基于Flexsim的主減速器裝配線優化設計

吳 波，田 亮

(武漢理工大學 機電工程學院，湖北 武漢 430070)

隨著生產力水平的提高和發展，工藝不斷完善，設備不斷改進，生產效率大大提高，與物料加工相比，物料的管理顯得更為重要[1-2]。

大量的國內外學者對車間的生產物流進行研究，Kretschmer等[3]提出在CAD、ERP等系統中存儲舊產品信息，并在新產品設計開發階段挖掘軟件中相似類型的舊產品信息估算成本。Jack等[4]運用e M-Plant 軟件對化工廠這種連續型制造企業進行仿真與優化。何純[5]使用QUEST軟件繪制煤機裝配車間中液壓支架、采煤機與刮板機3個裝配工藝進行設備建模，用代碼的形式將物流路徑寫入QUEST軟件，通過AGV小車、叉車等物流工具的利用率來評判物流的優劣并提出改進意見，卓亦君[6]用Flexsim仿真設置了3種產品合適的投產順序，孫軍艷等[7]采用Flexsim對設備布局進行優化仿真。

筆者針對某公司車間主減速器裝配現狀，采用Flexsim構建模型，利用仿真找出瓶頸工序。采用不同的方法解決不同的瓶頸工序，達到提高裝配效率的目的。

1 主減速器裝配線建模仿真

1.1 主減速器裝配現狀

某公司主減速器裝配工藝如圖1所示，各個工位的加工時間如表1所示。

圖1 主減速器裝配工藝

裝配線采用U型布置，其中選擇印痕墊片與預緊墊片由一名工人完成。而測量端面跳動、徑向跳動和鎖緊軸承蓋螺栓由機器獨立完成。確定工藝與加工時間后，即可采用Flexsim進行建模和仿真。

1.2 Flexsim建模過程

采用Flexsim建立模型步驟如圖2所示[8]。建立起的Flexsim模型如圖3所示。

1.3 仿真模型參數設置

由于實際生產情況較為復雜，因此對發生器、處理器等進行參數設置使其接近實際生產情況。

表1 各工位加工時間

圖2 仿真模型建立流程

首先對3個發生器進行參數設置。由于裝配線想采用JIT(just in time)生產方式，但是現場卻缺少看板管理[9]。由于只能在差速器殼、齒輪和減速器殼即將裝配完成時進行供應。一車差速器殼有4層，每層有24個；一車齒輪有18框，一框有5套；一車減速器殼有3層，一層有15個。在實際生產中，早班與中班裝配時間均為210 min，公司的裝配任務量每班不確定，為了充分研究裝配線的生產性能，設定公司曾計劃的最大裝配量為460個。因此假設裝配72個差速器殼時新一車的差速器殼就會上線。故差速器殼上線的時間間隔為t1=72×54 s=3 888 s，在210 min里的上線次數為4次。發生器均采用到達時間表的形式。而生產到460個產品時就要停止生產，因此在觸發器的離開觸發中設置終止模型(重復)運行的條件為“getinput(current)=460”。而齒輪和減速器殼上線的方式和差速器殼上線的形式類似，只用在到達次數和到達數量方向做修改。齒輪上線的時間間隔為t2=72×75 s=5 400 s，上線次數為3次，每車齒輪的數量為90；主減速器殼上線的時間間隔為t3=30×70 s=2 100 s，上線次數為6，每車的數量為45，按照該條件設置參數即可。 發生器的參數設置如表2所示。

圖3 Flexsim建立的仿真模型

表2 發生器的參數設置

暫存區的參數設置。在模型中一共設置了4個暫存區，前3個暫存區是為了模擬工位旁最多能存放的產品，根據工位旁的指示牌，3個工位旁最少要放一車物料，最多能放兩車物料，因此3個暫存區設置的最大容量依次設為192,180,90。而設置暫存區4是為了模擬在制品在裝配線堵塞情況。根據實際生產情況，將該暫存區的最大容量設置為3。

處理器與合成器的參數設置。由于合成器要將來自發生器和上道工序的半成品裝配，因此選擇“合成”模式，其余大部分處理器的加工時間按照其實際裝配時間設定，由于裝配過程由人機互動，不能保證每個工位裝配時間都準確無誤，因此將這些時間設定為正態分布的形式。

擰緊主動齒輪螺母這道工序因為在實際的裝配過程中，當主動齒輪轉動力矩不合格時，需要去上道工序重新選取預緊墊片并且返修，因此該處理器在設置時不能與其余的處理器一樣按照正態分布來設置加工時間。在跟蹤裝配線裝配的200臺主減速器中，記錄了有32臺主減速器在該工位進行過返修，返修的平均時間為300 s，因此在擰緊主動齒輪鎖緊螺母的加工時間設為百分比的形式，參數設置如表3所示。

表3 擰緊主齒鎖緊螺母參數設置

表3中Normal(73,10,10)表示該工位加工時間滿足期望是73 s，方差是10 s的正態分布。確定仿真參數設置無誤后，運行仿真模型并分析仿真結果。

1.4 仿真結果分析

按照一班210 min的時間運行仿真模型，即運行到12 600 s停止模型運行，并用EXCEL導出仿真后的數據。按照工藝的順序羅列各個工位的加工時間、空閑時間與阻塞時間，并列出工位在仿真中的實體屬性，最后導出所有處理器與合成器的加工率、空閑率與阻塞率并制成柱狀圖，如圖4所示。

圖4 各工位加工率、阻塞率、空閑率

從圖4可以看出，差減速器殼上線的發生器發生了堵塞，差速器殼上線堵塞時間為4 800 s，而減速器殼上線堵塞時間則接近2 h。但是物流人員不會等待，只會更頻繁觀察工位加工狀況，造成了人工物流任務繁重。

對處理器的分析主要是找出瓶頸工序，由于瓶頸工序會造成上道工序的空閑以及下道工序的阻塞，因此要首先找到空閑率高和阻塞率高的工位。從圖4可以看出，前3道工位的加工率都不高，并且堵塞狀況比較嚴重。擰緊主動齒輪鎖緊螺母的前道工位阻塞時間長，而后道工位的空閑率高。而值得注意的是調整螺母這道工序的加工率比總成檢測工序的加工率高出很多，因此在這道工位存在明顯的不平衡。

綜上所述，對裝配線改善的重點會放在前面3道與發生器相連的工位，擰緊主動齒輪鎖緊螺母工序以及預緊軸承蓋，調整調整螺母這5道工序上。

1.5 瓶頸工序分析

找到瓶頸工序后，需要對瓶頸工序產生的原因進行分析，采用“5W1H”的方法來分析問題。對于前面3道工序，結合對處理器的分析，是上料時間和上料量與這3個工位的裝配時間比例關系較差，造成堆料、堵塞以及物流任務重的現象。對于擰緊主動齒輪鎖緊螺母，由于存在返修的程序，破壞了前道工序的裝配節奏。而調整調整螺母由手動裝配，且裝配時間遠遠大于后面兩道工序的時間，故造成后面兩道工序很長的空閑時間。

2 主減速器裝配線改善與仿真

2.1 裝配線結構改進

前3道工序的瓶頸是由于物流供應造成的。而對擰緊鎖緊螺母和調整調整螺母的工序，采用工業工程中“ECRS”的改善方法對工位和生產線的設計進行調整[10]。改善后主減速器裝配線的仿真模型如圖5所示。

改善后的仿真模型中，在擰緊主動齒輪鎖緊螺母和預緊墊片間加了一個返修區構成的回路，并且兩個工人共同完成調整調整螺母、鎖緊軸承蓋螺栓和總成檢測的工作，其參數如表4與表5所示 。

圖5 改善后的仿真模型

表4 主動齒輪鎖緊螺母處理器參數設置

表5 加工1、加工2處理器參數設置

2.2 上料時間與上料量的改善

對上料時間和上料量的調整，采用matlab進行優化計算，首先給出上料時間與上料量的目標函數與約束條件。

定義變量為：

q=(q1,q2,q3,q4,q5,q6,q7,q8,q9,q10)

其中q1,q2,q3分別為差速器殼上線的供貨次數、每次供貨的數量以及供貨時間間隔。同理,q4,q5,q6代表齒輪上線的3個參數，而q7,q8,q9為減速器殼上線的3個參數。q10為總的供貨時間。

目標函數為：

maxQ=q1×q2

約束條件為：

q1×q3-q10≤0

(1)

q4×q6-q10≤0

(2)

q7×q9-q10≤0

(3)

0≤q10≤12 600

(4)

2×54×q2-q3≥0

(5)

2×75×q5-q6≥0

(6)

2×70×q8-q9≥0

(7)

q1×q2-q4×q5=0

(8)

q4×q5-q7×q8=0

(9)

0≤q2≤90

(10)

0≤q5≤90

(11)

0≤q8≤90

(12)

40×q1×q2≤12 600

(13)

q2>q5

(14)

q2>q8

(15)

式(1)～式(3)表示差速器減速器殼及齒輪的供貨時間小于物流時間。式(4)代表物流不能超過總的裝配時間。式(5)～式(7)說明加工完兩車物料之前必須提供一車物料。式(8)～式 (9)表示期望在供貨時間內3個工位能提供等量的貨物。式(10)～式(12)表示每車貨物不得為0且不大于90。式(13)是由于裝配線的最大節拍是40 s，因此總裝配時間不能超過一班的時間。式(14)和式(15)是因為差速器殼裝配時間比齒輪與減速器殼的短，故要求每車差速器殼的數量比減速器殼與齒輪的數量多。

目標函數與式(8)和式(9)結合起來，則是期望盡可能多地提供差速器殼、齒輪與減速器殼的數量。

將約束條件與目標函數輸入matlab中，進行非線性規劃的運算，優化結果如表6所示。

表6 優化結果

從matlab中求得的解不是整數，對其進行取整并輸入發生器中，新的發生器參數設置如表7所示，設置完成后運行新的仿真模型。

表7 新的發生器參數設置

2.3 改善后的仿真結果分析

采取與之前同樣的操作，運行新的仿真模型12 600 s，用EXCEL導出仿真后的數據并制作所有處理器與合成器改善前后加工率、阻塞率和空閑率的折線圖進行比較，如圖6所示。

圖6 改善前后各工位加工率、阻塞率、空閑率變化

對瓶頸工位進行分析，從圖6(a)可知，所有工位的加工率有了不同程度的上升，前3道工位的加工率都提升到了60%以上。從圖6(b)和圖6(c)可知，它們阻塞率變低，空閑率變高，加工更加平衡。

通過增加返修區，壓裝主動齒輪及法蘭盤的加工功率提高了20%，阻塞率下降明顯，之前高達50%的阻塞率降低了20%。同時，選擇墊片的阻塞率也有不同程度降低。

最后，通過合并的3道工位，加工率均提高到了70%以上，且之前空閑率高的問題得到了解決，空閑率從50%降低到了30%。

由此可見經過上料模式以及對生產線結構的調整，對瓶頸工位的改善效果明顯。

2.4 裝配線總體改善結果

在仿真中，通過點擊暫存區4來觀察暫存區在整個仿真過程中的仿真參數。改善前后，暫存區4的仿真參數如表8所示。

表8 暫存區4改善前后仿真結果

從表8可知，通過暫存區4的在制品數量變多，即產量增加，但是停留的時間較于之前減少了47%。從而證明，通過設置返修線體，使在制品在生產線上的停滯情況得到改善。

對于總裝配量的研究，可通過觀察吸收器的仿真參數。吸收器吸收量如表9所示。

表9 改善前后吸收器吸收量

從表9可知，新的仿真模型最終裝配了131個主減速器，較之前的裝配值，相等的時間內，裝配效率提高了28%。

從總體來看，通過對瓶頸工位的改善，不僅各個工位的加工率得到了提高，整個裝配系統的產能以及在制品在裝配線上的生產物流效率都得到了提高。

3 結論

針對某公司的主減速器裝配線現有的裝配工作中出現的問題，利用Flexsim物流仿真軟件找出裝配線上的瓶頸工序。采用matlab對上料時間和上料量進行優化，采用工業工程的理論方法對生產線出現的問題進行改進。經過調整，對新的生產線進行仿真并對比分析，仿真結果表明，通過優化，不僅提高了裝配效率，也減少了物料堆料造成堵塞的情況，使裝配線的產量得到了提高。