（遼寧工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程與自動化學(xué)院，錦州 121000）

0 引言

復(fù)雜的制造系統(tǒng)是由許多制造要素所構(gòu)成，系統(tǒng)的運(yùn)行受大量隨機(jī)因素的影響，使用傳統(tǒng)的方法對制造系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)、實(shí)施與控制難以實(shí)現(xiàn)預(yù)想的效果[1,2]。計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)是分析、評價(jià)、設(shè)計(jì)和改進(jìn)日趨復(fù)雜的現(xiàn)代生產(chǎn)系統(tǒng)的重要工具，而Flexsim三維仿真軟件相較于二維仿真軟件不但更加直觀形象，還能夠模擬人員分配與物流路徑的選擇[3～5]。因此，本文采用Flexsim仿真的方法，對某公司集裝箱生產(chǎn)線進(jìn)行優(yōu)化研究，真實(shí)模擬系統(tǒng)的生產(chǎn)過程，以仿真結(jié)果為依據(jù)利用工業(yè)工程的方法對生產(chǎn)線進(jìn)行優(yōu)化改善，提出合理改善意見并對改善措施進(jìn)行效果評價(jià)。

1 生產(chǎn)線現(xiàn)狀分析

某公司主要進(jìn)行集裝箱的生產(chǎn)，后端框是整個(gè)集裝箱生產(chǎn)線的重要組成部分，其本身也是一個(gè)錯(cuò)雜交織的獨(dú)立生產(chǎn)線。集裝箱后端框主要包括門板、門楣、角柱、門檻四部分。生產(chǎn)過程中角柱、門楣、門檻先進(jìn)行生產(chǎn)，隨后將生產(chǎn)好的三者進(jìn)行組裝焊接，再與門板組裝焊接，完成整個(gè)加工生產(chǎn)過程，其工序過程如圖1所示。加工所需原材料幾乎全部來自冷加工班，由叉車經(jīng)固定路線搬運(yùn)至后端框產(chǎn)線的各個(gè)暫存區(qū)，而加工完成的集裝箱后端框則有吊鏈直接吊至整個(gè)集裝箱生產(chǎn)線的下一道工序。生產(chǎn)線模塊圖如圖2所示。

圖1 后端框工序過程圖

圖2 生產(chǎn)線模塊圖

對后端框各工序進(jìn)行工時(shí)測定，將5天共計(jì)20次數(shù)據(jù)采集所得的數(shù)據(jù)運(yùn)用三倍標(biāo)準(zhǔn)差方法[6]剔除異常值，計(jì)算得到各工序工時(shí)如表1所示。

2 生產(chǎn)線建模與仿真

2.1 仿真參數(shù)設(shè)置

后端框各工序加工時(shí)間服從均勻分布，上下限為相應(yīng)工序工時(shí)的正負(fù)3σ值。設(shè)備的預(yù)置時(shí)間為設(shè)備與暫存區(qū)間人工搬運(yùn)物料時(shí)間及人工裝夾時(shí)間。由于現(xiàn)實(shí)中生產(chǎn)控制比較嚴(yán)格，次品產(chǎn)生的幾率較小，因此假設(shè)所設(shè)計(jì)的模型沒有次品。工序間的暫存區(qū)容量經(jīng)觀察設(shè)定如表2所示。

表1 后端班各工序工時(shí)及詳細(xì)信息表

表2 暫存區(qū)容量表

2.2 仿真模型建立

根據(jù)圖2所示，所要建立的模型中固定實(shí)體包括4個(gè)發(fā)生器，7個(gè)暫存區(qū)，19個(gè)處理器，2個(gè)合成器，2個(gè)起重機(jī)，1個(gè)吸收器。發(fā)生器用來產(chǎn)生原材料，暫存區(qū)用來存儲臨時(shí)存放的工件，處理器主要是表示各種機(jī)床和焊接工位，起重機(jī)用來搬運(yùn)工件[7]，按照現(xiàn)場實(shí)際布局情況建立的模型如圖3所示。建立好模型后，設(shè)置相應(yīng)的仿真參數(shù)，利用實(shí)驗(yàn)器仿真一天8小時(shí)的工作時(shí)間。

圖3 仿真模型

2.3 仿真結(jié)果與分析

模型仿真結(jié)果如圖4所示。由圖中數(shù)據(jù)可以看出，各暫存區(qū)均出現(xiàn)堆積現(xiàn)象，可以明顯看出各分支模塊（角柱生產(chǎn)模塊、門楣生產(chǎn)模塊、門檻生產(chǎn)模塊、門板生產(chǎn)模塊）在連接后端裝配線的暫存區(qū)中都有較明顯的堆積現(xiàn)象。

圖4 模型仿真結(jié)果

仿真數(shù)據(jù)如圖5所示，除去暫存區(qū)外大部分加工設(shè)備存在一定的等待時(shí)間。如后端框正面左、右焊接的平均等待時(shí)間是162.65s較測定工時(shí)112s高出了50s，其他各模塊工序也有較明顯等待。而后端框從門板組裝到鎖座裝配再到鎖座與鉸鏈焊接直至裝配完成都幾乎沒有等待時(shí)間，其中鎖座裝配工序平均等待時(shí)間為94.90s與測定工時(shí)90s基本一致，鎖座與鉸鏈焊接工序平均等待時(shí)間為109.70s與測定工時(shí)110s基本一致。因此，可以看出門板組裝工序之前的工序都存在一定的等待時(shí)間，而其后的工序卻運(yùn)行的極為流暢，說明門板組裝工序?yàn)橛绊懻麄€(gè)生產(chǎn)線加工速度的瓶頸工序。后端框裝配工序加工占用率為85.88%，且后一道工序后端框焊接的擁堵率較高，所以后端框裝配工序也是一個(gè)問題工序。

圖5 模型仿真數(shù)據(jù)結(jié)果

3 優(yōu)化改善方案

3.1 門板組裝工序搬運(yùn)設(shè)備優(yōu)化

根據(jù)Flexsim仿真結(jié)果，門板組裝為后端框組裝的瓶頸工序，而門板組裝工序工時(shí)與門板材料搬運(yùn)時(shí)間有著直接關(guān)系。通過調(diào)研得知，門板暫存區(qū)與門板組裝的暫存區(qū)之間的搬運(yùn)距離僅為4.9米，其搬運(yùn)工作主要由門板組裝的2位工人完成，如圖6所示。當(dāng)門板組裝工序需要左右門板進(jìn)行組裝時(shí)，將移動存放車由門板組裝工序沿軌道推至門板暫存區(qū)附近，經(jīng)起重機(jī)將門板暫存區(qū)中的待搬運(yùn)門板吊至移動存放車上，隨后將移動存放車推回門板組裝工序旁，其搬運(yùn)設(shè)備布局圖如圖7(a)所示。雖然整個(gè)搬運(yùn)過程并不復(fù)雜，但由起重機(jī)進(jìn)行搬運(yùn)而導(dǎo)致的搬運(yùn)時(shí)間過長，搬運(yùn)用時(shí)42s，占整個(gè)裝配工時(shí)的25%。

圖6 門板搬運(yùn)過程

因此，針對現(xiàn)有搬運(yùn)設(shè)備的優(yōu)缺點(diǎn)，以縮減搬運(yùn)時(shí)間為目的，重新設(shè)計(jì)的搬運(yùn)設(shè)備如圖7(b)所示。新搬運(yùn)設(shè)備是基于原本運(yùn)輸?shù)剀夁M(jìn)行設(shè)計(jì)，其主要由A、B、C三個(gè)底座以及X、Y兩個(gè)托盤組成。其中底座A與底座B為可沿滑道M進(jìn)行縱向移動，底座C則為固定存放區(qū)。底座A、B、C的大小相同，皆為原本移動存放車的一半。托盤X與托盤Y分別置于底座A與底座B之上，可沿滑道N進(jìn)行橫向移動。除此之外，將原本的左右門板堆積式暫存區(qū)更改為兩個(gè)下進(jìn)下出的立式堆垛機(jī)，使得載貨托盤可以在堆垛機(jī)下方完成取料。其搬運(yùn)過程可以分為三種情況：

1）運(yùn)送右門板：將原本固定在底座B上的托盤Y沿軌道N移動至底座C上，然后將原本在固定在底座A上的托盤X沿軌道M移動至底座B上。隨后由底座B帶著托盤X沿原有地軌至右門板堆垛機(jī)處裝載右門板，裝載完畢后將右門板帶回到起始位置。

2）運(yùn)送左門板底座B直接由起始位置移動至左門板堆垛機(jī)，并將裝載的左門板帶回到起始位置。

3）運(yùn)送左右門板：沿地軌同時(shí)移動底座A與底座B，將其分別置于右門板堆垛機(jī)與左門板堆垛機(jī)處。分別向托盤X與托盤Y釋放右門板與左門板之后，再使底座A與底座B沿地軌原路返回至起始位置。

改造后，經(jīng)測算新搬運(yùn)設(shè)備的搬運(yùn)時(shí)間分別為24s，18s，19s。根據(jù)觀察兩門板同時(shí)需要運(yùn)送的次數(shù)約占總搬運(yùn)次數(shù)的20%，左右門板單獨(dú)運(yùn)送的次數(shù)各占約40%。因此新設(shè)備平均搬運(yùn)時(shí)長為20.6s，較之舊搬運(yùn)設(shè)備的平均搬運(yùn)時(shí)長縮短了20.4s。

圖7 搬運(yùn)設(shè)備改進(jìn)前后布局圖

3.2 后端框生產(chǎn)線的布局優(yōu)化

后端框裝配工序也是影響整個(gè)生產(chǎn)線加工效率的瓶頸工序。通過調(diào)研可知，裝配工序中所需的門檻和門楣均需橋式起重機(jī)完成取料和送料的工作，且原材料距離較遠(yuǎn)，搬運(yùn)耗時(shí)較多，其搬運(yùn)距離及搬運(yùn)時(shí)間的數(shù)據(jù)如表3所示。

由于門楣生產(chǎn)模塊處于后端裝配模塊與門板生產(chǎn)模塊之間，其位置會對工作人員移動和現(xiàn)場管理產(chǎn)生一定的影響，因此對門楣生產(chǎn)模塊進(jìn)行“5W1H”提問技術(shù)中的地點(diǎn)提問，而對整個(gè)搬運(yùn)過程進(jìn)行“5W1H”提問技術(shù)中的方法提問，具體提問與回答如表4所示。

通過對比發(fā)現(xiàn)，電動軌道運(yùn)輸車相較起重機(jī)具有更快的搬運(yùn)速度、更大的搬運(yùn)量以及復(fù)雜的裝載方式[8]，采用電動軌道運(yùn)輸車是解決門檻和門楣搬運(yùn)距離較遠(yuǎn)，搬運(yùn)耗時(shí)較長的一種有效解決方案。然而，門楣生產(chǎn)模塊單獨(dú)存在時(shí)，向后端框裝配模塊運(yùn)送門楣搬運(yùn)量較小，不宜使用較大的搬運(yùn)設(shè)備。因此，考慮將門楣生產(chǎn)模塊與門檻加工模塊合并，且將其取料位置也合并，使用電動軌道運(yùn)輸車同時(shí)運(yùn)送門楣與門檻。優(yōu)化后，布局優(yōu)化后的搬運(yùn)距離及搬運(yùn)時(shí)間如表5所示。經(jīng)測算，門楣、門檻一次搬運(yùn)用時(shí)同為110秒。共縮短一次搬運(yùn)距離42.7米，縮減一次搬運(yùn)時(shí)間長1243s。同時(shí)，此布局改善了原本雜亂無章的加工臺位排布，使得后端框生產(chǎn)車間環(huán)境更加整潔有序。

表3 主要生產(chǎn)模塊的搬運(yùn)距離及搬運(yùn)時(shí)間

表4 “5W1H”提問匯總表

表5 主要生產(chǎn)模塊布局優(yōu)化后的搬運(yùn)距離及搬運(yùn)時(shí)間

4 效果評價(jià)

根據(jù)改善后布局圖重新排布Flexsim仿真模型中各實(shí)體。去掉原模型中的橋式起重機(jī)使用新設(shè)計(jì)的搬運(yùn)工具，而Flexsim仿真軟件實(shí)體庫中并沒有相應(yīng)的實(shí)體，因此使用實(shí)體庫中的靈活性較高的叉車來代替全新設(shè)計(jì)的搬運(yùn)工具，改善后具體的模型如圖8所示。修改后端框裝配工序與門板組裝工序的兩處工時(shí)變動以及改善后門楣與門檻合并加工模塊的狀態(tài)與裝卸參數(shù)，全部設(shè)定完成后運(yùn)行模型。

圖8 改善后的仿真模型

運(yùn)行過程中可以看出后端裝配模塊出現(xiàn)等待的頻率和時(shí)間有所減少，整個(gè)生產(chǎn)過程和搬運(yùn)過程順暢。如圖9所示為改善后的仿真數(shù)據(jù)結(jié)果，從中可以看出，同樣的加工時(shí)間下，成品數(shù)量達(dá)到了157件，較之改善前模型的成品數(shù)量149件多出了8件，且原本擁有較長的等待與空閑時(shí)間的工序都得到了一定程度的改善。

圖9 改善后的仿真數(shù)據(jù)結(jié)果

5 結(jié)論

本文運(yùn)用Flexsim仿真軟件對某公司集裝箱后端框生產(chǎn)線進(jìn)行建模與仿真，找出門板組裝工序與后端框裝配工序?yàn)樯a(chǎn)瓶頸，分別從搬運(yùn)設(shè)備的優(yōu)化設(shè)計(jì)、布局布局等方面入手進(jìn)行優(yōu)化改善。設(shè)計(jì)了一個(gè)門板搬運(yùn)工具，較之前的搬運(yùn)設(shè)備平均搬運(yùn)時(shí)長縮短了20.4s。將門楣生產(chǎn)模塊與門檻加工模塊合并，引入電動運(yùn)輸車用于生產(chǎn)車間的局部長距離搬運(yùn)，縮短搬運(yùn)距離42.7米，縮短搬運(yùn)時(shí)間1243秒。此改善方案將后端框生產(chǎn)線的日產(chǎn)量提高了8件，為企業(yè)提高生產(chǎn)率、降低成本提供了有效的途徑，對實(shí)際生產(chǎn)具有一定的指導(dǎo)意義。

[1]邱伊健.汽車后橋混流裝配線建模與仿真研究[D].南昌:南昌大學(xué),2015.

[2]張曉磊,武超然,馬從安.基于Flexsim的醫(yī)療器械生產(chǎn)線優(yōu)化與仿真[J].組合機(jī)床與自動化加工技術(shù),2015(8):115-118.

[3]師瑋謙.基于Flexsim的J公司生產(chǎn)物流仿真研究[D].廈門:廈門大學(xué),2014.

[4]龔立雄,譚國,黃敏,等.基于Flexsim的摩托車涂裝生產(chǎn)線仿真與優(yōu)化研究[J].工業(yè)工程與管理,2014(3):122-126.

[5]顧嘉,吳聰,熊根良,等.空調(diào)內(nèi)機(jī)裝配線仿真與優(yōu)化[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2016(1):198-201.

[6]易樹平,郭伏,等.基礎(chǔ)工業(yè)工程(第二版)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2014.

[7]秦天保,周向陽.實(shí)用系統(tǒng)仿真建模與分析:使用Flexsim(第二版)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2016.

[8]馬漢武.設(shè)施規(guī)劃與物流系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京:高等教育出版社,2005.