基于Flexsim仿真技術的混合裝配線平衡優化*

張國輝，張凌杰

(1.鄭州航空工業管理學院 管理工程學院, 鄭州　450015；2.河南水利與環境職業學院 機電與信息工程系, 鄭州　450008)

基于Flexsim仿真技術的混合裝配線平衡優化*

張國輝1，張凌杰2

(1.鄭州航空工業管理學院 管理工程學院, 鄭州450015；2.河南水利與環境職業學院 機電與信息工程系, 鄭州450008)

摘要：在制造企業裝配過程中，混流裝配能夠提高物料利用率，滿足顧客個性化需求，提高企業競爭能力。以某企業的一條混流裝配線為例進行了研究，利用Flexsim仿真軟件建立車間系統加工流程模型，對混流裝配線進行仿真，進行平衡設計。通過對仿真輸出數據的分析，得出裝配線的“瓶頸”工位。最后為該裝配線提出改進方案，并進行優化仿真，通過對改進前后方案仿真結果的對比分析，驗證了改進方案的可行性。

關鍵詞：Flexsim；混流裝配線；系統建模；方案優化

0引言

隨著經濟的快速發展，顧客個性化需求的不斷增加，在制造企業進行產品生產的過程中，大多數企業采用混流裝配線以滿足顧客的需求[1-3]，提高企業競爭能力。裝配線是按照產品工藝要求將多個工作站連接起來，產品依次通過各個工作站逐漸成為成品下線[4]。而混流裝配線是在同一條生產線上不僅可以生產大批量產品而且可以按照客戶訂單生產小批量非標準產品[5-6]?；炝餮b配線比單品種裝配線要更加復雜，求解更加困難，是典型的NP難問題[7]。

基于Flexsim仿真軟件和生產系統建模方法，以某電動車企業的一條混合裝配線為例，對該混流裝配線進行了建模與仿真，尋找瓶頸工位，分析其原因并提出相應的改善方案，并對改善方案的可行性進行驗證。

1Flexsim仿真軟件

Flexsim 是由美國的Flexsim Software Production公司開發的，是一款離散事件商業化系統仿真軟件，可以用來對根據特定事件發生的結果在離散時間點改變系統狀態的系統進行建模，建?？旖莺唵吻曳抡娣治瞿芰姶骩8]。它是迄今為止世界上唯一的一個在圖形建模環境中集成了C++ IDE和編譯器的仿真軟件。

整個生產動態可以直觀形象的在仿真模擬過程中體現，并能通過軟件輸出模型實體詳細的工作狀態數據報告。這些數據報告可以輸出到Word、Excel 等常用辦公軟件中，而且還可以從 Excel 表中讀取數據，可以從生產線上讀取實時資料以用來分析。此外，Flexsim軟件還可以在仿真過程中觀察即時數據動態作為分析參考。其結果兼容性較強能在同類軟件上使用，也允許用戶根據不同的實際需要建立專屬的模擬對象。

本文即采用Flexsim建立某電動車制造型企業裝配線模型，以解決裝配線平衡相關問題，使用版本為Flexsim7.1.4。

2混合裝配線建模與仿真

2.1混合裝配線簡述

混合裝配線具有以下特點[9-11]：①在相同的加工時間內，生產方式按照預先排定好的混合生產方式組織生產；②在裝配不同產品時，同一工位上的作業時間不盡相同，有時還相差很大；③多種類型的產品在車間流水線上混合同時生產；④節拍等于各個工作站中最大的作業時間。

本文以某電動車生產企業為例建立混合裝配線模型。某電動車制造企業新建廠區，其生產線工藝制程主要包括鑄造、CNC加工、沖壓、焊接、涂裝、電瓶總裝、成車總裝、檢測、合格品拆夾出庫等，如圖1所示。

圖1　電動車生產制程圖

其中，成車總裝、檢測、拆夾出庫為裝配車間主要工序。

據調查，該企業以訂單拉動式生產模式運營，根據客戶需求制定了相應的生產計劃，要求裝配車間每天裝配三種不同動力規格的電動車共800輛，單班作業，8小時工作制，單位小時產能應滿足不少于100。但在實際生產中，各工序的作業時間在理論及實際操作上均不能完全相同，由于作業負荷的不均衡導致在制品大量堆積，裝配產能及線平衡率偏低，不能準時完成既定的生產任務指標。

該制造型企業電動車裝配線為循環式單向流水線，裝配環節是將電動車半成品進行最后組裝，再對成品進行檢測，將合格品拆夾處理后完成出庫。整條流水線為半自動化多產品裝配線，產品通過傳送帶或自動化叉車運送，各工序間設立暫存區。裝配車間分為機臺裝配線體與合格品出庫人工拆裝夾線體兩個部分，根據工藝流程、物料流動關系，依照程序分析相關原則繪制裝配車間生產系統模型，如圖2所示。

圖2　裝配車間生產系統流程圖

2.2建立仿真模型并設置參數

建模與仿真基本流程如圖3所示。

圖3　Flexsim建模與仿真基本流程圖

由于電動車電瓶規格有36V、48V、60V三種類型，故在該仿真模型中，將這三類產品設置itemtype值，即臨時實體類型值。三種不同類型的臨時實體將按照正態分布間隔到達。臨時實體的類型符合1、2、3的均勻分布。當臨時實體到達時，它們將進入待加工暫存區等待被處理。自動叉車將根據處理器工作情況，依次將待加工產品運送至對應處理區。有三臺處理器用來完成總裝加工，每臺處理器只針對一種類型的半成品完成加工。加工后的產品通過傳送帶輸送至待檢測暫存區，再由自動叉車根據檢測器的繁忙程度將產品逐一搬運至檢測區完成檢測，檢測器對產品類型不作區分。檢測完成后，自動叉車將根據檢測結果將不良品轉移至QC不良品暫存區等待修正復檢，將合格品轉移至人工拆夾線完成出庫拆夾，拆卸后的夾具被裝夾作業員使用，以完成半成品和其他零部件共同總裝前上夾具等輔助工序。其中，處理器與檢測器的工作時間分別為82s/輛、54s/輛，傳送帶速度為0.5m/s，叉車最大移動速度為2m/s。

進入Flexsim7.1.4軟件的操作界面，創建新模型時首先設置模型單位用于整個模型中，默認選擇。從實體庫中拖動一個發生器、一個吸收器、三個暫存區、三條傳送帶、三輛叉車、四個處理器到模型視窗中。根據裝配車間生產系統流程圖規律排布，逐一雙擊操作界面內的實體，在屬性框頂部方框中輸入仿真模型中實體名稱，點擊應用后確定。改善前電動車裝配流水線布局如圖4所示。其中，由于合格品出庫拆裝夾線為人工作業流水線，與裝配車間核心環節總裝及檢測等機臺裝配線體相互獨立，故將其單獨研究，在本文中暫不描述。

圖4　改善前電動車裝配線布局圖

在設定各實體模型參數時，電動車裝配線的起點是發生器，即代表半成品及總裝零部件供應。該裝配車間生產計劃為每天裝配800輛電動車，單班作業，8小時工作制。綜合考慮機臺稼動率及人工作業寬放率，若按時完成作業任務，半成品及總裝零部件供應間隔應該為36s左右，故在發生器選項卡到達時間間隔上選擇統計分布中的normal正態分布，設置時間間隔均值為34，標準偏差為2。

2.3仿真結果分析

由于該企業裝配線單班作業，日工作8小時，為更充分地收集產線數據分析仿真結果，設定仿真時間為57600s，即雙班作業，每班次工作8小時。調整加快模型的運行速度完成規定時間系統仿真，如圖5所示。

圖5　改善前裝配線建模仿真57600s生產線狀況圖

圖6　改善前裝配線相關數據匯總

對圖5中運行狀態下的各個平衡參數進行統計匯總，如圖6所示。改善前檢測器的設備處理時間為45414s，處理時間占總仿真時間的78.8%，空閑時間為8909s，其主要為等待自動叉車2運行時空載行走及空載偏移、滿載行走及滿載偏移。待檢測暫存區內成品釋放時間高達57350s，占總仿真時間的99.6%，如圖7所示。但在實際裝配線模型中卻仍呈現出貨品大量堆積的現象，對比檢測器的繁忙率，即可推斷在該釋放時間內待檢測暫存區釋放量較低，釋放時間較長為滯留品所致，故造成了嚴重等待浪費現象的發生，裝配線平衡率偏低，瓶頸工位即為檢測區。

圖7　改善前待檢測暫存區統計圖

3改善方案的提出與驗證

由2.3小節分析結果可知，該機臺裝配線瓶頸工站為檢測器，故提升線平衡率的改善方向為降低該工站節拍。有必要通過增加檢測器的數量來分擔檢測工站的壓力，從而降低該工站節拍以提升整條裝配線的平衡率，同時還能緩解待檢測暫存區成品貨物過度堆積的狀況。由于檢測器所在工作站的時間為60.8s，故只需再增加一臺檢測器即可使該工站與發生器、處理器工站的節拍均接近30s左右，縮短了工站間節拍的差距，有助于平衡率的提升。

針對改善方案再次進行仿真驗證。在Flexsim軟件操作界面重新構建模型布局，增加一臺檢測器于檢測工站，如圖8所示。

圖8　改善后電動車裝配線實體鏈接布局圖

參照改善前相關操作，對新模型實體更新參數。再次設定57600s的仿真時間，重置后運行仿真模型。

改善后仿真模型中待檢測暫存區內貨品的數量直觀表現有了顯著減少。對改善后的混合裝配線的仿真數據進行匯總后，如圖9所示。

圖9　改善后裝配線相關數據匯總

4結論

本文主要針對在制造企業裝配過程中，混流裝配的平衡問題進行了研究。以某電動車生產企業為案例，裝配過程中需要制造3種不同型號的電動車，運用Flexsim仿真軟件給出了仿真和建模的流程圖，建立了車間系統加工流程模型，并且設置參數之后對混流裝配線進行了仿真。通過對仿真輸出數據的分析，得出裝配線的“瓶頸”工位存在于檢測器工作站。最后針對瓶頸工作站進行分析，提出改進方案，再次利用Flexsim進行優化仿真，通過對改進前后方案仿真結果的對比分析，驗證了改進方案的可行性。

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(編輯趙蓉)

Mixed Assembly Line Balancing and Optimization Based on Flexsim Simulation Technology

ZHANG Guo-hui1，ZHANG Ling-jie2

(1.School of Management Engineering, Zhengzhou Institute of Aeronautical Industry Management, Zhengzhou 450015, China; 2.Department of Electrical and Information Engineering, Henan Vocational College of Water Conservancy and Environment, Zhengzhou 450008, China)

Abstract：In the process of manufacturing enterprise assembly, mixed assembly line could improve the material utilization rate, meet the customer's individual needs, and improve the enterprise's competitive ability. Taking a mixed assembly line of an enterprise as an example, the simulation software of Flexsim is used to establish the process model of the workshop system, and the simulation of the mixed assembly line is carried out. Through the analysis of the simulation output data, the "bottleneck" of the assembly line is obtained. Finally, the program is proposed to improve the mixed assembly line. And the mixed assembly line was simulated and optimized. Through comparing and analyzing the simulation results verify the feasibility of the improved scheme.

Key words：Flexsim; mixed assembly line; system modeling; project optimization

文章編號：1001-2265(2016)06-0131-03

DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.06.035

收稿日期：2015-08-02

*基金項目：國家自然科學基金(61203179); 河南省高校科技創新人才支持計劃資助(14HASTIT006); 河南省高等學校青年骨干教師資助計劃(2014GGJS-105，2014GGJS-198); 航空科學基金(2014ZG55016)；河南省科技廳軟科學(122400450400)

作者簡介：張國輝(1980—)，男，河南新鄉人，鄭州航空工業管理學院副教授，博士，研究方向為工業工程，(E-mail)zgh09@zzia.edu.cn。

中圖分類號：TH162;TG506

文獻標識碼：A