廖忠情，鄭華棟，叢　明，劉　冬，劉云飛

(1.大連理工大學(xué) 機械工程學(xué)院，遼寧 大連　116024；2.大連豪森瑞德設(shè)備制造有限公司,遼寧 大連　116036)

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基于Witness發(fā)動機測試線布局優(yōu)化和仿真分析*

廖忠情1，鄭華棟1，叢明1，劉冬1，劉云飛2

(1.大連理工大學(xué) 機械工程學(xué)院，遼寧 大連116024；2.大連豪森瑞德設(shè)備制造有限公司,遼寧 大連116036)

根據(jù)某發(fā)動機測試線的實際運行情況，運用Witness仿真軟件對生產(chǎn)線進行建模和優(yōu)化分析。利用軟件的分析模塊對仿真結(jié)果進行圖像化處理，發(fā)現(xiàn)了原檢測線中存在的限制整體生產(chǎn)節(jié)拍的設(shè)計缺陷。通過對測試線的空間布局進行局部調(diào)整，減少了測試線的生產(chǎn)節(jié)拍和占地面積、提高了年產(chǎn)量，經(jīng)過再次仿真驗證了優(yōu)化后模型的合理性。仿真實驗展現(xiàn)了基于軟件仿真的生產(chǎn)線優(yōu)化技術(shù)的應(yīng)用價值。

Witness；發(fā)動機；空間布局優(yōu)化；節(jié)拍

LIAO Zhong-qing1，ZHENG Hua-dong1，CONG Ming1，LIU Dong1,LIU Yun-fei2

(1.School of Mechanical Engineering, Dalian University of Technology, Dalian Liaoning 116024, China; 2.Dalian Haosenread Equipment Manufacturing Co., Ltd., Dalian Liaoning 116036, China)

0　引言

汽車發(fā)動機作為汽車中最重要的部分，其加工裝配工藝非常復(fù)雜，汽車發(fā)動機裝配線規(guī)劃及布局優(yōu)化問題是各個汽車廠家非常重視的問題。裝配線的排產(chǎn)、空間布局規(guī)劃、工位節(jié)拍和工位數(shù)量的設(shè)計等工作對于提高生產(chǎn)效率和節(jié)約成本有重要意義[1]。

裝配線規(guī)劃(Assembly Planning, AP)問題主要分為三類問題：裝配序列規(guī)劃，即將一系列的裝配任務(wù)在裝配順序不沖突的情況下安排到各工位；裝配線平衡，即平衡工位間的工作量和工作節(jié)拍；裝配路徑規(guī)劃，即通過合理安排裝配工序以達到裝配線上工人、零件以及小車整體路徑最優(yōu)[2]。在裝配線平衡和規(guī)劃以及算法優(yōu)化方面，許多學(xué)者對此作了大量的工作。西南交通大學(xué)的李明對應(yīng)用于裝配線平衡問題中的變異粒子群算法作出優(yōu)化，有效提高了種群搜索能力[3]。邱和孟等分別利用遺傳算法和仿真軟件結(jié)合等方法得到了混流生產(chǎn)線的優(yōu)化解決方案，并用于指導(dǎo)制造企業(yè)進行生產(chǎn)線設(shè)計和車間改造[4-8],利用Flexsim和eM-Plant仿真軟件在方案比較、空間布局優(yōu)化方面獲得很多成果。在工位配置和優(yōu)化方面，林和暴分別使用eM-Plant和witness仿真軟件優(yōu)化焊裝線和廠區(qū)設(shè)計方案，對軟件的應(yīng)用恰到好處[9-10]。結(jié)合發(fā)動機測試線的特點，本文運用汽車工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)主流的仿真軟件Witness對汽車發(fā)動機整裝測試線進行仿真，找出設(shè)計缺陷，并對改進后的設(shè)計進行仿真驗證。

1　發(fā)動機測試線系統(tǒng)仿真

1.1模型描述

本文對發(fā)動機缸體裝配線下的一條測試線進行優(yōu)化仿真。該測試線主要完成型號為B38和B48的兩款發(fā)動機的漏試、冷試以及發(fā)動機零件裝配完整性測試三個任務(wù)，對應(yīng)的工位分別是A040、A061(A062、A063)、A150?？紤]生產(chǎn)線操作工人利用率、設(shè)備利用率、平均排隊時間、最大隊列長度、生產(chǎn)節(jié)拍等影響裝配效率的重要因素，對測試線進行合理規(guī)劃和布局，以提高產(chǎn)量、提高工人和設(shè)備利用率。

在模型建立之前，需要對仿真數(shù)據(jù)進行收集，仿真數(shù)據(jù)的輸入尤為重要，數(shù)據(jù)的正確與否對于仿真結(jié)果合理性有著至關(guān)重要的影響。表1是所收集的各工位節(jié)拍情況，該線總共包含22個工位，其中自動工位7個，手動工位12個，返修工位5個，另外在實際生產(chǎn)中，生產(chǎn)線的設(shè)備開動率為90%。

表1　測試線各工位節(jié)拍

注：A表示自動工位，M表示手動工位，R表示返修工位

1.2仿真分析

仿真主要針對測試線的生產(chǎn)節(jié)拍和工件流動等方面進行，所以忽略了單個工位的工序操作，把一個工位作為一個單元進行建模，不對單元內(nèi)部進行優(yōu)化仿真。

作為一款生產(chǎn)系統(tǒng)規(guī)劃與運營仿真平臺，Witness軟件中提供描述工業(yè)系統(tǒng)的模型元素，用戶可以使用這些模型元素建立模型；該軟件集成了模型運行規(guī)則和屬性描述函數(shù)等功能，這其中就包括了離散分布模型。本模型中采用了Part(發(fā)動機)、Machine(裝配或測試工位、轉(zhuǎn)盤)、Conveyor(滾道)、Labor(工人)、Attribute以及Variable等物理元素和邏輯元素。

由圖1可以清楚的看出三個測試工位在工藝流程中的分布，以及待測試的發(fā)動機在整個測試線中的流動情況。發(fā)動機先經(jīng)過漏試工位，漏試不合格馬上進入返修工位返修，然后再次通過發(fā)動機泄漏測試，測試合格后進入下一工位。其他兩個測試工位的安排和漏試工位大致類似。

圖1　發(fā)動機測試線工藝流程圖

1.3建立模型

測試線中有三個返修工位，測試完成后根據(jù)情況對發(fā)動機的流向做出不同的控制。在實際的生產(chǎn)線中，這一過程是通過轉(zhuǎn)盤實現(xiàn)的。各工位之間通過滾道連接，載著發(fā)動機的托盤在滾道上向前移動，進入各工位之后無需將發(fā)動機從托盤中取出。發(fā)動機上有二維碼，用以記錄發(fā)動機的測試狀態(tài)，托盤進入轉(zhuǎn)盤時，轉(zhuǎn)盤上的攝像頭掃描發(fā)動機的二維碼，識別發(fā)動機的測試狀態(tài)，轉(zhuǎn)盤根據(jù)得到的信息，引導(dǎo)工件進入不同的工位。

(a)R61加工完成時　　　(b) 轉(zhuǎn)盤TQD066輸出時

在Witness仿真軟件中，為了完成這一過程，定義了一些屬性(Attribute)，通過在Machine中編寫代碼，對屬性進行設(shè)置用以記錄發(fā)動機的測試狀態(tài)(如圖2a)，圖2b為轉(zhuǎn)盤TQD066輸出命令的代碼；測試工位測試通過率根據(jù)實際生產(chǎn)過程中的實際情況確定，漏試和拍照的通過率為90%，冷試通過率為60%；實際生產(chǎn)中，返修后存在一部分發(fā)動機仍然不合格的現(xiàn)象，在建立模型時這種情況也被考慮在內(nèi)，漏試和拍照返修不合格概率為10%，冷試返修不合格概率為20%；設(shè)計之初各工位的節(jié)拍是由該工位的操作任務(wù)量決定的，設(shè)計時是一個定值，但現(xiàn)實中，由于操作工人的工作效率并不恒定，經(jīng)常出現(xiàn)波動。建模時，以離散分布函數(shù)設(shè)定工位節(jié)拍(此處用節(jié)拍為μ的正態(tài)分布作為各工位的節(jié)拍進行仿真)。

圖3　發(fā)動機測試線仿真布局圖

1.4仿真結(jié)果分析

按照原始發(fā)動機測試線的布局圖，在Witness中建立模型(如圖3所示)。根據(jù)本項目總技術(shù)指標，3班年產(chǎn)40萬臺，設(shè)備開動率90%。設(shè)置仿真時間為3600×24×365×0.9，得到發(fā)動機年產(chǎn)量377587臺，計算出發(fā)動機總結(jié)拍為75s，所消耗的仿真時間為19分08秒，其中年產(chǎn)量37.8萬臺不滿足設(shè)計要求。圖4為發(fā)動機測試線各工位的運行情況。

圖4　發(fā)動機測試線各工位運行情況

從圖中可以看出，設(shè)備使用率的情況，其中最明顯的是R040、R061、R061、R150的閑置率(Empty)偏高。這幾個工位是測試返修工位，發(fā)動機只有少部分需要測試返修，這是導(dǎo)致返修工位閑置的原因,屬于合理情況。

圖5　發(fā)動機測試線滾道運行情況

在發(fā)動機測試線的各工位節(jié)拍已經(jīng)給定的情況下，發(fā)動機在滾道上的等待時間是影響整體節(jié)拍的主要因素。從圖5可以看到，C52的排隊時間(Queue)明顯比其他幾段滾道的要長，工件在C52出現(xiàn)了擁堵，影響了整體的節(jié)拍。圖中Blocked表示“堵塞”，因為滾道的輸送速度是12m/min，節(jié)拍遠超過各工位的節(jié)拍，所以在滾道上堵塞是常態(tài)，并不是影響節(jié)拍的因素，此處等待則表示等待進入C52的時間。

測試線的總長達215m，因為冷試通過率低，為了平衡各工位的節(jié)拍，所以實際的發(fā)動機測試線中設(shè)置了三個相同的冷試工位和三個冷試返修工位?？s短滾道以達到減少占地面積的效果，設(shè)計之初發(fā)動機流動方向與流程圖中所表示的流向有些差別，完成冷試工位后，發(fā)動機并不是直接進入冷試返修工位，而是在拍照測試之后設(shè)置了冷試返修工位，利用滾道M170與下線工位的滾道將冷試返修后的發(fā)動機輸送到冷試工位，進行再次冷試操作。如仿真結(jié)果顯示，這一段“公共使用”的滾道影響到了測試線的整體節(jié)拍，這一設(shè)計得不償失。

2　模型優(yōu)化

模型運行的結(jié)果顯示，優(yōu)化前發(fā)動機測試線主要存在兩個限制生產(chǎn)線平衡的因素：①返修工位的閑置率很高；②C52段滾道的排隊時間過長，影響整體節(jié)拍。

綜合考慮上述兩個缺陷，對發(fā)動機測試線的整體空間布局進行重行排列(不改變各工位內(nèi)部布局)，將三類返修工位作為一個單元進行排布，由原來5個返修工位(R060不作修改)5名工人減少為3名工人；同時取消C52滾道“公共使用”的部分，將完成冷試工位后的發(fā)動機由一條單獨的滾道運送到冷試返修工位；盡量利用有效空間，減少占地面積。

仿真運行優(yōu)化后的模型，運行仿真時間一年。仿真結(jié)果顯示平均節(jié)拍降低到58s,年產(chǎn)量提高了10.9萬臺。滾道運行情況如圖6所示。從圖可以看出C52的排隊時間降到了10%以下，有效得降低了整體節(jié)拍。與原設(shè)計相比，優(yōu)化后得到的生產(chǎn)線布局占地面積由原來的1372m2，減少為1069m2，減少了22%的占地面積。

圖6　優(yōu)化后滾道排隊時間

3　結(jié)論

本文利用Witness軟件對某發(fā)動機測試線進行仿真分析，指出限制整體節(jié)拍的因素，通過對測試線的空間布局進行重行排布，將整體節(jié)拍由原來的75s減小為58s，年產(chǎn)量提高了10.9萬臺，同時減少22%的占地面積。仿真結(jié)果驗證了優(yōu)化后模型的合理性。本文指出生產(chǎn)線中的不合理部分并進行了初步優(yōu)化。結(jié)果表明合理使用仿真軟件，能夠有效評估復(fù)雜生產(chǎn)線優(yōu)化的解決方案，計算機仿真軟件在現(xiàn)代生產(chǎn)中發(fā)揮重要的作用。

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(編輯李秀敏)

Simulation and Analysis of an Engine Testing Line Based on Witness

According to the actual operative situation of a test line of engine production line, we built a model and analyze the production system using simulation and analysis software which provides automatic analyzing module and data visualizing module. It is found that some defects of the original test line in the initial design stage restrict the overall productive efficiency. The cycle time of the overall production line and the space which the test line occupies are reduced largely by re-adjust the spatial layout of simulation model. The result of re-simulation of the new model supports its rationality. The process indicates the bright future of optimization technology based on simulation software.

Witness; engine; layout planning and optimization; cycle time

1001-2265(2016)09-0068-03DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.09.019

2015-10-26；

2015-12-01

遼寧省科技創(chuàng)新重大專項(201408001)；大連市科技計劃項目(2013A11GX012)

廖忠情(1992—)，男，浙江麗水人，大連理工大學(xué)碩士研究生，研究方向為生產(chǎn)線仿真優(yōu)化，生產(chǎn)線自動控制，(E-mail)liaozq@mail.dlut.edu.cn。

TH122;TG506

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