轉向單元裝配線仿真建模及優化研究

陳紅霞，王曉昱

（1.內蒙古工業大學 機械學院，呼和浩特 010051； 2.裝甲兵技術學院 機械系，長春 130117）

0 引言

裝配是制造過程中的一個重要環節，由于其過程復雜、技術要求高、自動化程度較低，對其生產過程進行優化存在著較大潛力。高效率的裝配線是企業完成生產的重要環節，可以決定生產企業的整體勞動生產率和產品質量[1]。

某企業的產品為重型車輛傳動部件，其中轉向單元是其主要產品。隨著市場的發展，轉向單元的需求量與日俱增。但該企業的轉向單元裝配線投產至今，一直沒有在優化平衡方面做深入研究，存在整條裝配線不平衡、生產率低的問題。由于裝配線各工序負荷的不均衡，極易造成工時損失甚至生產的中止，所以，急需對原有的轉向單元裝配線進行優化，提高生產率，降低成本，滿足企業擴大產量的需求。

裝配線仿真優化是以計算機支持的仿真技術為前提，對裝配線的各個單元進行仿真建模，在仿真環境中模擬出裝配線的裝配全過程，根據仿真分析結果，制定出優化方案。

1 轉向單元裝配線簡介

1.1 產品介紹

轉向單元部件專用于某重型車輛，位于傳動路線末端，是一個回轉類部件，成品如圖1所示。該部件具有零件多、重量大、結構復雜和裝配工藝路線長的特點，轉向單元包含的主要零件如圖2所示。

1.2 裝配線介紹

圖1 轉向單元

圖2 轉向單元主要零件

該企業轉向單元裝配線每天三班連續生產，每班6小時（不含工休20分鐘），共18小時生產時間。由于采用人工操作，可以認為無設備故障。在每個工位裝配完成后，當即進行檢驗，可以假設產品100%合格。裝配線由一條總裝線及三條支線組成，共35個工位。三條支線分別負責裝配三套組件，之后將裝配好的組件輸送給總裝配線完成總裝配。該裝配線目前存在的問題是生產率低，節拍不穩定，裝配線不平衡。

由于“仿真”研究具有投資少、周期短、見效快、可控、安全無破壞性、極易修改結構及參數、易于考慮多種因素的綜合作用等優點，對轉向單元裝配線采用Flexsim仿真軟件作為研究平臺，制定優化平衡方案。

2 仿真研究

2.1 建立仿真模型

2.1.1 原裝配線建模

在Flexsim仿真軟件環境中，根據裝配線的實際配置，建立仿真模型，如圖3所示。合成器與處理器工位在裝配線中，用大寫英文字母“Z”開頭；字母后用數字表示所屬裝配工位，例如：“Z206”表示2號支線中的第6個工位，也代表模型中的對應實體，以此類推。

圖3 Flexsim建立的裝配線仿真模型

2.1.2 設置參數實體

在Flexsim仿真軟件環境中進行裝配線建模的常用參數包括：零件到達時間、暫存區容量、操作員數量、預置時間、裝配時間（或處理時間）及仿真運行時間等。在轉向單元裝配線建模過程中，使用了如下參數：

1)零件到達時間。在實際裝配生產過程中，該裝配線有專人負責零件供應，所以裝配線不受零件供應缺乏影響。所以，設置參數為常值60，即可滿足仿真需要。

2)預置時間。在裝配線中，有些工位需要對零件進行涂抹潤滑脂等操作，所以預置時間根據調研數據，按常值進行設置。

3)裝配時間(或處理時間)。在裝配線中，用處理機及合成器實體模擬處理及裝配工位，該時間包括工位的裝夾、裝配、檢驗等時間。各工位數據詳見表1～表4。

表1 1號支線數據

續表

表2 2號支線數據

表3 3號支線數據

表4 4號支線數據

4)仿真時間。該裝配線每個班次工作后，當即進行車間清理，每個班次互不干涉。所以，仿真模型模擬裝配線一個班次的裝配即可，仿真時間設置為216000秒（6小時，已排除工休時間），無預熱時間。

5)其他參數設置。對于仿真結果無影響的參數可以選擇軟件默認值。

2.2 運行仿真模型

運行上述仿真模型，可得到如圖4所示透視圖。

圖4 仿真透視圖

從仿真運行截圖中可以觀察到，零件供給暫存區內零件供應充足，1號支線中在Z102工位前，2號支線在Z202，Z211工位前，Z116工位與4號支線連接處，四處工位前的暫存區存在堆積。3號支線的工位Z301需要手工裝銷，效率很低,可以推斷3號支線的供應速度比工位Z101慢，造成工位Z102等待3號支線供件，所以形成Z102工位前的暫存區零件堆積；Z116工位與4號支線連接處暫存區出現堆積，是因為1號線供應速度慢，造成工位Z116等待，再對比數據，可知是3號支線的裝配速度慢，降低了1號線裝配效率，造成堆積；2號支線在Z202，Z211工位裝配速度慢于其他工位，造成上游堆積；3號支線與4號支線內工件流暢。由統計數據可計算，在仿真時間216000秒內共裝配出成品240件，裝配節拍為90秒。

從理論上說“只有達到平衡”各種資源的利用率和效率才最高。流量平衡化產生效率最佳化是所有生產系統追求的終極目標。流水線作業效率可以用生產線的平衡率來評價[2]。計算公式如下：

在Flexsim軟件仿真數據報告中，可以得到各個工序的空閑率，所以生產線的平衡率計算公式可以變換如下[3]：

即：

定義原裝配線的平衡率為η0，根據上述公式及統計數據，由于Z301的空閑率最低，認定該工位是整條裝配線的瓶頸。可以計算，η0＝41.82%。說明原裝配線平衡效率低，需要進行平衡。

2.3 造成裝配線不平衡的原因

1）裝配車間的工人年齡跨度大，且男女工人都有，在工作分配時考慮到裝配線勞動強度，實行崗位工資制，并把年長和女性工人分配在相對清閑的工位，年輕的男性工人分配在繁忙的崗位。

2）整條裝配線基本是每個工位裝配一個零件，由于技術條件的限制，導致裝配工作的強度和時間不同，并且某些工藝存在不足。

3）由于企業經費問題，只有鉗工工作臺適合多人操作，裝配線使用的裝配工作臺只適合一名工人操作，且車間空間無法容納同工位布置多個工作臺，因此導致零件裝配時間長的工位，無法依靠增加人員解決速度問題。

2.4 裝配線優化平衡思路

1）改進缺陷工藝：把同工位的多個技術條件進行分散；工作負擔重的工位技術條件少，反之亦然；增加自動化工具，提高裝配效率。

2）應用啟發式平衡方法，對原裝配線進行平衡。

2.5 優化方案

使用啟發式裝配生產線平衡方法，并結合裝配車間的裝配線實際情況，對現有裝配線進行優化，方案如下：

1）按照啟發式方法所遵循原則更改工藝，先分配后繼作業多且作業元素重要的工位，在原有號線的工位Z206后，接入1號線工位Z115進行裝配，這樣減少了工位Z115需要保證的技術條件數量，做到把技術條件分散，同時減輕工位Z115操作工人的操作強度，也相當于后繼作業多的工位向前移動；再將2號線的Z207工位接入到原1號線工位Z115后，工序對應為原Z207，Z208，Z209，Z213，Z210，Z211，Z212，Z116（在新方案中按命名規律重新為工位編號），原3號線和4號線的接入位置不變。

2）再次應用啟發式平衡方法，考慮由于實際情況限制原工位的作業元素不可分，所以只能對原工位做合并調整。將Z105、Z109、Z113、Z117、Z119、Z206、Z402工位并入上游工位（原工位編號取消），合并后的裝配時間是原工位裝配時間之和再加上轉換時間，這個時間，接近或等于裝配線預期節拍。合并后取消裝配線中對應的工位編號。黏貼產品合格證的工作內容增加到工位Z123，這樣裝配車間原來做這個工作的崗位可以取消。調整后，各個工位的操作時間均小于等于60秒，所以預計裝配線的生產節拍控小于60秒。調整后的裝配線（仿真模型）如圖5所示。

圖5 合并后的裝配線模型

3）為裝配線配置電工扳手，提高螺栓連接工位的裝配速度。

2.6 新方案仿真分析

運行新方案仿真模型，統計數據如表5所示。

表5 仿真數據報告

計算裝配線平衡率：指定新的方案后，Z301仍是瓶頸工序，定義優化后的裝配線平衡率為η1，使用公式（3）計算，裝配線平衡率為η1＝75.75%。一般情況下，當裝配線的平衡率在75%～90%之間的時候，認為裝配線處于平衡狀態。還可從統計數據知：優化后的裝配線共28個工位，較原裝配線減少7個工位，裝配線優化平衡后，生產節拍是60秒。

2.7 裝配線優化前后方案對比

原裝配線經過優化，取得明顯的成效：工位數量精簡，生產節拍加快，裝配線平衡率增加，具體如表6所示。

表6 數據對比

通過以上比較可知，按上述方案對裝配線進行優化平衡是可行的。

3 實際應用效果

企業根據上述優化方案進行了裝配線改造：重新設置工位，為相關工位配備了電動扳手、電動修磨機及液壓軸承安裝機。試運行期間，仍按原排班方式進行裝配生產，統計結果顯示，日產量提高50%左右，整條裝配線半成品堆積現象明顯好轉，部分工人反應勞動強度稍有增加但可以接受，企業對結果十分滿意。

4 結論

本文結合調研掌握的實際情況及數據，使用Flexsim仿真軟件建立原有裝配線仿真模型，運行并統計仿真結果，研究原裝配線產生瓶頸的原因，以啟發式平衡方法作為理論基礎結合工藝改進，制定出對原有裝配線進行優化平衡的方案。主要包括：重新分配作業元素；改進原有裝配生產線的裝配工藝，對裝配時間短、操作簡單且相鄰的工位進行合并，減少設備及人員數量；添加先進工具，使裝配工作自動化水平相對提高。對優化裝配線的方案進行建模及仿真分析，統計數據顯示：工位由35個減少到28個；裝配線節拍由90秒減少到60秒；平衡率由41.82%提升到75.75%。采用優化方案優化后的裝配線生產效率明顯優于原裝配線，且是平衡的裝配線，實際應用效果良好。

[1] 陳紅霞, 劉軍, 王曉昱, 等.機械制造工藝學[M].北京.北京大學出版社.2010.

[2] 張群, 張杰, 譯.威廉史蒂文森.生產與運作管理[M].北京: 機械工業出版社.2000.

[3] 陳紅霞, 王曉昱, 周歆華.Conform連續擠壓鋁扁管生產線仿真建模及優化研究[J].鍛壓技術.2010 (3).