàn)證。結(jié)果表明，采用優(yōu)化后的布置方案后，車(chē)間的設(shè)備利用率得到顯著提升，部分零件的生產(chǎn)流程更趨于合理，而且能增加傳統(tǒng)布置設(shè)計(jì)方法無(wú)法考慮到的因素，證明此方法的可行性和有效性。