基于ProModel的連桿生產(chǎn)線構(gòu)建與仿真*

何自璋，朱永國(guó)，2，孫士平

（1.南昌航空大學(xué)　航空制造工程學(xué)院，南昌 330063；2.江西洪都航空工業(yè)集團(tuán)有限公司，南昌330024）

基于ProModel的連桿生產(chǎn)線構(gòu)建與仿真*

何自璋1，朱永國(guó)1，2，孫士平1

（1.南昌航空大學(xué)航空制造工程學(xué)院，南昌 330063；2.江西洪都航空工業(yè)集團(tuán)有限公司，南昌330024）

連桿是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的重要組成部分，因此連桿生產(chǎn)效率的高低將直接影響到汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的生產(chǎn)量。文章以連桿生產(chǎn)線為研究對(duì)象，結(jié)合ProModel軟件構(gòu)建的連桿生產(chǎn)線仿真模型和利用數(shù)值模擬方法對(duì)工廠的實(shí)際生產(chǎn)狀況進(jìn)行了仿真分析，得到了連桿生產(chǎn)過程中的力能參數(shù)，并以仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果為依據(jù)，對(duì)生產(chǎn)過程中的各工位及生產(chǎn)設(shè)備的使用率進(jìn)行了研究，找出了連桿在生產(chǎn)過程中所遇到的瓶頸，針對(duì)該瓶頸問題，制定了相應(yīng)的連桿生產(chǎn)線優(yōu)化方案，從而進(jìn)一步提高了連桿的生產(chǎn)效率。

連桿生產(chǎn)線；仿真；ProModel

0　引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，許多工廠的生產(chǎn)線日益增多而且變得越來(lái)越復(fù)雜，這就給生產(chǎn)帶來(lái)了許多的問題，如，因?yàn)樯a(chǎn)車間的車間布局復(fù)雜，使得車間的物品運(yùn)輸經(jīng)常發(fā)生堵塞，設(shè)備利用率下降，資源得不到充分的利用，從而導(dǎo)致車間的生產(chǎn)效率嚴(yán)重下降，而作為汽車發(fā)動(dòng)機(jī)重要組成部分的連桿，其生產(chǎn)也遇到了同樣的問題，因此，為了能夠提高連桿的生產(chǎn)效率，給企業(yè)節(jié)約生產(chǎn)成本，需要對(duì)整個(gè)連桿生產(chǎn)線系統(tǒng)的性能進(jìn)行分析和優(yōu)化改進(jìn)，只有這樣才能為企業(yè)創(chuàng)造出更大的利益。為了更好的解決生產(chǎn)中遇到的類似問題，S.G.Lee等運(yùn)用Arena軟件對(duì)于自動(dòng)庫(kù)存補(bǔ)貨系統(tǒng)進(jìn)行了仿真，以使得在巷道狹窄的倉(cāng)庫(kù)可以盡量減少搬運(yùn)工具，提高物流效率［1］。Henk de Swaan Arons等運(yùn)用離散事件仿真模型，將模型存入特定數(shù)據(jù)庫(kù)中，在Arena模擬軟件中研究了庫(kù)存補(bǔ)貨戰(zhàn)略［2］。昆明理工大學(xué)的詹躍東、駱瑛基于Petri網(wǎng)理論對(duì)煙草行業(yè)的卷接包車間的AGVS進(jìn)行了分析，并對(duì)該系統(tǒng)構(gòu)造了一Petri網(wǎng)模型，并進(jìn)行了仿真研究［3］。安徽工業(yè)大學(xué)的李明河、魯蔚鋒提出了一種基于Petri網(wǎng)的生產(chǎn)車間物料運(yùn)輸系統(tǒng)Petri網(wǎng)模型，可以將該系統(tǒng)的物理過程通過網(wǎng)系統(tǒng)形象地表示出來(lái)，并反映出系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。同時(shí)用ARENA仿真軟件對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了模型仿真研究［4］。王英凱，安曉東進(jìn)行了基于遺傳算法的物流建模與仿真分析［5］。他們?cè)趯?duì)傳統(tǒng)算法討論的基礎(chǔ)上提出了一種基于遺傳算法的物流配送最佳路徑選擇建模方法，并應(yīng)用實(shí)例進(jìn)行了仿真分析。鄭順?biāo)岢隽嘶谏a(chǎn)線仿真與優(yōu)化技術(shù)，建立了應(yīng)用對(duì)象、類庫(kù)、仿真模型，進(jìn)行了物流和生產(chǎn)調(diào)度仿真，對(duì)瓶頸設(shè)備與故障進(jìn)行了分析及生產(chǎn)線能力評(píng)估，為生產(chǎn)線規(guī)劃與生產(chǎn)調(diào)度計(jì)劃的制定提供了可靠的科學(xué)依據(jù)［6］。

本文主要是運(yùn)用專業(yè)的優(yōu)化仿真軟件-ProMode構(gòu)建連桿生產(chǎn)線仿真模型，通過離散事件系統(tǒng)仿真方法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果為依據(jù)，分析各工位和生產(chǎn)設(shè)備的利用率，找出連桿在生產(chǎn)過程中遇到的瓶頸，并針對(duì)該瓶頸問題，對(duì)連桿生產(chǎn)線進(jìn)行了相應(yīng)的改進(jìn)，從而進(jìn)一步提高了連桿生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率。

1　離散事件系統(tǒng)仿真流程

根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)是否隨時(shí)間連續(xù)變化，可以將系統(tǒng)仿真劃分為連續(xù)系統(tǒng)仿真和離散生產(chǎn)系統(tǒng)仿真，基于ProModel軟件的連桿生產(chǎn)線仿真研究屬于離散系統(tǒng)仿真的范疇。就經(jīng)常接觸的離散系統(tǒng)，其仿真流程一般可以歸結(jié)為系統(tǒng)調(diào)研、仿真目標(biāo)確立、收集數(shù)據(jù)、系統(tǒng)模型建立、仿真模型運(yùn)行、仿真結(jié)果分析、仿真結(jié)果輸出以及優(yōu)化方案的比較。離散系統(tǒng)仿真流程圖如圖1所示。

圖1　離散系統(tǒng)仿真流程圖

2　連桿生產(chǎn)線的組成及功能分析

連桿是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的重要組成部分。本例中的研究對(duì)象連桿生產(chǎn)線主要是由數(shù)控機(jī)床、一臺(tái)鉆床、一臺(tái)磨床及兩個(gè)工作臺(tái)等設(shè)備組成。此外，還包括一臺(tái)自動(dòng)測(cè)量?jī)x，一個(gè)檢驗(yàn)臺(tái)和成品測(cè)量?jī)x等，而這些設(shè)備主要是用來(lái)完成連桿制造質(zhì)量檢測(cè)和控制的。連桿生產(chǎn)線的工位及設(shè)備構(gòu)成如圖2所示。

圖2　連桿生產(chǎn)線的工位及設(shè)備構(gòu)成

由圖2可以看出，此連桿生產(chǎn)線是按加工的先后順序進(jìn)行生產(chǎn)的，各工位和設(shè)備之間存在著串聯(lián)的關(guān)系，這是屬于比較傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式，當(dāng)某個(gè)工位的加工速率較低或是工件到達(dá)的速率大于工位的加工速率時(shí)，工件就會(huì)出現(xiàn)排隊(duì)現(xiàn)象，很顯然，排隊(duì)的隊(duì)列越長(zhǎng)，加工工件等待的時(shí)間就越長(zhǎng)，這就造成了其他工位和設(shè)備出現(xiàn)了空閑狀態(tài)，從而導(dǎo)致工位和生產(chǎn)設(shè)備的利用率降低，使得生產(chǎn)線的效率下降。因此為了盡量減少工件的排隊(duì)等待現(xiàn)象、提高生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率，可以適當(dāng)調(diào)整各加工工位及其生產(chǎn)設(shè)備的性能參數(shù)，使各工位的節(jié)拍相近甚至是相同。另外還可以增加瓶頸工位設(shè)備的數(shù)量，形成功能相同的并行加工工位。

但是也不能盲目的調(diào)整各工位及其設(shè)備的性能參數(shù)或增加設(shè)備數(shù)量，因?yàn)檫@樣做不僅會(huì)增加生產(chǎn)成本、造成生產(chǎn)設(shè)備閑置，還會(huì)形成新的瓶頸工位。所以要想很好的解決這類問題，可以通過仿真找到連桿生產(chǎn)線的最合理配置，從而達(dá)到提高生產(chǎn)效率的目的。

3　構(gòu)建連桿生產(chǎn)線的仿真模型

本生產(chǎn)線生產(chǎn)的5種不同型號(hào)的連桿分別是：Pw6k、Pw4k112、Pw4k100、Pw4k94和Pw2000，在Pro-Model仿真模型中，分別用5種不同的實(shí)體代表上述5種不同型號(hào)的連桿。

現(xiàn)用ProModel軟件對(duì)連桿生產(chǎn)線進(jìn)行建模，建模過程如下：

（1）Locations是模型中活動(dòng)發(fā)生的地方，是仿真系統(tǒng)中承載東西的場(chǎng)所?？捎糜诩庸?shí)體，儲(chǔ)存物品，提供服務(wù)，Locations一般包括存貨的貨架，材料加工的機(jī)床，接收材料的碼頭，傳送貨物的傳輸帶，在下游“Location”中等待被加工物件的隊(duì)列等等。本系統(tǒng)中設(shè)置的工位有兩類：一類是圖2所示的12個(gè)加工和檢測(cè)工位；另一類是等待工位，由于各生產(chǎn)加工工位的節(jié)拍不是很一致，因此在某些工位之前或工位之后會(huì)設(shè)立一些緩沖區(qū)（如圖3中的3個(gè)托盤），用以臨時(shí)存放待加工工件，直到下一個(gè)加工工位可用。在ProModel仿真模型中，用15個(gè)位置（locations）表示15個(gè)工位。

（2）Entities是模型中加工的對(duì)象，也是一個(gè)模型的基本元素。例如零件，原材料，文書工作，訂單，顧客和其他一些在系統(tǒng)中流動(dòng)的東西。本系統(tǒng)中設(shè)置的主要是連桿。

（3）PathNetworks的主要作用是設(shè)置被加工零件在各工位被搬運(yùn)的運(yùn)行路線，也是資源的運(yùn)行路線，每條路線節(jié)點(diǎn)需要連接到對(duì)應(yīng)的工位才有效。本系統(tǒng)中每類工位間設(shè)置一條路線，共14條。

（4）Resources相當(dāng)于現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)當(dāng)中的叉車，員工等，主要是作為搬運(yùn)被加工零件的載體。本系統(tǒng)中設(shè)置了4位員工，分別設(shè)置在數(shù)控機(jī)床、數(shù)控車床、鉆床和檢驗(yàn)儀的位置上。

（5）Arrivals可以設(shè)置零件到達(dá)該系統(tǒng)的規(guī)律。“Arrivals”定義了“Entity”是怎樣進(jìn)入模型的。假定本系統(tǒng)的待加工零件不缺貨，其到達(dá)規(guī)律為每分鐘到達(dá)“毛坯”一個(gè)。

（6）Processing是用來(lái)描述在位置上對(duì)實(shí)體進(jìn)行的一種操作，也是建模過程中較為復(fù)雜的部分，因?yàn)檫@個(gè)過程需要對(duì)部分的編程語(yǔ)言進(jìn)行設(shè)置。Processing表是模型的命令和控制中心。正是Processing定義了Entities在模型運(yùn)轉(zhuǎn)過程中發(fā)生什么，它決定了模型中的事情怎樣發(fā)生。

制造系統(tǒng)是動(dòng)態(tài)的加工系統(tǒng)，加工對(duì)象需要在不同的加工工位之間流動(dòng)。因此在連桿生產(chǎn)線的仿真模型中，設(shè)置了4個(gè)搬運(yùn)工人，其中，工人1負(fù)責(zé)工件在物料傳送帶、檢驗(yàn)臺(tái)、數(shù)控機(jī)床、自動(dòng)測(cè)量?jī)x和托盤1的操作；工人2負(fù)責(zé)工件在數(shù)控車床和托盤2的操作；工人3負(fù)責(zé)工件在鉆床和托盤3的操作；工人4負(fù)責(zé)工件在磨床、工作臺(tái)1、檢驗(yàn)儀、工作臺(tái)2、成品測(cè)量?jī)x和成品區(qū)的操作。

建模完成后的連桿生產(chǎn)線仿真模型如圖3所示。

圖3　連桿生產(chǎn)線仿真模型

4　仿真結(jié)果分析及系統(tǒng)優(yōu)化

對(duì)于連桿生產(chǎn)線而言，研究的目的主要是通過仿真結(jié)果來(lái)分析此生產(chǎn)線資源配置的合理情況、各生產(chǎn)階段生產(chǎn)設(shè)備使用率情況，連桿生產(chǎn)線系統(tǒng)的擁擠情況，還有就是找到該生產(chǎn)線的瓶頸工位以及評(píng)價(jià)生產(chǎn)線的性能。通過運(yùn)行圖3的連桿生產(chǎn)線仿真模型，得出加工實(shí)體的性能指標(biāo)如表1所示，各工位的性能指標(biāo)如表2所示。

表1　加工實(shí)體的性能指標(biāo)

表2　各個(gè)工位的性能指標(biāo)

4.1仿真結(jié)果分析

由表1可知，5種連桿在生產(chǎn)線中所占的時(shí)間最少的是加工這塊，只占零件在生產(chǎn)線中總時(shí)間的4.36%到9.41%，而處于堵塞和等待的狀態(tài)達(dá)到了90%以上，最高的是加工Pw2000這種型號(hào)的連桿，堵塞和等待這兩種狀態(tài)的總時(shí)間竟高達(dá)95.42%。

由表2可知，檢驗(yàn)臺(tái)、數(shù)控機(jī)床、數(shù)控車床、自動(dòng)測(cè)量?jī)x等工位處堵塞現(xiàn)象嚴(yán)重，堵塞率從31.88%到71.14%；而且除了2臺(tái)數(shù)控機(jī)床外，其余的工位空閑率都很高，由此可知設(shè)備處于加工狀態(tài)的比率非常低，造成了嚴(yán)重的資源浪費(fèi)，通過以上數(shù)據(jù)可以初步斷定：待加工連桿在生產(chǎn)線中的大部分時(shí)間都處于等待或是堵塞狀態(tài)，生產(chǎn)線中各工位的利用率很低，從而導(dǎo)致生產(chǎn)線的效率嚴(yán)重低下。

4.2優(yōu)化改進(jìn)及仿真結(jié)果

為了消除生產(chǎn)系統(tǒng)的瓶頸、提高生產(chǎn)系統(tǒng)的效率，可適當(dāng)增加平行工位和資源，（改進(jìn)后的連桿生產(chǎn)線仿真模型如圖4所示）然后再次運(yùn)行仿真模型，得到各加工實(shí)體的狀態(tài)指標(biāo)如表3所示。

圖4　改進(jìn)后的連桿生產(chǎn)線仿真模型

表3　增加平行工位和資源后加工實(shí)體的性能指標(biāo)

通過表3的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與表1的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，可以很明顯的看出，在連桿生產(chǎn)線瓶頸位置增加了平行工位和資源之后，連桿加工狀態(tài)的比率大幅度提升，而處于等待狀態(tài)的比率則是大幅度下降（如圖5所示），由此可知，在調(diào)整了系統(tǒng)設(shè)置后，連桿生產(chǎn)線的性能得到了很大的改善，大大的提高了生產(chǎn)效率。但同樣我們也看到了，雖然生產(chǎn)線的效率得到了改善，但工件在系統(tǒng)中的堵塞率并沒有發(fā)生太大的變化。其原因就在于工件到達(dá)模式不合理，進(jìn)入系統(tǒng)的節(jié)拍與各工位的生產(chǎn)節(jié)拍不一致。因此為了盡量降低系統(tǒng)中的堵塞率，對(duì)工件的到達(dá)模式進(jìn)行了適當(dāng)調(diào)整，再次運(yùn)行仿真模型，可得到表4所示的實(shí)體性能指標(biāo)。

表4　調(diào)整工件到達(dá)模式后加工實(shí)體的性能指標(biāo)

由表4可以看出，經(jīng)過調(diào)整工件到達(dá)模式后，工件的堵塞現(xiàn)象有所改善（如圖6所示），但是并沒有完全消除。這可能是由于在系統(tǒng)仿真中設(shè)置了工位的隨機(jī)故障以及工人班次中休息時(shí)間等原因?qū)е碌墓ぜ氯?，可以進(jìn)一步加以完善和優(yōu)化處理，使其堵塞時(shí)間盡量減小。

圖5　改進(jìn)前后的等待時(shí)間與總時(shí)間比值比較

圖6　改進(jìn)前后的堵塞時(shí)間與總時(shí)間比值比較

5　結(jié)論

（1）研究結(jié)果說(shuō)明了按加工的先后順序進(jìn)行生產(chǎn)的傳統(tǒng)連桿生產(chǎn)線中的工位與設(shè)備之間的布局不合理，從而導(dǎo)致工位和設(shè)備的使用率下降，以至于連桿生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率不高。由此可知，工位與設(shè)備之間的合理布局可以提高連桿生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率。

（2）本文運(yùn)用ProModel軟件構(gòu)建的連桿生產(chǎn)線系統(tǒng)仿真模型，經(jīng)過確認(rèn)驗(yàn)證，符合實(shí)際的生產(chǎn)系統(tǒng)，因此可以作為各種生產(chǎn)狀況的仿真實(shí)驗(yàn)工具，用來(lái)分析各項(xiàng)績(jī)效指標(biāo)。

（3）可以通過模擬仿真求出客戶訂單需求的循環(huán)時(shí)間，并預(yù)測(cè)訂單生產(chǎn)的完成時(shí)間，為企業(yè)接單安排與答復(fù)客戶交期提供了良好的依據(jù)。

（4）本文的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)是運(yùn)用了ProModel仿真軟件構(gòu)建了連桿生產(chǎn)線系統(tǒng)整個(gè)流程的仿真模型，通過運(yùn)行仿真模型，可以隨時(shí)看出各生產(chǎn)階段生產(chǎn)設(shè)備使用率，資源配置的合理情況，系統(tǒng)的擁擠情況。還可以很快找出生產(chǎn)系統(tǒng)中的瓶頸位置，針對(duì)該瓶頸問題，對(duì)原仿真模型進(jìn)行了一定的優(yōu)化，然后再次運(yùn)行，結(jié)果表明，連桿生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率的確有了很大的提高。

（5）本文研究的領(lǐng)域內(nèi)還存在很多尚待解決的問題：如，在模擬研究中未對(duì)員工休息、輪班、最優(yōu)批量等在實(shí)際中經(jīng)常需要考慮的因素進(jìn)行模擬；沒有考慮作業(yè)的生產(chǎn)、運(yùn)輸?shù)某杀镜葐栴}。

［1］S.G.Lee，R.de souza，E.K.Ong.Simulation modeling of a narrow aisle automated storage and retrieval system（AS/RS）serviced by rail-guided vehicles［J］.Computers in Industry，2000（30）：241-253.

［2］Henk de Swaan Arons，Csaba Attila Boer.Storage and retrieval of discrete-event simulation models［J］.Simulation Practice and Theory，2001（8）：555-576.

［3］詹躍東，駱瑛.基于Petri網(wǎng)的物流自動(dòng)化系統(tǒng)建模與仿真研究［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2001，13（24）：501-504.

［4］李明河，魯蔚鋒.基于Petri網(wǎng)的生產(chǎn)車間物料運(yùn)輸系統(tǒng)建模與仿真［J］.安徽工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，21（1）：45-48.

［5］王英凱，安曉東.基于遺傳算法的物流建模與仿真分析［J］.中北大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，26（6）：421-423.

［6］鄭順?biāo)?生產(chǎn)線仿真技術(shù)研究［J］.先進(jìn)制造技術(shù)，2004，23（4）：22-23.

［7］姚雨良，趙飛，張東升.基于球桿儀的空間誤差測(cè)量分析方法研究［J］.組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2011（8）：72-75.

［8］滕福林，李宏勝，溫秀蘭，等.數(shù)控機(jī)床輪廓誤差的插補(bǔ)預(yù)測(cè)補(bǔ)償控制研究［J］.組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2012（1）：47-50.

［9］唐娟，劉志，費(fèi)志敏.制造車間瓶頸漂移因素貢獻(xiàn)度的數(shù)字化描述方法［J］.組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2012（9）：68-7.

（編輯 趙蓉）

Building and Simulation Research on Production Line of Connecting Rod Based on ProModel

HE Zi-zhang1，ZHU Yong-guo1，2，SUN Shi-ping1
（1.School of Aeronautical Manufacturing Engineering，Nanchang Hangkong University，Nanchang 330063，China；2.Jiangxi Hongdu Aviation Industry Group Corporation Linited，Nanchang 330024，China）

The connecting rod is a vital part of the car engine，so its productivity can makes a direct impact on the production output of engine.This paper analyzed the production lines of connecting rod，and in order to get the mechanical parameters of the connecting rod production，the simulation model of assembly lines that built on ProModel and numerical simulation method were combined to make a credible simulation for the real implement status.Based on the simulation results，the efficiency of each workstation and equipment was researched，and the bottlenecks of the production were revealed.To solve the bottlenecks，an optimization for the assembly lines was established，which can further improving the production efficiency.

the production line of connecting rods；simulation；ProModel

TH162；TG65

A

1001-2265（2015）02-0138-04 DOI：10.13462/j.cnki.mmtamt.2015.02.039

2014-06-03；

2014-08-15

國(guó)家自然科學(xué)基金（AA201306202）

何自璋（1989—），男，江西上饒人，南昌航空大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)橹圃鞓I(yè)信息化、系統(tǒng)仿真，（E-mail）hezizhang_0791@126. com。