李 慧，孫元亮，張 超

(中國航空規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院有限公司 智能技術(shù)中心，北京 100120)

0 引言

生產(chǎn)線仿真屬于典型的離散事件系統(tǒng)仿真，在生產(chǎn)線規(guī)劃設(shè)計(jì)階段其目的主要是評(píng)價(jià)和論證設(shè)計(jì)方案的可行性，通過動(dòng)態(tài)模擬生產(chǎn)線的運(yùn)行過程，預(yù)測(cè)生產(chǎn)線的運(yùn)行狀態(tài)，驗(yàn)證設(shè)備布局的合理性，分析生產(chǎn)線的產(chǎn)能及設(shè)備利用率，優(yōu)化資源配置，為生產(chǎn)線的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)[1-2]。

隨著系統(tǒng)仿真技術(shù)的快速發(fā)展，生產(chǎn)線仿真技術(shù)在我國航空制造業(yè)中的研究與應(yīng)用也越來越多[3-4]。屈琦等[5]以飛機(jī)中機(jī)身典型部件裝配生產(chǎn)線為研究對(duì)象，基于Plant Simulation建立了裝配生產(chǎn)線仿真模型，對(duì)裝配生產(chǎn)線的產(chǎn)能、瓶頸、平衡率等問題進(jìn)行了分析及優(yōu)化。魏方劍[6]針對(duì)飛機(jī)脈動(dòng)生產(chǎn)線，提出了多層級(jí)建模理論，并在DELMIA V6平臺(tái)上構(gòu)建了飛機(jī)脈動(dòng)生產(chǎn)線的仿真模型，對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)、產(chǎn)能、資源利用率等進(jìn)行了分析研究。張超等[7]以某民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的齒輪與機(jī)匣綜合加工廠房的規(guī)劃設(shè)計(jì)為例，基于Plant Simulation平臺(tái)，建立了該綜合機(jī)加廠房的仿真模型，從產(chǎn)量滿足率、設(shè)備利用率、在制品庫存和生產(chǎn)線健壯性等多個(gè)指標(biāo)進(jìn)行了設(shè)施布局的仿真評(píng)價(jià)。張麗[8]應(yīng)用QUEST仿真軟件對(duì)某工廠鈑金生產(chǎn)線進(jìn)行了仿真建模，從產(chǎn)能、設(shè)備利用率、人員利用率等方面進(jìn)行了仿真分析，并提出了改進(jìn)方案，仿真結(jié)果表明改進(jìn)后的方案生產(chǎn)周期大大縮短，設(shè)備閑置時(shí)間大幅減少。

本文以規(guī)劃設(shè)計(jì)階段某航空發(fā)動(dòng)機(jī)高壓工作葉片生產(chǎn)線為對(duì)象展開研究，基于Plant Simulation平臺(tái)建立生產(chǎn)線的仿真模型，從產(chǎn)能、設(shè)備利用率、線邊緩存等方面進(jìn)行生產(chǎn)線性能評(píng)估，并以此為依據(jù)對(duì)葉片生產(chǎn)線進(jìn)行初步優(yōu)化，比較結(jié)果顯示生產(chǎn)線性能得到了明顯提高。

1 生產(chǎn)線仿真分析流程

生產(chǎn)線仿真應(yīng)用的過程主要由三部分工作組成[9-11]：

(1)輸入數(shù)據(jù)的采集與分析。根據(jù)仿真目標(biāo)確定數(shù)據(jù)采集清單，通過調(diào)研獲得相關(guān)數(shù)據(jù)，并對(duì)其進(jìn)行分析，以滿足仿真系統(tǒng)需求。在生產(chǎn)線規(guī)劃設(shè)計(jì)階段，仿真需要收集的數(shù)據(jù)通常包含生產(chǎn)綱領(lǐng)、生產(chǎn)線布局方案、產(chǎn)品工藝流程、生產(chǎn)設(shè)備類型、物流運(yùn)輸方式、各種工時(shí)數(shù)據(jù)等。仿真輸入數(shù)據(jù)的質(zhì)量直接影響著仿真輸出結(jié)果的有效性和可信度。

(2)仿真模型的構(gòu)建與驗(yàn)證?；诜抡嫫脚_(tái)構(gòu)建生產(chǎn)線的仿真模型，仿真模型建立后，必須進(jìn)行驗(yàn)證。驗(yàn)證仿真模型的正確性以及仿真模型與實(shí)際系統(tǒng)的相關(guān)性。如果仿真模型運(yùn)行結(jié)果與生產(chǎn)線實(shí)際或預(yù)測(cè)狀態(tài)存在偏差，則需要根據(jù)具體情況，對(duì)仿真模型的基本對(duì)象、邏輯控制、物流系統(tǒng)等進(jìn)行相應(yīng)修正，并重新進(jìn)行驗(yàn)證，直到驗(yàn)證通過。仿真模型的構(gòu)建和驗(yàn)證是一個(gè)相互交替的過程。

(3)仿真結(jié)果的分析與優(yōu)化。觀察仿真運(yùn)行情況，根據(jù)仿真輸出結(jié)果量化分析生產(chǎn)線的產(chǎn)能、生產(chǎn)效率、瓶頸、健壯性等相關(guān)指標(biāo)；然后基于分析結(jié)果對(duì)生產(chǎn)線進(jìn)行優(yōu)化并再次構(gòu)建仿真模型，驗(yàn)證優(yōu)化方案的可行性，和預(yù)期目標(biāo)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，直至結(jié)果滿足需求。仿真結(jié)果的分析與優(yōu)化和仿真模型的構(gòu)建與驗(yàn)證是一個(gè)相互迭代的過程。

本文以某航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片機(jī)加生產(chǎn)線為研究對(duì)象，基于Plant Simulation平臺(tái)進(jìn)行生產(chǎn)線的仿真分析和優(yōu)化。

2 葉片機(jī)加生產(chǎn)線建模

2.1 葉片機(jī)加生產(chǎn)線描述

某工廠規(guī)劃一條葉片數(shù)字化機(jī)加生產(chǎn)線，主要承擔(dān)某型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)的10個(gè)型號(hào)葉片的機(jī)械加工任務(wù)，該生產(chǎn)線擬實(shí)行全天24h無人干預(yù)運(yùn)行，采用機(jī)器人進(jìn)行工序間周轉(zhuǎn)及上下料，年產(chǎn)合格葉片(產(chǎn)品合格率按95%計(jì)算)數(shù)量達(dá)到25200件。

該生產(chǎn)線主要承擔(dān)葉片的粗銑、精銑、拋磨以及三坐標(biāo)檢測(cè)等工序，加工工藝流程如圖1所示。該生產(chǎn)線仿真主要關(guān)注3個(gè)方面：

(1)產(chǎn)能是否滿足需求；

(2)主要設(shè)備平均利用率能否達(dá)目標(biāo)值80%；

(3)零線邊緩存是否可行。

圖1 加工工藝流程

2.2 仿真模型的建立

Plant Simulation是面向工廠、生產(chǎn)線及生產(chǎn)物流過程的仿真與優(yōu)化的工具軟件，在建模、仿真和數(shù)據(jù)分析等方面都具有明顯優(yōu)勢(shì)，因此本文采用該軟件進(jìn)行仿真建模。根據(jù)規(guī)劃的生產(chǎn)線方案，建立仿真模型，如圖2所示。

仿真模型中，根據(jù)各產(chǎn)品各工序采用的設(shè)備設(shè)置加工時(shí)間，運(yùn)輸機(jī)器人行走速度與加減速度分別設(shè)定為1m/s和0.3m/s2，裝夾與卸載時(shí)間設(shè)定為20s。仿真模型嚴(yán)格按照各產(chǎn)品加工工藝流程運(yùn)行，由于生產(chǎn)線中不包含緩存區(qū)，因此在設(shè)備加工完成后增加判斷，以防卡死，如當(dāng)拋磨和清洗設(shè)備都被占用時(shí)，五坐標(biāo)加工完成的產(chǎn)品不能去三坐標(biāo)檢測(cè)，需等待清洗設(shè)備或拋磨設(shè)備空閑時(shí)再執(zhí)行配送。仿真過程中具體設(shè)置如下：①生產(chǎn)線三班運(yùn)行，仿真按照5350h進(jìn)行；②粗銑抽檢及精銑抽檢按每班的首件必檢及過程中10%檢測(cè)，拋磨檢測(cè)要求所有產(chǎn)品100%檢測(cè)；③產(chǎn)品合格率按95%設(shè)置隨機(jī)數(shù)；④保證上料充足；⑤加工時(shí)間在采集的加工時(shí)間基礎(chǔ)上考慮上下5%的波動(dòng)。

圖2 生產(chǎn)線仿真模型

3 葉片機(jī)加生產(chǎn)線仿真分析及優(yōu)化

由于離散事件的隨機(jī)性，不能僅由1次仿真結(jié)果而得出評(píng)價(jià)結(jié)論。本文利用Plant Simulation提供的Experiment Manager元件進(jìn)行仿真試驗(yàn)，設(shè)定每次試驗(yàn)觀察次數(shù)為10次，置信率為95%。本生產(chǎn)線仿真旨在研究該生產(chǎn)線連續(xù)長期運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)的各項(xiàng)性能指標(biāo)，即當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)后系統(tǒng)的績效指標(biāo)。具體措施為：先運(yùn)行10h后認(rèn)為模型運(yùn)行基本穩(wěn)定，記錄下小該時(shí)段末的各產(chǎn)品的產(chǎn)量；再繼續(xù)運(yùn)行5350h后停止運(yùn)行，記錄下各產(chǎn)品產(chǎn)量，最終兩者求差值得到仿真模型平穩(wěn)運(yùn)行5350h后的產(chǎn)量。

3.1 葉片機(jī)加生產(chǎn)線仿真結(jié)果輸出與分析

在假設(shè)零緩存，機(jī)器無故障運(yùn)行的條件下，得出生產(chǎn)線運(yùn)行結(jié)果如表1所示。

表1 年產(chǎn)量仿真結(jié)果

圖3 設(shè)備利用率

以上仿真結(jié)果表明，在零緩存、機(jī)器無故障運(yùn)行條件下，各產(chǎn)品產(chǎn)量滿足率約為75%，關(guān)鍵設(shè)備平均利用率約為64%，該生產(chǎn)線規(guī)劃方案無法滿足生產(chǎn)綱領(lǐng)要求。原因主要有：①生產(chǎn)線不平衡，4軸加工中心作為首道工序加工設(shè)備是整個(gè)生產(chǎn)線的瓶頸；②加工設(shè)備阻塞和等待占時(shí)較長，這主要是由等待運(yùn)輸機(jī)器人的裝卸和等待下一道設(shè)備加工完成兩方面原因造成的。其中等待運(yùn)輸機(jī)器人的裝卸時(shí)間長度主要由運(yùn)輸機(jī)器人的運(yùn)行速度及裝卸時(shí)間決定，受到機(jī)器人本身性能的影響，通過仿真試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)機(jī)器人裝卸產(chǎn)品時(shí)間減少至10s，其他條件不變的情況下，設(shè)備平均利用率可提高約5%。

綜上，由于等待運(yùn)輸機(jī)器人的裝卸時(shí)間長度受機(jī)器人本身性能的影響，因此這里主要采用優(yōu)化加工工藝和增加緩存區(qū)的方式，對(duì)生產(chǎn)線設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化：

①優(yōu)化加工工藝，通過與工藝人員溝通與試驗(yàn)加工，可以將四軸加工中心承擔(dān)的部分加工任務(wù)調(diào)整到五軸加工中心進(jìn)行，提高生產(chǎn)線平衡率；

②增加緩存區(qū)，減少產(chǎn)品占機(jī)等待，緩存區(qū)容量大小通過仿真確定。

3.2 葉片機(jī)加生產(chǎn)線初步優(yōu)化

經(jīng)過多輪分析和比較，在五坐標(biāo)加工中心和數(shù)控拋光機(jī)中間增加了線邊緩存區(qū)。改進(jìn)后，假設(shè)線邊緩存區(qū)容量為無限大，仿真模型運(yùn)行一年，總產(chǎn)量為25015件，產(chǎn)品滿足率約為99.3%，線邊緩存區(qū)最大占用數(shù)量為8。

圖4和圖5分別是生產(chǎn)線優(yōu)化前后的產(chǎn)量、設(shè)備利用率情況的對(duì)比，從中可以看出，在無故障運(yùn)行條件下，各產(chǎn)品年產(chǎn)量較改進(jìn)前增長約24%，平均設(shè)備利用率為81.5%，較優(yōu)化前提高17.3%。同時(shí)從圖5中可以看出，4軸加工中心和五坐標(biāo)加工中心的設(shè)備阻塞占比分別降低約3%和10%，數(shù)控拋光機(jī)的阻塞占比略有增長，這主要是有兩方面原因造成的，一是增加線邊緩存區(qū)后有效降低了已加工完成的產(chǎn)品占用設(shè)備的時(shí)間，二是產(chǎn)能提升后，設(shè)備等待運(yùn)輸機(jī)器人裝卸的次數(shù)增多。

圖4 優(yōu)化前后產(chǎn)量比較

圖5 優(yōu)化前后設(shè)備利用率比較

從仿真分析與優(yōu)化結(jié)果可以看出，優(yōu)化后的生產(chǎn)線產(chǎn)能基本能夠滿足生產(chǎn)綱領(lǐng)要求；主要設(shè)備平均利用率為81.5%，基本達(dá)到了目標(biāo)值；零線邊緩存不可取，應(yīng)配置容量最少為8的線邊緩存區(qū)。

4 結(jié)論

本文利用Plant Simulation構(gòu)建了仿真模型，通過分析對(duì)生產(chǎn)線進(jìn)行了初步優(yōu)化，提高了生產(chǎn)線性能。從改善后的結(jié)果可以看出，產(chǎn)能增加了24% ，設(shè)備平均利用率增加了17.3%，生產(chǎn)線性能得到了較大程度的提高。研究結(jié)果表明，在生產(chǎn)線規(guī)劃設(shè)計(jì)過程中，通過生產(chǎn)線仿真能夠有效地分析出設(shè)計(jì)方案可能存在的問題，對(duì)提高生產(chǎn)線設(shè)計(jì)質(zhì)量和設(shè)計(jì)效率有重要意義。