周爾民，朱 進(jìn)，王貴用

（華東交通大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，南昌 330013）

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)全球化的不斷深入，制造企業(yè)之間的競爭日益激烈，產(chǎn)品的復(fù)雜程度也越來越高。影響制造企業(yè)全球競爭能力的重要指標(biāo)是產(chǎn)品的開發(fā)時(shí)間（Time）、質(zhì)量（Quality）、成本（Cost）、以及相應(yīng)的服務(wù)（Service），即TQCS[1]。與此同時(shí)，不斷提高的制造業(yè)機(jī)械化、自動(dòng)化水平，使得制造企業(yè)在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和加工階段降低生產(chǎn)成本變得越來越困難。因此，運(yùn)用先進(jìn)的物流技術(shù)降低產(chǎn)品生命周期90%～95%的物流時(shí)間，是企業(yè)保持市場競爭力和提高生產(chǎn)效率的關(guān)鍵。有調(diào)查研究表明，在已經(jīng)運(yùn)行的復(fù)雜制造系統(tǒng)中約有80%沒有達(dá)到最初設(shè)計(jì)要求，其存在的問題中有60%可以歸結(jié)為生產(chǎn)車間構(gòu)建初期的規(guī)劃不合理，其中尤其需要解決造成生產(chǎn)效率低下的生產(chǎn)車間布局不合理和生產(chǎn)能力不匹配等問題[2]。

應(yīng)用三維離散事件仿真軟件DELMIA/QUEST的建模與仿真功能，以某傳動(dòng)公司汽車變速器倒檔齒輪生產(chǎn)線為例，通過建立虛擬生產(chǎn)線和搭建虛擬生產(chǎn)工藝仿真環(huán)境，從而發(fā)現(xiàn)該生產(chǎn)線中存在的車間布局不合理、資源配置不協(xié)調(diào)等問題。結(jié)合仿真結(jié)果進(jìn)行分析，對(duì)生產(chǎn)線進(jìn)行調(diào)整，最終提出優(yōu)化方案。

1 數(shù)字化工藝規(guī)劃

伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和隨之產(chǎn)生的數(shù)字化工程、軟件工程等技術(shù)的蓬勃發(fā)展，很多企業(yè)開始引入先進(jìn)的制造管理技術(shù)。在新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)過程中引入了CAD/CAM等計(jì)算機(jī)輔助制造系統(tǒng)；在生產(chǎn)制造階段使用了數(shù)控機(jī)床、工程機(jī)械、裝配流水線等現(xiàn)代化生產(chǎn)設(shè)備；在生產(chǎn)管理上使用ERP，PLM，CIMS等軟件；企業(yè)的生產(chǎn)管理能力和產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)能力都有了顯著的提高。

然而，企業(yè)在生產(chǎn)過程中遺憾的發(fā)現(xiàn)上述系統(tǒng)并未給企業(yè)的生產(chǎn)調(diào)節(jié)能力和制造能力帶來相應(yīng)的提升。因?yàn)?，研發(fā)部門在研發(fā)初期并沒有考慮到新產(chǎn)品的可制性，產(chǎn)品往往到快要進(jìn)行生產(chǎn)作業(yè)的時(shí)候才發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中存在的問題。因而花費(fèi)大量的人力、物力對(duì)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)進(jìn)行修改，同時(shí)還需要大量的時(shí)間和金錢對(duì)已經(jīng)建好的生產(chǎn)線重新調(diào)試。如圖1所示，產(chǎn)品設(shè)計(jì)和產(chǎn)品加工的自動(dòng)化程度都很高，而中間的工藝規(guī)劃自動(dòng)化程度卻很低。由此產(chǎn)生的瓶頸效應(yīng)，極大地限制了企業(yè)的效能，耗費(fèi)許多的時(shí)間和費(fèi)用。因此，對(duì)數(shù)字化工藝規(guī)劃進(jìn)行研究，提高企業(yè)工藝規(guī)劃自動(dòng)化程度，對(duì)制造業(yè)企業(yè)具有重要意義。

圖1 企業(yè)各階段自動(dòng)化程度

2 基于DELMIA/QUEST的生產(chǎn)線建模與仿真

生產(chǎn)線系統(tǒng)仿真屬于離散事件系統(tǒng)仿真。系統(tǒng)仿真就是依據(jù)所需模擬的系統(tǒng)和建模目標(biāo)，在系統(tǒng)各要素及各要素之間相互關(guān)系的基礎(chǔ)上，建立逼近真實(shí)系統(tǒng)的仿真模型，通過分析獲取正確決策所需的各種信息。離散系統(tǒng)仿真流程如圖2所示。DELMIA/QUEST是法國達(dá)索公司開發(fā)的一款用于分析工藝流程和車間布局的離散事件仿真軟件。由于其簡單易用的可視化界面、出眾的數(shù)據(jù)分析能力，使其成為生產(chǎn)工藝流程仿真和分析的首選解決方案[3]。DELIMA/QUEST建模與仿真過程一般可分為生產(chǎn)線工藝流程布局導(dǎo)入、元素建模與邏輯建模、工藝設(shè)計(jì)、結(jié)果與分析四個(gè)步驟[4]。

圖2 離散系統(tǒng)仿真流程

2.1 生產(chǎn)線工藝流程布局導(dǎo)入

工藝流程是產(chǎn)品生產(chǎn)加工過程中，從最初的原材料到最終產(chǎn)成品所產(chǎn)生的一系列工序的安排程序。因此，工藝流程布局圖是系統(tǒng)建模的基礎(chǔ)。由于Quest并不支持CAD下常見的DWG格式，所以首先我們需要將DWG格式的工藝流程布局圖轉(zhuǎn)化為Quest可以識(shí)別的DXF格式，然后直接導(dǎo)入即可。

2.2 物理建模與邏輯建模

Quest提供了強(qiáng)大的建模功能，這里的建模是指仿真模型的建立，而不是CAD模型。Quest模型可以分為兩個(gè)部分：物理模型和邏輯模型。CAD模型是用于建立真實(shí)的物理模型的，而真正控制仿真運(yùn)行的是邏輯模型。

虛擬物理模型的生產(chǎn)資源包括上料站（Source）、緩沖站（Buffer）、機(jī)器（Machine）、卸料站（Sink）、傳送帶（Conveyor）、自動(dòng)導(dǎo)向小車（Automated Guided Vehicles，簡稱AGV）及工人（Labor）等。Quest軟件中自帶了一些常用的機(jī)器設(shè)備，例如臥式車床、立式鉆床、叉車等，使用中通過定義基本參數(shù)可以很方便的進(jìn)行建模。對(duì)于Quest軟件中沒有的初始模型，可先利用CAD模塊建立設(shè)備的三維幾何模型，導(dǎo)入相應(yīng)的設(shè)備參數(shù)，然后再根據(jù)設(shè)備在系統(tǒng)中的位置和設(shè)備與設(shè)備間的相互關(guān)系進(jìn)行建模。圖3為升降機(jī)初始模型的建模視圖。

圖3 升降機(jī)初始模型建模視圖

圖4 某生產(chǎn)線的物理模型及邏輯連接

對(duì)建立好的虛擬物理模型進(jìn)行邏輯建模，建立相互鏈接的關(guān)系。鏈接（connection）是Quest模型中用于聯(lián)系其他各個(gè)元素的元素。通過建立鏈接關(guān)系確定生產(chǎn)系統(tǒng)工藝流程的整體流向，零件只能在建立鏈接關(guān)系的元素之間移動(dòng)，一旦鏈接關(guān)系建立，隨之產(chǎn)生的邏輯關(guān)系也相應(yīng)的建立。某生產(chǎn)線的物理模型及邏輯連接如圖4所示，大部分的元素都至少具有一個(gè)輸入和一個(gè)輸出鏈接，換句話說，零件會(huì)沿著輸入鏈接從上一道工序進(jìn)入該元素，生產(chǎn)加工完成后再沿著輸出鏈接移動(dòng)到下一道工序。因而每一個(gè)元素都會(huì)有輸入和輸出鏈接，但來源（sources）元素和接收（sinks）元素是兩個(gè)例外。這是由它們自身的功能決定的，來源的功能是從無創(chuàng)建元素，而接收的功能是銷毀零件。

在Quest中，通過邏輯鏈接控制，完成對(duì)物理模型的選擇和調(diào)度。這些鏈接事實(shí)上都是利用結(jié)構(gòu)化編程語言（SCL）編寫的一段仿真程序。Quest中提供了一些標(biāo)準(zhǔn)的process和logic，通常情況下，這些標(biāo)準(zhǔn)的process和logic已經(jīng)可以滿足用戶需要了。但在一些特殊的生產(chǎn)環(huán)境中，這些標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)化語言無法完全定義所需過程。使用Quest所提供的SCL對(duì)現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)程序進(jìn)行更改或重新編寫，能夠?qū)崿F(xiàn)在特殊環(huán)境下的邏輯鏈接。這種功能使得用戶可以在任何自己需要的詳細(xì)程度上控制仿真模型，利用它的二次開發(fā)功能，實(shí)現(xiàn)仿真目標(biāo)，以流水線生產(chǎn)過程中的按需供件為例編輯程序如下：

2.3 工藝設(shè)計(jì)

為了使仿真模型更加精確地反映實(shí)際生產(chǎn)系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，保證仿真結(jié)果的真實(shí)性。將一些與生產(chǎn)線密切相關(guān)的工藝參數(shù)賦予已經(jīng)建立好的物理模型。如圖5所示，在Quest設(shè)置各個(gè)工藝參數(shù)，包括生產(chǎn)節(jié)拍，傳送帶傳送速度，控制邏輯等。

2.4 結(jié)果與分析

對(duì)建立好的模型進(jìn)行仿真運(yùn)行，仿真結(jié)果可以在仿真過程中以餅狀圖、條形圖等動(dòng)態(tài)地顯示生產(chǎn)設(shè)備以及人力資源的利用率。在仿真結(jié)束后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)生成統(tǒng)計(jì)表用于對(duì)整個(gè)模型進(jìn)行分析。通過對(duì)仿真結(jié)果的分析，找到仿真過程中產(chǎn)生的“瓶頸”問題并進(jìn)行合理的優(yōu)化調(diào)整，最終提出改進(jìn)方案。

圖5 工藝參數(shù)設(shè)置

3 實(shí)例分析

以江西省某汽車傳動(dòng)公司汽車變速器倒檔齒輪生產(chǎn)線為例，對(duì)該條生產(chǎn)線的生產(chǎn)車間進(jìn)行建模仿真。圖6為倒檔齒輪生產(chǎn)工藝流程圖。根據(jù)生產(chǎn)工藝流程圖和實(shí)際的生產(chǎn)環(huán)境，在Quest中建立生產(chǎn)線的虛擬物理模型。對(duì)生產(chǎn)線中的各元素建立相互鏈接的邏輯關(guān)系，最后將所需的生產(chǎn)工藝參數(shù)、運(yùn)行仿真時(shí)間和工時(shí)狀況等導(dǎo)入物理模型中。表1為倒檔齒輪生產(chǎn)工藝參數(shù)。

圖6 倒檔齒輪生產(chǎn)工藝流程圖

圖7 生產(chǎn)線仿真運(yùn)行8小時(shí)場景

生產(chǎn)線規(guī)劃的一個(gè)重要目的就是在保證生產(chǎn)線物流順產(chǎn)的前提下，追求人力資源、機(jī)器資源的利用率最大化，從而降低生產(chǎn)成本，創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益。圖7為該生產(chǎn)線通過Quest進(jìn)行仿真運(yùn)行8小時(shí)后的場景，從三維的虛擬生產(chǎn)線上，我們可以很清楚的看出，這條生產(chǎn)線的作業(yè)生產(chǎn)區(qū)和物流運(yùn)送系統(tǒng)中并沒有發(fā)生物流阻塞現(xiàn)象和零部件的堆積現(xiàn)象。然而從設(shè)備利用率直方圖我們可以看出設(shè)備5的利用率極低，很多時(shí)候都處在空閑狀態(tài)，造成資源浪費(fèi)。同時(shí)，生產(chǎn)車間布局過于雜亂，工人往往需要不停的往返相鄰工序之間，而該生產(chǎn)車間工序之間的距離較遠(yuǎn)，工人時(shí)常需要花費(fèi)大量的時(shí)間行走在車間內(nèi)，這樣不僅使工人易于疲勞，降低生產(chǎn)效率。而且提高了人力資源成本，有些原本只需一名工人就能獨(dú)立完成的工作，現(xiàn)在往往需要兩名甚至三名工人才能完成。

圖8 改進(jìn)后生產(chǎn)線仿真運(yùn)行8小時(shí)場景

在保證生產(chǎn)線運(yùn)行順暢的前提下，對(duì)仿真模型進(jìn)行反復(fù)調(diào)整。在調(diào)整過程中我們發(fā)現(xiàn)，設(shè)備4與設(shè)備5的工作機(jī)理相似，我們可以將兩道工序合并，減少一臺(tái)機(jī)器設(shè)備，這樣做就可以避免設(shè)備5因空閑狀態(tài)而導(dǎo)致的資源浪費(fèi)，也提高了設(shè)備4的設(shè)備利用率。同時(shí)，對(duì)生產(chǎn)車間布局進(jìn)行重新規(guī)劃。如圖8所示，環(huán)形的車間布局極大的降低了工人的行走距離，使該生產(chǎn)線上的工人數(shù)由原來的7人降至5人，節(jié)約了一部分的生產(chǎn)成本。并且布局的改善減少了設(shè)施建設(shè)的占地面積，提高車間空間資源利用率。在Quest中對(duì)改進(jìn)后的生產(chǎn)線系統(tǒng)進(jìn)行8小時(shí)仿真，仿真結(jié)果如圖9、圖10所示，從圖中我們可以看出，改進(jìn)后的生產(chǎn)線無論是設(shè)備利用率，還是人力資源的利用率都有了不同程度的提高，表2對(duì)改進(jìn)前和改進(jìn)后生產(chǎn)線狀態(tài)進(jìn)行對(duì)比，其中生產(chǎn)力由改進(jìn)前的0.93件/工時(shí)上升到1.38件/工時(shí)，提高了48.4%。平均人力資源利用率由改進(jìn)前的27.1%提升到38.1%，平均設(shè)備利用率由改進(jìn)前的34.5%提升到45.2%，改進(jìn)后的生產(chǎn)線達(dá)到了較理想的運(yùn)行狀態(tài)。

圖9 改進(jìn)前與改進(jìn)后人力資源利用率對(duì)比表

圖10 改進(jìn)前與改進(jìn)后設(shè)備利用率對(duì)比表

表2 改進(jìn)前與改進(jìn)后生產(chǎn)線狀態(tài)對(duì)比

4 結(jié)論

利用數(shù)字化工廠仿真軟件DELMIA/QUEST對(duì)生產(chǎn)線進(jìn)行可視化生產(chǎn)工藝仿真，找到生產(chǎn)線中存在的生產(chǎn)線布局不合理、物流運(yùn)送不暢等問題。經(jīng)過多次仿真和優(yōu)化調(diào)整后，得出較好的生產(chǎn)線平衡和優(yōu)化方案。該技術(shù)可用于制造業(yè)企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)，可使企業(yè)在自身制造資源數(shù)量不變的情況下，最大程度地提高生產(chǎn)設(shè)備利用率，降低成本，提高生產(chǎn)效率，使企業(yè)實(shí)現(xiàn)精益化生產(chǎn)。

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