文傳奇，杜兵，張鵬

(1.上海船舶設(shè)備研究所，上海 200030；2.重慶紅江機(jī)械有限責(zé)任公司，重慶 402160)

0 前言

仿真技術(shù)是利用系統(tǒng)模型對真實(shí)或設(shè)想的系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)研究的綜合性技術(shù)，在節(jié)約經(jīng)費(fèi)、減少損失、縮短開發(fā)周期、提高產(chǎn)品質(zhì)量等方面起到了重要作用[1]。陳杰等人[2]用Plant Simulation對某柴油機(jī)缸體生產(chǎn)線進(jìn)行仿真，對瓶頸工序配置緩存區(qū)，有效提高了設(shè)備的利用率和生產(chǎn)線的生產(chǎn)率。李慧等人[3]建立了處于設(shè)計(jì)階段的某航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片生產(chǎn)線的Plant Simulation仿真模型，對生產(chǎn)線進(jìn)行優(yōu)化，節(jié)約了成本、縮短了設(shè)計(jì)周期。

《中國制造2025》中將海洋工程裝備及高技術(shù)船舶列為十大“加快突破的戰(zhàn)略必爭領(lǐng)域”之一。柴油機(jī)是其主要的推進(jìn)動(dòng)力，而作為柴油機(jī)“心臟”的燃料噴射系統(tǒng)對柴油機(jī)性能和排放有重要的影響，是柴油機(jī)的核心部件。H公司為提高產(chǎn)能和把控質(zhì)量，正規(guī)劃設(shè)計(jì)一條柴油機(jī)核心零部件的自動(dòng)生產(chǎn)線。本文作者對生產(chǎn)線方案進(jìn)行研究[4-5]，并基于Plant Simulation軟件平臺建立3D仿真模型，對生產(chǎn)線進(jìn)行仿真分析，對緩存區(qū)容量進(jìn)行配置；從產(chǎn)能、設(shè)備利用率、建設(shè)成本、后期維護(hù)等方面綜合對方案進(jìn)行評估。

1 生產(chǎn)線模型構(gòu)建

1.1 生產(chǎn)線的描述

H公司生產(chǎn)的某柴油機(jī)燃油噴射系統(tǒng)核心零部件的需求量極大、加工精度高、加工工序復(fù)雜。主要工藝為：在熱處理前采用高精度數(shù)控車床一次性加工成形，熱處理后分多次進(jìn)行磨削加工。H公司規(guī)劃設(shè)計(jì)一條生產(chǎn)該零件的自動(dòng)生產(chǎn)線，該生產(chǎn)線位于恒溫車間，擬實(shí)行全天24 h無人干預(yù)運(yùn)行模式，采用機(jī)器人進(jìn)行上下料和工序間的周轉(zhuǎn)。該生產(chǎn)線主要承擔(dān)零件熱處理后的磨削加工、退磁及清洗工序。采集并記錄現(xiàn)場的加工數(shù)據(jù)，其工藝流程及相關(guān)生產(chǎn)數(shù)據(jù)如表1所示，其中加工時(shí)間是加工一批次產(chǎn)品所用的平均時(shí)間。

表1 工藝流程及相關(guān)生產(chǎn)數(shù)據(jù)

考慮場地、經(jīng)濟(jì)性等方面，提出2種生產(chǎn)線方案。針對2種方案，分別建立Plant Simulation仿真模型，分析評估2種方案，為公司的決策提供依據(jù)。該生產(chǎn)線仿真模型主要關(guān)注3個(gè)方面：(1)月產(chǎn)量；(2)設(shè)備平均利用率；(3)在設(shè)計(jì)之初考慮到了緩存區(qū)，雖然取消緩存區(qū)將節(jié)約空間與成本，但也應(yīng)考慮取消緩存區(qū)對產(chǎn)能與設(shè)備利用率的影響。

1.2 規(guī)劃方案說明

2種方案都可看作單元式布局。方案1采用5臺固定式機(jī)器人，如圖1所示。1個(gè)機(jī)器人與周圍4個(gè)裝置可看作1個(gè)單元。首先,機(jī)器人1從上料臺取零件，在機(jī)床1、機(jī)床2上依次完成2道工序加工，將零件放置于緩存區(qū)1，之后機(jī)器人2從緩存區(qū)1取零件加工，加工完后送入后續(xù)緩存區(qū)2，依次類推，最后機(jī)器人5將加工完成的零件送入下料臺。緩存區(qū)的設(shè)置有利于單元之間零件的傳輸。

圖1 方案1示意

方案2采用2臺運(yùn)輸式機(jī)器人，如圖2所示。機(jī)器人可在固定的軌道上左右移動(dòng)，1臺機(jī)器人可服務(wù)于多臺機(jī)床。同樣以緩存區(qū)為分割，方案2可以看作由2個(gè)單元組成，機(jī)器人1從上料臺取料，運(yùn)輸零件并在機(jī)床1～機(jī)床6之間依次完成前6道工序的加工，加工完后將零件放置于緩存區(qū)；機(jī)器人2從緩存區(qū)取零件，在機(jī)床7～機(jī)床10上完成后續(xù)工序，最后將加工完成的零件送入下料臺。

圖2 方案2示意

2 仿真模型建立

2.1 Plant Simulation仿真模型

Plant Simulation是一款面向?qū)ο蟮墓S、生產(chǎn)線及物流仿真與優(yōu)化的軟件，能夠?qū)ιa(chǎn)物流、產(chǎn)能、車間布局等進(jìn)行定量驗(yàn)證與優(yōu)化，從而在方案實(shí)施前，通過仿真驗(yàn)證實(shí)施之后的效果，并可以預(yù)測未知的狀況。根據(jù)所設(shè)計(jì)的2種生產(chǎn)線方案，建立生產(chǎn)線的Plant Simulation仿真模型[6-9]，如圖3、圖4所示。在仿真模型里，機(jī)床、緩存區(qū)和機(jī)器人的布置順序與方案示意圖一致，其仿真流程嚴(yán)格按照零件的加工工序進(jìn)行?？紤]到工作空間的影響，2臺機(jī)器人之間要有足夠的距離，設(shè)備的外形尺寸見表1。建立完仿真模型后，方案1需要的場地尺寸為28 m×10 m，方案2為22 m×10 m。

圖3 方案1生產(chǎn)線的Plant Simulation模型

圖4 方案2生產(chǎn)線的Plant Simulation模型

2.2 參數(shù)設(shè)定

假設(shè)機(jī)器人總運(yùn)輸時(shí)間等于第一軸旋轉(zhuǎn)到位時(shí)間加上裝卸時(shí)間，對于移動(dòng)式機(jī)器人則還需要加上左右移動(dòng)時(shí)間。設(shè)定機(jī)器人的裝夾與卸載時(shí)間為20 s、第一軸旋轉(zhuǎn)速度為12.5 s/圈、移動(dòng)速度為1 m/s、加減速度為0.3 m/s2。仿真過程設(shè)置如下：

(1) 生產(chǎn)線24 h運(yùn)行，仿真按照720 h進(jìn)行，仿真一個(gè)月的產(chǎn)量；

(2) 上料充足，但產(chǎn)品最終合格率按95%計(jì)算，在最后的檢查工序進(jìn)行檢測，零件合格進(jìn)入下料臺，否則進(jìn)入廢料盒;

(3) 每道工序的加工時(shí)間允許有5%的浮動(dòng)；機(jī)床可利用率為95%，平均修理時(shí)間為20 min。

3 生產(chǎn)線仿真分析

離散事件具有隨機(jī)性，本文作者采用Plant Simulation中的Experiment Manager控件，設(shè)定每次試驗(yàn)10次觀察次數(shù)、95%的置信率[10-11]，通過多次試驗(yàn)計(jì)算均值得到仿真結(jié)果。

3.1 生產(chǎn)線方案的仿真與分析

首先假設(shè)零緩存，分析取消緩存區(qū)后生產(chǎn)線的產(chǎn)能與設(shè)備利用率。將2種方案的所有緩存區(qū)容量都設(shè)置為1，得到生產(chǎn)線運(yùn)行結(jié)果如表2所示，某一次仿真的機(jī)床利用率分別如圖5、圖6所示。

表2 仿真結(jié)果

圖5 優(yōu)化前方案1機(jī)床利用率

圖6 優(yōu)化前方案2機(jī)床利用率

由表2可知：方案1的月產(chǎn)量約為8 800，設(shè)備的平均利用率51.4%;方案2的月產(chǎn)量約為5 100，設(shè)備平均利用率只有30.2%。在仿真期間，1臺機(jī)床所有的時(shí)間可分為四部分，分別為故障中、已堵塞、等待中和工作中。故障中是在仿真時(shí)設(shè)置了設(shè)備的可利用率為95%，圖5、圖6中各機(jī)床略有不同，但占比大體接近5%。等待中是機(jī)器人從機(jī)床上取走零件到重新裝夾零件之間的時(shí)間差造成的，等待時(shí)間與機(jī)器人的裝夾速度成正比。工作中是機(jī)床用于加工零件的時(shí)間，方案1的部分機(jī)床利用率能達(dá)到60%，而方案2機(jī)床利用率最高不超過40%。已堵塞表示機(jī)床加工好零件后，一直等待零件被取走的時(shí)間，可以發(fā)現(xiàn)2條生產(chǎn)線都出現(xiàn)了嚴(yán)重的堵塞[12]。主要原因有：

(1)生產(chǎn)線不平衡，各道工序加工時(shí)間不同，而單元內(nèi)必須連續(xù)加工，一旦兩者加工時(shí)間相差較大，就會出現(xiàn)堵塞；從整個(gè)流水線來看，單元之間也是按照順序加工，各個(gè)單元之間的不平衡，甚至于某臺機(jī)床出現(xiàn)故障，都會導(dǎo)致整條生產(chǎn)線堵塞；

(2)無論是固定式機(jī)器人還是運(yùn)輸式機(jī)器人，等待機(jī)器人裝卸及運(yùn)輸，都會導(dǎo)致加工出現(xiàn)堵塞；經(jīng)過試驗(yàn)，將機(jī)器人的速度提高一倍，產(chǎn)量能上升2%左右，但受機(jī)器人性能的限制，以及考慮到生產(chǎn)安全因素，提高速度不可取。

3.2 生產(chǎn)線緩存區(qū)配置

顯然緩存區(qū)的存在不只是起到傳遞單元間零件的作用，還可以減少單元間的等待時(shí)間，減少堵塞時(shí)間。在某臺機(jī)床出現(xiàn)故障時(shí)，前序單元可以不受影響繼續(xù)加工，生產(chǎn)的零件放入緩存區(qū)內(nèi)。而后續(xù)單元在緩存區(qū)有零件儲存的情況下，也可以繼續(xù)生產(chǎn)，這大幅度降低了單元之間的依賴性，使生產(chǎn)線更平衡。

在實(shí)際生產(chǎn)中，應(yīng)確定每個(gè)緩沖區(qū)的容量，以便對緩存區(qū)進(jìn)行建設(shè)。由于各個(gè)單元之間的不平衡，每個(gè)緩存區(qū)所需的容量不同。因此，通過仿真為每個(gè)緩存區(qū)配置最佳的容量。考慮到實(shí)際生產(chǎn)緩存區(qū)不可能無限大，將緩存區(qū)的容量都設(shè)置為1 000，通過仿真，記錄每次試驗(yàn)時(shí)每個(gè)緩存區(qū)所使用到的最大容量，從而確定各個(gè)緩存區(qū)的最佳容量。10次仿真結(jié)果如表3所示?？紤]到隨機(jī)因素的影響，按表3中各緩存區(qū)最大值上浮20%作為每個(gè)緩存區(qū)的容量值。

表3 優(yōu)化仿真結(jié)果

由表3可知在緩存區(qū)容量充足的前提下，方案1、2的產(chǎn)能分別提升了24.9%和11.2%，優(yōu)化后設(shè)備平均利用率分別提升了24.9%和10.9%。方案1機(jī)床利用率顯著提高，方案2雖然也有明顯提升，但與方案1仍差距很大。

圖7和圖8所示為緩存區(qū)容量配置好后的1次試驗(yàn)中測得的設(shè)備利用率，方案1的部分機(jī)床的利用率達(dá)到了75%，方案2最高只有40%?？梢钥吹絻?yōu)化后由于緩存區(qū)的影響，堵塞大大減少，這是機(jī)床利用率上升的主要原因。通過以上仿真分析，可知緩存區(qū)對產(chǎn)能與設(shè)備利用率的影響很大，因此緩存區(qū)的存在是必要的。

圖7 優(yōu)化后方案1機(jī)床利用率

圖8 優(yōu)化后方案2機(jī)床利用率

3.3 生產(chǎn)線方案評估

根據(jù)仿真得到的月產(chǎn)量、設(shè)備利用率及占地面積，同時(shí)考慮現(xiàn)場建設(shè)難度、成本以及后期維護(hù)因素，對2種方案進(jìn)行綜合對比分析。對每項(xiàng)因素按1～5評分，得分高則更有優(yōu)勢，其結(jié)果如圖9所示。

圖9 方案評估分析結(jié)果

由圖9可知：方案1需要安裝更多的機(jī)器人、建設(shè)更多的緩存區(qū)，因而需要的場地、建設(shè)成本以及建設(shè)難度都大于方案2。但方案1在產(chǎn)能與設(shè)備利用率方面遠(yuǎn)優(yōu)于方案2。從后期維護(hù)來看，方案1由于其分散性，更有利于維護(hù)。綜合分析2種生產(chǎn)線方案，方案1整體性能更優(yōu)。

4 結(jié)語

本文作者為H公司規(guī)劃設(shè)計(jì)了2種生產(chǎn)線方案，并以Plant Simulation為平臺，構(gòu)建了生產(chǎn)線的3D仿真模型。通過仿真分析，得出緩存區(qū)的存在是必要的。對緩存區(qū)容量進(jìn)行配置，2種方案的產(chǎn)能及設(shè)備平均利用率都有很大提升。通過綜合分析，驗(yàn)證了方案1的整體性能更優(yōu)。