基于Plant Simulation仿真的汽車裝配生產(chǎn)系統(tǒng)返修調(diào)度分析

李愛平,郭海濤

(同濟大學(xué) 現(xiàn)代制造技術(shù)研究所,上海 201804)

汽車裝配生產(chǎn)是一個順序裝配的流水線工藝過程,線上工位一般呈串聯(lián)布局,工位間由輥道連接,輥道具有一定的緩沖容量,部分工位上及工位間配置有返修出入口[1].在裝配過程中,裝配失誤、設(shè)備故障或性能衰退等原因都會以一定的概率產(chǎn)生缺陷產(chǎn)品,這些缺陷產(chǎn)品會導(dǎo)致產(chǎn)量損失,造成裝配生產(chǎn)延誤,增加生產(chǎn)成本.為減少這些缺陷產(chǎn)品,通常將檢測到的缺陷產(chǎn)品進行返修處理,使其達到預(yù)期性能要求.面對千變?nèi)f化的市場需求,企業(yè)需要綜合分析汽車裝配生產(chǎn)系統(tǒng)的返修調(diào)度方法來降低生產(chǎn)成本,并保證整線生產(chǎn)能力.

尤建新等[2]通過對影響企業(yè)返修決策諸多因素的分析,從返修角度對企業(yè)質(zhì)量經(jīng)濟效益做深入探討.周炳海等[3]提出考慮產(chǎn)品質(zhì)量及返修的生產(chǎn)系統(tǒng)預(yù)防性維護決策模型,保證產(chǎn)出率的同時有效降低系統(tǒng)運作成本.上述研究在考慮返修的同時分析了系統(tǒng)的返修經(jīng)濟成本.陳書宏等[4]分析了Em-plant仿真建模軟件在生產(chǎn)線規(guī)劃設(shè)計中的作用與應(yīng)用,說明了Em-plant建模的簡單性與有效性.趙燕春[5]采用Em-plant仿真技術(shù)對裝配生產(chǎn)系統(tǒng)平衡問題進行仿真實驗,通過對仿真實驗結(jié)果的分析和評估,得到了燃氣熱氣機裝配生產(chǎn)系統(tǒng)的最佳平衡方案.朱術(shù)名[6]在Pro-Model仿真軟件中實現(xiàn)了汽車裝配生產(chǎn)系統(tǒng)的仿真模型,并對模型進行分析與改進,驗證了合理的設(shè)施規(guī)劃方法可以達到縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期和提高單位時間產(chǎn)量的目的.上述研究基于計算機仿真軟件輔助分析生產(chǎn)系統(tǒng)的相關(guān)性能,并證明其在生產(chǎn)系統(tǒng)建模中的有效性.褚健等[7]基于返修模型計算給定輸入量情況下,不同返修調(diào)度的任務(wù)可靠度和單位成本,通過分析各返修調(diào)度的優(yōu)劣進而得到最優(yōu)返修調(diào)度方法.郭靜薇[8]研究油氣輸送管道焊接過程中的返修次數(shù)對焊接接頭組織及性能的影響,總結(jié)了經(jīng)歷不同返修次數(shù)的焊接接頭不同位置的金相組織分布和規(guī)律變化.這些文獻研究了不同返修調(diào)度對系統(tǒng)性能帶來的影響.返修可以減少缺陷產(chǎn)品,提高系統(tǒng)的生產(chǎn)能力,但也會帶來額外的返修成本,增加系統(tǒng)整體成本.缺陷產(chǎn)品的質(zhì)量損失隨返修次數(shù)的增多呈指數(shù)型增加,過度的返修不僅增加設(shè)備的工作載荷,還將導(dǎo)致產(chǎn)品的質(zhì)量損失,造成系統(tǒng)生產(chǎn)成本的增加.因此,需要綜合考慮產(chǎn)品生產(chǎn)成本與系統(tǒng)生產(chǎn)能力去求解合理的返修調(diào)度.

本文針對汽車裝配生產(chǎn)系統(tǒng)的產(chǎn)品返修調(diào)度問題,對裝配生產(chǎn)系統(tǒng)返修過程進行計算機仿真模擬.基于Plant Simulation仿真軟件對裝配生產(chǎn)系統(tǒng)返修模型仿真,通過給定產(chǎn)品輸入數(shù),求解裝配生產(chǎn)系統(tǒng)的單位時間生產(chǎn)能力,再考慮返修次數(shù)對產(chǎn)品質(zhì)量的影響,分析返修隱性成本并計算單件產(chǎn)品生產(chǎn)成本.在此基礎(chǔ)上,綜合考慮裝配生產(chǎn)系統(tǒng)的單位時間生產(chǎn)能力與單件產(chǎn)品生產(chǎn)成本,優(yōu)化產(chǎn)品的返修次數(shù),進而獲取該系統(tǒng)的最優(yōu)返修調(diào)度方法.最后以某企業(yè)汽車缸蓋分裝線為研究對象,分析驗證該方法的有效性.

1 裝配生產(chǎn)系統(tǒng)返修仿真建模

1.1 Plant Simulation仿真介紹

Plant Simulation廣泛應(yīng)用于汽車裝配生產(chǎn)系統(tǒng)規(guī)劃、供應(yīng)鏈管理、PC組裝生產(chǎn)線、化工領(lǐng)域、大型物流中心、造船廠等領(lǐng)域.該建模軟件在裝配生產(chǎn)系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計中有很大作用,既可以對裝配生產(chǎn)系統(tǒng)進行簡單有效的建模仿真,又能夠分析裝配生產(chǎn)系統(tǒng)的各項性能指標(biāo),對系統(tǒng)的前期規(guī)劃設(shè)計起到很好的輔助作用.Plant Simulation建?？梢阅M一個實際的生產(chǎn)系統(tǒng),通過給定生產(chǎn)系統(tǒng)的各項實際數(shù)據(jù)建立模型,運行后能夠驗證裝配生產(chǎn)系統(tǒng)投產(chǎn)前的可行性,并有效地評價系統(tǒng)各項性能指標(biāo).基于Plant Simulation仿真軟件對汽車裝配生產(chǎn)系統(tǒng)建模仿真,可以有效地得出系統(tǒng)的理論單位時間生產(chǎn)能力.

Plant Simulation是基于面向?qū)ο蟮慕＿^程,軟件采用層次化結(jié)構(gòu),整體具有圖形化的工作環(huán)境,優(yōu)點是靈活易用、開放有效.該仿真軟件提供了建模的對象庫,包括上下料工位、裝配工位、物料運輸輥道、托盤與緩沖區(qū)等,可以直接用于仿真模型的建立.對于需要精細控制的部分,可以通過軟件內(nèi)嵌的程序語言實現(xiàn),如裝配生產(chǎn)系統(tǒng)中的返修調(diào)度.采用系統(tǒng)實際數(shù)據(jù)建模,可以很好地反饋真實系統(tǒng)并如實模擬系統(tǒng)的各種狀態(tài).裝配工位的每一臺設(shè)備都可以設(shè)置時間,包括處理時間、周期時間、恢復(fù)時間與節(jié)拍等,時間還可以通過調(diào)用各種數(shù)學(xué)統(tǒng)計函數(shù)來設(shè)定.此外還可以對工位進出口控制策略、設(shè)備故障處理情況等進行設(shè)置.

1.2 裝配生產(chǎn)系統(tǒng)返修建模

裝配生產(chǎn)系統(tǒng)指待加工產(chǎn)品以一定的速率連續(xù)、均勻地通過一系列裝配生產(chǎn)工作站,并按照一定要求在工作站完成相應(yīng)裝配工作的生產(chǎn)系統(tǒng).在該系統(tǒng)中,裝配設(shè)備的靈活性由人和機器的有效組合體現(xiàn),多品種產(chǎn)品的裝配要求由整套的輸送系統(tǒng)、隨行夾具和在線專機、檢測設(shè)備的有機組合而實現(xiàn).根據(jù)裝配生產(chǎn)系統(tǒng)配置的選擇,將其分為手工裝配、半自動裝配和自動裝配,汽車裝配生產(chǎn)系統(tǒng)為半自動裝配系統(tǒng).一般來說,產(chǎn)品裝配過程從原材料進入裝配現(xiàn)場開始,經(jīng)過各設(shè)備的裝配、運送、檢驗等一系列活動構(gòu)成.

裝配生產(chǎn)系統(tǒng)返修模型如圖1所示,由k+j道裝配工序串聯(lián)構(gòu)成,前k道裝配工序帶有第1個返修回路,線外返修工位為R1,返修出入口分別為Bk與B1;后j道裝配工序帶有第2個返修回路,線外返修工位為R2,返修出入口分別為Bk+j+1與Bk.圖中存在兩個返修回路,復(fù)雜的裝配生產(chǎn)系統(tǒng)常具有多個返修回路.在裝配過程中,沒有達到裝配要求的缺陷產(chǎn)品需要進行返修處理,并將處理過程中拆卸的一次性材料報廢.返修過程中缺陷產(chǎn)品經(jīng)檢測后,不進行后續(xù)的裝配,直接運輸至最近的返修出口下線,通過返修物流小車調(diào)度至返修工位進行返修預(yù)處理,拆卸部分一次性材料后由返修物流小車調(diào)度至返修入口等待上線.產(chǎn)品通過托盤在各工位間的輥道上運輸,輥道具有一定的緩沖容量,視作線上緩沖工位Bi.

圖1 裝配生產(chǎn)系統(tǒng)返修模型Fig.1 The rework model of assembly production system

裝配生產(chǎn)系統(tǒng)的返修調(diào)度控制流程如圖2所示.當(dāng)系統(tǒng)進行返修調(diào)度時,根據(jù)不同的返修回路分別設(shè)定不同的產(chǎn)品返修次數(shù),在給定輸入數(shù)I的情況下，求解裝配生產(chǎn)系統(tǒng)的單位時間生產(chǎn)能力、各返修回路的返修量以及各道裝配工序的裝配量.

圖2 返修調(diào)度控制流程圖Fig.2 The flow chart of rework schedule control

1.3 裝配生產(chǎn)系統(tǒng)返修仿真建模

裝配生產(chǎn)系統(tǒng)是離散事件系統(tǒng),對裝配生產(chǎn)系統(tǒng)返修過程進行建模仿真,是對離散事件系統(tǒng)進行建模仿真,其中模型反映事件狀態(tài),仿真結(jié)果產(chǎn)生處理事件的時間歷程.離散事件系統(tǒng)建模一般需要考慮以下幾種概念：

(1) 實體與設(shè)備:實體指需要裝配的零件,設(shè)備指工序使用的裝配工作臺;

(2) 屬性:反映實體的某些特征,是實體特征的描述;

(3) 狀態(tài):在某一時刻實體及其屬性值的集合;

(4) 事件:引起系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)生變化的行為;

(5) 活動:導(dǎo)致系統(tǒng)狀態(tài)變化的一個過程,標(biāo)志系統(tǒng)狀態(tài)的轉(zhuǎn)移;

(6) 進程:若干個有序事件及活動組成,描述事件及活動的相互邏輯關(guān)系;

(7) 仿真時鐘:用于表示仿真時間的變化.

裝配生產(chǎn)系統(tǒng)返修過程建模,不僅需要考慮系統(tǒng)的工位順序以及工件、機器與運輸工具之間的相互影響作用,還需要考慮線上緩沖工位的容量與輥道的運輸速度,將系統(tǒng)機器設(shè)備的平均故障間隔時間以及平均修復(fù)時間、待加工產(chǎn)品的一次性通過率和工位節(jié)拍等實際數(shù)據(jù)輸入到模型中,模型運行后即可得到有效的性能評價指標(biāo),并計算出系統(tǒng)的單位時間生產(chǎn)能力、各返修回路的返修量以及各道裝配工序的裝配量.

本質(zhì)上講,基于Plant Simulation對裝配生產(chǎn)系統(tǒng)仿真是一種系統(tǒng)評估模式,用來模擬裝配生產(chǎn)系統(tǒng)的實際運作情況,得出系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)來評價系統(tǒng)的性能.具體建模過程如下:① 收集裝配生產(chǎn)系統(tǒng)的各工序整體布局;② 獲得裝配生產(chǎn)系統(tǒng)中實體的參數(shù);③ 對實體參數(shù)進行整理分析;④ 建立裝配生產(chǎn)系統(tǒng)返修模型,并進行Plant Simulation仿真;⑤ 整理數(shù)據(jù),分析仿真結(jié)果得出系統(tǒng)評估指標(biāo).

收集裝配生產(chǎn)系統(tǒng)的實際數(shù)據(jù),直接影響其模擬的有效性與真實性,對系統(tǒng)模擬對象參數(shù)的收集增加了模擬的可能性,實際的數(shù)據(jù)導(dǎo)致有意義的仿真模擬.建模收集的數(shù)據(jù)不僅包括裝配生產(chǎn)系統(tǒng)的工位操作名稱、平均故障間隔時間與平均修復(fù)時間、一次性通過率以及工位節(jié)拍,還包括裝配生產(chǎn)系統(tǒng)輥道的長度、運輸速度、緩沖容量、托盤與實體的尺寸等.系統(tǒng)返修仿真模型運行后,可以調(diào)用圖表工具有效、直觀地查看系統(tǒng)各項性能.

2 考慮生產(chǎn)成本的返修調(diào)度分析

汽車在裝配過程中,產(chǎn)品零部件公差配合波動、設(shè)備性能衰退、操作失誤等原因總會導(dǎo)致系統(tǒng)產(chǎn)生一些缺陷產(chǎn)品,缺陷產(chǎn)品需要經(jīng)過返修預(yù)處理再重新回到之前的裝配工序進行裝配,從而成為合格產(chǎn)品.在返修過程中,不同載荷的復(fù)雜作用與人工操作的失誤會導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量損失,增加返修成本,并且隨著返修次數(shù)的增加,產(chǎn)品在重新裝配的過程中因受力、發(fā)熱、疲勞和磨損等多因素造成質(zhì)量衰減,如螺栓的扭矩、軸徑減小,孔徑、氣密性增大等[9].這種不可逆的產(chǎn)品質(zhì)量衰減對產(chǎn)品整體的性能有極大的影響,當(dāng)質(zhì)量衰減超過允許范圍時,產(chǎn)品整體失效報廢.因此,需要分析產(chǎn)品返修調(diào)度方法,合理設(shè)置返修次數(shù),降低裝配的返修率,提高裝配精度以減少產(chǎn)品在后期返修過程中失效的可能性.

過度的返修次數(shù)不僅造成產(chǎn)品質(zhì)量損失,還給系統(tǒng)帶來額外的生產(chǎn)成本.在返修過程中，隨著返修次數(shù)增加,返修調(diào)度成本、裝配工序運行成本、一次性裝配材料與人工成本也增加.本文綜合考慮原材料成本、裝配工序運行成本與返修的隱性成本，求解單件產(chǎn)品生產(chǎn)成本.返修的隱性成本包括缺陷產(chǎn)品質(zhì)量損失成本、返修調(diào)度成本、一次性材料與額外人工成本.因此,單件產(chǎn)品生產(chǎn)成本的計算公式為

(1)

式中:P為單件產(chǎn)品生產(chǎn)成本;I為系統(tǒng)給定產(chǎn)品輸入數(shù);O為系統(tǒng)合格產(chǎn)品輸出數(shù);Pr為原材料成本;Pl為裝配工序運行成本;Pc為返修的隱性成本.

裝配工序運行成本為

(2)

式中:Si為第i道裝配工序的裝配量;Pi為第i道裝配工序的運行成本.

根據(jù)汽車實際裝配數(shù)據(jù)統(tǒng)計,裝配產(chǎn)品質(zhì)量損失成本隨著返修次數(shù)的增加而呈指數(shù)變化,故而第x個返修回路中裝配質(zhì)量損失成本可以表示為

Pqx=PrRpxten,n>0

(3)

式中:Rpx為第x個返修回路中裝配生產(chǎn)系統(tǒng)的返修量;n為該回路的產(chǎn)品返修次數(shù);t為質(zhì)量損失常數(shù)值,不同的汽車裝配生產(chǎn)系統(tǒng)有不同的t值.

返修的隱性成本計算公式為

(4)

式中:f為裝配生產(chǎn)系統(tǒng)的返修回路數(shù)量;Ps為每件缺陷產(chǎn)品的返修調(diào)度成本;Pw為每件缺陷產(chǎn)品的一次性材料損失成本與額外人工成本;Rp為系統(tǒng)所有返修回路的返修總量.

所以汽車裝配生產(chǎn)系統(tǒng)的單件產(chǎn)品生產(chǎn)成本計算公式為

(5)

實際裝配過程中出現(xiàn)了缺陷產(chǎn)品,對其是否進行返修以及返修次數(shù)的確定,需要考慮裝配生產(chǎn)系統(tǒng)的單位時間生產(chǎn)能力與單件產(chǎn)品生產(chǎn)成本兩個決策變量進行優(yōu)化求解,決策過程是對兩個變量加權(quán)綜合考慮,單位時間生產(chǎn)能力反映了系統(tǒng)的生產(chǎn)性能,單件產(chǎn)品生產(chǎn)成本反映了系統(tǒng)的生產(chǎn)成本.根據(jù)兩者的重要程度賦予其不同的加權(quán)因子,并采用歸一化方法對兩個變量值進行同量綱處理,得到返修調(diào)度方法分析的決策值如下(式中計算出的最大決策值Z所對應(yīng)的返修調(diào)度方法即為最優(yōu)返修調(diào)度方法):

(6)

3 實例分析

在汽車裝配過程中,由于零件的多樣性和工藝的繁瑣性,汽車裝配生產(chǎn)系統(tǒng)需要具有高柔性和高質(zhì)量兩個特點.汽車裝配生產(chǎn)系統(tǒng)是按照工藝順序裝配的流水生產(chǎn)系統(tǒng),線上裝配工位呈串聯(lián)布局,關(guān)鍵工位上及工位間配置有返修出入口,產(chǎn)品安裝在托盤上采用非同步機動輥道進行運輸.因設(shè)備性能衰退和人工操作失誤等原因，系統(tǒng)容易產(chǎn)生不合格的缺陷產(chǎn)品,需要對其進行返修處理.缺陷產(chǎn)品由返修出入口上下線,線外通過物流小車運送,在返修工位對其預(yù)處理,將已裝配的材料拆卸至出現(xiàn)問題的工序上一步,報廢已使用過的一次性材料.

以某企業(yè)汽車缸蓋分裝線為研究對象,收集該線的基本情況并處理相關(guān)數(shù)據(jù),將實際數(shù)據(jù)輸入到Plant Simulation中，對該線進行計算機仿真建模,運行模型后得到單位時間生產(chǎn)能力T、第x個返修回路的返修總量Rpx以及各道裝配工序的裝配量Si.該裝配生產(chǎn)系統(tǒng)包含18個工作站、2個返修回路、24個線上緩沖區(qū)與5個轉(zhuǎn)臺,具體如圖3所示.缺陷產(chǎn)品通過轉(zhuǎn)臺1、轉(zhuǎn)臺2與轉(zhuǎn)臺5出入裝配流水線,經(jīng)線外返修工位預(yù)處理完成后重新上線.2個返修出口分別設(shè)置在OP06,OP18工位后,2個返修入口分別設(shè)置在OP01,OP07工位前.線上緩沖區(qū)容量上線統(tǒng)一設(shè)置為2,仿真采用的輥道輸送線速度為18 m/min,返修出入口的轉(zhuǎn)臺對返修的缺陷產(chǎn)品優(yōu)先服務(wù),且仿真不考慮管理因素產(chǎn)生的損耗.在仿真過程中對2條返修回路賦予不同的返修次數(shù),統(tǒng)計最終穩(wěn)定后的單位時間生產(chǎn)能力,為避免斜升時間系統(tǒng)的不確定性,仿真數(shù)據(jù)統(tǒng)計從第1 000個產(chǎn)品開始.

該汽車缸蓋分裝線的工位相關(guān)參數(shù)如表1所示.

圖3 某企業(yè)汽車缸蓋分裝線示意圖Fig.3 The diagram of a corporate car cylinder head sub-assembly line

工位序號工位描述裝配時間/s一次性通過率平均故障間隔時間/h平均修復(fù)時間/h生產(chǎn)成本/元OP01缸蓋上線390．958080．7210OP02拆卸軸蓋360．925580．6610OP03放置油封座圈并檢測390．898080．6615OP04自動壓裝進氣門油封360．855990．6610OP05自動壓裝排氣門油封360．855990．7410OP06分離式氣門油封高度檢測360．925660．6615OP07安裝排氣門390．915990．7215OP08安裝進氣門390．915990．7215OP09安裝氣門彈簧390．968080．8910OP10安裝進氣側(cè)彈簧座圈及鎖夾360．845990．7210OP11安裝排氣側(cè)彈簧座圈及鎖夾360．845990．7210OP12鎖夾安裝檢測360．935660．8910OP13氣門拍打360．975990．7210OP14泄露測試360．891440．4315OP15缸蓋抖震360．955990．7210OP16涂膠擰緊R1/8堵塞390．968080．6615OP17涂膠擰緊R1/4堵塞390．968080．6615OP18缸蓋下線390．928080．6610

通過對大量歷史裝配數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析得到以下成本信息:每件產(chǎn)品的原材料成本Pr=1 000元,每件缺陷產(chǎn)品的一次性材料損失成本與額外人工成本Pw=30元,每件缺陷產(chǎn)品的返修調(diào)度物流成本Ps=10元,裝配過程中質(zhì)量衰減造成的成本損失計算公式中t=0.05.假定該裝配生產(chǎn)系統(tǒng)有10萬件原材料產(chǎn)品需要進行裝配,即裝配生產(chǎn)系統(tǒng)產(chǎn)品輸入數(shù)I=100 000.根據(jù)式(5)分別求解不同返修調(diào)度情況下的單件產(chǎn)品生產(chǎn)成本P.

在進行返修調(diào)度分析時,有如表2幾種不同的返修方案.

表2 返修方案表Tab.2 The table of rework schedule

表3 不同返修調(diào)度下的計算結(jié)果對照表Tab.3 The calculation results table under different rework schedule

通過分析計算結(jié)果可知,在此權(quán)重下該汽車缸蓋分裝線的合格產(chǎn)品輸出數(shù)、單位時間生產(chǎn)能力與返修次數(shù)成顯著正相關(guān),單件產(chǎn)品生產(chǎn)成本隨返修次數(shù)增加呈先減后增的變化趨勢.裝配生產(chǎn)系統(tǒng)的最佳返修調(diào)度方法是對返修回路1中的缺陷產(chǎn)品進行1次返修,對返修回路2中的缺陷產(chǎn)品進行2次返修.此時系統(tǒng)的單位時間生產(chǎn)能力為74件/h,單件產(chǎn)品生產(chǎn)成本為2 506元.該企業(yè)汽車缸蓋分裝線的實際裝配返修過程證明,該返修調(diào)度方法能夠有效地提高系統(tǒng)生產(chǎn)能力和降低生產(chǎn)成本.

4 結(jié)語

合理的返修調(diào)度方法可以保證較高的生產(chǎn)能力和較低的單位成本,對汽車裝配生產(chǎn)系統(tǒng)的返修過程有重大意義.本文基于Plant Simulation計算機仿真軟件對汽車裝配生產(chǎn)系統(tǒng)建模仿真,運行后得到返修模型的單位時間生產(chǎn)能力,在考慮返修對產(chǎn)品質(zhì)量影響的基礎(chǔ)上，分析單件產(chǎn)品生產(chǎn)成本.根據(jù)汽車實際裝配過程中兩變量的重要程度分別賦予其不同權(quán)重,基于歸一化加權(quán)法對兩變量進行決策計算,求解裝配生產(chǎn)系統(tǒng)的最佳返修調(diào)度方法.最后,以某汽車缸蓋分裝線為例,驗證了所提返修調(diào)度方法的有效性.

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