生產(chǎn)線產(chǎn)能規(guī)劃和布局仿真內(nèi)容研究

李江，居里鍇，王云峰，陳杰，周成

(1. 南京理工大學(xué) 工程訓(xùn)練中心，江蘇 南京 210094； 2. 中機(jī)生產(chǎn)力促進(jìn)中心，北京 100044)

0 引言

生產(chǎn)線是進(jìn)行生產(chǎn)制造的第一場(chǎng)所，對(duì)企業(yè)的效益有著至關(guān)重要的作用。在傳統(tǒng)制造領(lǐng)域中，一般采用基于經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)模式進(jìn)行生產(chǎn)線規(guī)劃與布局。隨著制造產(chǎn)品的升級(jí)，生產(chǎn)流程趨于復(fù)雜，生產(chǎn)線規(guī)劃需要考慮的要素變多，現(xiàn)有的生產(chǎn)線規(guī)劃模式已經(jīng)難以滿足企業(yè)生產(chǎn)能力提升和工藝規(guī)劃能力發(fā)展的需求。通過建立生產(chǎn)線仿真模型，在規(guī)劃階段對(duì)生產(chǎn)線整體布局進(jìn)行仿真分析，從而在生產(chǎn)線投產(chǎn)前評(píng)估生產(chǎn)過程，驗(yàn)證工藝路線，衡量布局設(shè)計(jì)，這為生產(chǎn)線規(guī)劃提供了一套有效的驗(yàn)證手段[1]。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者利用仿真技術(shù)對(duì)生產(chǎn)線的規(guī)劃和布局進(jìn)行大量研究，NOOR A M S等分析了汽車座椅座墊生產(chǎn)流水線型工藝流程，利用 Delmia/Quest 分析優(yōu)化了生產(chǎn)線的效率，減少了工作量，提高了生產(chǎn)線效率[2]；周三玲基于witness對(duì)油氣分離器的加工生產(chǎn)線進(jìn)行建模仿真與優(yōu)化，改進(jìn)了工藝流程，提高了生產(chǎn)效率[3]；劉順濤等基于Delmia/Quest對(duì)飛機(jī)裝配線進(jìn)行參數(shù)化仿真研究，為裝配生產(chǎn)線設(shè)備配置優(yōu)化、工藝布局的評(píng)估提供了參考[4]；鄭順?biāo)谏a(chǎn)線仿真與優(yōu)化技術(shù)，建立了應(yīng)用對(duì)象類庫(kù)、仿真模型，進(jìn)行了物流和生產(chǎn)調(diào)度仿真[5]；徐林偉等用Flexsim對(duì)鋼軋生產(chǎn)線進(jìn)行物流仿真，最后給出降低鋼軋生產(chǎn)控制成本的合理化建議[6]；王曉達(dá)基于Flexsim對(duì)生產(chǎn)線生產(chǎn)排序問題進(jìn)行仿真研究，得到訂單需求下的最優(yōu)生產(chǎn)方案[7]；MAHMOUD Heshmat等利用AnyLogic構(gòu)建仿真模型，通過仿真找到瓶頸，從而制定全年不同需求的生產(chǎn)計(jì)劃[8]；郝建豹等基于RobotStudio對(duì)多機(jī)器人柔性制造生產(chǎn)線進(jìn)行虛擬仿真設(shè)計(jì)，得出最佳的工業(yè)機(jī)器人運(yùn)行速度軌跡，同時(shí)利用RAPID離線編程功能，將工業(yè)機(jī)器人運(yùn)行軌跡、位置、姿態(tài)數(shù)據(jù)、虛擬仿真生成的程序通過數(shù)據(jù)傳輸給現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)機(jī)器人，便于現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試[9]。但上述生產(chǎn)線仿真研究未能形成一套完整的、通用的生產(chǎn)線產(chǎn)能規(guī)劃和布局仿真的一般流程。本文對(duì)生產(chǎn)線產(chǎn)能規(guī)劃和布局仿真內(nèi)容進(jìn)行研究，歸納總結(jié)出生產(chǎn)線產(chǎn)能規(guī)劃和布局仿真的一般流程。以閥體零件的加工生產(chǎn)線為研究對(duì)象，依據(jù)總結(jié)出的一般流程對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)規(guī)劃、仿真驗(yàn)證。

1 生產(chǎn)線產(chǎn)能規(guī)劃和布局仿真主要內(nèi)容

生產(chǎn)線產(chǎn)能規(guī)劃和布局仿真是通過對(duì)生產(chǎn)線過程的模擬仿真，直觀地進(jìn)行生產(chǎn)線產(chǎn)能規(guī)劃與布局的分析與評(píng)價(jià)，并通過反復(fù)迭代和逐步調(diào)整達(dá)到合理的預(yù)期效果，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線的產(chǎn)能規(guī)劃和布局設(shè)計(jì)。其主要內(nèi)容如下：

1) 對(duì)生產(chǎn)過程涉及的產(chǎn)品、工位、工藝路線等各個(gè)要素進(jìn)行仿真建模，從而通過三維動(dòng)態(tài)仿真模擬生產(chǎn)線實(shí)際運(yùn)行過程；

2) 通過生產(chǎn)線仿真，以定性或定量的評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)工藝路線、產(chǎn)能規(guī)劃、物流路徑等的合理性進(jìn)行驗(yàn)證和分析；

3) 對(duì)生產(chǎn)線的產(chǎn)能進(jìn)行仿真分析，優(yōu)化生產(chǎn)線的產(chǎn)能配置，發(fā)現(xiàn)并消除生產(chǎn)瓶頸，提高生產(chǎn)效率與生產(chǎn)能力；

4) 通過生產(chǎn)線仿真獲取生產(chǎn)過程的工位利用率、產(chǎn)能、生產(chǎn)周期等評(píng)價(jià)指標(biāo)，并通過不斷地仿真分析與優(yōu)化迭代，對(duì)生產(chǎn)線布局進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)[10]。

2 生產(chǎn)線產(chǎn)能規(guī)劃和布局仿真流程

2.1 生產(chǎn)線產(chǎn)能規(guī)劃仿真的一般流程

生產(chǎn)線產(chǎn)能規(guī)劃是在生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)或改造階段，根據(jù)產(chǎn)品的工藝路線合理規(guī)劃并確定生產(chǎn)線中工位、傳送帶等設(shè)施的種類、數(shù)量或容量，以符合生產(chǎn)線的生產(chǎn)綱領(lǐng)。生產(chǎn)線產(chǎn)能規(guī)劃仿真的一般流程如圖1所示，具體內(nèi)容包含：

1) 根據(jù)生產(chǎn)綱領(lǐng)確定產(chǎn)品品種，制定產(chǎn)品工藝路線，再確定生產(chǎn)線中的工位種類，并通過確定初始工位數(shù)量，得到生產(chǎn)線的初始產(chǎn)能配置；

2) 根據(jù)生產(chǎn)綱領(lǐng)中要求生產(chǎn)的產(chǎn)品數(shù)量、產(chǎn)品品種以及初始產(chǎn)能配置建立生產(chǎn)線仿真模型；

3) 進(jìn)行生產(chǎn)線仿真，得到仿真結(jié)果；

4) 比較生產(chǎn)綱領(lǐng)要求的產(chǎn)品完工時(shí)間和仿真獲得的產(chǎn)品完工時(shí)間，如果仿真完工時(shí)間小于生產(chǎn)綱領(lǐng)中要求的完工時(shí)間，則初始產(chǎn)能配置即為最終的產(chǎn)能配置；

5) 如果仿真完工時(shí)間大于生產(chǎn)綱領(lǐng)中要求的完工時(shí)間，對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行瓶頸分析，找出生產(chǎn)線中的瓶頸工位，調(diào)整瓶頸工位的數(shù)量，并按照仿真—評(píng)價(jià)分析—調(diào)整—仿真進(jìn)行反復(fù)迭代，直到產(chǎn)品能按照生產(chǎn)綱領(lǐng)的要求在給定時(shí)間內(nèi)完工為止。

圖1 生產(chǎn)線產(chǎn)能規(guī)劃仿真的一般流程

2.2 生產(chǎn)線布局仿真的一般流程

生產(chǎn)線布局是指在滿足給定的空間或性能約束條件下，將工位、傳送帶等各類設(shè)施合理、優(yōu)化地布局在特定空間內(nèi)，從而有效、經(jīng)濟(jì)、安全地達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。生產(chǎn)線布局仿真的一般流程如圖2所示，具體內(nèi)容包含：

1) 根據(jù)最終產(chǎn)能配置給出的各個(gè)工位的種類及數(shù)量生成初始的布局序列；

2) 根據(jù)設(shè)施的外形尺寸，以最小外接矩形對(duì)設(shè)施進(jìn)行包圍；

3) 進(jìn)行布局約束：在生產(chǎn)線布局中，設(shè)施之間不能相互重疊；同時(shí)，為了保證物流通道的暢通，設(shè)施與功能區(qū)邊界、設(shè)施與固定設(shè)施之間應(yīng)保持一定的安全距離；

4) 對(duì)生產(chǎn)線布局進(jìn)行干涉檢查，得到設(shè)施布局；

5) 按照產(chǎn)品的工藝路線，進(jìn)行生產(chǎn)線仿真，得到物流路徑；物流路徑必須沿著生產(chǎn)線中的物流通道，且不能穿越生產(chǎn)線內(nèi)的各個(gè)功能區(qū)；物料和生產(chǎn)人員應(yīng)遵循路徑最短和無干涉的原則；天車、AGV等運(yùn)輸對(duì)象必須按照指定的物流通道行車，且行車過程無干涉；

6) 結(jié)合產(chǎn)品質(zhì)量和單位物流成本，并通過仿真得到生產(chǎn)線的物流成本；

7) 判斷是否符合迭代終止條件，如果滿足則得到最終設(shè)施布局，否則更新布局序列，以物流成本最低為優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行反復(fù)迭代。

圖2 生產(chǎn)線布局仿真的一般流程

3 生產(chǎn)線產(chǎn)能規(guī)劃和布局仿真案例

本文結(jié)合Visual components和AnyLogic兩款仿真軟件，依據(jù)生產(chǎn)線產(chǎn)能規(guī)劃和布局仿真的一般流程對(duì)閥體零件的加工生產(chǎn)線進(jìn)行設(shè)計(jì)規(guī)劃、仿真驗(yàn)證。

3.1 生產(chǎn)線初始產(chǎn)能配置確定

閥體零件生產(chǎn)綱領(lǐng)要求在規(guī)定8h內(nèi)完成80個(gè)零件。制定生產(chǎn)工藝路線如圖3所示，確定生產(chǎn)線初始產(chǎn)能配置如表1所示。

圖3 工藝路線

表1 初始產(chǎn)能配置

3.2 生產(chǎn)線仿真模型構(gòu)建

Visual components是一款3D制造仿真和可視化的軟件，能夠快速地構(gòu)建工廠內(nèi)部的整體可視化制造過程，同時(shí)它具有大量現(xiàn)有自身模型，可直接調(diào)用進(jìn)行生產(chǎn)線的快速搭建。

根據(jù)初始產(chǎn)能配置得到的工位數(shù)量，按照?qǐng)D3所示的工藝路線直接調(diào)用Visual components 模型庫(kù)中的現(xiàn)有模型快速搭建出生產(chǎn)線，如圖4所示。在仿真過程中可以直觀、準(zhǔn)確地觀察產(chǎn)品加工和設(shè)備運(yùn)行的狀態(tài)。

圖4 Visual components搭建的生產(chǎn)線仿真模型

AnyLogic是一款應(yīng)用廣泛，對(duì)離散系統(tǒng)建模和仿真的軟件。AnyLogic的數(shù)據(jù)庫(kù)幫助用戶收集、顯示和分析模型執(zhí)行過程中的數(shù)據(jù)。在AnyLogic中搭建的生產(chǎn)線仿真模型如圖5所示。

圖5 AnyLogic中搭建的生產(chǎn)線仿真模型

3.3 生產(chǎn)線產(chǎn)能規(guī)劃仿真及結(jié)果分析

a) 仿真結(jié)果評(píng)價(jià)指標(biāo)

生產(chǎn)線仿真的評(píng)價(jià)指標(biāo)可以通過在仿真模型中編寫控制語句，在仿真過程中采集狀態(tài)數(shù)據(jù)，并按照一定的計(jì)算方法進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

1) 工位利用率

工位利用率可以根據(jù)研究目標(biāo)進(jìn)行定義，在生產(chǎn)線仿真中一般的計(jì)算方法為：

工位利用率=每班次(天)實(shí)際工作時(shí)數(shù)/每班次(天)應(yīng)工作時(shí)數(shù)。

2) 瓶頸工位

一般情況下，應(yīng)把工位利用率最高的工位看作為生產(chǎn)線中的瓶頸工位。

3) 生產(chǎn)周期

生產(chǎn)周期是生產(chǎn)某一產(chǎn)品(或零件)時(shí)，從原材料投入到出產(chǎn)品1個(gè)循環(huán)所經(jīng)過的時(shí)間。產(chǎn)品生產(chǎn)周期的計(jì)算方法為：產(chǎn)品生產(chǎn)周期=最后一件產(chǎn)品完工時(shí)間-第一件產(chǎn)品投產(chǎn)時(shí)間[11]。

b) 仿真結(jié)果評(píng)價(jià)分析

在AnyLogic中進(jìn)行生產(chǎn)線仿真，結(jié)束后輸出的結(jié)果如圖6所示。比較各工位的利用率，利用率最高的為數(shù)控加工工位，該工位加工繁忙，會(huì)導(dǎo)致上游物料堵塞，下一工位處于等待狀態(tài)，因此數(shù)控加工工位為瓶頸工位。整個(gè)生產(chǎn)線仿真完成時(shí)間為583.576min，大于生產(chǎn)綱領(lǐng)要求的完工時(shí)間8h。初始產(chǎn)能配置不合理，需要進(jìn)行優(yōu)化。

圖6 仿真結(jié)果

3.4 迭代優(yōu)化得到最終產(chǎn)能配置

通過在AnyLogic軟件中進(jìn)行迭代優(yōu)化，得到優(yōu)化參數(shù)如圖7所示，將對(duì)應(yīng)的加工時(shí)間調(diào)整為14s、傳送帶速度調(diào)整為 0.5m/s、運(yùn)輸車(AGV)速度調(diào)整為1.3m/s。同時(shí)增加數(shù)控加工工位數(shù)量，再次進(jìn)行仿真，得到結(jié)果如圖8所示。仿真完成時(shí)間為393.078min，小于生產(chǎn)綱領(lǐng)要求的完工時(shí)間，符合要求，得到最終的產(chǎn)能配置如表2所示(本刊為黑白印刷，如有疑問請(qǐng)咨詢作者)。

圖7 優(yōu)化參數(shù)

圖8 迭代優(yōu)化后的仿真結(jié)果

表2 最終產(chǎn)能配置

3.5 生產(chǎn)線初始設(shè)施布局確定

根據(jù)生產(chǎn)線產(chǎn)能規(guī)劃仿真得到的最終產(chǎn)能配置，在Visual components里生成初始的布局序列如圖9所示。以最小外接矩形對(duì)設(shè)施進(jìn)行包圍和約束，之后再對(duì)生產(chǎn)線布局進(jìn)行干涉檢查，得到設(shè)施布局如圖10所示。

圖9 初始布局序列

圖10 初始設(shè)施布局

3.6 生產(chǎn)線布局仿真及結(jié)果分析

a) 仿真結(jié)果評(píng)價(jià)指標(biāo)

1) 物流路徑長(zhǎng)度

物流路徑長(zhǎng)度簡(jiǎn)稱物流長(zhǎng)度，是指工序之間最短物流路徑的長(zhǎng)度。

2) 物流成本

物流成本應(yīng)該通過對(duì)所有產(chǎn)品的所有工序進(jìn)行遍歷求得，其計(jì)算方法為：

b) 仿真結(jié)果評(píng)價(jià)分析

在AnyLogic中進(jìn)行生產(chǎn)線布局仿真得到物流路徑及物流成本如圖11所示，滿足生產(chǎn)線布局要求。從而得到閥體零件最終的加工生產(chǎn)線設(shè)施布局如圖12所示。

圖11 仿真得到物流路徑及成本

圖12 生產(chǎn)線最終設(shè)施布局

4 結(jié)語

本文基于生產(chǎn)線仿真的思想，對(duì)生產(chǎn)線產(chǎn)能規(guī)劃和布局仿真內(nèi)容進(jìn)行研究，歸納總結(jié)出生產(chǎn)線產(chǎn)能規(guī)劃和布局仿真的一般流程，并通過閥體零件的加工生產(chǎn)線進(jìn)行應(yīng)用驗(yàn)證，結(jié)合Visual components和AnyLogic兩款軟件進(jìn)行仿真優(yōu)化，及時(shí)地找出了生產(chǎn)線中的瓶頸工位，調(diào)整了相應(yīng)的產(chǎn)能配置，得到了生產(chǎn)線中的物流路徑及成本，調(diào)整了生產(chǎn)線布局，節(jié)省了時(shí)間和成本。