柔性制造仿真模擬技術在裝配線的應用

黃軼春，韋松谷，柯捷舒，韋 璇

（廣西柳工機械股份有限公司，廣西 柳州545007）

1 研究背景

1.1 柔性制造技術

柔性制造技術就是對各種不同形狀加工對象實現程序化柔性制造加工的各種技術的綜合。它是一種技術密集型的技術群，凡是側重于柔性，適應于多品種、中小批量（包括單件產品）的加工技術都屬于柔性制造技術[1]。

柔性制造技術的特點是：1）三相似原則：形狀相似、尺寸相似和工藝相似；2）柔性生產線幾乎無停工損失，設計利用率高；3）柔性制造技術組合了當今機床技術、監控技術、檢測技術、刀具技術、傳輸技術、電子技術和計算機技術的精華，具有高質量、高可靠性、高自動化和高效率；4）縮短新產品的發布時間，適應瞬息萬變的市場需求；5）減少工廠內庫存，改善產品質量和降低產品成本；6）減少工人數量，減輕工人勞動強度；7）一次性投資大。

柔性制造技術是實現未來工廠的新穎概念模式和新的發展趨勢，是決定制造企業未來發展前途的具有戰略意義的舉措，將成為21世紀機構制造業的主要生產模式。

1.2 系統仿真

系統仿真是指通過建立和運行系統的數學模型，來模仿實際系統的運行狀態及其隨時間變化的規律，以實現在計算機上進行試驗的全過程。

生產線自動化程度越高，柔性越大，設計時考慮的因素越多，生產線的設計越復雜，仿真設計的作用也就越大。

1.3 國內現狀

Arena是美國Rockwell公司開發的新一代可視化通用交互集成模擬環境軟件（見圖1），它提供了將近20個模板和近300個邏輯模塊，很好地解決了計算機模擬與可視化的有機集成。Arena仿真軟件在國外大學、企業都有非常廣泛的應用，但在國內應用范圍并不大，僅有少部分高校或汽車行業公司應用。而在工程機械行業，幾乎沒有應用于產線的建設與改造的先例。為此，筆者希望在工程機械裝配產線改造中，通過運用Arena仿真軟件，對工藝布局進行建模，并基于生產線平衡優化方法對仿真模型進行分析，從而探索出一套在工程機械行業產線建設和改造的高效高質量應用方法。Arena的建模步驟如圖2所示。

圖1 Arena軟件操作界面

圖2 Arena建模步驟圖

2 現狀描述

近兩年隨著工程機械市場的回暖，我公司裝載機產品的產量也在逐漸增加。同時，裝載機的機型也在不斷的增加，目前已達到20種機型。因此，迫切需要建立柔性制造線以滿足市場的需要。

本文以裝載機某合套線為例，通過仿真模擬柔性裝配線生產過程，改進工藝流程方案。

合套線的工藝布局方式為環形布局，環形生產線主線有8個主線工位、1個支線工位（變速箱預裝工位）以及四個緩存工位。

隨著新產品的不斷投入，需要頻繁調整合套線的生產流程，將對批量產品的生產流程造成影響。本文以某公司批量產品A為例，各工位的作業時間是根據現場裝配時間多次測量取平均值，見表1。

表1 合套線工位作業時間測定

傳統的方法是利用線平衡墻，將各工序的作業時間進行排列組合，尋找最優的工藝流程方案。需要通過人工不斷的進行嘗試，周期長，而且在系統描述、程序模擬過程中存在不足，無法進行動態展示，并直觀的展現優化過程的資源投入及有效性情況。

2.1 仿真模型建立

2.1.1 繪制工藝流程圖

在Arena軟件繪圖區內按照產品A的合套線9個工位的實際順序繪制工藝流程圖，并建立虛擬工位“Start”和“End”，共計 11個工位，如圖 3 所示。“Start”工位下方的數字代表投料數量，“End”工位下方的數字代表產出數量，其他各個工位下方的數字代表在此工位等待裝配的部件數量（WIP）。

圖3 工藝流程圖

2.1.2 工序設置

根據生產線的產能要求，對各工位作業時間進行系統設置。

第一步，將工藝流程圖中的虛擬工位“Start”的節拍時間設定為7 min。

第二步，設置各工位數據樣本概率分布表達式。

第三步，根據各工位的多次測量作業時間數據樣本，運用Arena軟件中的專業工具Input Analyzer計算數據樣本的概率分布類型和表達式，將其輸入工位設置中。由于樣本量較少，本文工位設置中的表達式統一采用均勻分布（Uniform），如圖4所示。

圖4 工位設置

2.1.3 模擬運行

工位設置完成后，進行模擬系統設置。在合套裝配線模擬運行過程中，可以直觀的看出在480 min的生產時間內，二工位和三工位的等待裝配的部件數量（WIP）最多，如圖5所示。

圖5 模擬運行過程

2.1.4 結果輸出

系統模擬運行結束后，Arena軟件自動生成各種分析報告，便于進行系統分析和改進。本次模擬運行分析報告顯示：

1）合套裝配線以現階段的生產能力，在8 h工作時間內，投產69臺，產出38臺，平均等待裝配的部件數量（WIP）為18.12臺，最大值為31臺。

2）二工位和三工位存在等待時間，說明該工位為目前合套線的瓶頸工位。

3）各工位的設備利用率參差不齊，嚴重影響線平衡率，如圖6所示。

圖6 分析報告（工位設備利用率）

3 改進和驗證

合套裝配線的改進需要運用“工廠物理學”的知識，按照各工位中各工序的工作時間進行重新排序，尋找最優化的工藝路線[2]。

首先，建立工藝清單，即對產品A合套裝配各工位的工序工作時間進行測量，如表2所示。其次，根據產品A裝配過程的物理特性要求，對裝配工序進行排序，如表3所示。

表2 工序作業時間數據（單位：min）

表3 工序順序表

然后，根據工序排序的順序要求和各個工序的作業時間，按照1個預裝工位和8個主線工位的布局，對工序重新組合，尋找優化的工藝路線。本次重新組合是建立在各工序的人員和設備需求都相同的假設前提下，實際情況需要考慮人員、設備和環境等外部因素的影響。重新組合的結果見圖7。

圖7 工序組合圖

輸出優化后的工藝流程，見表4。

表4 優化作業時間數據

最后，運用Arena軟件重新進行運行測試，輸出分析報告。通過與優化前的分析報告進行對比，發現：

1）優化后的產出數量為54件，增加16臺；平均等待裝配的部件數量（WIP）為11.24，下降6.88臺，最大值為16臺，下降15臺；

2）瓶頸工位由二、三工位轉移至一工位；

3）各工位的設備利用率差值（最大利用率-最小利用率）由原來的57%下降至22%，線平衡率明顯上升。

以上數據說明優化后的生產線各指標均優于優化前。后續針對運行報告，不斷改進工藝優化方案，包括重復上述各步驟，調整工序或增加資源（人員和設備）等，直至符合期望值。

4 結論

在建立柔性生產線，調整工藝流程的過程中，通過Arena軟件的運用，在較短的時間內就能得出裝配線的瓶頸工序和設備利用率等信息，同時在無任何投入的前提下，模擬產線優化，直至得到最優的方案，比傳統的方法省時省力，而且是以實際數據作為支撐，調整方案更加合理。

Arena軟件在實際運用過程中，需要將對生產線有影響的內外部因素均轉化為數學模型的參數，才能準確的反映實際情況。

5 結束語

從目前工業發展情況來看，中小批量，多品種生產所占的比重會越來越大，傳統的生產方式已不能適應新的市場需求。為了按期完成生產任務，企業就必須根據產品種類和批量的變化調整生產過程，修改生產工藝方案。以現有裝配線為基礎，基于仿真模仿軟件的運用，通過建立裝配資源優化數學模型，對裝配線進行前瞻性仿真，解決裝配線布局調整和現行生產在時間和效率上的矛盾，并且能夠快速準確的獲取最優化裝配工藝路線。柔性制造仿真模擬結果，如工位工裝數據，作業單元分配和產出率等相關數據對后續柔性裝配線作業工位的虛擬布局具有重要作用，不僅可以縮短裝配線柔性布局周期，而且可以大幅降低裝配線布局調整費用。