李 雯,楊春霞,王 博

(太原科技大學(xué)交通與物流學(xué)院,太原 030024)

由于生產(chǎn)線的復(fù)雜性和隨機性[1],數(shù)學(xué)解析方法無法對整個生產(chǎn)線的諸多特征進行建模,也就無法準(zhǔn)確地對生產(chǎn)線的生產(chǎn)物流進行計算與優(yōu)化。利用仿真優(yōu)化軟件[2],企業(yè)可以直觀地看到生產(chǎn)線存在的問題,挖掘企業(yè)潛在生產(chǎn)力,為今后發(fā)展提供決策方案。Flexsim作為重要的物流仿真軟件,其高效運作的特點得到廣泛應(yīng)用[3][4]。孫先富等[5]采用生產(chǎn)線仿真與優(yōu)化技術(shù),建立了應(yīng)用對象、類庫、仿真模型,進行了物流和生產(chǎn)調(diào)度仿真;陳華強等[6]研究了柔性生產(chǎn)的生產(chǎn)線優(yōu)化與仿真,利用仿真軟件,分析企業(yè)生產(chǎn)線存在的問題;王旻玥[7]采用Flexsim進行生產(chǎn)線仿真與優(yōu)化,以精益生產(chǎn)設(shè)計、生產(chǎn)線平衡、物流優(yōu)化設(shè)計為理念,對現(xiàn)有生產(chǎn)線進行分析;楊瑋,楊超群,杜雨瀟等[8]將Flexsim仿真應(yīng)用到醫(yī)療行業(yè),提高了醫(yī)療物流中心的揀貨效率;邱伊健,涂海寧[9]利用建模與仿真軟件,平衡生產(chǎn)線;尹曉峰等[10]研究了混合蟻群算法在求解車輛路徑路徑問題中的應(yīng)用。在國外,Li-Hong Chen等[11]利用Flexsim與CAD軟件,得出公路貨運站停車場、倉庫等的面積比例,從而指導(dǎo)公路貨運站的建設(shè);Zhu,R[12]等利用Flexsim軟件建立冷鏈物流配送中心模型,找出其中存在的缺陷,從而進行改善。

本文從某制造車間出發(fā),通過仿真分析生產(chǎn)線存在的“瓶頸”問題,找出影響“瓶頸”存在的因素,提出改進措施,最后證明優(yōu)化方案的可行性。

1 某制造加工車間生產(chǎn)線現(xiàn)狀分析

某制造加工車間主要生產(chǎn)鉆床主軸,主軸箱和型芯塊三種類型的產(chǎn)品,主要加工設(shè)備有:8臺車床、6臺磨床、4臺銑床以及鉆床等其他設(shè)備。根據(jù)該廠的產(chǎn)品需求量可知,每月約需要3 000件,其中鉆床主軸1 570件,主軸箱1 026件,型芯塊404件。每月按照30天計算,每天要生產(chǎn)鉆床53件,主軸箱35件,型芯塊14件。

根據(jù)零件的加工工藝以及加工的特點,該車間的布局采用流水線的布局方式。按照產(chǎn)品的工藝路線來對車間進行布局,盡可能將相鄰加工工序置于鄰近位置。物流量較大的通用設(shè)備主要布置于橫向中間通道的兩側(cè),以減少叉車搬運距離,從而減少物流時間與成本。其布局模型如圖1所示。

圖1 布局流程圖Fig.1 Layout flow chart

加工原材料主要包括五條路線,其中兩條鉆床主軸路線,一條主軸箱路線,兩條型芯塊路線。流程圖具體說明:

鉆床主軸路線一:車床-車床-車床-鉗工-銑床-銑床-貨架1;鉆床主軸路線二:車床-車床-車床-車床-磨床-磨床-磨床-磨床-磨床-磨床-切除-檢驗-貨架1.

主軸箱路線:銑床-鉗工-銑床-鏜床-鏜床-鏜床-磨床-檢驗-貨架3.

型芯塊路線一:磨床-磨床-拋光-檢驗-貨架2;型芯塊路線二:銑床-車床-鉆床-檢驗-貨架2.

2 生產(chǎn)線現(xiàn)狀分析

2.1 Flexsim仿真模型

2.1.1 布局的建立

本文以其生產(chǎn)車間實際生產(chǎn)線為依據(jù),按照生產(chǎn)線中各個設(shè)施位置,依次把與設(shè)施相對的Flexsim實體放置在布局圖的相應(yīng)位置。根據(jù)生產(chǎn)車間的工藝流程,所要建立的模型中對象主要包括:1個發(fā)生器、27個暫存區(qū),27個處理器,7個叉車,3個貨架,1個交通信號燈。

2.1.2 實體連接

產(chǎn)品工藝流程如表1所示。

根據(jù)上面對仿真模型做的假設(shè),將車間所工的零件類型設(shè)置為6種類型分別為產(chǎn)品l、產(chǎn)品2、產(chǎn)品3、產(chǎn)品4、產(chǎn)品5、產(chǎn)品6.

產(chǎn)品的到達類型為按照到達時間表方式(ArrivalSchedule),到達時間間隔為200 s,批量都為l,并選擇重復(fù)隊列(Repeat Schedule),Source將會每隔200 s便發(fā)送一次原料到達車間。

表1 產(chǎn)品工序路線Tab.1 Product process route

2.1.3 物流路徑設(shè)置

本案例中由于受到布局面積的限制,中間的通道設(shè)置為單行道。對于特定物流路段采用交通控制器實施監(jiān)控。交通控制器主要控制其監(jiān)控的物流節(jié)點間的運輸模式、運輸容量,運輸時間間隔等。同時根據(jù)監(jiān)控的物流節(jié)點,叉車選擇最佳的搬運路線。根據(jù)車間仿真需求,設(shè)置交通控制器,見圖2所示。

圖2 交通布置圖Fig.2 Traffic layout plan

2.2 仿真模型運行

參數(shù)設(shè)置后[13],將生產(chǎn)車間的對象模型導(dǎo)入Flexsim仿真模型,通過調(diào)整尺寸、位置以及角度使其適當(dāng)?shù)娘@示在局視圖的背景上。

2.3 仿真結(jié)果輸出與分析

通過對仿真結(jié)果的輸出報告分析及數(shù)據(jù)處理,將此報告各設(shè)備及暫存區(qū)數(shù)據(jù)進行排序,找到空閑時間較長的設(shè)備及產(chǎn)品積壓嚴(yán)重的暫存區(qū),通過這些來確定該車間生產(chǎn)線的設(shè)備閑置情況及生產(chǎn)瓶頸環(huán)節(jié)。以及根據(jù)仿真軟件的統(tǒng)計在100 000單位時間中發(fā)生器的總輸出數(shù)及各產(chǎn)品貨架的輸入數(shù),其比值就是整個車間在規(guī)定時間的投入產(chǎn)出率,通過對軟件的數(shù)據(jù)查詢,得知100 000單位時間發(fā)生器共輸出3 000個產(chǎn)品單位,最終鉆床主軸貨架上收到完工產(chǎn)品1 403個,型芯塊貨架收到完工產(chǎn)品681個,主軸箱貨架共收到完工產(chǎn)品369個,投入產(chǎn)出率為81.77%.

圖3 運行圖Fig.3 Operation diagram

2.3.1 暫存區(qū)產(chǎn)品積壓分析

建立仿真模型時,設(shè)置暫存區(qū)最大容量為60個單位。從模型運行后的仿真報告中獲得各實體的相關(guān)數(shù)值。從圖3運行圖中可看出,暫存區(qū)5,暫存區(qū)6、暫存區(qū)18 、暫存區(qū)20 、暫存區(qū)22-27都出現(xiàn)嚴(yán)重的積壓狀況。

2.3.2 瓶頸分析

從仿真報告以及模型運行可知,造成生產(chǎn)車間加工效率不高的原因主要是暫存區(qū)積壓問題嚴(yán)重。而這樣的積壓主要是因某些加工工藝所消耗的時間過長,造成生產(chǎn)的不平衡,這些工序便是生產(chǎn)過程中的瓶頸工序。從中可以獲得某些緩存區(qū)的輸入與輸出相差值為緩存的最大容量(600個),并且長時間處于充滿的狀態(tài)。那么與該緩存相連的后續(xù)加工工序即很有可能就是影響整條生產(chǎn)線的瓶頸工序。由此確定,處于瓶頸工序的設(shè)備的特點為:處理的零件工時較長,設(shè)備長時間的處于運行狀態(tài)。

3 生產(chǎn)線優(yōu)化方案

3.1 影響車間系統(tǒng)效率的因素分析

3.1.1 生產(chǎn)線不平衡

網(wǎng)絡(luò)布局的混合生產(chǎn)線與單一生產(chǎn)線的區(qū)別是通用設(shè)備有可能成為整個生產(chǎn)線的瓶頸,通用設(shè)備的節(jié)拍時間過長,會造成幾條生產(chǎn)線甚至整個系統(tǒng)的生產(chǎn)阻塞,最終必會導(dǎo)致生產(chǎn)系統(tǒng)效率降低。對于混合生產(chǎn)線,其生產(chǎn)線的長度、交叉復(fù)雜程度都深深的影響著整條生產(chǎn)線的生產(chǎn)平衡率,設(shè)備之間加工時間的差異會沿生產(chǎn)線向后方擴大,影響生產(chǎn)線的生產(chǎn)節(jié)拍。為了使整個車間的生產(chǎn)趨于平衡,必須弄清楚車間瓶頸工序與系統(tǒng)的節(jié)拍時間,因此對于生產(chǎn)線的生產(chǎn)節(jié)拍、設(shè)備運作時間、設(shè)備閑置時間進行分析,找出生產(chǎn)節(jié)拍的矛盾點,挖掘生產(chǎn)線潛在生產(chǎn)能力,可以提高生產(chǎn)線投入產(chǎn)出比,提高企業(yè)設(shè)備利用率與生產(chǎn)成本。

3.1.2 不合理的調(diào)度策略

發(fā)生器發(fā)出貨物的時間間隔應(yīng)當(dāng)與系統(tǒng)的節(jié)拍時間相吻合。間隔太短,則系統(tǒng)中的在制品過多,出現(xiàn)阻塞現(xiàn)象。間隔太長,大量設(shè)備處于等待狀態(tài),利用率低,影響整個生產(chǎn)系統(tǒng)的產(chǎn)量。通過對車間生產(chǎn)線的分析運作分析、仿真測試,找出相鄰設(shè)備之間的前后承接關(guān)系,當(dāng)某個設(shè)備對應(yīng)的暫存區(qū)發(fā)生了產(chǎn)品積存,即說明該設(shè)備的后續(xù)工序的生產(chǎn)效率較低、不能夠及時的完成上游設(shè)備傳遞過來的產(chǎn)品加工任務(wù)。并且利用仿真,可以發(fā)現(xiàn)上下游設(shè)備的對應(yīng)關(guān)系,如果某一設(shè)備對應(yīng)多個同型號設(shè)備時,應(yīng)采用柔性的調(diào)度策略,盡可能的平衡這多個同型號設(shè)備的生產(chǎn)節(jié)奏與任務(wù)量。

3.1.3 缺乏搬運工具

目前該車間有7臺叉車進行遠距離的產(chǎn)品搬運,生產(chǎn)物流效率較低。根據(jù)搬運工具的搬運能力,以及整個系統(tǒng)的搬運需求設(shè)計合理的搬運方式,選擇適當(dāng)?shù)陌徇\工具數(shù)量。當(dāng)下游設(shè)備的工作效率與其上游設(shè)備的工作效率相同或相近時,該生產(chǎn)線局部就處于平衡狀態(tài),通過增加搬運設(shè)備,加快產(chǎn)品在上下游生產(chǎn)設(shè)備之間的物流速度,就成為了提高生產(chǎn)線效率所要重點關(guān)注的內(nèi)容之一了,除了增加搬運設(shè)備數(shù)量外,還可以通過對整個車間布局的分析,建設(shè)自動化的AGV小車或傳送帶來加快產(chǎn)品在設(shè)備之間的物流運輸、分揀速度。進而提高車間運作效率。

3.2 主要改善措施

3.2.1 增加加工設(shè)備

根據(jù)對車間生產(chǎn)線的分析與仿真,發(fā)現(xiàn)加工設(shè)備的節(jié)拍時間較長,例如進行粗銑頂面的銑床加工需要230 s,進行鉆孔的鉆床加工需要280 s,前后加工工序節(jié)拍不一致,造成暫存區(qū)堆積嚴(yán)重,加工效率低下。因此在該車間中分別增加切除設(shè)備、拋光設(shè)備、銑床、檢驗設(shè)備各一臺,鉆床兩臺。

3.2.2 采用柔性的生產(chǎn)調(diào)度

通過仿真,可以清晰的看到不同產(chǎn)品的工序路線,發(fā)現(xiàn)不同產(chǎn)品之間的或者是同類產(chǎn)品之間的工序混亂,且沒有對加工設(shè)備進行合理調(diào)配。例如:臨時實體臨時實體5的加工工序是從銑床2到車床7,沒有對車床4、5、6進行充分利用,因此,在以下改善過程中,對臨時實體5的加工工序進行調(diào)整,促使車間的資源能夠得到有效利用。

3.2.3 增加搬運設(shè)備

增加X搬運設(shè)備,分別在不同工序之間或者是較遠距離之間增加叉車,以提高生產(chǎn)效率。

3.3 改善后仿真結(jié)果分析

3.3.1 改善后的仿真模型

圖4 改善后的模型Fig.4 Improved model

改善后的模型特點:

(1)增加切除拋光設(shè)備1臺,鉆床2臺,鏜床1臺,檢驗設(shè)備1臺,由于增加加工設(shè)備的目的是為了提高工作效率,所以,將原有的切除拋光設(shè)備的加工時間由原來的165 s改為82.5 s,工作效率提高兩倍;鉆床1的加工時間由原來的280 s改為93 s,工作效率提高三倍;鏜床2的加工時間由原來的240 s改為120 s,工作效率提高兩倍。通過增加設(shè)備,解決了暫存區(qū)18、20的堆積情況。

通過在磨床1和磨床2之間增加一個暫存區(qū),即暫存區(qū),解決了暫存區(qū)22、23、27的堆積情況。

(2)改變生產(chǎn)線。原有的臨時實體5的生產(chǎn)工序為:銑床1—銑床2—車床7—鉆床1—檢驗設(shè)備2.改善后的生產(chǎn)工序為:銑床1—銑床2—車床4-7—鉆床1—檢驗設(shè)備3.由原來的一個車床加工臨時實體5改為以優(yōu)先級順序(即當(dāng)車床4-6不加工臨時實體1時,空閑的車床可以加工臨時實體5),由車床4-7加工臨時實體5.通過改變生產(chǎn)工序,解決了暫存區(qū)6、10、11的堆積情況。

(3)增加運輸設(shè)備。根據(jù)案例中的要求:相鄰工序之間使用人工搬運,不相鄰的工序之間或者是運輸距離較遠的使用叉車搬運,因此在暫存區(qū)32到暫存區(qū)7之間增加一臺叉車6,在暫存區(qū)31到磨床3之間也增加一臺叉車7.

3.3.2 改善后的模型仿真輸出與分析

同樣的,根據(jù)之前的數(shù)據(jù)統(tǒng)計步驟,通過對仿真數(shù)據(jù)的的分析可知,最終鉆床主軸貨架上收到完工產(chǎn)品由原來的1 403個增加到1 510個,型芯塊貨架收到完工產(chǎn)品由原來的681個增加到986個,主軸箱貨架共收到完工產(chǎn)品由原來的369個增加到371個,投入產(chǎn)出率由原來的81.77%增加到95.6%.工作效率提高了13.83%.對比如圖5,6所示。

圖6 改進前后投入產(chǎn)出率Fig.6 Input-output ratio before and after improvement

4 結(jié)論

本文研究工作主要是從整個物流系統(tǒng)出發(fā),尋找各子系統(tǒng)之間的聯(lián)系,將系統(tǒng)仿真軟件應(yīng)用到各子系統(tǒng)優(yōu)化中,提出三種改善對策:增加加工設(shè)備、采用柔性的生產(chǎn)調(diào)度、增加搬運工具。在運行圖以及數(shù)據(jù)分析圖中,可清晰的看到:暫存區(qū)的堆積情況得到明顯改善,工作效率提高了13.83%.從而保證制造生產(chǎn)平穩(wěn)發(fā)展,培育新的經(jīng)濟增長點，實現(xiàn)改善各制造環(huán)節(jié),降低作業(yè)成本的目標(biāo)。為以后研究制造車間生產(chǎn)線的優(yōu)化問題提供一個參考。