基于Witness的齒輪生產裝配線的仿真設計與改善

吳正佳， 劉碧波

（三峽大學機械與材料學院，湖北宜昌443002）

0 引言

在機床、車輛、船舶等傳動裝置內，齒輪作為最重要的機械傳動裝置之一被廣泛地應用于各種主要部件中［1］。但對于制造行業(yè)中的仿真研究問題，我國開展的工作并不深入，特別是對于齒輪生產的整個過程研究甚少，現(xiàn)有的研究也多數(shù)是從齒輪自身的強度、特性以及適用性等方向出發(fā)進行探討。所以本文通過Witness軟件，將物流仿真的概念與齒輪的生產裝配過程相結合，對中國一拖某齒輪生產裝配線進行仿真，從而建立一種可視化的動態(tài)顯示界面。通過對仿真數(shù)據(jù)的分析和系統(tǒng)的優(yōu)化，找到合適的優(yōu)化方案。

1 齒輪生產裝配線現(xiàn)狀分析

對一拖齒輪生產車間進行現(xiàn)場調查，依據(jù)齒輪生產裝配線的原始設計數(shù)據(jù)和現(xiàn)場生產情況，收集齒輪生產裝配線的生產時間數(shù)據(jù)，包括生產車間的布局數(shù)據(jù)、工位布置規(guī)劃、零部件明細、零部件的存放、生產設備、生產人員和生產工時等。該線上生產的主要零部件包括細長花鍵軸、驅動齒輪、齒輪軸等。

圖1 齒輪生產線物流結構圖

該企業(yè)主要生產工程機械變速齒輪箱，其中副箱驅動齒輪由齒輪軸、驅動齒輪、細長花鍵軸組成。每個生產部件由不同的生產車間單獨完成加工，其中細長花鍵軸必須經(jīng)過熱處理車間。齒輪軸與驅動齒輪加工后進行裝配，再與完成熱處理過程的細長花鍵軸進行裝配。各加工時間服從正態(tài)分布，生產線的結構物流圖如圖1所示。

加工齒輪軸要求用車床組、插齒機組、銑床組和磨床機組4組機器來完成4道工序，每一道工序都要按照先前的工藝順序規(guī)定在指定的機器組上完成，通過觀測統(tǒng)計時間為27 min。

加工驅動齒輪使用了7組機器∶車床組、滾齒機組、插齒機組、剃齒機組、倒角機組、清洗機組、磨床機組。按照順序進行事先規(guī)定好的工藝流程，通過觀測統(tǒng)計時間為19.7 min。

細長花鍵軸的原材料是棒料，其加工工序為：打孔、車外圓、粗車卡簧槽、滾齒、打標記、清洗、精車。完成一道工序后，工件會進入下一道工序或者處于等待進入狀態(tài)，進行規(guī)定的工藝順序，通過觀測統(tǒng)計時間為15.2 min。

在熱處理車間主要是對細長花鍵軸表面進行熱處理，在軸表面進行一系列的物理變化及化學變化，提高表面的硬度，使半成品具有耐磨、耐疲勞、耐腐蝕等優(yōu)良性能，還需進行冷卻處理，該工序對于提高產品的使用性能具有重要的意義，該工序的加工時間

為10 min。

在裝配車間一階段，主要是將加工后的齒輪軸與驅動齒輪進行裝配，裝配完成后檢驗合格的放入緩沖站傳入下一工序，裝配時間為20 min。

在裝配車間二階段，主要是把裝配車間一中得到的組合件與熱處理車間加工冷卻后的零件進行組合，并對得到的成品進行檢驗，將成品入庫，該段為整條生產線的最后一段，對產品要求較嚴，涉及總檢，加工時間為18 min。

2 基于Witness的齒輪生產裝配線仿真

2.1 Witness仿真軟件介紹

Witness軟件是由英國Lanner公司開發(fā)出的一種基于離散事件仿真的功能強大的工具軟件，該軟件不僅適用于生產系統(tǒng)的仿真，而且也適用于其他領域的仿真，不僅可以為企業(yè)生產系統(tǒng)的實施和規(guī)劃提供模擬環(huán)境及可視化顯示，還可以為合理利用生產系統(tǒng)資源提供一種好的策略［2－3］。

2.2 構建結構模型

模型不能表示現(xiàn)實系統(tǒng)的所有方面。表示系統(tǒng)所有細節(jié)模型通常是差的模型，我們應該根據(jù)系統(tǒng)仿真的基本步驟，首先定義問題和設定目標，然后建立解決問題的模型。本研究的目標是在保持車間連續(xù)工作的狀態(tài)下，對系統(tǒng)進行仿真運行，計算設備利用率、產量和庫存量。進而通過不同方案下仿真模型的運行，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的瓶頸，對仿真結果進行分析，提出最優(yōu)方案。

表1 元素定義

定義系統(tǒng)元素，并布置可視化模型的結構圖，本模型主要有3種離散型元素：機器元素、緩沖區(qū)元素和零部件元素。本模型中采用被動式的進入規(guī)則，就是要進行加工生產時零部件就可以被拉入模型進行生產。我們設定生產齒輪箱所需的零部件的供應是充足的，能夠滿足生產的需要。本系統(tǒng)有6組機器，3種零部件元素，6個緩沖區(qū)，元素的相關定義如表1。

2.3 結構模型的設置

對各元素進行可視化設置和細節(jié)設置，可視化設計中設置各元素的Text、Icon、part Queue，細節(jié)設置中設置各元素的參數(shù)及相應的程序代碼，設置完成后的顯示結果如圖2。

圖2 各個實體元素的顯示特征

2.4 模型的運行及結果分析

在選擇仿真運行長度時，不考慮啟動時間、資源失效可能間隔時間、處理時間等因素。因此，在運行模型前不設定系統(tǒng)的“預熱期”。在保持車間逐日連續(xù)工作的條件下進行 30 d 8 h（30×8×60=14 400 min）的仿真運行，計算設備利用率、產出量和庫存量因素。運行結果如圖3。

由仿真結果可知：生產車間1、2、3設備利用率都為100%，處于滿負荷的狀態(tài)，這對設備的損耗很大，這樣會嚴重降低設備的使用壽命。因此生產齒輪軸、驅動齒輪、細長花鍵軸的車間1、2、3為本系統(tǒng)的瓶頸。緩沖區(qū)的功能主要是用于存放上一工站加工完而下一工站來不及加工的零件，因此容量不是很大，但緩沖區(qū)2和緩沖區(qū)4上一月累積的零件數(shù)分別達到了197件和410件，這顯然嚴重阻礙了產線的平衡，而這也正是生產裝配線存在的一些問題。庫存量最高的是裝配車間2的庫存，即生產線產出量為533件，因此建設倉庫時，與裝配機組2的距離不宜過長，可以降低運輸成本。

圖3 仿真運行結果

3 齒輪生產線的改善及評價

根據(jù)原工廠的實際調研情況，原廠的投產順序可以改變，但原料投產批量是固定的，依據(jù)公司資金周轉的情況，公司同一種類型的設備最多只能添加1臺，并且添加設備的總臺數(shù)不能超過2臺，并且企業(yè)可以引進新設備和新技術改變局部車間生產的加工時間，但需要增加資金投入，能改變的車間分別為：生產車間1（24 min），生產車間 2（14 min），生產車間 3（20 min），裝配車間 1（11 min），裝配車間2（15 min）。故依據(jù)工廠的實際情況和上述仿真模型的結果分析，在保證緩沖站上積壓總量不大的情況下，現(xiàn)提出了以下方案。方案1：改變不同原料的投產順序；方案2：把加工車間1、2和裝配車間1的數(shù)量變?yōu)?；方案3：在所有車間都引進新技術；方案4：把加工車間1的數(shù)量變?yōu)?，并且在加工車間2、裝配車間1、2處引進新技術改變生產時間。按各方案運行結果如表2。

通過對上述4種方案的仿真發(fā)現(xiàn)，方案1改變原料的投產順序，使得產線緩沖站上累積達到了平衡，所有車間的利用率都減小了，但加工車間1的利用率為99.64%，還是沒有解決整個系統(tǒng)的瓶頸問題，產量變?yōu)?20件，產量不增反減，所以方案是不可取的。

表2 運行結果對比

方案2增加車間數(shù)量，雖然產量增加到782件，但所有車間的利用率改變很大，并且裝配車間2的利用率為97.73%，仍然很大，并且其他車間的利用率相對較低，所以也沒有解決系統(tǒng)的瓶頸問題，方案是否可取有待比較，有很大的參考價值。

方案3在所有的車間都引進新技術降低車間的加工時間，在保證緩沖區(qū)平衡的前提下，可以看到車間利用率變化后，適當?shù)亟档土塑囬g的利用率，但降幅太大，并且產出降為467件，增加成本反而起到了負面的作用，這是不可取的。

最后通過綜合比較發(fā)現(xiàn)較優(yōu)的方案是方案4。因為經(jīng)過此優(yōu)化后的模型，得到緩沖區(qū)內產品的累積量也大大降低，車間的利用率也降低到恰當?shù)姆秶鷥?，既提高了利用率也不至于降低設備的使用壽命，盡管熱處理車間和裝配車間1的利用率提高幅度不大，但在所有方案中是最優(yōu)的，不僅解除了存在于系統(tǒng)中的瓶頸問題，而且產量由原來的533件提升為880件，因此該方案是可行的。

4 結語

本文運用Witness仿真軟件，對中國一拖某一條齒輪生產裝配線來進行仿真，通過對仿真模型輸出數(shù)據(jù)的分析，發(fā)現(xiàn)生產過程的瓶頸，并通過優(yōu)化生產工藝，多次獨立運行模型，得到能夠消除系統(tǒng)瓶頸的改善方案，再通過對不同改善方案的對比分析，得出一個能提高產線產能的較優(yōu)的系統(tǒng)配置，能為生產管理者制定生產決策提供很好的決策參考，同時也對實際生產制造系統(tǒng)的改善與優(yōu)化有一定的借鑒意義。

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