（遼寧工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，錦州 121000）

0 引言

復(fù)雜的制造系統(tǒng)是由許多制造要素所構(gòu)成，系統(tǒng)的運(yùn)行受大量隨機(jī)因素的影響，使用傳統(tǒng)的方法對(duì)制造系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)、實(shí)施與控制難以實(shí)現(xiàn)預(yù)想的效果[1,2]。計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)是分析、評(píng)價(jià)、設(shè)計(jì)和改進(jìn)日趨復(fù)雜的現(xiàn)代生產(chǎn)系統(tǒng)的重要工具，而Flexsim三維仿真軟件相較于二維仿真軟件不但更加直觀形象，還能夠模擬人員分配與物流路徑的選擇[3～5]。因此，本文采用Flexsim仿真的方法，對(duì)某公司集裝箱生產(chǎn)線進(jìn)行優(yōu)化研究，真實(shí)模擬系統(tǒng)的生產(chǎn)過(guò)程，以仿真結(jié)果為依據(jù)利用工業(yè)工程的方法對(duì)生產(chǎn)線進(jìn)行優(yōu)化改善，提出合理改善意見(jiàn)并對(duì)改善措施進(jìn)行效果評(píng)價(jià)。

1 生產(chǎn)線現(xiàn)狀分析

某公司主要進(jìn)行集裝箱的生產(chǎn)，后端框是整個(gè)集裝箱生產(chǎn)線的重要組成部分，其本身也是一個(gè)錯(cuò)雜交織的獨(dú)立生產(chǎn)線。集裝箱后端框主要包括門(mén)板、門(mén)楣、角柱、門(mén)檻四部分。生產(chǎn)過(guò)程中角柱、門(mén)楣、門(mén)檻先進(jìn)行生產(chǎn)，隨后將生產(chǎn)好的三者進(jìn)行組裝焊接，再與門(mén)板組裝焊接，完成整個(gè)加工生產(chǎn)過(guò)程，其工序過(guò)程如圖1所示。加工所需原材料幾乎全部來(lái)自冷加工班，由叉車經(jīng)固定路線搬運(yùn)至后端框產(chǎn)線的各個(gè)暫存區(qū)，而加工完成的集裝箱后端框則有吊鏈直接吊至整個(gè)集裝箱生產(chǎn)線的下一道工序。生產(chǎn)線模塊圖如圖2所示。

圖1 后端框工序過(guò)程圖

圖2 生產(chǎn)線模塊圖

對(duì)后端框各工序進(jìn)行工時(shí)測(cè)定，將5天共計(jì)20次數(shù)據(jù)采集所得的數(shù)據(jù)運(yùn)用三倍標(biāo)準(zhǔn)差方法[6]剔除異常值，計(jì)算得到各工序工時(shí)如表1所示。

2 生產(chǎn)線建模與仿真

2.1 仿真參數(shù)設(shè)置

后端框各工序加工時(shí)間服從均勻分布，上下限為相應(yīng)工序工時(shí)的正負(fù)3σ值。設(shè)備的預(yù)置時(shí)間為設(shè)備與暫存區(qū)間人工搬運(yùn)物料時(shí)間及人工裝夾時(shí)間。由于現(xiàn)實(shí)中生產(chǎn)控制比較嚴(yán)格，次品產(chǎn)生的幾率較小，因此假設(shè)所設(shè)計(jì)的模型沒(méi)有次品。工序間的暫存區(qū)容量經(jīng)觀察設(shè)定如表2所示。

表1 后端班各工序工時(shí)及詳細(xì)信息表

表2 暫存區(qū)容量表

2.2 仿真模型建立

根據(jù)圖2所示，所要建立的模型中固定實(shí)體包括4個(gè)發(fā)生器，7個(gè)暫存區(qū)，19個(gè)處理器，2個(gè)合成器，2個(gè)起重機(jī)，1個(gè)吸收器。發(fā)生器用來(lái)產(chǎn)生原材料，暫存區(qū)用來(lái)存儲(chǔ)臨時(shí)存放的工件，處理器主要是表示各種機(jī)床和焊接工位，起重機(jī)用來(lái)搬運(yùn)工件[7]，按照現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際布局情況建立的模型如圖3所示。建立好模型后，設(shè)置相應(yīng)的仿真參數(shù)，利用實(shí)驗(yàn)器仿真一天8小時(shí)的工作時(shí)間。

圖3 仿真模型

2.3 仿真結(jié)果與分析

模型仿真結(jié)果如圖4所示。由圖中數(shù)據(jù)可以看出，各暫存區(qū)均出現(xiàn)堆積現(xiàn)象，可以明顯看出各分支模塊（角柱生產(chǎn)模塊、門(mén)楣生產(chǎn)模塊、門(mén)檻生產(chǎn)模塊、門(mén)板生產(chǎn)模塊）在連接后端裝配線的暫存區(qū)中都有較明顯的堆積現(xiàn)象。

圖4 模型仿真結(jié)果

仿真數(shù)據(jù)如圖5所示，除去暫存區(qū)外大部分加工設(shè)備存在一定的等待時(shí)間。如后端框正面左、右焊接的平均等待時(shí)間是162.65s較測(cè)定工時(shí)112s高出了50s，其他各模塊工序也有較明顯等待。而后端框從門(mén)板組裝到鎖座裝配再到鎖座與鉸鏈焊接直至裝配完成都幾乎沒(méi)有等待時(shí)間，其中鎖座裝配工序平均等待時(shí)間為94.90s與測(cè)定工時(shí)90s基本一致，鎖座與鉸鏈焊接工序平均等待時(shí)間為109.70s與測(cè)定工時(shí)110s基本一致。因此，可以看出門(mén)板組裝工序之前的工序都存在一定的等待時(shí)間，而其后的工序卻運(yùn)行的極為流暢，說(shuō)明門(mén)板組裝工序?yàn)橛绊懻麄€(gè)生產(chǎn)線加工速度的瓶頸工序。后端框裝配工序加工占用率為85.88%，且后一道工序后端框焊接的擁堵率較高，所以后端框裝配工序也是一個(gè)問(wèn)題工序。

圖5 模型仿真數(shù)據(jù)結(jié)果

3 優(yōu)化改善方案

3.1 門(mén)板組裝工序搬運(yùn)設(shè)備優(yōu)化

根據(jù)Flexsim仿真結(jié)果，門(mén)板組裝為后端框組裝的瓶頸工序，而門(mén)板組裝工序工時(shí)與門(mén)板材料搬運(yùn)時(shí)間有著直接關(guān)系。通過(guò)調(diào)研得知，門(mén)板暫存區(qū)與門(mén)板組裝的暫存區(qū)之間的搬運(yùn)距離僅為4.9米，其搬運(yùn)工作主要由門(mén)板組裝的2位工人完成，如圖6所示。當(dāng)門(mén)板組裝工序需要左右門(mén)板進(jìn)行組裝時(shí)，將移動(dòng)存放車由門(mén)板組裝工序沿軌道推至門(mén)板暫存區(qū)附近，經(jīng)起重機(jī)將門(mén)板暫存區(qū)中的待搬運(yùn)門(mén)板吊至移動(dòng)存放車上，隨后將移動(dòng)存放車推回門(mén)板組裝工序旁，其搬運(yùn)設(shè)備布局圖如圖7(a)所示。雖然整個(gè)搬運(yùn)過(guò)程并不復(fù)雜，但由起重機(jī)進(jìn)行搬運(yùn)而導(dǎo)致的搬運(yùn)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，搬運(yùn)用時(shí)42s，占整個(gè)裝配工時(shí)的25%。

圖6 門(mén)板搬運(yùn)過(guò)程

因此，針對(duì)現(xiàn)有搬運(yùn)設(shè)備的優(yōu)缺點(diǎn)，以縮減搬運(yùn)時(shí)間為目的，重新設(shè)計(jì)的搬運(yùn)設(shè)備如圖7(b)所示。新搬運(yùn)設(shè)備是基于原本運(yùn)輸?shù)剀夁M(jìn)行設(shè)計(jì)，其主要由A、B、C三個(gè)底座以及X、Y兩個(gè)托盤(pán)組成。其中底座A與底座B為可沿滑道M進(jìn)行縱向移動(dòng)，底座C則為固定存放區(qū)。底座A、B、C的大小相同，皆為原本移動(dòng)存放車的一半。托盤(pán)X與托盤(pán)Y分別置于底座A與底座B之上，可沿滑道N進(jìn)行橫向移動(dòng)。除此之外，將原本的左右門(mén)板堆積式暫存區(qū)更改為兩個(gè)下進(jìn)下出的立式堆垛機(jī)，使得載貨托盤(pán)可以在堆垛機(jī)下方完成取料。其搬運(yùn)過(guò)程可以分為三種情況：

1）運(yùn)送右門(mén)板：將原本固定在底座B上的托盤(pán)Y沿軌道N移動(dòng)至底座C上，然后將原本在固定在底座A上的托盤(pán)X沿軌道M移動(dòng)至底座B上。隨后由底座B帶著托盤(pán)X沿原有地軌至右門(mén)板堆垛機(jī)處裝載右門(mén)板，裝載完畢后將右門(mén)板帶回到起始位置。

2）運(yùn)送左門(mén)板底座B直接由起始位置移動(dòng)至左門(mén)板堆垛機(jī)，并將裝載的左門(mén)板帶回到起始位置。

3）運(yùn)送左右門(mén)板：沿地軌同時(shí)移動(dòng)底座A與底座B，將其分別置于右門(mén)板堆垛機(jī)與左門(mén)板堆垛機(jī)處。分別向托盤(pán)X與托盤(pán)Y釋放右門(mén)板與左門(mén)板之后，再使底座A與底座B沿地軌原路返回至起始位置。

改造后，經(jīng)測(cè)算新搬運(yùn)設(shè)備的搬運(yùn)時(shí)間分別為24s，18s，19s。根據(jù)觀察兩門(mén)板同時(shí)需要運(yùn)送的次數(shù)約占總搬運(yùn)次數(shù)的20%，左右門(mén)板單獨(dú)運(yùn)送的次數(shù)各占約40%。因此新設(shè)備平均搬運(yùn)時(shí)長(zhǎng)為20.6s，較之舊搬運(yùn)設(shè)備的平均搬運(yùn)時(shí)長(zhǎng)縮短了20.4s。

圖7 搬運(yùn)設(shè)備改進(jìn)前后布局圖

3.2 后端框生產(chǎn)線的布局優(yōu)化

后端框裝配工序也是影響整個(gè)生產(chǎn)線加工效率的瓶頸工序。通過(guò)調(diào)研可知，裝配工序中所需的門(mén)檻和門(mén)楣均需橋式起重機(jī)完成取料和送料的工作，且原材料距離較遠(yuǎn)，搬運(yùn)耗時(shí)較多，其搬運(yùn)距離及搬運(yùn)時(shí)間的數(shù)據(jù)如表3所示。

由于門(mén)楣生產(chǎn)模塊處于后端裝配模塊與門(mén)板生產(chǎn)模塊之間，其位置會(huì)對(duì)工作人員移動(dòng)和現(xiàn)場(chǎng)管理產(chǎn)生一定的影響，因此對(duì)門(mén)楣生產(chǎn)模塊進(jìn)行“5W1H”提問(wèn)技術(shù)中的地點(diǎn)提問(wèn)，而對(duì)整個(gè)搬運(yùn)過(guò)程進(jìn)行“5W1H”提問(wèn)技術(shù)中的方法提問(wèn)，具體提問(wèn)與回答如表4所示。

通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，電動(dòng)軌道運(yùn)輸車相較起重機(jī)具有更快的搬運(yùn)速度、更大的搬運(yùn)量以及復(fù)雜的裝載方式[8]，采用電動(dòng)軌道運(yùn)輸車是解決門(mén)檻和門(mén)楣搬運(yùn)距離較遠(yuǎn)，搬運(yùn)耗時(shí)較長(zhǎng)的一種有效解決方案。然而，門(mén)楣生產(chǎn)模塊單獨(dú)存在時(shí)，向后端框裝配模塊運(yùn)送門(mén)楣搬運(yùn)量較小，不宜使用較大的搬運(yùn)設(shè)備。因此，考慮將門(mén)楣生產(chǎn)模塊與門(mén)檻加工模塊合并，且將其取料位置也合并，使用電動(dòng)軌道運(yùn)輸車同時(shí)運(yùn)送門(mén)楣與門(mén)檻。優(yōu)化后，布局優(yōu)化后的搬運(yùn)距離及搬運(yùn)時(shí)間如表5所示。經(jīng)測(cè)算，門(mén)楣、門(mén)檻一次搬運(yùn)用時(shí)同為110秒。共縮短一次搬運(yùn)距離42.7米，縮減一次搬運(yùn)時(shí)間長(zhǎng)1243s。同時(shí)，此布局改善了原本雜亂無(wú)章的加工臺(tái)位排布，使得后端框生產(chǎn)車間環(huán)境更加整潔有序。

表3 主要生產(chǎn)模塊的搬運(yùn)距離及搬運(yùn)時(shí)間

表4 “5W1H”提問(wèn)匯總表

表5 主要生產(chǎn)模塊布局優(yōu)化后的搬運(yùn)距離及搬運(yùn)時(shí)間

4 效果評(píng)價(jià)

根據(jù)改善后布局圖重新排布Flexsim仿真模型中各實(shí)體。去掉原模型中的橋式起重機(jī)使用新設(shè)計(jì)的搬運(yùn)工具，而Flexsim仿真軟件實(shí)體庫(kù)中并沒(méi)有相應(yīng)的實(shí)體，因此使用實(shí)體庫(kù)中的靈活性較高的叉車來(lái)代替全新設(shè)計(jì)的搬運(yùn)工具，改善后具體的模型如圖8所示。修改后端框裝配工序與門(mén)板組裝工序的兩處工時(shí)變動(dòng)以及改善后門(mén)楣與門(mén)檻合并加工模塊的狀態(tài)與裝卸參數(shù)，全部設(shè)定完成后運(yùn)行模型。

圖8 改善后的仿真模型

運(yùn)行過(guò)程中可以看出后端裝配模塊出現(xiàn)等待的頻率和時(shí)間有所減少，整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程和搬運(yùn)過(guò)程順暢。如圖9所示為改善后的仿真數(shù)據(jù)結(jié)果，從中可以看出，同樣的加工時(shí)間下，成品數(shù)量達(dá)到了157件，較之改善前模型的成品數(shù)量149件多出了8件，且原本擁有較長(zhǎng)的等待與空閑時(shí)間的工序都得到了一定程度的改善。

圖9 改善后的仿真數(shù)據(jù)結(jié)果

5 結(jié)論

本文運(yùn)用Flexsim仿真軟件對(duì)某公司集裝箱后端框生產(chǎn)線進(jìn)行建模與仿真，找出門(mén)板組裝工序與后端框裝配工序?yàn)樯a(chǎn)瓶頸，分別從搬運(yùn)設(shè)備的優(yōu)化設(shè)計(jì)、布局布局等方面入手進(jìn)行優(yōu)化改善。設(shè)計(jì)了一個(gè)門(mén)板搬運(yùn)工具，較之前的搬運(yùn)設(shè)備平均搬運(yùn)時(shí)長(zhǎng)縮短了20.4s。將門(mén)楣生產(chǎn)模塊與門(mén)檻加工模塊合并，引入電動(dòng)運(yùn)輸車用于生產(chǎn)車間的局部長(zhǎng)距離搬運(yùn)，縮短搬運(yùn)距離42.7米，縮短搬運(yùn)時(shí)間1243秒。此改善方案將后端框生產(chǎn)線的日產(chǎn)量提高了8件，為企業(yè)提高生產(chǎn)率、降低成本提供了有效的途徑，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)具有一定的指導(dǎo)意義。

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