機(jī)加工車間設(shè)施布置設(shè)計(jì)及優(yōu)化*

杜來紅，陳 樺，梁小微

(西安工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，西安 710021)

制造業(yè)的核心是生產(chǎn)，然而生產(chǎn)過程中產(chǎn)品搬運(yùn)、等待的時(shí)間遠(yuǎn)多于產(chǎn)品加工的時(shí)間，因此，降低成本的主要途徑是科學(xué)地規(guī)劃總體布局。優(yōu)化車間設(shè)施布置，可以使得物料搬運(yùn)流暢，減少10%～30%的搬運(yùn)費(fèi)用。文獻(xiàn)[1-2]運(yùn)用系統(tǒng)布置設(shè)計(jì)方法(System Layout Planning，SLP)解決了車間設(shè)施布局的優(yōu)化問題，該方法主要基于推式生產(chǎn)方式進(jìn)行車間布局優(yōu)化，本質(zhì)上缺乏動(dòng)態(tài)柔性。文獻(xiàn)[3]運(yùn)用模擬退火算法、遺傳算法、粒子群算法和蟻群算法等啟發(fā)式算法求解設(shè)施布局優(yōu)化數(shù)學(xué)模型。啟發(fā)式算法收斂性較好，能夠求得優(yōu)化問題全局最優(yōu)解，但其優(yōu)化解一般為數(shù)據(jù)集或矩陣，不直觀，需要設(shè)計(jì)規(guī)劃人員花費(fèi)一定精力才能轉(zhuǎn)化為二維車間設(shè)施布置圖。此外，在設(shè)施布置中應(yīng)用較多的仿真軟件有 WITNESS[4]，F(xiàn)LEXSIM[5-6]，AnyLogic[7]和Plant Simulation[8-9]等，這些方法可對(duì)設(shè)施布置的各個(gè)元素和具體生產(chǎn)過程進(jìn)行建模和虛擬仿真，能夠反映生產(chǎn)物流的全過程狀態(tài)信息，有助于設(shè)備布置的優(yōu)化改善。

某公司的機(jī)加工車間是多品種、少批量為主的生產(chǎn)系統(tǒng)。經(jīng)實(shí)地調(diào)研，發(fā)現(xiàn)存在如下問題。車間的現(xiàn)有設(shè)備、工裝夾具和工具擺放不合理，物流路徑太長，現(xiàn)場管理效率低下，導(dǎo)致零件的生產(chǎn)效率低下，物流強(qiáng)度降低、生產(chǎn)周期過長、產(chǎn)品的生產(chǎn)能力受限。根據(jù)企業(yè)的上述問題，文中采用仿真軟件FLEXSIM對(duì)現(xiàn)有生產(chǎn)線的布局進(jìn)行分析和優(yōu)化，以期利用機(jī)床潛在生產(chǎn)力，降低成本。

1 機(jī)加車間生產(chǎn)現(xiàn)狀分析

該車間生產(chǎn)的產(chǎn)品主要有心軸、搖臂支架、方套、泵缸體、殼體、操縱手柄、杠桿、平衡滑輪軸、大鏈輪座、導(dǎo)軌側(cè)壓板、擋塊、導(dǎo)軌壓塊等產(chǎn)品。產(chǎn)品工藝流程及數(shù)量統(tǒng)計(jì)見表1。

表1 產(chǎn)品工藝流程及數(shù)量

對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行統(tǒng)計(jì)后，測量各個(gè)加工區(qū)坐標(biāo)，運(yùn)用直角算法計(jì)算距離，結(jié)合加工單位對(duì)之間的物流量繪制產(chǎn)品距離和運(yùn)量散點(diǎn)圖，如圖1所示。

圖1 產(chǎn)品距離和運(yùn)量散點(diǎn)圖

分析需要改善的作業(yè)對(duì)，以此為依據(jù)進(jìn)行重新布置。由圖1可知，各個(gè)加工區(qū)域比較分散，坐標(biāo)點(diǎn)偏向于距離坐標(biāo)軸，說明搬運(yùn)距離長。檢驗(yàn)到入庫、車到銑和鉗工到檢驗(yàn)的搬運(yùn)量分別標(biāo)記為676,436,449件，搬運(yùn)作業(yè)對(duì)數(shù)量多，且搬運(yùn)距離遠(yuǎn)，需要改善。

2 機(jī)加車間系統(tǒng)布置設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)布置設(shè)計(jì)法一般流程，進(jìn)行物流關(guān)系分析，利用從至表法分析確定物料移動(dòng)的強(qiáng)度和數(shù)量，在作業(yè)單位距離從至表、運(yùn)量從至表、物流強(qiáng)度計(jì)算的基礎(chǔ)上，繪制物流相關(guān)圖。通過調(diào)研車間設(shè)施布置人員、作業(yè)單位管理人員及操作人員，在遵循工作流程連續(xù)性、管理方便、安全、公用等原則基礎(chǔ)上，繪制非物流相關(guān)圖。綜合考慮物流與非物流關(guān)系的影響，綜合關(guān)系密切度取2∶1，計(jì)算各作業(yè)對(duì)綜合等級(jí)關(guān)系，并繪制綜合相關(guān)圖，如圖2所示。

1—車；2—銑；3—鉆；4—磨；5—鏜；6—鉗工；7—檢驗(yàn)；8—材料區(qū)；9—齒輪加工區(qū)；10—刀具預(yù)調(diào)測量；11—數(shù)控車削中心；12—數(shù)控立式加工中心；13—數(shù)控加工區(qū)。

A為超高物流強(qiáng)度；E為特高物流強(qiáng)度；I為較大物流強(qiáng)度；O為一般物流強(qiáng)度；U為可忽略搬運(yùn)量；X為不希望接近量。

在綜合相關(guān)圖繪制的基礎(chǔ)上，將相關(guān)圖轉(zhuǎn)化為關(guān)系工作表，并繪制無面積拼塊圖，得6種無面積方案圖。經(jīng)物流流程分析，由產(chǎn)品運(yùn)量從至表計(jì)算主要物流流程路線，確定4種布置方案。對(duì)加工區(qū)間進(jìn)行面積統(tǒng)計(jì)并適當(dāng)調(diào)整，繪制車間布置圖如圖3所示。圖3中數(shù)字含義同圖2。

圖3 機(jī)加工車間布置圖

3 車間布局的仿真優(yōu)化

由系統(tǒng)布置設(shè)計(jì)法得到了4種可行的優(yōu)化方案，由于數(shù)學(xué)模型的建立是實(shí)際問題的抽象，許多實(shí)際的工程問題有待于進(jìn)一步挖掘。該實(shí)際機(jī)加工車間為離散動(dòng)態(tài)隨機(jī)系統(tǒng)，靜態(tài)數(shù)據(jù)模型適應(yīng)性差，利用計(jì)算機(jī)仿真手段模擬整個(gè)生產(chǎn)過程來判斷方案的可行性，有助于該生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)一步的優(yōu)化和完善。產(chǎn)品加工時(shí)間見表2。

表2 產(chǎn)品加工時(shí)間

3.1 布局方案導(dǎo)入

根據(jù)中試基地調(diào)研的設(shè)施布局繪制成CAD平面圖，并將其導(dǎo)入FLEXSIM軟件中，如圖4所示；從FLEXSIM軟件模型庫中拖入實(shí)體，包括發(fā)生器、機(jī)床、手推車、貨架等，將各個(gè)機(jī)床固定在相應(yīng)的布局位置；對(duì)實(shí)體進(jìn)行編號(hào)，根據(jù)產(chǎn)品的工藝路線連接實(shí)體，機(jī)床與機(jī)床之間進(jìn)行A連接，機(jī)床與搬運(yùn)工具之間進(jìn)行S連接。C1、C2、C3、C4、C5為車床;X6、X7為銑床;Z8、Z9為鉆床;M10、M11、M12為磨床;N1、N2、N3、N4、N5、N7、N8、N9、N10、N11、N12、N13、N14、N16為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn);T13為鏜床;Q14、Q24為鉗工;J15為檢驗(yàn);S16為數(shù)控立式加工中心；S17為數(shù)控車削中心;S18為數(shù)控線切割機(jī)床;S19為電火花成型機(jī)床;P20、P21為拋光機(jī)；M22為高精度平面磨床；G23為滾齒機(jī)；C24為插齒機(jī)；D25為刀具測量儀；ZC1為車床暫存區(qū)；ZC6為銑床暫存區(qū)；ZC8為鉆床暫存區(qū)；ZC10為磨床暫存區(qū)；ZC13為鏜床暫存區(qū)；ZC14、ZC15為鉗床暫存區(qū)；ZC16為檢驗(yàn)暫存區(qū)；KC1、KC2、KC3、KC4為庫存。

圖4 FLEXSIM環(huán)境下導(dǎo)入的車間布置圖

3.2 仿真實(shí)體參數(shù)設(shè)置

發(fā)生器的到達(dá)方式采用到達(dá)時(shí)間序列，定義到達(dá)產(chǎn)品的類型和數(shù)量，創(chuàng)建6個(gè)實(shí)體類型分別代表6種產(chǎn)品，如圖5所示。

圖5 發(fā)生器參數(shù)設(shè)置

臨時(shí)實(shí)體流采用發(fā)送至端口方式，根據(jù)返回值選擇輸出端口，通過函數(shù)getitemtype(item)獲取臨時(shí)實(shí)體類型，以此為依據(jù)確定輸出端口。如圖5所示，1號(hào)產(chǎn)品與4號(hào)產(chǎn)品到達(dá)車床加工，剩余產(chǎn)品到達(dá)銑床加工。

各機(jī)床暫存區(qū)設(shè)定容量和臨時(shí)實(shí)體流，機(jī)床的加工時(shí)間通過函數(shù)ValuesByCase進(jìn)行設(shè)定，其中分支情況由getitemtype(item)函數(shù)得到產(chǎn)品類型，設(shè)定具體加工時(shí)間。

3.3 仿真數(shù)據(jù)分析

根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場工作情況，本條生產(chǎn)線每天工作的有效時(shí)間為450 min，故在仿真系統(tǒng)中設(shè)定工作時(shí)間為450 min，分別對(duì)改善前方案和改善后4種方案進(jìn)行運(yùn)行仿真，仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 車間布局方案仿真結(jié)果

通過對(duì)生產(chǎn)車間的實(shí)地調(diào)研、計(jì)算分析，對(duì)車間布局形成4個(gè)備選方案，利用FLEXSIM軟件對(duì)原方案和4個(gè)備選方案進(jìn)行仿真，主要考慮生產(chǎn)線加工時(shí)間的影響因素，得出在該仿真方案中，方案一用時(shí)較少，生產(chǎn)效率較高，故在該車間設(shè)施布局時(shí)，可優(yōu)先考慮方案一。

4 結(jié) 論

本文運(yùn)用系統(tǒng)布置設(shè)計(jì)的方法對(duì)機(jī)加工車間進(jìn)行重新布局，分析機(jī)加工車間各個(gè)加工區(qū)的物流關(guān)系和非物流關(guān)系，得到綜合關(guān)系表并繪制綜合相關(guān)圖；在綜合相關(guān)圖的基礎(chǔ)上進(jìn)行面積拼圖并進(jìn)行物流流程分析得到4個(gè)可行的布置方案。據(jù)此，利用FLEXSIM軟件建立車間生產(chǎn)系統(tǒng)仿真模型，結(jié)合仿真結(jié)果對(duì)4種方案進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，確定最優(yōu)布置方案。該方法已成功應(yīng)用于BD公司的機(jī)加工車間中，結(jié)果證明，系統(tǒng)布置設(shè)計(jì)方法與系統(tǒng)仿真手段結(jié)合，可有效解決生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)施布置的優(yōu)化問題。文中未涉及有關(guān)布置方案的綜合評(píng)價(jià)方法和具體仿真數(shù)據(jù)處理過程。另外，忽略了工位的人機(jī)工效學(xué)分析、工件的裝夾時(shí)間和產(chǎn)品不合格返工等因素的影響，后期研究將著重考慮此類因素，以期解決工程實(shí)際問題。