行星減速器裝配線設(shè)計與仿真

□ 王 銳，周志勇，楊艷芳，楊 秒，柏 強(qiáng)

(1.武漢理工大學(xué) 物流工程學(xué)院，湖北 武漢 430063;2.湖北科峰傳動有限公司，湖北 黃岡 438000)

1 引言

K公司行星減速器裝配線是多品種、中小批量的混流裝配線，一天能裝配400臺左右減速器，達(dá)不到市場需求。且存在以下問題：①裝配組織形式為離散型裝配，裝配過程存在窩工、工序集中的現(xiàn)象，工位間負(fù)荷不均衡；②裝配線及工位布局混亂，增加了工人的操作負(fù)荷，增加了裝配線的管理難度；③裝配線物流規(guī)劃不合理，物流路線存在交叉，而且零部件運(yùn)轉(zhuǎn)過程存在磕碰、擦傷現(xiàn)象。

基于上述弊端，設(shè)計一條行星減速器裝配生產(chǎn)線來降低工人的操作難度，提升裝配線平衡率，提高生產(chǎn)效率，以滿足公司的生產(chǎn)需求。

2 行星減速器裝配線設(shè)計

本文主要以KPL90雙級行星減速器為研究對象，故此首先介紹其零部件組成。該減速器采用的是齒圈固定，太陽輪主動，行星架被動的傳動方式。一臺KPL90雙級行星減速器的組成零部件多達(dá)32種，總計62個。

裝配線的設(shè)計主要是確定裝配線的組織形式、裝配線的生產(chǎn)節(jié)拍、裝配線的工位工序劃分及裝配線的布局等，結(jié)合工廠實際，對構(gòu)成裝配線所需的設(shè)備和物流運(yùn)輸設(shè)備進(jìn)行合理的選擇和布置[1]。裝配線優(yōu)化設(shè)計的目的是減少裝配線的投資費用，降低裝配線的運(yùn)行成本，保證其正常運(yùn)行，提高裝配設(shè)備的利用率，提高生產(chǎn)效率[2]。

本文所設(shè)計的裝配線主要用于中、大批量的減速器生產(chǎn)，設(shè)計目標(biāo)是一天(按8小時計算)裝配行星減速器500臺，因此采用流程型裝配的組織形式。

2.1 裝配工藝規(guī)劃

2.1.1 搭建裝配Petri網(wǎng)

本文結(jié)合Petri網(wǎng)技術(shù)來對行星減速器裝配過程進(jìn)行描述，裝配過程是典型的離散事件驅(qū)動系統(tǒng)，裝配過程各工序存在順序、并發(fā)、沖突及同步等復(fù)雜關(guān)系，通過Petri網(wǎng)可以比較直觀的表現(xiàn)這些關(guān)系。

用一個七元組表示行星減速器裝配Petri網(wǎng)(Assembling Petri Net，即APN)，APN=(P,T,F,W,M0,PT,TM)。其中：P代表庫所，指代裝配的狀態(tài)；T代表變遷集，指代裝配動作的集合；F代表裝配操作與狀態(tài)之間的過渡流；W是弧上的權(quán)重，完成庫所的過渡需要滿足該庫所的前集弧的權(quán)重值之和等于1，即完成該同步器的所有先決變遷的發(fā)生；M0指代變遷的初始狀態(tài)；PT是先決變遷集；TM代表裝配時間集。

2.1.2 裝配順序規(guī)劃

在滿足Petri網(wǎng)描述的裝配順序約束的前提下，在進(jìn)行裝配順序規(guī)劃時，還應(yīng)該滿足以下原則：

①先裝基礎(chǔ)件。產(chǎn)品裝配過程要保持重心穩(wěn)定，故先裝配基礎(chǔ)件；②先難后易。產(chǎn)品剛開始裝配時基礎(chǔ)件內(nèi)空間較大，此時比較好安裝、調(diào)整和檢測，故先裝配比較難裝的零部件；③前后工序之間應(yīng)該互不影響、互不妨礙；④類似工序、同方位工序集中安排。對使用相同工裝、設(shè)備和具有共同特殊環(huán)境的工序應(yīng)集中安排，以減少裝配工裝、設(shè)備的重復(fù)使用及產(chǎn)品的來回搬運(yùn)。

劃分裝配單元是制定裝配工藝規(guī)程中非常重要的一步，只有將產(chǎn)品合理地分解為可單獨裝配的單元后，才能合理安排裝配順序和劃分裝配工序，這對于批量生產(chǎn)尤為重要。行星減速器裝配線裝配過程分為三個部分，分別是零件清洗、部裝、總裝，其中部裝又分為三大部分：前法蘭部分、后法蘭部分和齒圈部分。

裝配順序確定后，還應(yīng)將裝配過程劃分成若干裝配工位，并確定各工位工序內(nèi)容、所用設(shè)備、工裝和時間定額。在劃分裝配工位時，應(yīng)該先根據(jù)行星減速器總裝配時間及裝配線生產(chǎn)目標(biāo)確定生產(chǎn)節(jié)拍和工位數(shù)。已知裝配一臺減速器裝配總時間為348秒，一天按8小時計算，可以算得生產(chǎn)線節(jié)拍為C=8×60×60÷500=57.6秒，理論最小工位數(shù)N*=348÷57.6=7(向上取整)，即裝配線設(shè)計時應(yīng)該將工序劃分為7個工位，且每個工位操作時間應(yīng)不超過57.6s。結(jié)合實際裝配工序及裝配流程進(jìn)行裝配工位設(shè)計，將裝配流程劃分為7個工位，考慮到實際，工位一為輸出軸部分裝配，這一部分裝配不宜分開且時間太長，因此劃分到一個工位，布置兩個工作臺。

2.2 裝配布局設(shè)計

圖1 裝配線布局圖

要對裝配線布局進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計，首先要弄清楚各個工位的順序關(guān)系，由工位所需物料可以得到各工位之間的物流關(guān)系。裝配線布局設(shè)計時，應(yīng)盡量保證物料單向流動，避免物流路線出現(xiàn)交叉，避免零部件的堆積。還要考慮到各工位間的物流關(guān)系，合理利用現(xiàn)有資源，將廠區(qū)空間進(jìn)行有效利用。考慮到未來可能對裝配線的擴(kuò)增及工人要有一定的活動區(qū)域，裝配線各工位之間要留有一定的間隙[3]。

考慮到工廠實際情況，將裝配區(qū)、檢測區(qū)、成品倉庫、零部件存儲倉庫與設(shè)計部布置在同一廠房中，裝配線布局及裝配線物流路線規(guī)劃見圖1所示。

這種裝配線布局不僅實現(xiàn)了零部件物流的單向有序流動，還縮短了物流路線。裝配線各工位之間通過傳送帶連接，利用傳送帶來對行星減速器半成品進(jìn)行輸送，不僅提高裝配效率，還避免了零部件的堆積和空間占用。結(jié)合實際工廠大小，將裝配線設(shè)計成U型布局，保證了各工位間的間距，提高了空間利用率。

3 裝配線Flexsim仿真

行星減速器裝配生產(chǎn)線設(shè)計復(fù)雜、投入較大，因此，在正式應(yīng)用之前有必要進(jìn)行建模仿真。裝配線的系統(tǒng)仿真的目的是對裝配線系統(tǒng)規(guī)劃方案進(jìn)行分析與評價，通過仿真驗證裝配線優(yōu)化設(shè)計的可行性與有效性[4]。

本文采用Flexsim仿真軟件對所設(shè)計的裝配線進(jìn)行仿真， 根據(jù)上文中設(shè)計的裝配線建立Flexsim仿真模型。根據(jù)上文中各個工位的操作時間及裝配線布局設(shè)置仿真參數(shù)，運(yùn)行仿真模型，根據(jù)裝配線仿真統(tǒng)計結(jié)果，本文所設(shè)計的裝配線一天能裝配減速器505臺，完成檢測431臺，能滿足公司生產(chǎn)需求。

根據(jù)仿真結(jié)果數(shù)據(jù)，裝配區(qū)各工位處理器的利用率都在80%以上，擁堵率都在20%以下，無嚴(yán)重堆積現(xiàn)象?？傮w而言，裝配線裝配區(qū)基本能達(dá)到預(yù)期，可調(diào)整的程度不大。檢測區(qū)存在堵塞現(xiàn)象，因此需要對檢測區(qū)進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)。

4 結(jié)束語

本文通過對行星減速器結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，借助Petri網(wǎng)技術(shù)對各零部件裝配順序及約束關(guān)系進(jìn)行描述，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行裝配順序規(guī)劃和工位劃分，并結(jié)合生產(chǎn)實際，對裝配線布局及工位布局進(jìn)行設(shè)計。最后通過Flexsim仿真軟件對裝配線系統(tǒng)進(jìn)行仿真驗證，仿真結(jié)果表明，本文所設(shè)計的裝配線日裝配量可達(dá)到505臺，能滿足K公司的生產(chǎn)需求，且裝配區(qū)設(shè)備利用率都高于80%，裝配線屬于按流生產(chǎn)，有較高的生產(chǎn)效率。