李家貴，王 真，陳 寧

(1.江蘇海通建設(shè)工程有限公司，江蘇 連云港 222004;2.江蘇科技大學(xué)船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212003)

基于DELMIA的某游艇廠生產(chǎn)流程規(guī)劃仿真

李家貴1，王 真2，陳 寧2

(1.江蘇海通建設(shè)工程有限公司，江蘇 連云港 222004;2.江蘇科技大學(xué)船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212003)

基于達(dá)索公司的DELMIA仿真軟件，針對某新建玻璃鋼(FRP)游艇項(xiàng)目，就游艇生產(chǎn)流程進(jìn)行規(guī)劃，并通過流程仿真對FRP游艇制造使用場地進(jìn)行優(yōu)化。通過對整個規(guī)劃廠區(qū)制造過程的物流、一定生產(chǎn)負(fù)荷下的場地利用率、生產(chǎn)線設(shè)備利用率的仿真，細(xì)化了生產(chǎn)管理過程的控制節(jié)點(diǎn)，減少了規(guī)劃廠區(qū)的土地面積，提高了設(shè)備的使用效率，降低了船廠的投資成本，為新建企業(yè)能夠迅速地達(dá)到產(chǎn)能，提供了設(shè)計(jì)依據(jù)。

游艇工藝;生產(chǎn)流程;虛擬物流仿真;DELMIA

0 引言

游艇作為一個地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的標(biāo)準(zhǔn)型指標(biāo)，已越來越為人們所認(rèn)同。隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展，作為城市居民的下一個消費(fèi)熱點(diǎn)，我國的長三角、珠三角和環(huán)渤海地區(qū)，許多游艇廠正在新建，各類游艇項(xiàng)目正在審批上馬。本文就某新建游艇廠的FRP游艇生產(chǎn)流程的規(guī)劃，利用法國達(dá)索公司的DELMIA仿真軟件進(jìn)行了制造流程數(shù)字化規(guī)劃仿真研究。通過對整個規(guī)劃廠區(qū)的制造過程物流、一定生產(chǎn)符合下的場地利用率、生產(chǎn)線設(shè)備利用率的仿真，細(xì)化生產(chǎn)管理過程的控制節(jié)點(diǎn)，規(guī)劃廠區(qū)土地的合理使用面積和設(shè)備在一定生產(chǎn)負(fù)荷下的合理布局與合理配置，為該游艇廠的設(shè)計(jì)提供了依據(jù)，也為其他正在設(shè)計(jì)上馬的游艇廠提供了規(guī)劃參考，促進(jìn)游艇制造企業(yè)對資源的合理使用。

1 基于DELMIA/QUEST的某FRP游艇廠生產(chǎn)流程工藝仿真

隨著近年數(shù)字化設(shè)計(jì)與生產(chǎn)概念的提出，數(shù)字化生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)與過程仿真技術(shù)在船舶制造企業(yè)正逐步為人們所認(rèn)識，面向制造流程的仿真研究項(xiàng)目正方興未艾蓬勃發(fā)展，為促進(jìn)船舶工業(yè)向數(shù)字化管理技術(shù)的發(fā)展做出了貢獻(xiàn)。

在數(shù)字化工藝流程管理上，目前應(yīng)用比較多的軟件有:Arena、ShowFlow、Delmia/QUEST、Witness等。其中，System Modeling公司開發(fā)的SIMAN/CINEMA，PURDUE大學(xué)開發(fā)的 GCMS，Auto Simulation公司開發(fā)的AUTOMOD/AUTOGRAM也作為較成熟的軟件應(yīng)用于輔助車間生產(chǎn)系統(tǒng)的仿真［1］。這些軟件解決了車間生產(chǎn)線以及產(chǎn)品的設(shè)計(jì)到實(shí)現(xiàn)的轉(zhuǎn)化過程，使得設(shè)計(jì)到生產(chǎn)制造之間的不確定性降低。本文利用DELMIA/QUEST軟件，就某FRP游艇制造廠在一定的生產(chǎn)負(fù)荷下的生產(chǎn)流程進(jìn)行仿真，并根據(jù)仿真結(jié)果對其進(jìn)行優(yōu)化，其中包括:廠地的利用率、工廠整體布局、產(chǎn)品加工時間、機(jī)器磨損率以及加工過程中瓶頸出現(xiàn)的時間地點(diǎn)等信息，從而提出更優(yōu)的規(guī)劃設(shè)計(jì)方案，提高了規(guī)劃企業(yè)的土地利用率，降低了投資成本以及單位土地面積上產(chǎn)品的產(chǎn)出率，降低了生產(chǎn)成本。

1.1DELMIA/QUEST 簡介

DELMIA(Digital Enterprise Lean Manufacturing Interaction Application)軟件是法國達(dá)索公司的產(chǎn)品，它主要由3個部分組成:數(shù)字計(jì)劃工程DPE、數(shù)字計(jì)劃制造DPM和建模軟件QUEST，這3個相對獨(dú)立的部分通過PPR HUB接口連接到一起［2］。本文主要基于某新建FRP游艇廠，利用QUEST對其制造物流進(jìn)行仿真研究，從而合理地規(guī)劃游艇廠的制造物流和土地利用率。

利用三維數(shù)字工廠環(huán)境模型，將離散的FRP游艇零部件生產(chǎn)通過物理建模和邏輯建模的方法映射到虛擬環(huán)境中，組成與實(shí)際生產(chǎn)線相對應(yīng)的反應(yīng)實(shí)際生產(chǎn)流程的幾何和邏輯屬性虛擬仿真模型。通過軟件DELMIA/QUEST，對上述離散事件的工作過程進(jìn)行可視化仿真，反應(yīng)工廠生產(chǎn)系統(tǒng)集成、工藝流程設(shè)計(jì)方案合理性，評價生產(chǎn)工藝流程的準(zhǔn)確性與一定負(fù)荷下的生產(chǎn)的可完成性，分析全三維數(shù)字工廠規(guī)劃的合理性［3］。

1.2 現(xiàn)代FRP游艇制造工藝

新興FRP船艇制造與傳統(tǒng)的船舶制造差別很大。FRP船艇產(chǎn)品是一個技術(shù)含量較高、技術(shù)條件很復(fù)雜的產(chǎn)品，從設(shè)計(jì)、制造到服務(wù)，產(chǎn)品生產(chǎn)周期特別長。而且，市場需求個性化很強(qiáng)，游艇外部形狀和內(nèi)部配置變化萬千?，F(xiàn)在國際上基本采用“反工藝順序法”來安排車間任務(wù)，以解決各工種在品種、數(shù)量和期限方面的平衡銜接問題。目前國內(nèi)外游艇大多采用玻璃鋼材質(zhì)。

隨著玻璃鋼游艇產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，對艇體成型工藝的要求越來越高，特別是成型工藝的環(huán)保及成本方面的要求越來越高。傳統(tǒng)的艇體成型手糊工藝由于生產(chǎn)率低，勞動強(qiáng)度大，勞動衛(wèi)生條件差，性能穩(wěn)定性不高，產(chǎn)品力學(xué)性能較低等問題，已為高端游艇的制造所放棄，代之以真空導(dǎo)流工藝。其方法是將玻璃纖維增強(qiáng)材料和泡沫夾心材料干法預(yù)鋪設(shè)在密閉的模具內(nèi)，然后安裝供樹脂進(jìn)入和流動擴(kuò)散的進(jìn)膠接頭和引流管道，通過真空薄膜袋密封和真空泵的抽氣實(shí)現(xiàn)整個模具面積上鋪層內(nèi)部的高真空環(huán)境(一般為99%以上的真空度)。在系統(tǒng)保壓良好的情況下將低粘度的樹脂，經(jīng)進(jìn)膠管道由大氣壓注入系統(tǒng)內(nèi)部，樹脂按照預(yù)先設(shè)計(jì)的管道擴(kuò)散，在預(yù)訂時間內(nèi)浸泡所有鋪層結(jié)構(gòu)，待膠液固化后，揭去真空袋材料，就可從模具上得到所需的制品。整個真空導(dǎo)流過程可重復(fù)，可質(zhì)量控制，產(chǎn)品氣泡含量降到最低，產(chǎn)品的纖維含量達(dá)到65%以上。而且由于真空薄膜的密閉作用把苯乙烯等有害氣體的擴(kuò)散降低了90%以上，實(shí)現(xiàn)了健康、環(huán)保的要求。真空導(dǎo)流工藝將是今后游艇制造環(huán)節(jié)中艇體成型的一大趨勢［4］。

1.3 DELMIA軟件在FRP游艇生產(chǎn)流程上的仿真應(yīng)用

1.3.1 基于QUEST的仿真流程模塊

本文以某游艇廠的游艇制造生產(chǎn)流程為例，對生產(chǎn)線系統(tǒng)進(jìn)行面向?qū)ο蠼?，使生產(chǎn)線系統(tǒng)的抽象表達(dá)與實(shí)際系統(tǒng)相一致。本文的生產(chǎn)流程模型主要分為以下幾個模塊:

(1)各加工車間內(nèi)部零部件模塊:本文預(yù)先對FRP游艇的生產(chǎn)過程進(jìn)行總結(jié)歸類，最終分為7大生產(chǎn)車間，對游艇內(nèi)部及外殼各個組件進(jìn)行加工，待模擬零部件的基本信息以文本格式存儲于QUEST軟件的調(diào)度接口模塊。

(2)零部件收發(fā)模塊:包括資源Source和類文件Sink，原材料從Source中派發(fā)出來加工完畢之后歸類Sink，Source控制著材料到達(dá)的速度和頻率。本文通過編制Source的邏輯函數(shù)來控制零部件的產(chǎn)生，使生產(chǎn)符合生產(chǎn)實(shí)際的要求。Sink采用托盤的形式表達(dá)。作者首先利用軟件設(shè)計(jì)符合生產(chǎn)實(shí)際的各種模型保存成QUEST可以識別的.iges格式，提高了模型的真實(shí)性。

(3)緩存區(qū)模塊:實(shí)際生產(chǎn)中，各道工序的中間產(chǎn)品主要堆放在緩存區(qū)模塊。本文采用托盤來顯示緩存區(qū)的外形。本系統(tǒng)中緩存區(qū)Buffer模塊控制著產(chǎn)品的流動方向。

(4)運(yùn)輸模塊:各個加工車間的主要運(yùn)輸設(shè)備是平板小車以及大型的航車。為了符合生產(chǎn)實(shí)際的要求，運(yùn)輸小車AGV模塊的運(yùn)行速度以及運(yùn)輸規(guī)則都是要進(jìn)行規(guī)范的。通常情況下小車的運(yùn)輸規(guī)則分為3種類型:①先到先服務(wù)的原則;②排隊(duì)等候的原則;③最短距離的原則。本文采用先到先運(yùn)輸?shù)囊?guī)則，對AGV小車進(jìn)行約束。

(5)生產(chǎn)加工模塊:每一道工序相應(yīng)的設(shè)定有若干臺設(shè)備。本文的流水線生產(chǎn)是設(shè)備固定產(chǎn)品流動的生產(chǎn)模式，當(dāng)零部件到達(dá)相應(yīng)工序的某個設(shè)備時，設(shè)備應(yīng)根據(jù)不同的部件來判別相應(yīng)的加工時間從而完成加工。DELMIA中一些模型可以采用CATIA或SOLIDWORKS等三維軟件建模導(dǎo)入。在本文中，作者采用SOLIDWORKS建模再將設(shè)備模型導(dǎo)入QUEST中加以應(yīng)用。

(6)邏輯鏈接模塊:為了確定生產(chǎn)工藝流程的方向，當(dāng)靜態(tài)模型設(shè)定完畢之后需對模型進(jìn)行邏輯連接。

1.3.2 基于DELIMA數(shù)字化工廠體系結(jié)構(gòu)

圖1 數(shù)字化工廠體系結(jié)構(gòu)

圖1展示了數(shù)字化工廠的結(jié)構(gòu)。通過建模技術(shù)對真實(shí)工廠的制造資源和工藝數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，在計(jì)算機(jī)內(nèi)建立真實(shí)工廠的數(shù)字化模型。CAD數(shù)據(jù)、裝配工藝和預(yù)計(jì)的生產(chǎn)計(jì)劃作為輸入，通過優(yōu)化仿真系統(tǒng)進(jìn)行生產(chǎn)制造過程的模擬，對產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)過程進(jìn)行評價［5］。

1.3.3 游艇加工車間各組織結(jié)構(gòu)

在游艇生產(chǎn)中首先是船體工程和裝配工程，正如文中1.2中介紹的，在現(xiàn)代FRP游艇艇體成型工藝中，應(yīng)用較多的是真空導(dǎo)流工藝，這種艇體成型工藝具體的工藝流程如下:

制作木型→木型處理→模具制造→模具處理→脫模劑→膠衣→樹脂(膩?zhàn)?→氈/布/復(fù)合氈(多層板/輕木)→固化→裝骨架(筋)→脫?！拚M裝。

其次是輪機(jī)工程、電氣工程和裝飾工程，包括電路布線、監(jiān)控安裝、警報安裝、系統(tǒng)調(diào)試，五金件加工，木具加工等。

最后就是實(shí)船總檢，包括吊裝下水、水電實(shí)驗(yàn)、航行實(shí)驗(yàn)、系統(tǒng)調(diào)試、總驗(yàn)報告。

本文主要研究游艇的船體工程和裝配工程部分，仿真整個生產(chǎn)流程的制作過程，基于FRP游艇的生產(chǎn)過程。作者一共在所設(shè)計(jì)廠區(qū)內(nèi)建造了7大生產(chǎn)車間，分別為剪裁車間、層糊車間、小零件加工車間、切割打磨車間、金加工車間、木工車間以及最后的總裝車間。

1.3.4 游艇廠車間外部環(huán)境建造

對于本文所設(shè)計(jì)的FRP游艇制造廠，作者在工廠四周分別設(shè)置了傳達(dá)室、辦公樓、食堂等設(shè)施，在工廠的一側(cè)建造了堆積生產(chǎn)物料的倉庫，在游艇廠的周邊還做了廠區(qū)環(huán)境的綠化，這樣讓整個游艇廠看起來設(shè)施更加完善，更具人文氣息。

2 FRP游艇生產(chǎn)流程仿真與優(yōu)化

工廠/車間布局及物流方案的優(yōu)劣對生產(chǎn)效率高低、生產(chǎn)節(jié)拍均衡、資源利用率高低等有直接的影響，并直接影響到企業(yè)生產(chǎn)是否可順利進(jìn)行。由于生產(chǎn)系統(tǒng)的復(fù)雜程度高，運(yùn)用傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，很難進(jìn)行車間布局及物流方案的優(yōu)化。隨著仿真技術(shù)的發(fā)展和各種仿真軟件的出現(xiàn)，為企業(yè)通過虛擬仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn)優(yōu)化提供了可能。

仿真模型建立完成后，運(yùn)行模型，可以獲取關(guān)鍵設(shè)備(加工、物流)、工人等的實(shí)時利用率或平均利用率、關(guān)鍵設(shè)備加工的物量、生產(chǎn)線流動節(jié)拍、場地堆放情況等數(shù)據(jù)?；谀Ｐ洼敵龅母黝悢?shù)據(jù)，可以進(jìn)行生產(chǎn)線布局合理性分析、物流方案優(yōu)劣分析、設(shè)備及人員負(fù)荷分析、生產(chǎn)線瓶頸工位確定等，作為生產(chǎn)線及物流方案評估及進(jìn)一步優(yōu)化的依據(jù)。如果存在瓶頸工位，可以采取添加瓶頸工位設(shè)備數(shù)量，分解瓶頸工位工藝內(nèi)容，減少非瓶頸工位設(shè)備數(shù)量等方法進(jìn)行改善。如存在某處零部件堆積嚴(yán)重的情況，可以采取增加堆放場地或加快向后道工序運(yùn)輸頻率的方法進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化方案確定后，在模型中進(jìn)行相應(yīng)的修改，重新運(yùn)行模型并獲取運(yùn)行結(jié)果。如此多次進(jìn)行調(diào)整和運(yùn)行，最終可以得到最優(yōu)，或者相對較優(yōu)的布局方案及物流方案。模型反復(fù)運(yùn)行并得出的結(jié)果，可以為新車間布局、物流方案確定或已有車間布局、物流方案優(yōu)化提供有力的決策支持。

在本文中，主要從車間布局合理性分析、場地利用率以及生產(chǎn)線瓶頸工位確定這三方面進(jìn)行優(yōu)化。

在本文的車間布局上，最初的設(shè)計(jì)如圖2所示，廠區(qū)四周分別設(shè)置了辦公樓、食堂、倉庫以及廠房，中間區(qū)域分別設(shè)置了剪裁車間、層糊車間、小零件加工車間、切割打磨加工車間、木工車間、金加工車間以及最后的總裝車間。完成車間布置后，進(jìn)行游艇生產(chǎn)流程的仿真研究，發(fā)現(xiàn)這種車間布局存在不合理之處。產(chǎn)品從最初的剪裁車間，經(jīng)過一系列加工過程，運(yùn)送到最終的總裝車間，整個流程的生產(chǎn)時間過長，且整個車間的制造流程也比較混亂，并且這種車間布置對場地的利用率也不高，所以這種車間布局不合理，需要改進(jìn)。

圖2 最初的廠區(qū)布置圖

從圖3的第2次的改進(jìn)方案中，可以看到各個車間的分布。這種設(shè)計(jì)方案是在7大生產(chǎn)車間分別對游艇制造過程中所需零部件進(jìn)行加工，然后再通過導(dǎo)軌，由小車運(yùn)送到總裝車間。這種設(shè)計(jì)方案與第一種設(shè)計(jì)方案相比整個生產(chǎn)過程中的總加工時間有所減少，這個車間布局的生產(chǎn)制造流程很清晰，但是同樣存在缺陷，就是場地的利用率還是不太高。在當(dāng)今土地資源十分緊張的情況下，提高土地利用率已經(jīng)是首要考慮的問題，并且提高土地的利用率還可以節(jié)省開支。

在第3次的改良方案中，如圖4所示，作者對廠區(qū)的布置做了較大的調(diào)整。從圖4中可以看出，總裝車間改建在廠區(qū)的中間，上面從左到右分別是剪裁車間、層糊車間、小零件加工車間以及切割打磨車間，總裝車間右側(cè)是木工車間，之后最下側(cè)放置的是金加工車間。由于金加工車間與木工車間所加工的部件相對較重，所以將金加工與木工車間建造在比較靠近總裝的位置。剪裁車間、層糊車間工作任務(wù)相對來說較輕松，所生產(chǎn)零部件對運(yùn)行AGV小車來講，任務(wù)量不大，因而將這2個車間放置在相對總裝車間較遠(yuǎn)的場地，這樣做的目的是節(jié)省了小車的運(yùn)行時間，也縮短了總裝之前的延遲等待時間。在這次的改良方案中，還將各車間相對應(yīng)的AGV小車運(yùn)行軌道作了相應(yīng)的調(diào)整，這樣做的目的就是為了提高場地的利用率，使車間的整體布局更加合理。各加工部件在經(jīng)過總裝車間之后，直接經(jīng)過軌道運(yùn)送出廠。

圖3 第2次改進(jìn)的廠區(qū)布置圖

圖4 第3次改進(jìn)的廠區(qū)布置圖

在生產(chǎn)流程的仿真中，一個重要問題就是調(diào)整各生產(chǎn)線平衡并保證每條生產(chǎn)線的物流順暢，這里的FRP游艇廠生產(chǎn)流程的仿真中也出現(xiàn)了此類問題。因?yàn)榫植垦b配節(jié)拍調(diào)整不協(xié)調(diào)和設(shè)備位置規(guī)劃不夠合理導(dǎo)致了傳送帶上有大量的零部件積壓，阻塞了物流，使得后續(xù)生產(chǎn)線無法繼續(xù)運(yùn)行，并且存在設(shè)備和工人的利用率和忙閑程度等指標(biāo)不合理等問題。通過對仿真模型的反復(fù)調(diào)整和對工人運(yùn)動路徑等問題的重新規(guī)劃調(diào)整等措施，最后使得每條線得以平衡，并且使得工人和裝配機(jī)床等的忙閑利用率等裝配線指標(biāo)趨于合理化。另外值得注意的是，在剪裁車間和小零件加工車間存在零部件積壓，在木工車間存在零部件供應(yīng)不足的問題，這兩個問題都將導(dǎo)致物流不順暢，運(yùn)輸過程中存在延遲等待問題，這嚴(yán)重降低了整條流程的生產(chǎn)效率，也大大降低了小車的運(yùn)輸效率，增加了生產(chǎn)周期。因此，必須重點(diǎn)解決生產(chǎn)流程中的這些瓶頸問題，縮短游艇的生產(chǎn)周期。可主要從以下兩方面進(jìn)行瓶頸問題的優(yōu)化:

(1)改變車間內(nèi)機(jī)器的數(shù)量，每臺機(jī)器的實(shí)際加工時間，每個車間的工人人數(shù)與每個工人的實(shí)際工作時間。

(2)每個車間外運(yùn)輸零部件的小車的速度與運(yùn)貨量。

優(yōu)化之后再運(yùn)行仿真，如圖5所示。

圖5 優(yōu)化后生產(chǎn)流程仿真實(shí)驗(yàn)

從圖5可以看出，剪裁車間與小零件加工車間的物料堆積與木工車間內(nèi)的物料供給不足問題都已經(jīng)成功解決。整個FRP游艇的生產(chǎn)制造流程已經(jīng)變得十分順暢，生產(chǎn)線的瓶頸問題也已經(jīng)得到優(yōu)化。為了使優(yōu)化的結(jié)果更加清晰明了，根據(jù)以上優(yōu)化結(jié)果，畫柱形直方圖作對比，如圖6和圖7所示。

從圖6和圖7柱形直方圖看出，優(yōu)化前與優(yōu)化后相比，一艘游艇的加工總時間縮小了，這也意味著提高了生產(chǎn)效率，同時也節(jié)省了生產(chǎn)成本。因此，對生產(chǎn)流程的優(yōu)化還是很有必要的。

3 結(jié)語

本文以某FRP游艇廠為研究對象，探索在一艘游艇的制造流程過程中，應(yīng)用現(xiàn)代造船模式下的先進(jìn)車間制造技術(shù)，模擬仿真數(shù)字化 工廠，極大地縮短了實(shí)際生產(chǎn)中的設(shè)計(jì)變更，并且縮短了工藝規(guī)劃的時間，在提高產(chǎn)量的同時也降低了生產(chǎn)成本，極大限度滿足客戶的要求。本文最后從車間布局的合理性、場地的利用率以及生產(chǎn)線的瓶頸工位這幾個方面多次對仿真系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，最終獲得了較優(yōu)方案，大大提高了生產(chǎn)效率，使整條生產(chǎn)線的物流更加順暢，從而縮短了游艇的生產(chǎn)周期，這是很有現(xiàn)實(shí)意義的。

圖6 優(yōu)化前后各車間加工時間

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It laid out the planning of yacht product flow aiming to a newly-built FRP yacht project based on DELMIA simulation software of Dassault corporation，and optimized the usage field of FRP yacht manufacture through the flow simulation.The paper thinned the control node of production and administration process，decreased the land areas of layout factory，advanced the availability factor of equipment，reduced the cost of investment of shipyard through the simulation of the physical distribution of the whole layout shipyard manufacture process，the field utility ratio of special production load，utility ratio of product line equipment，and provided the design considerations for the newly-built corporation achieving capacity of product rapidly.

Simulation of a yacht yard product flow planning based on DELMIA

Li Jiagui，Wang Zhen，Chen Ning(6)

U673.2

A

2011-09-21

李家貴(1967-)，男，工程師，主要從事交通水運(yùn)工程工作;王真(1988-)，女，碩士研究生，研究方向?yàn)榇皵?shù)字化模擬制造仿真;陳寧(1964-)，男，教授，研究方向?yàn)榇皵?shù)字化設(shè)計(jì)與先進(jìn)制造。