劉順濤，鐘 衡，譙 成

(成都飛機工業(yè)(集團)有限責任公司，成都 610092)

0 引言

生產線布局、資源配置、工藝流程是生產線重要組成部分，其優(yōu)劣與否對生產效率的高低、生產節(jié)拍的均衡以及設備利用率都會產生直接的影響，合理的分析、優(yōu)化生產線方案對產品的生產至關重要。在航空制造行業(yè)，隨著飛機結構的不斷復雜化，飛機裝配工藝流程逐步復雜化、工藝裝備越來越多樣化，面對復雜程度越來越高的裝配生產系統(tǒng)，依靠傳統(tǒng)的個人經驗或數(shù)學模型已難以滿足裝配線快速、合理的分析和優(yōu)化需求[1-2]。

生產系統(tǒng)虛擬仿真技術能夠通過構建生產系統(tǒng)仿真模型，將實際生產系統(tǒng)映射到虛擬仿真模型上，對系統(tǒng)的運行過程進行模擬分析，并輸出各類生產數(shù)據(jù)[3]。目前，國內外學者應用虛擬仿真技術對物流優(yōu)化、生產管理、成本控制等方面進行了大量研究[4-10]，如：孟哲等[7]對某企業(yè)的一條混流生產線進行了研究，利用Flexsim 仿真軟件對生產線加工流程進行仿真，得出生產線“瓶頸”，并驗證了生產線優(yōu)化方案。王峰等[8]基于仿真軟件F1exsim，提出了生產線管理控制模型，對某企業(yè)的物流系統(tǒng)進行建模仿真，實現(xiàn)了成本控制；門佳等[9]運用witness軟件對某快速消費品企業(yè)的包裝原材料倉庫進行了仿真建模研究，降低了設計成本; Noor A M S 等[10]分析了汽車座椅座墊生產流水線型工藝流程，利用Delmia/Quest分析優(yōu)化了生產線的效率，減少了工作量任務和提高生產線效率。但在飛機制造業(yè)，尤其是針對飛機裝配線的參數(shù)化虛擬仿真研究尚不多見。

本文應用虛擬仿真技術，以某飛機裝配線為研究對象，梳理了裝配工藝流程，分析了裝配特點，論述了生產線參數(shù)化仿真模型的構建，研究了仿真輸出數(shù)據(jù)，進一步分析了裝配線產能、節(jié)拍、設備利用率、生產瓶頸的相關情況，為裝配線的評估、設備資源配置的優(yōu)化提供了建議和參考。

1 裝配線工藝方案梳理

利用Delmia/Quest等仿真系統(tǒng)進行生產流程仿真分析的前提是需一個預先的輸入，仿真系統(tǒng)根據(jù)輸入情況進行相應的仿真分析。因此，對生產系統(tǒng)資料的梳理是進行參數(shù)化仿真建模過程中不可或缺的前提條件[11]。

裝配線資料梳理主要是為了確定生產系統(tǒng)的規(guī)模、配置和工藝布局，包括工藝設備的數(shù)量和加工周期、物流系統(tǒng)的構成和運行方式、工件的數(shù)量和生產總時長、工藝流程的構成和類型、工藝布局等。其中工藝設備配置、工藝流程、工藝布局構成以及系統(tǒng)控制邏輯是整個仿真系統(tǒng)的主要組成部分，該部分的數(shù)量、類型、組成結構直接影響仿真系統(tǒng)體系結構的復雜程度，而生產系統(tǒng)參數(shù)是決定仿真模型分析準確性的關鍵參數(shù)。因此，裝配線資料的梳理情況直接影響后續(xù)仿真分析結果的可靠性。

1.1 工藝流程梳理

某裝配線工藝流程如圖1所示，主要是產品D的裝配生產。在裝配線的正常工作過程中，分別對構成產品D的小部件A、B、C進行裝配，然后再將小部件進行裝配形成產品D。

圖1 裝配線工藝流程

圖1中A1_P等標識表示小部件A的一裝配工序，虛線方框表示同一部件的裝配流程，實線方框表示某一單工位工序，圓形表示可互換的雙工位工序。單工位工序同時只能滿足一件產品的裝配，雙工位工序可同時滿足兩件產品的裝配，雙工位間滿足產品的交叉流動，在同一工位上只能裝配同一種產品。

1.2 工藝布局及生產數(shù)據(jù)收集

該裝配線工藝布局、生產設備資源配置及相應生產數(shù)據(jù)分布如圖2及表1所示，其中裝配線產品D4的產能設計為年產91件產品。

圖2 裝配線工藝布局圖

序號段位工序生產周期(天)設備輸入零件輸出產品12段位AA1_P1A1_mA0A1A2_P6A2_mA1A23456段位BB1_P1.2B1_mB0B1B2_P2.3B2_mB0B2B3_P6.6B3_mB1、B2B3B4_P2B4_mB3B47891011段位CC1_P2.3C1_mC0C1C2_P6C2_mC1C2C3_P0.2C2_mC2、A2C3C4_P3C4_mC3C4C5_P1C5_mC4C512131415段位DD1_P3D1_mB4、C5D1D2_P1D2_mD1D2D3_P3D3_mD2D3D4_P5D4_mD3D4

2 裝配線參數(shù)化模型構建

2.1 幾何模型構建

幾何模型是Quest交互式建模的基礎，在建模過程中可利用Quest模型庫中自帶模型進行建模，但為了與實際裝配線的映射關系更加清晰，本文對裝配線各設備、工裝、工具、產品等進行了三維模型構建，并按工藝布局圖1進行裝配線布局，再現(xiàn)裝配線的實際情況，如圖3所示。在仿真過程中可以直觀、準確地觀察產品輸出和設備運轉狀態(tài)。

圖3 裝配線幾何模型

2.2 幾何模型參數(shù)化設置

幾何模型建立完成后，為實現(xiàn)圖1工藝流程的仿真運行，需要給幾何模型賦予生產數(shù)據(jù)、運行邏輯以及關聯(lián)關系。首先，利用仿真軟件“連接”(connection)功能將各幾何模型元素進行關聯(lián)，通過先后選擇零件的流入和流出幾何模型構建生產過程物料和信息流的傳遞路線；其次，通過軟件“屬性更改”(modify)功能，將表1中生產數(shù)據(jù)以及工藝設備關聯(lián)零件、產品、工序進行設置匹配；最后，通過設置裝配過程系統(tǒng)運行邏輯，如多工序循環(huán)邏輯、工件裝卸邏輯等完成系統(tǒng)基本參數(shù)設置。通過上述幾步操作，可以基本將現(xiàn)實裝配系統(tǒng)映射到幾何模型上。

3 參數(shù)化模型仿真分析

3.1 參數(shù)化模型仿真運行

在完成裝配線參數(shù)化建模后，為了分析該裝配系統(tǒng)在一年內的運行情況，需設置仿真時間。仿真時間表示仿真模型實際運行時間，同時也映射到實際生產系統(tǒng)運行時間，但與真實時間不同，主要由仿真時鐘控制。在本文中，根據(jù)裝配線實際生產情況，對系統(tǒng)各項能力指標的模擬應以年為基本單位，但在統(tǒng)計系統(tǒng)工序生產數(shù)據(jù)時，如：期量時間、生產周期等，是以天為單位，存在時間單位不統(tǒng)一的問題，在此將系統(tǒng)運行一年的工作時間規(guī)定為300天。由于在系統(tǒng)運行初始，整條生產線為空，為了把半成品鋪滿產線的所有空位，通過對裝配線分析計算，可得出從無到生產出第一個D4產品的裝配時長為25天，因此設定仿真時間為325天。

3.2 仿真數(shù)據(jù)分析

在仿真完成后，Quest提供多種類型的仿真數(shù)據(jù)統(tǒng)計和結果分析模式，如數(shù)據(jù)輸出和圖形輸出等，本文主要分析裝配線如下生產指標：生產瓶頸、生產節(jié)拍、產量、設備利用率。

3.2.1 生產瓶頸分析

確定生產瓶頸的方法主要包括：物流量計算分析法、節(jié)拍分析法、設備負荷率分析法、關鍵路徑分析法以及基于仿真的瓶頸分析方法等[12]。本文通過應用設備負荷率分析方法進行生產線瓶頸分析。

設備負荷率分析法，是在生產系統(tǒng)仿真的基礎上，通過計算工藝設備負荷率進行分析：

式中，P為設備負荷率，Tb為設備正常加工時間，T為生產線工作時間。

通常生產線中的瓶頸往往出現(xiàn)在設備負荷率相對較高的環(huán)節(jié)，具體表現(xiàn)為瓶頸設備加工繁忙，而其上游設備處于堵塞狀態(tài)，其下游設備處于等待狀態(tài)。通過對裝配線進行仿真運行，可以輸出設備負荷率如圖4所示。

圖4 設備負荷情況

圖中淺灰色柱表示設備空閑時間(Idle Time),深灰色表示設備正常使用時間(Busy-Processing Time)，黑色表示設備等待時間，通過計算可以得出，設備負荷量較大的地方有A2_m, B3_m, C2_m，設備利用率都超過90%以上，可以確定該三處為整個生產線的生產瓶頸，若要進行生產線擴能，需首先增加該處設備，或者分解該處加工工位，將單個周期較長的工序分解為多個連續(xù)的短周期工位。

3.2.2 節(jié)拍及產能分析

生產節(jié)拍是指生產線上連續(xù)出產兩個相同產品之間的時間間隔。計算公式如下：

其中，r為仿真系統(tǒng)節(jié)拍，T為計劃內的有效工作時間，N為計劃內產品生產數(shù)量[12]。

根據(jù)仿真后產品生產數(shù)據(jù)，按公式計算，可得到裝配系統(tǒng)不同工序對應的工件產量及實際生產節(jié)拍如表2所示。

表2 工件產量及節(jié)拍統(tǒng)計

可見在325天內，產品D4的產量為92件，由于在系統(tǒng)運行初始，為了把半成品鋪滿在產線的所有空位(即剛好有1件D4產品產生)，使系統(tǒng)進一步接近穩(wěn)定運行后的系統(tǒng)，仿真時間多進行了25天，因此對于300天來說，D4的產能為91件，生產節(jié)拍約為3.3天，符合生產線設計要求。

3.2.3 節(jié)拍及產能分析

在生產系統(tǒng)仿真運行后，通過對工件通過主要工藝裝備(包括設備、工裝等)的情況進行統(tǒng)計，包括：加工時間、阻塞時間、故障時間、閑置時間等，計算出不同狀態(tài)在系統(tǒng)仿真運行過程中的占比，即可獲得不同狀態(tài)下設備的統(tǒng)計圖，如圖5、表3所示，通過對統(tǒng)計圖的分析可以直觀評估設備利用率與設備負荷是否合理。

圖5 設備利用率

設備閑置時間加工時間阻塞時間利用率(%)A1_m010222331.385B1_m0118.8206.236.554C1_m0233.291.871.754A2_m11301.522.592.769A2_m22299.123.992.031B3_m12.3322.7099.292B3_m24.6320.4098.585B4_m1100.118836.957.846B4_m2318.542.51.231C2_m12.3310.911.895.662C2_m24.6308.312.194.862C4_m156.5147.9120.645.508C4_m253.2147124.845.231C5_m37.496.9190.729.815D1_m139.1285.9087.969D1_m2230.194.9029.2D3_m43282086.769B2_m0227.797.370.062D4_m191.5233.5071.846D4_m294.5230.5070.923

通過圖5可以看出，大部分設備利用率超過70%，小部分設備，如：A1_m、B1_m、B4_m、C5_m、D2_m的利用率在40%以下，其中最低設備利用率在B4_m2處，為1.23%。可見系統(tǒng)設備配置量需要進行優(yōu)化，以提高設備利用率。

結合表1分析可得出，該幾處設備利用率低是主要由于其工序周期短，整個生產線的生產節(jié)拍相對其工序周期較大的原因造成。而對于最低設備利用率B4_m，是由于該處設備不僅裝配周期短，而且具有兩臺可以互換的設備，在設備使用過程中優(yōu)先選用了B4_m1，造成B4_m2幾乎為空閑，因此可以停用設備B4_m2，減少資源浪費，節(jié)約運行成本，用于后期擴能使用。

4 結論

裝配是飛機制造的關鍵過程，是影響飛機生產制造周期的核心環(huán)節(jié)，利用虛擬仿真技術對飛機裝配線進行分析研究，目的是為了提高生產線運行效率，分析生產線產能情況、資源利用率，為裝配線布局、配置的優(yōu)化提供理論支持和數(shù)據(jù)參考。利用Delmia/Quest等仿真平臺對飛機裝配線進行的參數(shù)化建模分析在我國飛機裝配行業(yè)中仍處于起步階段，通過本文將Delmia/Quest仿真方法應用到飛機裝配線的產能、瓶頸、設備利用率的分析研究可以看出，虛擬仿真技術在飛機制造系統(tǒng)中還有很大的應用潛力，將為飛機制造效率的提升帶來極大的效益。