某冰箱預(yù)裝線的工作站改進建模仿真

李躍宇，洪沖沖，張 旭

（四川大學(xué) 工商管理學(xué)院，成都 610065）

0 引言

在生產(chǎn)制造系統(tǒng)中，生產(chǎn)線技術(shù)水平不斷提高，自動化程度越來越高，生產(chǎn)管理者對生產(chǎn)改進的每一個決策，都需要謹(jǐn)慎考慮，若措施不當(dāng)，往往需付出高昂的代價。生產(chǎn)線仿真是以計算機支持的仿真技術(shù)為前提，對生產(chǎn)線的各個元素和生產(chǎn)過程進行統(tǒng)一的建模，在虛擬的環(huán)境中反映出裝配生產(chǎn)的全過程，其實質(zhì)是利用一個簡化的、能夠表述系統(tǒng)特征的模型來模擬實際系統(tǒng)的運行過程，統(tǒng)計出模型特征量的結(jié)果或變化規(guī)律，從而更有效地組織生產(chǎn)[1]。

目前國內(nèi)外對于流水線平衡的理論研究皆是從數(shù)學(xué)算法上來進行求出最優(yōu)解，在第一生產(chǎn)線的IE工程師很難理解現(xiàn)有的理論和方法，且這些方法往往帶有復(fù)雜的計算，給實際應(yīng)用帶來困難[2]。同時我們看到，目前對于線平衡方面的文章，大部分是對生產(chǎn)線進行靜態(tài)分析，靜態(tài)分析由于所提取數(shù)據(jù)均為某一時間瞬時值或者一時間段的平均值，反映不出裝配生產(chǎn)的全過程，不能表述系統(tǒng)的整體特征。

論文通過對現(xiàn)有的冰箱裝配線進行建模仿真，探索了此類企業(yè)在生產(chǎn)過程中所遇到的問題，提出了解決方法，進而為此類企業(yè)提高生產(chǎn)線利用率提供了一種通用的解決方案。

1 生產(chǎn)線現(xiàn)狀調(diào)查

1.1 生產(chǎn)線簡介

所研究為冰箱預(yù)裝線，主要負(fù)責(zé)上下膽的拼接以及附加配件的組裝。淡季實行每天單班，每班10小時工作制，旺季實行兩班制，每班10小時工作制；近年來公司生產(chǎn)規(guī)模不斷擴大，特別是進入夏季，產(chǎn)量要求逐年增加；由于生產(chǎn)工藝、生產(chǎn)設(shè)備布局沒有經(jīng)過系統(tǒng)設(shè)計[3～5]，造成某些配件搬運距離較長、工位布置和作業(yè)分工不合理等問題，其生產(chǎn)流程如表1所示。

1.2 生產(chǎn)線現(xiàn)狀分析

1.2.1 確定現(xiàn)時生產(chǎn)節(jié)拍

根據(jù)公司目前有兩個預(yù)裝生產(chǎn)線，近期訂單需求為3600臺/天，單條預(yù)裝生產(chǎn)線工時利用率為90%，每天兩班制生產(chǎn)，每班工時為10小時，可計算目標(biāo)生產(chǎn)節(jié)拍時間為：

即要求我們預(yù)裝線的每一個工位的實際工時都必須在36秒以下，所有高于36秒的工站都必須改善。

1.2.2 崗位工時測定

首先對目前各崗位工時測定[6～8]。本文采用視頻錄制方法，視頻錄制較之前的秒表測定更為客觀，不受人為因素影響，因而更能反映生產(chǎn)現(xiàn)場時間；對每一個崗位連續(xù)測定四次，求得平均值，如表1所示。

表1 預(yù)裝線各崗位工時測量

1.2.3 生產(chǎn)線負(fù)荷分析

影響生產(chǎn)線穩(wěn)定、均衡生產(chǎn)的因素較多，但最關(guān)鍵的還是由于“瓶頸”因素的制約[9～11]。由表1可知，線下工序的中膽壓粘合工作站的節(jié)拍時間大于36s，由于此工位只生產(chǎn)電腦冰箱配件，在平日電腦冰箱占當(dāng)日生產(chǎn)總量約30%的時候能夠滿足日生產(chǎn)需求，但在夏季訂單增多，有時一天都要生產(chǎn)要電腦冰箱型號時，則幾乎難以滿足當(dāng)日需求。由于工人行走時間和操作時間存在動態(tài)性因素，可考慮通過仿真軟件模擬工作站的加工過程，以此分析其是否滿足當(dāng)前生產(chǎn)運行狀態(tài)。

2 仿真模型的建立以及改善方案設(shè)計的實施

2.1 平衡前的DS01工序仿真模型分析

運用simio系統(tǒng)仿真軟件對這個工站目前的流程進行仿真[12]。

此工作站為線下工作站；建立兩個發(fā)生源source，模擬內(nèi)膽和蒸發(fā)器架的配送。工人從兩個路線分別拿取內(nèi)膽和蒸發(fā)器；一個加工處理中心，模擬機器對內(nèi)膽和蒸發(fā)器的粘合加工；一個sink模擬中膽的暫存區(qū)，如圖1所示。地墊配件的配給在實際中會每隔一定時間由配送員定期配送，配給充足。

對于參數(shù)設(shè)置如表2所示，具體規(guī)則如下：

1）工人的行走時間均為均勻分布；由于Pert分布和三角分布類似，它更能反映出加工時間分布函數(shù)的期望行為，因此我們選取Pert分布模擬工人拿取配件和機器加工處理的時間。

2）蒸發(fā)器配件以及內(nèi)膽均由附近倉庫配送，可以隨時保證供給。

3）工人進入處理器入口的delytime 即為加粘合墊時間，處理器的準(zhǔn)備時間即為工人扳動機器手柄時間，拆卸時間即為工人去掉粘合墊時間。

4）全程模擬假設(shè)無機器故障時間和工人間歇休息時間。

在模型運行過程中，考慮到工人工作的重復(fù)性和連貫性，可考慮選擇某一天60min的作業(yè)時間進行仿真。

2.2 仿真實驗的運行與調(diào)試

圖1 中膽粘合工作站simio仿真模型建立效果圖

2.3 仿真試驗結(jié)果分析

改進前加工處理器的資源利用情況以及1h內(nèi)加工的實體如圖2所示，可以看出以下結(jié)果：

1）單位時間1h生產(chǎn)的中膽配件為90件，按照夏季旺季訂單需求，很難滿足目前的需求，如圖2所示。

表2 中膽粘合工作站的工序步驟以及數(shù)值分布特征

2）處理器processing時間占總時間25.13%，根據(jù)目前的工作情況觀察還有進一步提高處理性能的可能，如圖3所示。

圖2 改善前1h內(nèi)被制造的產(chǎn)品數(shù)量累積圖

圖3 改善前處理器資源利用情況

2.4 改善方案及設(shè)計

1）經(jīng)過實際調(diào)研，發(fā)現(xiàn)工人存在重復(fù)的搬運路線走動[13,14]，由于物流入口設(shè)計，蒸發(fā)器架和內(nèi)膽貨架不可能再進一步合并，但發(fā)現(xiàn)在機器加工內(nèi)膽時工人處于空閑等待時間，同時發(fā)現(xiàn)工人拿取內(nèi)膽的時間遠(yuǎn)小于機器加工時間；則可考慮建立一個中膽暫存區(qū)，工人可利用機器加工時間現(xiàn)行拿取內(nèi)膽至工作臺，如圖4所示。

2）發(fā)現(xiàn)工人在每次加工內(nèi)膽時均需要裝載和卸去加工墊，可考慮把粘合墊固定在機器加工面，可釋放工人雙手，同時減少工人操作機器時間。

3）根據(jù)人因工程理論中的作業(yè)空間設(shè)計，人站立時較舒適的工作面高度是比立姿肘關(guān)節(jié)高低1～5cm[15]。蒸發(fā)器架高度約155mm，內(nèi)膽貨架最高層也有165mm，發(fā)現(xiàn)此工位工人若身高太低，則會降低拿取配件的速度。因此可考慮制定工作規(guī)范，要求此工位工人身高在170～175cm之間。

4）蒸發(fā)器配件在支架存儲時管與管由于分枝較多，管與管之間牽連，纏繞，同時支架不可旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致工人拿取另一側(cè)蒸發(fā)器管困難。重新設(shè)計蒸發(fā)器捆綁方式，蒸發(fā)器架改為十字形可旋轉(zhuǎn)形式，這樣裝載量增多同時便于工人更為快捷拿取，改為3～5個蒸發(fā)器管用便捷繩捆綁纏為一組，這樣可減少管與管之間的牽扯，羈絆，減少工人拿取時間。

圖4 中膽暫存區(qū)改進示意圖

表3 中膽粘合工作站流程優(yōu)化改進表

2.5 平衡后的仿真模型分析及參數(shù)比較

從圖5可以看出，改善后處理器的processing時間由25.13%提升至31.91%。由手動加粘合墊改為固定在機器上自動加工，減少了工人手動操作時間，工人和機器設(shè)備的空閑時間相對降低，生產(chǎn)效率進一步提高。

圖5 改善后處理器資源利用情況

從圖6可以看出，1h內(nèi)加工的半成品數(shù)量由90提高到118個。充分利用機器加工的空閑時間，建立中膽暫存區(qū)，減少整個工人操作時間，同時對蒸發(fā)器配件的儲存形式進一步改進，減少了工人的拿取蒸發(fā)器的時間；工人身高增加，進一步使工人拿取蒸發(fā)器配件時間縮短。

總之，通過上面的分析可以說明，改進后的生產(chǎn)布局方案中的中膽粘合工序的加工處理時間利用率明顯增加，空閑時間減少，對整個生產(chǎn)線生產(chǎn)效率的提升有很大的促進作用，提高了生產(chǎn)線的平衡率。

圖6 改善后1h內(nèi)被制造的產(chǎn)品數(shù)量累積圖

3 結(jié)束語

生產(chǎn)加工是一個動態(tài)過程，本文運用Simio仿真軟件對冰箱預(yù)裝配線進行了仿真,并運用工業(yè)工程方法對裝配線進行了平衡研究，通過仿真一平衡一仿真,在不確定性因素增多的動態(tài)情況下,達(dá)到了較好的平衡效果；本文提出的生產(chǎn)布局解決方案并不一定最優(yōu)，但是運用此次方案的對比仿真結(jié)果分析，可以為企業(yè)提供一種解決生產(chǎn)線問題的通用方法和工具，今后的研究工作中還需進一步探討以下問題：1）本文以工位為研究對象進行仿真建模，在接下來的工作中，可以考慮以工序為建模對象，甚至是整條生產(chǎn)線，這樣前期的工作量非常多，因此要考慮企業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中的實際情況。2）本文建模過程中沒有考慮到加工機器的故障、突發(fā)意外情況等因素，在今后的進一步研究中可以加入這些影響因子，更為接近企業(yè)實際生產(chǎn)系統(tǒng)。

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