某企業(yè)磁極鐵芯生產(chǎn)線仿真優(yōu)化

王俊元，曾志強(qiáng)，王 媛，齊明思

(中北大學(xué) 機(jī)械與動力工程學(xué)院，太原 030051)

0 引言

低投入獲得高產(chǎn)出、高效率的生產(chǎn)管理方式，最大限度地降低生產(chǎn)中所占用的資源及企業(yè)。制造型企業(yè)首要工作為提高生產(chǎn)效率和生產(chǎn)效益，優(yōu)化車間生產(chǎn)線是關(guān)鍵。某企業(yè)正處在重要的戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型之際，迫在眉睫的問題是如何快速生產(chǎn)出高品質(zhì)的電機(jī)產(chǎn)品。本文選取電機(jī)機(jī)構(gòu)的重要零部件——磁極鐵芯生產(chǎn)線優(yōu)化研究，保證車間生產(chǎn)線的平衡和生產(chǎn)物流暢通，為企業(yè)優(yōu)化生產(chǎn)提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支持。

石宇強(qiáng)提出將達(dá)寶易軟件與Flexsim相結(jié)合使用優(yōu)化生產(chǎn)線，分析了工作流程、作業(yè)時間和產(chǎn)能[1]；胡錦峰提出用Petri網(wǎng)建模和Flexsim仿真分析生產(chǎn)作業(yè)流程中出現(xiàn)的瓶頸[2]；邱伊健等人運(yùn)用Flexsim建立汽車后橋生產(chǎn)線的仿真模型，再使用遺傳算法設(shè)置優(yōu)化目標(biāo)，優(yōu)化生產(chǎn)線[3]；張惠等人提出采用系統(tǒng)布置設(shè)計SLP法和Flexsim相結(jié)合，找到最佳的設(shè)施布置方案[4]；沈斌等人通過運(yùn)用IE技術(shù)分析某企業(yè)閥體加工流水線進(jìn)行，再利用Flexsim驗證實(shí)際效果，提出了新工藝和布局方案[5]。Hongxia CHEN等人提出3條單生產(chǎn)線重組混合生產(chǎn)線，F(xiàn)lexsim找出瓶頸工序，優(yōu)化后實(shí)現(xiàn)了高效混流生產(chǎn)，達(dá)到產(chǎn)品多樣化和個性化[6]；Jianliang Peng針對生產(chǎn)線最優(yōu)資源配置仿真優(yōu)化，F(xiàn)lexsim將當(dāng)前生產(chǎn)的瓶頸結(jié)合輸出作為評估標(biāo)準(zhǔn)，仿真分析后為系統(tǒng)資源優(yōu)化提供了重要依據(jù)[7]；Aneta Konczaka, Jerzy Paslawskib探索了MicroCyclone，F(xiàn)lexsim和AnyLogic三個仿真軟件，分別對生產(chǎn)計劃過程中找出問題，模擬生產(chǎn)過程，改變組合構(gòu)成，從而提高生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率[8]?？梢姡現(xiàn)lexsim的應(yīng)用主要集中在制造業(yè)和物流業(yè)，尤其是在車間布局與流程優(yōu)化方面，優(yōu)化效果顯著有效。Flexsim仿真軟件一般不單獨(dú)使用，前期可使用Petri網(wǎng)、SLP法等多種方法進(jìn)行模型建立，F(xiàn)lexsim對模型仿真找出瓶頸工序，實(shí)際上，F(xiàn)lexsim仿真優(yōu)化的同時結(jié)合多種理論，可較好得出具有價值的優(yōu)化方案。

本文所研究的磁極鐵芯是電機(jī)機(jī)構(gòu)的重要零部件，結(jié)合使用Petri網(wǎng)、Flexsim和工業(yè)工程中的ECRSI原則對生產(chǎn)線優(yōu)化分析，找出最優(yōu)方案，保證車間生產(chǎn)線的平衡，合理安排人員，妥善規(guī)劃機(jī)器設(shè)備和布局，保證生產(chǎn)物流暢通，為企業(yè)優(yōu)化生產(chǎn)提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支持在眾多文獻(xiàn)中，使用Flexsim建立仿真模型的目的大多都是為了找出生產(chǎn)瓶頸，并沒有對瓶頸進(jìn)行深入分析；在對生產(chǎn)作業(yè)系統(tǒng)瓶頸的消除方法上，只是在以往經(jīng)驗或簡單分析的基礎(chǔ)上，提出幾種可行性方案。本文則是基于以上文獻(xiàn)分析研究后，結(jié)合使用Petri網(wǎng)、Flexsim和工業(yè)工程中的ECRSI原則對生產(chǎn)線優(yōu)化分析，對找出的瓶頸工序繼續(xù)深入研究優(yōu)化，結(jié)合生產(chǎn)線平衡理論找出最優(yōu)方案，保證車間生產(chǎn)線的平衡，為企業(yè)優(yōu)化生產(chǎn)提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支持。

1 磁極鐵芯生產(chǎn)線現(xiàn)狀分析

結(jié)合該零部件生產(chǎn)線實(shí)際情況，通過工業(yè)工程理論分析研究后，將影響車間生產(chǎn)作業(yè)的原因主要總結(jié)為車間現(xiàn)場布局不太合理(如料箱、料架的擺放不合理，操作員拿取工具都需要來回走動，嚴(yán)重影響了操作員的走動路線和作業(yè)動作，增加了做無用功的時間)、現(xiàn)場管理不完善(如扳手、防護(hù)用具亂擺亂放現(xiàn)象隨處可見)、人員作業(yè)不規(guī)范且主觀能動性差(如員工在現(xiàn)實(shí)作業(yè)時沒有科學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)要求，部分操作的規(guī)范不清晰)三方面，將分析結(jié)果作為生產(chǎn)線優(yōu)化的現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)。

該企業(yè)堅持市場需求為導(dǎo)向，自主創(chuàng)新研發(fā)出了高效節(jié)能產(chǎn)品——高效高壓同步電機(jī)，已經(jīng)列為重大自主創(chuàng)新項目。所研究的電機(jī)零部件磁極鐵芯年產(chǎn)量是8400件，該車間每周工作6天，每天工作16h(兩班制、每班8h)，每年工作300天。由于該企業(yè)分公司一般情況下，每班都是按照一定產(chǎn)品比例進(jìn)行批量生產(chǎn)。該零部件加工工序圖如圖1所示。該生產(chǎn)線加工生產(chǎn)流程如圖2所示。表1為該生產(chǎn)線工藝流程卡。

圖1 磁極鐵芯生產(chǎn)工序圖

圖2 磁極鐵芯生產(chǎn)具體流程圖

工序號工序 工步內(nèi)容機(jī)器設(shè)備人員工序工時/s1粗車裝夾，找正零件，齊平端面，粗車外圓(1)，粗車內(nèi)孔，調(diào)頭，齊平端面，粗車外圓(2)臥式車床22612精車裝夾，找正零件，齊平端面，精車內(nèi)孔，調(diào)頭，齊平端面臥式車床22073鉆銑裝夾，找正零件，銑磁鋼槽，鉆孔，沉孔，銑零件外形，銑槽龍門銑27264線切割線切成鍵槽線切割機(jī)床11505打磨毛刺倒角打磨毛刺、倒角/134．86打磨磁鋼槽打磨磁鋼槽/140．27交驗栓標(biāo)牌，交驗/110．8

2 磁極鐵芯生產(chǎn)線建模與仿真

2.1 Petri網(wǎng)理論

Petri網(wǎng)用來描述事件和條件關(guān)系的網(wǎng)絡(luò)圖，直觀呈現(xiàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，表示內(nèi)部并行、同步、沖突等關(guān)系，直觀模擬生產(chǎn)系統(tǒng)，研究系統(tǒng)內(nèi)部性質(zhì)[9]。

Petri網(wǎng)的簡易模型見圖3所示。位置用圓表示，轉(zhuǎn)換用粗實(shí)線段表示，位置中所包含的托肯(Token)是某一位置或工作的局部狀態(tài)，用實(shí)心圓點(diǎn)表示，圓點(diǎn)數(shù)目為托肯數(shù)，無圓點(diǎn)的位置表示該部分工作還未開始，托肯在所有位置中的分布情況為模型的整體狀態(tài)，將其稱為Petri網(wǎng)標(biāo)識[10]。

圖3 Petri網(wǎng)模型實(shí)例

2.2 Petri網(wǎng)模型建立

為了建模方便，提出兩個假設(shè)條件：該生產(chǎn)線的所有設(shè)備和機(jī)器均能正常工作，工作期間不出現(xiàn)故障；設(shè)備與零件不發(fā)生損壞。圖4為磁極鐵芯生產(chǎn)線Petri網(wǎng)模型。

圖4 磁極鐵芯生產(chǎn)線Petri網(wǎng)模型

其中，庫所p代表各機(jī)器設(shè)備的狀態(tài)；變遷t代表全部工序；用箭頭將機(jī)器狀態(tài)與加工工序聯(lián)系起來；托肯反映機(jī)器工作的動態(tài)情況。共有15個變遷，22個庫所，其中，p3、p6、p9中托肯數(shù)為3，代表有1臺機(jī)器和兩位操作員等待中，因為原生產(chǎn)線是一臺機(jī)器兩人使用；p12中托肯數(shù)為2，表示該工序有1臺機(jī)器和1個操作員等待中；p15、p16、p17中托肯數(shù)為1，表示有1位操作員等待工作中。

2.3 Flexsim簡介

Flexsim是新一代離散系統(tǒng)的仿真工具，眾多領(lǐng)域已廣泛采用，如生產(chǎn)線仿真、配送中心揀取仿真、倉庫產(chǎn)品出入庫仿真、供應(yīng)鏈系統(tǒng)仿真等[11]。

2.4 Flexsim仿真模型建立

將磁極鐵芯生產(chǎn)線Petri網(wǎng)模型中的庫所、變遷與Flexsim仿真模型中的實(shí)體一一對應(yīng)，將Petri網(wǎng)模型轉(zhuǎn)化為Flexsim模型。其中，Petri網(wǎng)模型中的輸入庫所對應(yīng)于Flexsim中的發(fā)生器(Source)，指的是現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)中原料庫；輸出庫所對應(yīng)于Flexsim中的吸收器(Sink)，指的是現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)中的成品庫；庫所對應(yīng)于Flexsim中的處理器(Processor)，指的是現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)的加工機(jī)器設(shè)備；變遷則需要設(shè)置Flexsim中相關(guān)參數(shù)來與之對應(yīng)。Flexsim仿真建模步驟見圖5。

圖5 Flexsim仿真建模步驟

因為該生產(chǎn)線每班工作8h，所以將Flexsim仿真時間設(shè)置為28800s，當(dāng)Flexsim模型運(yùn)行到28800s時，系統(tǒng)停止工作。圖6則為當(dāng)運(yùn)行到28800s時的生產(chǎn)線Flexsim仿真模型。

圖6 生產(chǎn)線仿真模型

圖7為工作8h后各工序工作狀態(tài)扇形圖，反映各工序的工作狀態(tài)。

圖7 各工序的工作狀態(tài)

從圖7可知，所有工序的堵塞時間均為0，即每道工序加工都不存在堵塞。工序3鉆銑處加工時間占98%，工作繁忙，效率極低，為瓶頸工序；工序7的空閑時間高達(dá)99%，說明操作員存在較長等待，存在浪費(fèi)；而工序5和工序6的加工時間也僅為5%與6%，空閑時間較多，存在浪費(fèi)。

圖8為各暫存區(qū)容量狀態(tài)條形圖。

圖8 各暫存區(qū)的容量狀態(tài)

從圖8中可知，暫存區(qū)的實(shí)時容量狀態(tài)直接反映工序狀況。暫存區(qū)1處為原料輸送處，應(yīng)保證原料充足，設(shè)此次處當(dāng)前容量和最大容量為最大。但是，暫存區(qū)3處平均容量為70件，在制品堆積嚴(yán)重，說明工序3鉆銑處工作較為繁忙；暫存區(qū)4處堆積也相對嚴(yán)重，也說明工序4也為工作的瓶頸。

因此，綜合分析各工序的工作狀態(tài)和各暫存區(qū)的容量狀態(tài)，所研究的磁極鐵芯生產(chǎn)線有2處瓶頸工序——工序3鉆銑和工序4線切割，其他工序也有繼續(xù)優(yōu)化的空間。

3 磁極鐵芯生產(chǎn)線優(yōu)化與平衡評價

3.1 ECRSI原則優(yōu)化

結(jié)合企業(yè)自身生產(chǎn)狀況，對生產(chǎn)線中作業(yè)順序、生產(chǎn)物料配置等方面進(jìn)行綜合分析，提高企業(yè)生產(chǎn)線的平衡狀況和生產(chǎn)能力。在工序優(yōu)化的過程中，綜合考慮耗時較長的工序和耗時較短的工序，不能孤立分析單個工序的耗時問題。其中，優(yōu)化耗時較長工序可參考：增加人員和機(jī)器；分割長時間工序作業(yè)，將分割后的部分內(nèi)容移到耗時較短的工序；分析工序流程改進(jìn)作業(yè)流程等。優(yōu)化耗時較短工序可參考：耗時短的工序之間看能否合并，合并后取消其中一個工序；耗時短工序能否與其他分割后的作業(yè)合并，并取消本工位[12]。

著重分析和考慮問題工序和瓶頸工序，采用ECRSI原則——“取消”、“合并”、“重組”、“簡化”和“增加”，合理改進(jìn)生產(chǎn)過程，提高工序流程的運(yùn)作效率[13]。

(1)取消(Eliminate)與簡化(Simplify)：判斷每項工作是否可取消可簡化，本生產(chǎn)線的工藝流程均為不能取消也沒有簡化必要。

(2)合并(Combine)：結(jié)合生產(chǎn)線工藝流程卡和Flexsim仿真分析結(jié)果，工序6和工序7的空閑時間所占比例較大，將栓牌交驗合并到打磨磁鋼槽工序中，合并為一個工序，工作時間為51s。

(3)重組(Rearrange)與增加(Increase)：著重分析瓶頸工序3鉆銑和工序4線切割。綜合考慮到車間布局和空間位置，車間已有的機(jī)器設(shè)備及人員均有限，車間要求每道工序最多增加2臺，給出以下4種優(yōu)化方案，見表2。

表2 機(jī)器增加優(yōu)化方案

3.2 Flexsim仿真驗證

重建生產(chǎn)線，共6道工序，如圖9所示。

圖9 改進(jìn)的零部件工序流程圖

結(jié)合工序流程卡，重新建立4種優(yōu)化方案的生產(chǎn)線Flexsim仿真模型，如圖10所示。

圖10 各方案生產(chǎn)線Flexsim模型

Flexsim模型運(yùn)行到28800s時，圖11為各工序優(yōu)化前后加工時間百分比條形圖，圖12為各暫存區(qū)最大容量值條形圖。

圖11 各工序加工時間百分比

圖12 各暫存區(qū)優(yōu)化前后最大容量

可知，方案1、方案3和方案4中，工序4的加工時間均保持在50%～60%，說明這3個方案較好消除了瓶頸工序4；方案3和方案4中工序3的加工時間分別為36%和33.6%，且暫存區(qū)3最大容量減少近一半，極大程度減少了在制品堵塞情況，方案3和方案4較好消除了瓶頸工序3。因此，方案3、方案4解決了工作瓶頸，但是，還需要對各優(yōu)化方案進(jìn)行評判，最終確定最優(yōu)方案。

3.3 改善前后生產(chǎn)線平衡評價

3.3.1 評價依據(jù)

(1)生產(chǎn)節(jié)拍Tmax：單工序耗時最久的工作時間；

(2)單日最大產(chǎn)能MC：

(1)

式中，T——每天工作時間；

Tmax——生產(chǎn)節(jié)拍。

(3)生產(chǎn)不平衡損失時間Tloss：也叫總停頓時間，該值越小，說明工序中停頓等待出現(xiàn)的次數(shù)少，工作效率越高。

Tloss=∑(Tmax-Ti)

(2)

式中，Ti——第i工序時間。

(4)生產(chǎn)線平衡率P：一般情況下，生產(chǎn)線平衡率越高，生產(chǎn)線的平衡程度就越好。

(3)

式中，∑Ti——各工序作業(yè)時間總和；

Tmax——生產(chǎn)節(jié)拍；

n——總工位數(shù)。

(5)生產(chǎn)不平衡損失率d：

d=1-P

(4)

(6)平滑性指數(shù)SI：研究生產(chǎn)線各工序作業(yè)時間的重要指標(biāo)，用來研究各工序分布離散情況，反映生產(chǎn)線上各工序之間工作時間的偏差程度。平滑性指數(shù)越小，說明生產(chǎn)線各工序作業(yè)時間分布偏差越小，則生產(chǎn)線具有較好的平衡效果[14]。

(5)

3.3.2 優(yōu)化前后數(shù)據(jù)對比

對比改善前后的幾項指標(biāo)，如表3所示。

表3 改善前后對比表

由表3可知，方案3生產(chǎn)線平衡率達(dá)到最高60.4%，平衡損失時間最小，平衡性指數(shù)降到最低，即對原生產(chǎn)線增加2臺龍門銑和1臺線切割機(jī)床為最優(yōu)方案。

4 結(jié)束語

通過各種規(guī)劃方法以及仿真軟件對加工生產(chǎn)流程進(jìn)行研究有很大的指導(dǎo)意義。本文利用Petri網(wǎng)和Flexsim對生產(chǎn)線建模與仿真，結(jié)合工業(yè)工程理論和生產(chǎn)線平衡理論來分析優(yōu)化，最優(yōu)方案在最大程度上提高了生產(chǎn)線的工作效率，達(dá)到了縮短瓶頸時間、提高生產(chǎn)效率的目的，為企業(yè)分車間生產(chǎn)優(yōu)化工作提供了一定參考價值。

[1] 石宇強(qiáng). 基于達(dá)寶易與Flexsim的生產(chǎn)線優(yōu)化研究[J]. 機(jī)械設(shè)計與制造,2011(2):130-132.

[2] 胡錦峰. 基于Flexsim的W公司渦旋空壓機(jī)生產(chǎn)仿真研究[D]. 南昌:南昌大學(xué),2012.

[3] 邱伊健,涂海寧. 基于Flexsim與遺傳算法的混流生產(chǎn)線仿真與優(yōu)化研究[J]. 組合機(jī)床與自動化加工技術(shù),2015(8):119-123.

[4] 張惠,李成松,李玉林,等. 基于SLP法和Flexsim仿真的機(jī)加工車間設(shè)施布置優(yōu)化研究[J]. 現(xiàn)代制造工程,2016(5):63-68.

[5] 沈斌,魏清亮,張世亮. 基于IE技術(shù)和Flexsim的D公司閥體加工流水線優(yōu)化研究[J]. 裝備制造技術(shù),2014(5):158-160.

[6] Hongxia CHEN, Dong YANG, Honghua SUN. Simulation Research of the Mixed-Model Production Line based on Flexsim[J]. IE and EM 2009-Proceedings 2009 IEEE 16th International Conference on Industrial Engineering and Engineering Management,2009:1877-1881.

[7] Jianliang Peng. Optimal Allocation of Resources in Production Line Based on Flexsim Simulation[J]. International Conference on Management and Service Science,2010:1-4.

[8] Aneta Konczaka, Jerzy Paslawskib. Decision support in production planning of precast concrete slabs based on simulation and learning from examples[J]. Procedia Engineering,2015,122:81-87.

[9]袁崇義. Petri網(wǎng)原理及應(yīng)用[M]. 北京:北京電子工業(yè)出版社,2005.

[10] 江志斌. Petri網(wǎng)及其在制造系統(tǒng)建模與控制中的應(yīng)用[M]. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2004.

[11] 秦天保,周向陽. 實(shí)用系統(tǒng)仿真建模與分析——使用Flexsim[M]. 北京:清華大學(xué)出版社,2016.

[12] 陳維余. DYC公司總裝生產(chǎn)線平衡問題研究[D].濟(jì)南:山東大學(xué),2012.

[13] 張衛(wèi)德,嚴(yán)洪,徐成. 基于Flexsim的生產(chǎn)線仿真和應(yīng)用[J]. 工業(yè)控制計算機(jī),2005,18(9):46-47.

[14] 吳杰明. 提高生產(chǎn)線平衡率淺析[J].上海電力學(xué)院學(xué)報,2004,20(2):49-53.