基于DELMIA的某游艇廠生產流程規劃仿真

李家貴，王 真，陳 寧

(1.江蘇海通建設工程有限公司，江蘇 連云港 222004;2.江蘇科技大學船舶與海洋工程學院，江蘇鎮江 212003)

基于DELMIA的某游艇廠生產流程規劃仿真

李家貴1，王 真2，陳 寧2

(1.江蘇海通建設工程有限公司，江蘇 連云港 222004;2.江蘇科技大學船舶與海洋工程學院，江蘇鎮江 212003)

基于達索公司的DELMIA仿真軟件，針對某新建玻璃鋼(FRP)游艇項目，就游艇生產流程進行規劃，并通過流程仿真對FRP游艇制造使用場地進行優化。通過對整個規劃廠區制造過程的物流、一定生產負荷下的場地利用率、生產線設備利用率的仿真，細化了生產管理過程的控制節點，減少了規劃廠區的土地面積，提高了設備的使用效率，降低了船廠的投資成本，為新建企業能夠迅速地達到產能，提供了設計依據。

游艇工藝;生產流程;虛擬物流仿真;DELMIA

0 引言

游艇作為一個地區經濟發展的標準型指標，已越來越為人們所認同。隨著我國經濟建設的發展，作為城市居民的下一個消費熱點，我國的長三角、珠三角和環渤海地區，許多游艇廠正在新建，各類游艇項目正在審批上馬。本文就某新建游艇廠的FRP游艇生產流程的規劃，利用法國達索公司的DELMIA仿真軟件進行了制造流程數字化規劃仿真研究。通過對整個規劃廠區的制造過程物流、一定生產符合下的場地利用率、生產線設備利用率的仿真，細化生產管理過程的控制節點，規劃廠區土地的合理使用面積和設備在一定生產負荷下的合理布局與合理配置，為該游艇廠的設計提供了依據，也為其他正在設計上馬的游艇廠提供了規劃參考，促進游艇制造企業對資源的合理使用。

1 基于DELMIA/QUEST的某FRP游艇廠生產流程工藝仿真

隨著近年數字化設計與生產概念的提出，數字化生產工藝設計與過程仿真技術在船舶制造企業正逐步為人們所認識，面向制造流程的仿真研究項目正方興未艾蓬勃發展，為促進船舶工業向數字化管理技術的發展做出了貢獻。

在數字化工藝流程管理上，目前應用比較多的軟件有:Arena、ShowFlow、Delmia/QUEST、Witness等。其中，System Modeling公司開發的SIMAN/CINEMA，PURDUE大學開發的 GCMS，Auto Simulation公司開發的AUTOMOD/AUTOGRAM也作為較成熟的軟件應用于輔助車間生產系統的仿真［1］。這些軟件解決了車間生產線以及產品的設計到實現的轉化過程，使得設計到生產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負荷下的生產流程進行仿真，并根據仿真結果對其進行優化，其中包括:廠地的利用率、工廠整體布局、產品加工時間、機器磨損率以及加工過程中瓶頸出現的時間地點等信息，從而提出更優的規劃設計方案，提高了規劃企業的土地利用率，降低了投資成本以及單位土地面積上產品的產出率，降低了生產成本。

1.1DELMIA/QUEST 簡介

DELMIA(Digital Enterprise Lean Manufacturing Interaction Application)軟件是法國達索公司的產品，它主要由3個部分組成:數字計劃工程DPE、數字計劃制造DPM和建模軟件QUEST，這3個相對獨立的部分通過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對其制造物流進行仿真研究，從而合理地規劃游艇廠的制造物流和土地利用率。

利用三維數字工廠環境模型，將離散的FRP游艇零部件生產通過物理建模和邏輯建模的方法映射到虛擬環境中，組成與實際生產線相對應的反應實際生產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行可視化仿真，反應工廠生產系統集成、工藝流程設計方案合理性，評價生產工藝流程的準確性與一定負荷下的生產的可完成性，分析全三維數字工廠規劃的合理性［3］。

1.2 現代FRP游艇制造工藝

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

隨著玻璃鋼游艇產業的迅速發展，對艇體成型工藝的要求越來越高，特別是成型工藝的環保及成本方面的要求越來越高。傳統的艇體成型手糊工藝由于生產率低，勞動強度大，勞動衛生條件差，性能穩定性不高，產品力學性能較低等問題，已為高端游艇的制造所放棄，代之以真空導流工藝。其方法是將玻璃纖維增強材料和泡沫夾心材料干法預鋪設在密閉的模具內，然后安裝供樹脂進入和流動擴散的進膠接頭和引流管道，通過真空薄膜袋密封和真空泵的抽氣實現整個模具面積上鋪層內部的高真空環境(一般為99%以上的真空度)。在系統保壓良好的情況下將低粘度的樹脂，經進膠管道由大氣壓注入系統內部，樹脂按照預先設計的管道擴散，在預訂時間內浸泡所有鋪層結構，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。整個真空導流過程可重復，可質量控制，產品氣泡含量降到最低，產品的纖維含量達到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散降低了90%以上，實現了健康、環保的要求。真空導流工藝將是今后游艇制造環節中艇體成型的一大趨勢［4］。

1.3 DELMIA軟件在FRP游艇生產流程上的仿真應用

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流程為例，對生產線系統進行面向對象建模，使生產線系統的抽象表達與實際系統相一致。本文的生產流程模型主要分為以下幾個模塊:

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

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

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

(4)運輸模塊:各個加工車間的主要運輸設備是平板小車以及大型的航車。為了符合生產實際的要求，運輸小車AGV模塊的運行速度以及運輸規則都是要進行規范的。通常情況下小車的運輸規則分為3種類型:①先到先服務的原則;②排隊等候的原則;③最短距離的原則。本文采用先到先運輸的規則，對AGV小車進行約束。

(5)生產加工模塊:每一道工序相應的設定有若干臺設備。本文的流水線生產是設備固定產品流動的生產模式，當零部件到達相應工序的某個設備時，設備應根據不同的部件來判別相應的加工時間從而完成加工。DELMIA中一些模型可以采用CATIA或SOLIDWORKS等三維軟件建模導入。在本文中，作者采用SOLIDWORKS建模再將設備模型導入QUEST中加以應用。

(6)邏輯鏈接模塊:為了確定生產工藝流程的方向，當靜態模型設定完畢之后需對模型進行邏輯連接。

1.3.2 基于DELIMA數字化工廠體系結構

圖1 數字化工廠體系結構

圖1展示了數字化工廠的結構。通過建模技術對真實工廠的制造資源和工藝數據進行分析，在計算機內建立真實工廠的數字化模型。CAD數據、裝配工藝和預計的生產計劃作為輸入，通過優化仿真系統進行生產制造過程的模擬，對產品的設計和生產過程進行評價［5］。

1.3.3 游艇加工車間各組織結構

在游艇生產中首先是船體工程和裝配工程，正如文中1.2中介紹的，在現代FRP游艇艇體成型工藝中，應用較多的是真空導流工藝，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(膩子)→氈/布/復合氈(多層板/輕木)→固化→裝骨架(筋)→脫?！拚M裝。

其次是輪機工程、電氣工程和裝飾工程，包括電路布線、監控安裝、警報安裝、系統調試，五金件加工，木具加工等。

最后就是實船總檢，包括吊裝下水、水電實驗、航行實驗、系統調試、總驗報告。

本文主要研究游艇的船體工程和裝配工程部分，仿真整個生產流程的制作過程，基于FRP游艇的生產過程。作者一共在所設計廠區內建造了7大生產車間，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 游艇廠車間外部環境建造

對于本文所設計的FRP游艇制造廠，作者在工廠四周分別設置了傳達室、辦公樓、食堂等設施，在工廠的一側建造了堆積生產物料的倉庫，在游艇廠的周邊還做了廠區環境的綠化，這樣讓整個游艇廠看起來設施更加完善，更具人文氣息。

2 FRP游艇生產流程仿真與優化

工廠/車間布局及物流方案的優劣對生產效率高低、生產節拍均衡、資源利用率高低等有直接的影響，并直接影響到企業生產是否可順利進行。由于生產系統的復雜程度高，運用傳統的數學模型，很難進行車間布局及物流方案的優化。隨著仿真技術的發展和各種仿真軟件的出現，為企業通過虛擬仿真技術實現優化提供了可能。

仿真模型建立完成后，運行模型，可以獲取關鍵設備(加工、物流)、工人等的實時利用率或平均利用率、關鍵設備加工的物量、生產線流動節拍、場地堆放情況等數據。基于模型輸出的各類數據，可以進行生產線布局合理性分析、物流方案優劣分析、設備及人員負荷分析、生產線瓶頸工位確定等，作為生產線及物流方案評估及進一步優化的依據。如果存在瓶頸工位，可以采取添加瓶頸工位設備數量，分解瓶頸工位工藝內容，減少非瓶頸工位設備數量等方法進行改善。如存在某處零部件堆積嚴重的情況，可以采取增加堆放場地或加快向后道工序運輸頻率的方法進行優化。優化方案確定后，在模型中進行相應的修改，重新運行模型并獲取運行結果。如此多次進行調整和運行，最終可以得到最優，或者相對較優的布局方案及物流方案。模型反復運行并得出的結果，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線瓶頸工位確定這三方面進行優化。

在本文的車間布局上，最初的設計如圖2所示，廠區四周分別設置了辦公樓、食堂、倉庫以及廠房，中間區域分別設置了剪裁車間、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，進行游艇生產流程的仿真研究，發現這種車間布局存在不合理之處。產品從最初的剪裁車間，經過一系列加工過程，運送到最終的總裝車間，整個流程的生產時間過長，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。

圖2 最初的廠區布置圖

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

在第3次的改良方案中，如圖4所示，作者對廠區的布置做了較大的調整。從圖4中可以看出，總裝車間改建在廠區的中間，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，總裝車間右側是木工車間，之后最下側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、層糊車間工作任務相對來說較輕松，所生產零部件對運行AGV小車來講，任務量不大，因而將這2個車間放置在相對總裝車間較遠的場地，這樣做的目的是節省了小車的運行時間，也縮短了總裝之前的延遲等待時間。在這次的改良方案中，還將各車間相對應的AGV小車運行軌道作了相應的調整，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。各加工部件在經過總裝車間之后，直接經過軌道運送出廠。

圖3 第2次改進的廠區布置圖

圖4 第3次改進的廠區布置圖

在生產流程的仿真中，一個重要問題就是調整各生產線平衡并保證每條生產線的物流順暢，這里的FRP游艇廠生產流程的仿真中也出現了此類問題。因為局部裝配節拍調整不協調和設備位置規劃不夠合理導致了傳送帶上有大量的零部件積壓，阻塞了物流，使得后續生產線無法繼續運行，并且存在設備和工人的利用率和忙閑程度等指標不合理等問題。通過對仿真模型的反復調整和對工人運動路徑等問題的重新規劃調整等措施，最后使得每條線得以平衡，并且使得工人和裝配機床等的忙閑利用率等裝配線指標趨于合理化。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不足的問題，這兩個問題都將導致物流不順暢，運輸過程中存在延遲等待問題，這嚴重降低了整條流程的生產效率，也大大降低了小車的運輸效率，增加了生產周期。因此，必須重點解決生產流程中的這些瓶頸問題，縮短游艇的生產周期。可主要從以下兩方面進行瓶頸問題的優化:

(1)改變車間內機器的數量，每臺機器的實際加工時間，每個車間的工人人數與每個工人的實際工作時間。

(2)每個車間外運輸零部件的小車的速度與運貨量。

優化之后再運行仿真，如圖5所示。

圖5 優化后生產流程仿真實驗

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的物料供給不足問題都已經成功解決。整個FRP游艇的生產制造流程已經變得十分順暢，生產線的瓶頸問題也已經得到優化。為了使優化的結果更加清晰明了，根據以上優化結果，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，優化前與優化后相比，一艘游艇的加工總時間縮小了，這也意味著提高了生產效率，同時也節省了生產成本。因此，對生產流程的優化還是很有必要的。

3 結語

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，應用現代造船模式下的先進車間制造技術，模擬仿真數字化 工廠，極大地縮短了實際生產中的設計變更，并且縮短了工藝規劃的時間，在提高產量的同時也降低了生產成本，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線的瓶頸工位這幾個方面多次對仿真系統進行優化調整，最終獲得了較優方案，大大提高了生產效率，使整條生產線的物流更加順暢，從而縮短了游艇的生產周期，這是很有現實意義的。

圖6 優化前后各車間加工時間

［1］ 鄭順水.生產系統仿真技術研究［J］.四川兵工學報，2005，(2):15-19.

［2］ 吳維江，丁運亮.基于DELMIA的飛機器虛擬裝配技術研究與應用［D］.南京:南京航空航天大學，2008.

［3］ 齊繼陽，竺長安.基于DELMIA/QUEST制造系統仿真模型的研究［J］.機械設計與制造，2010，(4):113-115.

［4］ 孫衛東，朱清.玻璃鋼游艇艇體成型真空芯材導流工藝實施與應用研究［J］.交通節能與環保，2011，(1):12-15.

［5］ 馬健萍，周新建，潘磊.基于DELMIA/QUEST的數字化裝配線仿真應用［J］.華東交通大學學報，2006，23(2):126-127.

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，主要從事交通水運工程工作;王真(1988-)，女，碩士研究生，研究方向為船舶數字化模擬制造仿真;陳寧(1964-)，男，教授，研究方向為船舶數字化設計與先進制造。