李 慧，孫元亮，張 超

(中國航空規劃設計研究總院有限公司 智能技術中心，北京 100120)

0 引言

生產線仿真屬于典型的離散事件系統仿真，在生產線規劃設計階段其目的主要是評價和論證設計方案的可行性，通過動態模擬生產線的運行過程，預測生產線的運行狀態，驗證設備布局的合理性，分析生產線的產能及設備利用率，優化資源配置，為生產線的優化設計提供依據[1-2]。

隨著系統仿真技術的快速發展，生產線仿真技術在我國航空制造業中的研究與應用也越來越多[3-4]。屈琦等[5]以飛機中機身典型部件裝配生產線為研究對象，基于Plant Simulation建立了裝配生產線仿真模型，對裝配生產線的產能、瓶頸、平衡率等問題進行了分析及優化。魏方劍[6]針對飛機脈動生產線，提出了多層級建模理論，并在DELMIA V6平臺上構建了飛機脈動生產線的仿真模型，對系統運行狀態、產能、資源利用率等進行了分析研究。張超等[7]以某民用航空發動機傳動系統的齒輪與機匣綜合加工廠房的規劃設計為例，基于Plant Simulation平臺，建立了該綜合機加廠房的仿真模型，從產量滿足率、設備利用率、在制品庫存和生產線健壯性等多個指標進行了設施布局的仿真評價。張麗[8]應用QUEST仿真軟件對某工廠鈑金生產線進行了仿真建模，從產能、設備利用率、人員利用率等方面進行了仿真分析，并提出了改進方案，仿真結果表明改進后的方案生產周期大大縮短，設備閑置時間大幅減少。

本文以規劃設計階段某航空發動機高壓工作葉片生產線為對象展開研究，基于Plant Simulation平臺建立生產線的仿真模型，從產能、設備利用率、線邊緩存等方面進行生產線性能評估，并以此為依據對葉片生產線進行初步優化，比較結果顯示生產線性能得到了明顯提高。

1 生產線仿真分析流程

生產線仿真應用的過程主要由三部分工作組成[9-11]：

(1)輸入數據的采集與分析。根據仿真目標確定數據采集清單，通過調研獲得相關數據，并對其進行分析，以滿足仿真系統需求。在生產線規劃設計階段，仿真需要收集的數據通常包含生產綱領、生產線布局方案、產品工藝流程、生產設備類型、物流運輸方式、各種工時數據等。仿真輸入數據的質量直接影響著仿真輸出結果的有效性和可信度。

(2)仿真模型的構建與驗證。基于仿真平臺構建生產線的仿真模型，仿真模型建立后，必須進行驗證。驗證仿真模型的正確性以及仿真模型與實際系統的相關性。如果仿真模型運行結果與生產線實際或預測狀態存在偏差，則需要根據具體情況，對仿真模型的基本對象、邏輯控制、物流系統等進行相應修正，并重新進行驗證，直到驗證通過。仿真模型的構建和驗證是一個相互交替的過程。

(3)仿真結果的分析與優化。觀察仿真運行情況，根據仿真輸出結果量化分析生產線的產能、生產效率、瓶頸、健壯性等相關指標；然后基于分析結果對生產線進行優化并再次構建仿真模型，驗證優化方案的可行性，和預期目標進行對比驗證，直至結果滿足需求。仿真結果的分析與優化和仿真模型的構建與驗證是一個相互迭代的過程。

本文以某航空發動機葉片機加生產線為研究對象，基于Plant Simulation平臺進行生產線的仿真分析和優化。

2 葉片機加生產線建模

2.1 葉片機加生產線描述

某工廠規劃一條葉片數字化機加生產線，主要承擔某型號發動機的10個型號葉片的機械加工任務，該生產線擬實行全天24h無人干預運行，采用機器人進行工序間周轉及上下料，年產合格葉片(產品合格率按95%計算)數量達到25200件。

該生產線主要承擔葉片的粗銑、精銑、拋磨以及三坐標檢測等工序，加工工藝流程如圖1所示。該生產線仿真主要關注3個方面：

(1)產能是否滿足需求；

(2)主要設備平均利用率能否達目標值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、生產線及生產物流過程的仿真與優化的工具軟件，在建模、仿真和數據分析等方面都具有明顯優勢，因此本文采用該軟件進行仿真建模。根據規劃的生產線方案，建立仿真模型，如圖2所示。

仿真模型中，根據各產品各工序采用的設備設置加工時間，運輸機器人行走速度與加減速度分別設定為1m/s和0.3m/s2，裝夾與卸載時間設定為20s。仿真模型嚴格按照各產品加工工藝流程運行，由于生產線中不包含緩存區，因此在設備加工完成后增加判斷，以防卡死，如當拋磨和清洗設備都被占用時，五坐標加工完成的產品不能去三坐標檢測，需等待清洗設備或拋磨設備空閑時再執行配送。仿真過程中具體設置如下：①生產線三班運行，仿真按照5350h進行；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，拋磨檢測要求所有產品100%檢測；③產品合格率按95%設置隨機數；④保證上料充足；⑤加工時間在采集的加工時間基礎上考慮上下5%的波動。

圖2 生產線仿真模型

3 葉片機加生產線仿真分析及優化

由于離散事件的隨機性，不能僅由1次仿真結果而得出評價結論。本文利用Plant Simulation提供的Experiment Manager元件進行仿真試驗，設定每次試驗觀察次數為10次，置信率為95%。本生產線仿真旨在研究該生產線連續長期運行時系統的各項性能指標，即當系統達到穩態后系統的績效指標。具體措施為：先運行10h后認為模型運行基本穩定，記錄下小該時段末的各產品的產量；再繼續運行5350h后停止運行，記錄下各產品產量，最終兩者求差值得到仿真模型平穩運行5350h后的產量。

3.1 葉片機加生產線仿真結果輸出與分析

在假設零緩存，機器無故障運行的條件下，得出生產線運行結果如表1所示。

表1 年產量仿真結果

圖3 設備利用率

以上仿真結果表明，在零緩存、機器無故障運行條件下，各產品產量滿足率約為75%，關鍵設備平均利用率約為64%，該生產線規劃方案無法滿足生產綱領要求。原因主要有：①生產線不平衡，4軸加工中心作為首道工序加工設備是整個生產線的瓶頸；②加工設備阻塞和等待占時較長，這主要是由等待運輸機器人的裝卸和等待下一道設備加工完成兩方面原因造成的。其中等待運輸機器人的裝卸時間長度主要由運輸機器人的運行速度及裝卸時間決定，受到機器人本身性能的影響，通過仿真試驗發現當機器人裝卸產品時間減少至10s，其他條件不變的情況下，設備平均利用率可提高約5%。

綜上，由于等待運輸機器人的裝卸時間長度受機器人本身性能的影響，因此這里主要采用優化加工工藝和增加緩存區的方式，對生產線設計方案進行優化：

①優化加工工藝，通過與工藝人員溝通與試驗加工，可以將四軸加工中心承擔的部分加工任務調整到五軸加工中心進行，提高生產線平衡率；

②增加緩存區，減少產品占機等待，緩存區容量大小通過仿真確定。

3.2 葉片機加生產線初步優化

經過多輪分析和比較，在五坐標加工中心和數控拋光機中間增加了線邊緩存區。改進后，假設線邊緩存區容量為無限大，仿真模型運行一年，總產量為25015件，產品滿足率約為99.3%，線邊緩存區最大占用數量為8。

圖4和圖5分別是生產線優化前后的產量、設備利用率情況的對比，從中可以看出，在無故障運行條件下，各產品年產量較改進前增長約24%，平均設備利用率為81.5%，較優化前提高17.3%。同時從圖5中可以看出，4軸加工中心和五坐標加工中心的設備阻塞占比分別降低約3%和10%，數控拋光機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后有效降低了已加工完成的產品占用設備的時間，二是產能提升后，設備等待運輸機器人裝卸的次數增多。

圖4 優化前后產量比較

圖5 優化前后設備利用率比較

從仿真分析與優化結果可以看出，優化后的生產線產能基本能夠滿足生產綱領要求；主要設備平均利用率為81.5%，基本達到了目標值；零線邊緩存不可取，應配置容量最少為8的線邊緩存區。

4 結論

本文利用Plant Simulation構建了仿真模型，通過分析對生產線進行了初步優化，提高了生產線性能。從改善后的結果可以看出，產能增加了24% ，設備平均利用率增加了17.3%，生產線性能得到了較大程度的提高。研究結果表明，在生產線規劃設計過程中，通過生產線仿真能夠有效地分析出設計方案可能存在的問題，對提高生產線設計質量和設計效率有重要意義。