基于Flexsim的凈水控制器裝配線平衡仿真與優(yōu)化

尹勝利

（河北工程大學(xué)管理工程與商學(xué)院，河北 邯鄲 056000）

0 引言

隨著行業(yè)發(fā)展日新月異，生產(chǎn)線平衡的高低效率關(guān)系到產(chǎn)線效率、產(chǎn)能。成為企業(yè)研究熱點(diǎn)[1]。生產(chǎn)線平衡率是衡量總生產(chǎn)線平衡的重要指標(biāo)之一，由各個(gè)工序時(shí)間之和與瓶頸工序和工序數(shù)乘積的比值所決定。平衡率越高，工序間浪費(fèi)就越少，產(chǎn)能相繼就能提升[2]。這在制造業(yè)競(jìng)爭(zhēng)如此激烈的的情況下，為企業(yè)更快搶占市場(chǎng)、加快產(chǎn)品迭代更新提供契機(jī)。

傳統(tǒng)工藝流程優(yōu)化通常采用“5W1H”、“ECRS”原則等IE理論[3-6]針對(duì)產(chǎn)線進(jìn)行工藝優(yōu)化，人員調(diào)整。隨著計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展，很多學(xué)者運(yùn)用Flexsim、EPlant、Wintness等仿真軟件對(duì)裝配線進(jìn)行仿真模擬[7-12]。針對(duì)裝配線現(xiàn)狀，運(yùn)用IE辦法進(jìn)行分析改善并且利用仿真軟件進(jìn)行效果評(píng)價(jià)。本文綜合運(yùn)用IE、仿真軟件對(duì)凈水控制器裝配線工藝流程進(jìn)行分析。使用誤差總體界限法確定檢測(cè)次數(shù)，降低測(cè)定成本，通過(guò)使用作業(yè)測(cè)定分析工藝現(xiàn)狀，采用5W1H、ECRS原則等工業(yè)工程方法來(lái)提高產(chǎn)線平衡率。此類產(chǎn)品組裝大多需要機(jī)器和人工協(xié)同操作，由于產(chǎn)品更新迭代加快，高平衡率的裝配線可以為企業(yè)提高效率，降低成本。為類似產(chǎn)線優(yōu)化提供理論、實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1 理論概述

裝配線平衡是指將工藝流程分配到各個(gè)工作站，并且使各工位的工作負(fù)荷量盡量均衡，保證工序的作業(yè)時(shí)間盡可能地相等，縮短生產(chǎn)節(jié)拍。要確保節(jié)拍適宜，需要不斷優(yōu)化瓶頸工序時(shí)間。節(jié)拍是每個(gè)工位或工作站的生產(chǎn)時(shí)間。瓶頸工序則是裝配線上節(jié)拍或生產(chǎn)時(shí)間最長(zhǎng)的工位或工作站。再通過(guò)不斷改善工序或更改產(chǎn)線布局來(lái)提高裝配線的平衡率。

第Ⅱ類裝配線問(wèn)題，在已知裝配線工序數(shù)量及各個(gè)工序的加工時(shí)間以及工序之間的先后約束順序，求最小生產(chǎn)節(jié)拍CT，其數(shù)學(xué)表達(dá)式如式（1）所示：

式中：MAXη為最大化生產(chǎn)率；n為工序數(shù)；St i為第i個(gè)工位的工時(shí)；Max(S t i)為最大化工序時(shí)間（瓶頸工位時(shí)間）；CT為生產(chǎn)節(jié)拍。

平滑性指數(shù)，用S表示。平滑性指數(shù)表示各個(gè)工作站或工序的產(chǎn)能分布離散情況指標(biāo)，平滑性指數(shù)越小表示裝配線產(chǎn)能分布更均衡。如式（2）所示：

式中：n為工序數(shù)；c為工序最低產(chǎn)能；c i為第i種工序的產(chǎn)能。

時(shí)間研究是通過(guò)對(duì)工序進(jìn)行多次測(cè)定，獲取抽樣數(shù)據(jù)。顯然，測(cè)定次數(shù)越多，精度則越高。但是測(cè)定次數(shù)的一味增加只能增加工作量，測(cè)定成本顯著增高，不符合“節(jié)約企業(yè)成本”理念。因此，需要在同時(shí)考慮精確度和可靠度的情況下，根據(jù)科學(xué)的統(tǒng)計(jì)學(xué)知識(shí)來(lái)確定數(shù)據(jù)。

誤差總體界限法。根據(jù)總體平均值和樣本平均值之間的誤差范圍以及置信度來(lái)計(jì)算測(cè)定次數(shù)。當(dāng)誤差范圍控制在±5%以內(nèi)，置信度為95%時(shí)：

式中：n′為應(yīng)進(jìn)行觀測(cè)次數(shù)；n為試觀測(cè)次數(shù)；X i為樣本觀測(cè)值；為樣本平均值。

由圖7得知，對(duì)照組干腌羊火腿的肌原纖維蛋白發(fā)生了降解，但降解程度不大。分子量為63.0 ku～48.0 ku和48.0 ku～35.0 ku中間出現(xiàn)蛋白條帶逐漸變粗；35.0 ku～25.0 ku中間出現(xiàn)了很多小的蛋白條帶；25.0 ku～20.0 ku、20.0 ku～17.0 ku和17.0 ku～11.0 ku中間產(chǎn)生的蛋白條帶逐漸變粗，顏色也逐漸加深，說(shuō)明高分子蛋白降解產(chǎn)生了新的蛋白片段。

2 A公司凈水控制器裝配線狀況分析

2.1 裝配線現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)凈水器市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)激烈，各種品牌產(chǎn)品層出不窮，A公司為了提高產(chǎn)線產(chǎn)能和控制成本需要重視裝配線平衡問(wèn)題。A公司是一家電路板制造商，提供多品種的電路板制作、打板等業(yè)務(wù)。A公司目前批量生產(chǎn)凈水器控制器，已知該公司擁有20條人機(jī)結(jié)合的插件后焊線，其中每條產(chǎn)線涉及員工27人，其工藝流程如圖1所示。

圖1 工藝流程

2.2 裝配線工藝測(cè)定

通過(guò)對(duì)A公司的裝配線實(shí)地調(diào)研后，了解了生產(chǎn)工藝的流程和現(xiàn)場(chǎng)布局。通過(guò)該裝配流水線工人每天工作時(shí)間為8 h，寬放率為4%（女工人數(shù)多余男工人數(shù)），評(píng)比系數(shù)為1.1。因此，此次時(shí)間測(cè)定采用作業(yè)測(cè)定和工藝流程分析。

首先通過(guò)針對(duì)各個(gè)工序進(jìn)行10次時(shí)間測(cè)定，分別帶入式（3）得到應(yīng)觀測(cè)次數(shù)。最后選擇各工序中次數(shù)最多者為參考標(biāo)準(zhǔn)，再進(jìn)行各工序測(cè)定。

經(jīng)過(guò)式（4）計(jì)算得到標(biāo)準(zhǔn)工作時(shí)間如表1所示。

表1 加熱控制器工序作業(yè)內(nèi)容表

2.3 裝配流水線Flexsim仿真分析

Flexsim主要針對(duì)離散系進(jìn)行仿真，采用面向?qū)ο蟮倪壿嬎季S，著重于整個(gè)系統(tǒng)中事物之間的關(guān)系。控制器裝配流水線屬于典型離散系統(tǒng)，F(xiàn)lexsim仿真是通過(guò)還原系統(tǒng)中的事物真實(shí)狀態(tài)，包括原材料、人員構(gòu)成、設(shè)備運(yùn)營(yíng)周期時(shí)間等。當(dāng)出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題來(lái)源并進(jìn)行修改。通過(guò)軟件的數(shù)據(jù)分析功能能看到裝配流水線的工藝流程和現(xiàn)場(chǎng)布局的不合理之處并加以整改。

控制器裝配流水線的組件由發(fā)生器產(chǎn)生，設(shè)置到達(dá)時(shí)間間隔為產(chǎn)品最長(zhǎng)作業(yè)單元的作業(yè)時(shí)間。處理器表示每個(gè)作業(yè)工序，吸收器表示成品存儲(chǔ)。運(yùn)行周期為24 h。建立的仿真模型如圖2所示。

圖2 工藝流程仿真模型

3 加熱控制器裝配線問(wèn)題分析

根據(jù)表1可計(jì)算該裝配線平衡率、平滑性指數(shù)。

該裝配線平衡率η優(yōu)化前：

平滑性指數(shù)：

從工作時(shí)間（表1）和工序狀態(tài)（圖3）可知，該加熱控制器裝配線的平衡率過(guò)低，損失率高。平滑性指數(shù)為178，產(chǎn)能分布不均衡。相鄰工序時(shí)間差距大，工序2和3時(shí)間相近，但與相鄰工序1和工序4作業(yè)時(shí)間相差較大，容易造成工位空閑和工位壓力大的狀況發(fā)生。同時(shí)，工序11和工序12也存在類似問(wèn)題，容易造成工序間庫(kù)存。影響裝配線平穩(wěn)運(yùn)行。瓶頸工序?yàn)楣δ軠y(cè)試，其工序生產(chǎn)節(jié)拍為26 s，操作人員有4人，各工序之間作業(yè)負(fù)荷相差大，比如放板、插裝D1和插裝BZ1兩者工序時(shí)間較為統(tǒng)一，但是與實(shí)際相鄰工序時(shí)間差距在2倍以上，很容易造成工序間庫(kù)存。由此可以知道，該裝配線平衡率低下。因此，需要改善工序并且優(yōu)化流程。

圖3 工序狀態(tài)

4 裝配線優(yōu)化方案

充分結(jié)合企業(yè)自身資源、生產(chǎn)情況，針對(duì)加熱控制器裝配線的人員控制、設(shè)備布局和工藝流程等多維度分析，根據(jù)ECRS（取消、合并、重排、簡(jiǎn)化）原則來(lái)盡可能提高該類裝配線的平衡率，提高產(chǎn)能。

（1）工位2和工位3兩道工序加工時(shí)間相同且工序操作步驟類似，通過(guò)ECRS原則進(jìn)行合并來(lái)減少人員成本以及減少裝配線總節(jié)拍時(shí)間。通過(guò)簡(jiǎn)單培訓(xùn)來(lái)使人員達(dá)到工序操作標(biāo)準(zhǔn)。提前將D1和BZ1放到一起，員工通過(guò)放板-插裝D1-插裝BZ1工序流程來(lái)單向雙手操作，減少手臂空間位移和配件運(yùn)輸距離，由總?cè)藬?shù)2人變成1人，時(shí)間變?yōu)?4 s，減少2 s。通過(guò)簡(jiǎn)單培訓(xùn)來(lái)使人員達(dá)到工序操作標(biāo)準(zhǔn)。作業(yè)完畢自檢OK流至下一工序。

（2）工位6中的波峰焊錫機(jī)以過(guò)往數(shù)據(jù)為參考提前進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，預(yù)熱溫度呈90℃-100℃-110℃-120℃階梯式增長(zhǎng)，過(guò)爐速度由1.2 m/min更改為1.3 m/min；錫爐溫度調(diào)整為270℃；波峰Ⅰ、Ⅱ容差變?yōu)椤?，設(shè)置好后進(jìn)行作業(yè)，確認(rèn)OK后方可量產(chǎn)，縮短時(shí)間2 s。

（3）工位9、10、11根據(jù)ECRS原則將具體操作流程進(jìn)行重排、簡(jiǎn)化。首先通過(guò)用靜電刷清潔PCB板錫珠錫渣等，目檢元件面是否少件、錯(cuò)件等不良，目檢極性元件有無(wú)浮高、反向等不良，檢查數(shù)碼管風(fēng)葉是否符合判定標(biāo)準(zhǔn)；目檢錫點(diǎn)面有無(wú)虛焊、連錫等狀況，目檢元件引腳是否符合長(zhǎng)度限制，最后通過(guò)分板-裝盤流至下一工序。標(biāo)識(shí)不良品放入指定位置待修理。進(jìn)而將工序數(shù)減為2個(gè)，人員數(shù)由3人變?yōu)?人。時(shí)間變?yōu)?3 s、10 s，縮短3 s。

（4）工位12功能測(cè)試該工序工時(shí)最少，工序操作步驟以涉及測(cè)試儀器最多，為瓶頸工序，需要優(yōu)化作業(yè)步驟順序，首先將PCB板固定后進(jìn)行靜態(tài)電流測(cè)試；然后進(jìn)行數(shù)碼屏電量紅色報(bào)警測(cè)試；PCB板開關(guān)和蜂鳴器測(cè)試，把風(fēng)葉測(cè)試排到最后。流程重排先測(cè)試出PCB板是否存在問(wèn)題，然后測(cè)試相關(guān)配件，更能針對(duì)性進(jìn)行修理。工序時(shí)間上僅縮短6 s，但是能夠更早檢測(cè)出問(wèn)題板，整體裝配線良品率得到提升。

（5）工位13為刷三防漆，該工序占用人員數(shù)多達(dá)6人，反面防護(hù)、正面刷漆、反面刷漆分別占用兩人，其中反面防護(hù)作業(yè)內(nèi)容為檢查PCBA板的板面和板底是否有雜物殘留以及在測(cè)試點(diǎn)和燒錄口點(diǎn)阻焊膠。工作內(nèi)容相較于其他兩個(gè)步驟較為簡(jiǎn)單，可減少1人來(lái)操作。通過(guò)時(shí)間測(cè)定法得出正面刷漆作業(yè)比反面防護(hù)工時(shí)操作少30塊PCBA板，反面刷漆和反面防護(hù)工時(shí)大體相同。因此針對(duì)正面刷漆作業(yè)需要優(yōu)化，在板底和板面上刷三防漆時(shí)采用單位接觸面積更大的軟毛刷來(lái)減少來(lái)回刷的次數(shù)，噴涂三防漆程序噴嘴采用扇形結(jié)構(gòu)，使得漆面厚度更均勻。由此更改，可節(jié)約時(shí)間在6 s左右。

通過(guò)重新測(cè)量裝配線各工作站時(shí)間，計(jì)算出新的裝配線平衡率為78.08%，光滑性指數(shù)為79.71。并通過(guò)Flexsim進(jìn)行仿真，得到當(dāng)前的工位狀態(tài)，如圖4所示。該加熱控制器裝配線得到明顯優(yōu)化。

圖4 工序優(yōu)化前后對(duì)比

5 結(jié)束語(yǔ)

（1）加熱控制器裝配線工序流程復(fù)雜，機(jī)器操作嚴(yán)謹(jǐn)，且存在手工作業(yè)。所以針對(duì)機(jī)械參數(shù)調(diào)整和人工操作改善有助于提高裝配線生產(chǎn)效率，通過(guò)對(duì)瓶頸工序以及影響平衡率的工序進(jìn)行動(dòng)作流程分析和動(dòng)作分析，根據(jù)ECRS原則來(lái)改善裝配線，裝配線平衡率提高21.92%，光滑性指數(shù)降低98.29，裝配線工人人數(shù)減少3人，達(dá)到更高平衡率。對(duì)產(chǎn)能提升有較大幫助。

（2）通過(guò)Flexsim軟件針對(duì)裝配線進(jìn)行建模、仿真模擬，得到優(yōu)化前后的裝配線狀態(tài)。進(jìn)行工序?qū)Ρ龋瑥亩l(fā)現(xiàn)影響裝配線平衡問(wèn)題，并經(jīng)過(guò)不斷流程優(yōu)化來(lái)完善裝配線方案。

（3）本文通過(guò)運(yùn)用ECRS原則和Flexsim軟件針對(duì)加熱控制器裝配線進(jìn)行優(yōu)化，旨在提高線平衡率和產(chǎn)能，縮短生產(chǎn)周期，減少裝配線工人人數(shù)，降低企業(yè)制造成本。結(jié)果表示，該改善方案在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中得到驗(yàn)證，為類似裝配線優(yōu)化提供方案可能性。但是，該方案還需要改進(jìn)，在實(shí)際裝配線上有更多影響產(chǎn)能因素，比如裝配線現(xiàn)場(chǎng)布局和人力因素等。需要多維度分析處理。